基于數(shù)字化轉(zhuǎn)型的新型電力系統(tǒng)構(gòu)建

朱先清 雷曉萍 王忠花 秦浩 謝浩榮 史正良

摘? 要：當(dāng)前，以大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、移動通信、人工智能、區(qū)塊鏈（以下簡稱“大云物移智鏈”）為代表的新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革深入發(fā)展，正在重構(gòu)全球創(chuàng)新版圖、重塑全球經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)。對于能源電力行業(yè)，數(shù)字技術(shù)與能源技術(shù)的融合應(yīng)用，將不斷推動能源電力低碳化發(fā)展、市場化變革、產(chǎn)業(yè)鏈升級、現(xiàn)代化監(jiān)管，實現(xiàn)能源革命與數(shù)字革命的融合并進(jìn)，正在并將持續(xù)改變傳統(tǒng)能源格局，支撐新型電力系統(tǒng)構(gòu)建，保障我國碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)實現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化轉(zhuǎn)型;新型;電力系統(tǒng)

1雙碳”目標(biāo)的背景及我國能源結(jié)構(gòu)分析

習(xí)近平總書記在第七十五屆聯(lián)合國大會講話中宣布：中國將采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。中國的承諾鼓舞了世界，此后，有關(guān)“雙碳”目標(biāo)的戰(zhàn)略部署步伐加快，今年3月，中央財經(jīng)委員會第九次會議提出，要把碳達(dá)峰、碳中和納入生態(tài)文明建設(shè)整體布局，倡導(dǎo)簡約適度、綠色低碳生活方式，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)?！半p碳”目標(biāo)提出后，社會各界積極采取行動，制定行動方案，綜合采用減少碳排放、增加碳匯及負(fù)排放技術(shù)實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型是實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的主要途徑。在能源生產(chǎn)側(cè)，推動清潔能源替代化石能源（目前主要以電能形式利用）;在能源消費側(cè)，推動電能替代以降低社會整體碳排放，因此，電力行業(yè)是實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的主戰(zhàn)場。按照多方預(yù)測，2060年我國一次能源消費總量約為46億噸標(biāo)煤，其中非化石能源占比將達(dá)到80%以上，風(fēng)、光將成為主要能源，且主要轉(zhuǎn)換成電能進(jìn)行利用;終端能源消費方面，交通、建筑、工業(yè)等行業(yè)紛紛將電氣化作為實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要舉措，2060年時電力占終端能源消費比例將達(dá)到79%～92%。據(jù)國網(wǎng)能源院預(yù)測，2060年我國全社會用電量約為15萬億千瓦時，電源總裝機(jī)將達(dá)到80億千瓦。其中，新能源（風(fēng)光，不含生物質(zhì)，下同）裝機(jī)規(guī)模將達(dá)到50億千瓦，占比超過60%，電量占比超過55%，逐漸成為電量供應(yīng)主體;水電、核電、火電等同步發(fā)電機(jī)組裝機(jī)占比約為23%，電量占比低于40%，仍有較大比重。為實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，需要對能源結(jié)構(gòu)進(jìn)行清潔替代、電能替代兩個轉(zhuǎn)型，并構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。電力將變?yōu)榛A(chǔ)能源，電網(wǎng)將成為能源供應(yīng)、消費以及傳輸轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

2 數(shù)字化轉(zhuǎn)型賦能構(gòu)建新型電力系統(tǒng)

2.1 5G研究與應(yīng)用。5G技術(shù)應(yīng)用于新型電力系統(tǒng)中不僅可以提升大電網(wǎng)源網(wǎng)儲互動能力，還能夠提升用戶供需互動能力和傳感信息的采集能力。目前5G研究與應(yīng)用如：5G+數(shù)電力線路在線檢測、5G+配電網(wǎng)保護(hù)、5G+精準(zhǔn)負(fù)荷控制、5G+短路電流計算分析、5G+智慧變電、5G+虛擬測量平臺、5G+柔性負(fù)荷等。

2.2衛(wèi)星數(shù)據(jù)體系建設(shè)應(yīng)用。衛(wèi)星數(shù)據(jù)體系廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通訊、電力工程規(guī)劃、電網(wǎng)設(shè)備的遙感、氣象、設(shè)備和用戶故障的定位、衛(wèi)星體系等。

