基于數字化轉型的新型電力系統構建

朱先清 雷曉萍 王忠花 秦浩 謝浩榮 史正良

摘? 要：當前，以大數據、云計算、物聯網、移動通信、人工智能、區塊鏈（以下簡稱“大云物移智鏈”）為代表的新一輪科技革命和產業變革深入發展，正在重構全球創新版圖、重塑全球經濟結構。對于能源電力行業，數字技術與能源技術的融合應用，將不斷推動能源電力低碳化發展、市場化變革、產業鏈升級、現代化監管，實現能源革命與數字革命的融合并進，正在并將持續改變傳統能源格局，支撐新型電力系統構建，保障我國碳達峰、碳中和目標實現。

關鍵詞：數字化轉型;新型;電力系統

1雙碳”目標的背景及我國能源結構分析

習近平總書記在第七十五屆聯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年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。中國的承諾鼓舞了世界，此后，有關“雙碳”目標的戰略部署步伐加快，今年3月，中央財經委員會第九次會議提出，要把碳達峰、碳中和納入生態文明建設整體布局，倡導簡約適度、綠色低碳生活方式，構建以新能源為主體的新型電力系統?！半p碳”目標提出后，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、增加碳匯及負排放技術實現“雙碳”目標。能源結構轉型是實現“雙碳”目標的主要途徑。在能源生產側，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，推動電能替代以降低社會整體碳排放，因此，電力行業是實現“雙碳”目標的主戰場。按照多方預測，2060年我國一次能源消費總量約為46億噸標煤，其中非化石能源占比將達到80%以上，風、光將成為主要能源，且主要轉換成電能進行利用;終端能源消費方面，交通、建筑、工業等行業紛紛將電氣化作為實現“雙碳”目標的重要舉措，2060年時電力占終端能源消費比例將達到79%～92%。據國網能源院預測，2060年我國全社會用電量約為15萬億千瓦時，電源總裝機將達到80億千瓦。其中，新能源（風光，不含生物質，下同）裝機規模將達到50億千瓦，占比超過60%，電量占比超過55%，逐漸成為電量供應主體;水電、核電、火電等同步發電機組裝機占比約為23%，電量占比低于40%，仍有較大比重。為實現“雙碳”目標，需要對能源結構進行清潔替代、電能替代兩個轉型，并構建以新能源為主體的新型電力系統。電力將變為基礎能源，電網將成為能源供應、消費以及傳輸轉換的關鍵環節。

2 數字化轉型賦能構建新型電力系統

2.1 5G研究與應用。5G技術應用于新型電力系統中不僅可以提升大電網源網儲互動能力，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研究與應用如：5G+數電力線路在線檢測、5G+配電網保護、5G+精準負荷控制、5G+短路電流計算分析、5G+智慧變電、5G+虛擬測量平臺、5G+柔性負荷等。

2.2衛星數據體系建設應用。衛星數據體系廣泛應用于衛星通訊、電力工程規劃、電網設備的遙感、氣象、設備和用戶故障的定位、衛星體系等。

2.3 AI技術研究與應用。模型數據、市場數據、地理數據、量測數據、故障錄波、氣象數據等電網信號業務進行監視發生異?；蚬收蠒r進行處置方案和輔助決策推送至電網調度知識庫評價后，電網調度運行決策算法模型對異?；蚬收鲜录M行事件化生成后自動下達操作任務執行命令。AI技術研究與應用實現了電網操作過程全數字化，業務實時可見、流程實時監控、結果自動反饋，提高了現場作業的標準化水平，縮短了業務處理時長。

2.4全模態仿真協同平臺建設應用。針對集中式新能源場站，提出了基于數據-物理融合的新能源機組精準建模。如：基于數據-物理融合的光伏電站精準建模。針對小容量分布式或新建光伏電站出力預測的問題，提出基于空間相關性的光伏主從預測技術;目前負荷模型仍采用簡單模型或典型參數，仿真結論與實際運行情況存在出入，對電網仿真分析工作帶來了不利影響?；谪摵删毣?。隨著能源互聯網技術的不斷深化，新型負荷元素接入電網，使得負荷側呈現出電力電子化、隨機性、智能化的新特點。為實現對電力用戶負荷信息的在線量測，研發了負荷智能終端和智能平臺。智能終端采集的數據用于負荷模型的在線修正。智能終端實時采集用戶負荷電氣信息，通過路由器和通訊基站將負荷信息上傳至云平臺，并進行數據處理及可視化展示。同時，智能終端還可接收和執行控制中心下發的負荷開斷及功率調節等控制指令。