2.3 AI技術(shù)研究與應(yīng)用。模型數(shù)據(jù)、市場數(shù)據(jù)、地理數(shù)據(jù)、量測數(shù)據(jù)、故障錄波、氣象數(shù)據(jù)等電網(wǎng)信號業(yè)務(wù)進(jìn)行監(jiān)視發(fā)生異?；蚬收蠒r進(jìn)行處置方案和輔助決策推送至電網(wǎng)調(diào)度知識庫評價后，電網(wǎng)調(diào)度運行決策算法模型對異?；蚬收鲜录M(jìn)行事件化生成后自動下達(dá)操作任務(wù)執(zhí)行命令。AI技術(shù)研究與應(yīng)用實現(xiàn)了電網(wǎng)操作過程全數(shù)字化，業(yè)務(wù)實時可見、流程實時監(jiān)控、結(jié)果自動反饋，提高了現(xiàn)場作業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化水平，縮短了業(yè)務(wù)處理時長。

2.4全模態(tài)仿真協(xié)同平臺建設(shè)應(yīng)用。針對集中式新能源場站，提出了基于數(shù)據(jù)-物理融合的新能源機(jī)組精準(zhǔn)建模。如：基于數(shù)據(jù)-物理融合的光伏電站精準(zhǔn)建模。針對小容量分布式或新建光伏電站出力預(yù)測的問題，提出基于空間相關(guān)性的光伏主從預(yù)測技術(shù);目前負(fù)荷模型仍采用簡單模型或典型參數(shù)，仿真結(jié)論與實際運行情況存在出入，對電網(wǎng)仿真分析工作帶來了不利影響。基于負(fù)荷精細(xì)化建模。隨著能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷深化，新型負(fù)荷元素接入電網(wǎng)，使得負(fù)荷側(cè)呈現(xiàn)出電力電子化、隨機(jī)性、智能化的新特點。為實現(xiàn)對電力用戶負(fù)荷信息的在線量測，研發(fā)了負(fù)荷智能終端和智能平臺。智能終端采集的數(shù)據(jù)用于負(fù)荷模型的在線修正。智能終端實時采集用戶負(fù)荷電氣信息，通過路由器和通訊基站將負(fù)荷信息上傳至云平臺，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及可視化展示。同時，智能終端還可接收和執(zhí)行控制中心下發(fā)的負(fù)荷開斷及功率調(diào)節(jié)等控制指令。

2.5芯片化多物理量融合集成的精準(zhǔn)感知技術(shù)。近年來傳感器的集成水平明顯加速，通過通訊與存儲技術(shù)的綜合運用，有效控制感知成本，同時也使傳感器的可靠性得到全面的提升，未來必將在數(shù)字電網(wǎng)中發(fā)揮更大的作用。非接觸式測量技術(shù)能夠使設(shè)備與感知解耦，避免兩者對彼此造成影響，為建設(shè)數(shù)字電網(wǎng)提供極大便利，因此是存量輸變電設(shè)備數(shù)字化建設(shè)的重要發(fā)展方向。通過多特征參量微弱信號的高靈敏感知機(jī)理及多參量融合感知技術(shù)，包括電、磁、光、機(jī)械、聲、熱、微量氣體等特征參量微弱信號的新型材料與傳感機(jī)理，實現(xiàn)多特征參量信號的融合感知。另外，微電子機(jī)械系統(tǒng)（micro electro mechanical system，MEMS）傳感技術(shù)也在廣泛推進(jìn)。如利用MEMS電場傳感技術(shù)進(jìn)行電壓測量，具有成本低，不存在角差、也不需要額外布線的優(yōu)點。MEMS磁場傳感器靈敏度高、測量范圍寬、易集成、低成本、能夠測量直流和交流電流。MEMS微音傳感器可用于油中溶解的特征氣體濃度檢測，氣體被一定波長的光激發(fā)遷躍，并產(chǎn)生壓力波，聲壓信號由MEMS傳感器進(jìn)行檢測，根據(jù)輸出的光聲信號的幅度計算出氣體的濃度。輸變電數(shù)字化轉(zhuǎn)型涉及海量設(shè)備，對定制芯片存在著大量的需求，近年來涌現(xiàn)出很多專用的芯片，如圖像、紅外熱像、局放、聲音以及溫度的系統(tǒng)級傳感芯片，具有深度學(xué)習(xí)功能的AI芯片，通信安全加密芯片等。傳感器的發(fā)展方向就是向芯片化過渡。隨著各類常規(guī)智能傳感器的模擬電路、數(shù)字電路、邊緣計算算法的規(guī)模化應(yīng)用，為提高傳感器可靠性、降低成本，就逐步將智能感知終端縮小到芯片級，使其在輸變電設(shè)備生產(chǎn)過程中能被更加便捷地預(yù)置，且支持帶電拆卸和更換。使用搭載電力定制化芯片（power specific integrated circuit，PSIC）的智能巡檢無人機(jī)、巡檢機(jī)器人、視頻攝像頭、紅外熱像儀或智能感知終端等進(jìn)行巡檢或監(jiān)測，可實現(xiàn)跨模態(tài)數(shù)據(jù)融合的輸變電設(shè)備巡檢或監(jiān)測，代替工作人員高效完成巡檢工作。多物理量微型傳感器件與電力定制化傳感芯片的融合，將是未來的研究熱點，涉及到微型傳感器件設(shè)計和芯片環(huán)境的多物理場分析等多方面內(nèi)容。

2.6 多源時空數(shù)據(jù)耦合的缺陷智能識別技術(shù)

輸變電設(shè)備狀態(tài)信息數(shù)據(jù)的來源廣泛，可針對產(chǎn)生的各種結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，根據(jù)樣本規(guī)模提出自適應(yīng)深度學(xué)習(xí)的缺陷識別算法。目前輸變電設(shè)備的故障和異常狀態(tài)的樣本不夠豐富，且已經(jīng)發(fā)生的歷史故障數(shù)據(jù)大部分并未安裝在線監(jiān)測系統(tǒng)，導(dǎo)致大量珍貴數(shù)據(jù)的缺失。為解決由于樣本數(shù)量過少引起的算法模型準(zhǔn)確率低的問題，一方面需要加強(qiáng)輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的覆蓋力度;另一方面，通過擴(kuò)展數(shù)據(jù)樣本的方法來擴(kuò)充故障樣本。如以基于策略梯度和GAN的故障案例生成方法具有收斂性好、能有效解決高維或者復(fù)雜空間問題的優(yōu)勢，適用于處理分布多樣和變化較大的離散數(shù)據(jù)。

當(dāng)輸變電設(shè)備的多源時空數(shù)據(jù)有效采集后，即可開展缺陷智能識別技術(shù)。如學(xué)者提出了一種變壓器繞組形變狀態(tài)綜合監(jiān)測方法，建立振動和電抗信息綜合監(jiān)測模型診斷繞組松散狀態(tài)和形變故障。如學(xué)者提出了基于多狀態(tài)量特征及變化規(guī)律的高壓電纜狀態(tài)綜合評價方法，建立了含局部放電譜圖、接地電流變化曲線、溫升變化曲線的圖譜庫，總結(jié)了不同缺陷下各狀態(tài)量的特征及變化規(guī)律。

目前，高校團(tuán)隊一般是在實驗室設(shè)計小尺寸模型，制作若干人工缺陷進(jìn)行試驗分析，利用各類傳感器感知多維時空數(shù)據(jù)，提出該條件下多維信息融合方法，分析狀態(tài)參量與缺陷類型、部件、嚴(yán)重程度和發(fā)展趨勢的關(guān)聯(lián)關(guān)系。但是，輸變電設(shè)備內(nèi)部數(shù)據(jù)獲取方式有限，對缺陷發(fā)展過程中的時空演變規(guī)律無法有效辨識。隨著輸變電設(shè)備的傳感器物聯(lián)網(wǎng)大力建設(shè)，缺陷監(jiān)測數(shù)據(jù)將逐漸豐富，多源時空數(shù)據(jù)耦合的缺陷智能識別研究將迎來新一輪熱潮。

3結(jié)語

推進(jìn)能源電力數(shù)字化和智能化轉(zhuǎn)型升級，能夠支撐“四個革命、一個合作”能源安全新戰(zhàn)略深入實施，是完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念新發(fā)展理念的迫切選擇。同時，能源電力數(shù)字化和智能化轉(zhuǎn)型升級也能夠有力促進(jìn)能源生產(chǎn)、傳輸、存儲、交易、消費全鏈條的能源電力數(shù)據(jù)連接，推動供需對接、要素重組、融通創(chuàng)新，提升產(chǎn)業(yè)協(xié)調(diào)、精益管理、智慧服務(wù)能力，為我國能源電力行業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展提供前所未有的發(fā)展機(jī)遇。

參考文獻(xiàn)：

[1]付晨，肖子洋.電力企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型技術(shù)研究及應(yīng)用[J].中國新通信，2020，22（04）：43-45.

[2].電力行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型之路[J].網(wǎng)絡(luò)安全和信息化，2020（02）：37-40.

[3]薛鳴，余波.淺談數(shù)字化電廠建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展[J].科技風(fēng)，2018（32）：174-175.

[4]沈兆新.電網(wǎng)企業(yè)面向高質(zhì)量的數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級[J].上海質(zhì)量，2018（10）：71-73.

[5]宋英茹.淺析生產(chǎn)電力系統(tǒng)數(shù)字化建設(shè)[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2018，36（04）：203-204.

朱先清，男，1996年11月生，助理工程師，計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，從事電力信息系統(tǒng)檢修維護(hù)工作。