2.5芯片化多物理量融合集成的精準感知技術。近年來傳感器的集成水平明顯加速，通過通訊與存儲技術的綜合運用，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，未來必將在數字電網中發揮更大的作用。非接觸式測量技術能夠使設備與感知解耦，避免兩者對彼此造成影響，為建設數字電網提供極大便利，因此是存量輸變電設備數字化建設的重要發展方向。通過多特征參量微弱信號的高靈敏感知機理及多參量融合感知技術，包括電、磁、光、機械、聲、熱、微量氣體等特征參量微弱信號的新型材料與傳感機理，實現多特征參量信號的融合感知。另外，微電子機械系統（micro electro mechanical system，MEMS）傳感技術也在廣泛推進。如利用MEMS電場傳感技術進行電壓測量，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遷躍，并產生壓力波，聲壓信號由MEMS傳感器進行檢測，根據輸出的光聲信號的幅度計算出氣體的濃度。輸變電數字化轉型涉及海量設備，對定制芯片存在著大量的需求，近年來涌現出很多專用的芯片，如圖像、紅外熱像、局放、聲音以及溫度的系統級傳感芯片，具有深度學習功能的AI芯片，通信安全加密芯片等。傳感器的發展方向就是向芯片化過渡。隨著各類常規智能傳感器的模擬電路、數字電路、邊緣計算算法的規?；瘧?，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，使其在輸變電設備生產過程中能被更加便捷地預置，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、巡檢機器人、視頻攝像頭、紅外熱像儀或智能感知終端等進行巡檢或監測，可實現跨模態數據融合的輸變電設備巡檢或監測，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計和芯片環境的多物理場分析等多方面內容。

2.6 多源時空數據耦合的缺陷智能識別技術

輸變電設備狀態信息數據的來源廣泛，可針對產生的各種結構化、非結構化數據，根據樣本規模提出自適應深度學習的缺陷識別算法。目前輸變電設備的故障和異常狀態的樣本不夠豐富，且已經發生的歷史故障數據大部分并未安裝在線監測系統，導致大量珍貴數據的缺失。為解決由于樣本數量過少引起的算法模型準確率低的問題，一方面需要加強輸變電設備狀態監測系統的覆蓋力度;另一方面，通過擴展數據樣本的方法來擴充故障樣本。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雜空間問題的優勢，適用于處理分布多樣和變化較大的離散數據。

當輸變電設備的多源時空數據有效采集后，即可開展缺陷智能識別技術。如學者提出了一種變壓器繞組形變狀態綜合監測方法，建立振動和電抗信息綜合監測模型診斷繞組松散狀態和形變故障。如學者提出了基于多狀態量特征及變化規律的高壓電纜狀態綜合評價方法，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，總結了不同缺陷下各狀態量的特征及變化規律。

目前，高校團隊一般是在實驗室設計小尺寸模型，制作若干人工缺陷進行試驗分析，利用各類傳感器感知多維時空數據，提出該條件下多維信息融合方法，分析狀態參量與缺陷類型、部件、嚴重程度和發展趨勢的關聯關系。但是，輸變電設備內部數據獲取方式有限，對缺陷發展過程中的時空演變規律無法有效辨識。隨著輸變電設備的傳感器物聯網大力建設，缺陷監測數據將逐漸豐富，多源時空數據耦合的缺陷智能識別研究將迎來新一輪熱潮。

3結語

推進能源電力數字化和智能化轉型升級，能夠支撐“四個革命、一個合作”能源安全新戰略深入實施，是完整準確全面貫徹新發展理念新發展理念的迫切選擇。同時，能源電力數字化和智能化轉型升級也能夠有力促進能源生產、傳輸、存儲、交易、消費全鏈條的能源電力數據連接，推動供需對接、要素重組、融通創新，提升產業協調、精益管理、智慧服務能力，為我國能源電力行業轉型發展提供前所未有的發展機遇。

參考文獻：

[1]付晨，肖子洋.電力企業數字化轉型技術研究及應用[J].中國新通信，2020，22（04）：43-45.

[2].電力行業的數字化轉型之路[J].網絡安全和信息化，2020（02）：37-40.

[3]薛鳴，余波.淺談數字化電廠建設的關鍵技術及發展[J].科技風，2018（32）：174-175.

[4]沈兆新.電網企業面向高質量的數字化轉型升級[J].上海質量，2018（10）：71-73.

[5]宋英茹.淺析生產電力系統數字化建設[J].數字技術與應用，2018，36（04）：203-204.

朱先清，男，1996年11月生，助理工程師，計算機科學與技術專業，從事電力信息系統檢修維護工作。