看人工智能在能源領(lǐng)域的應用

人工智能（AI）技術(shù)已經(jīng)被廣泛地應用于能源領(lǐng)域中的系統(tǒng)建模、預測、控制和優(yōu)化等方面。

能源是人類社會的中心，并推動著技術(shù)和整體人類福祉的發(fā)展。然而，隨著全球人口的穩(wěn)定增長（預計到2050年將達到近100億），能源供應必須與需求保持一致。因此，關(guān)于資源的決策和管理已變得至關(guān)重要，因為如果決策不當，可能會產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟影響或?qū)е履茉炊倘薄?/p>

人工智能（Artificial Intelligence，AI）技術(shù)具有高效解決復雜問題的突出優(yōu)點，在可再生能源需求逐漸增加的今天，能源系統(tǒng)對信息的實時性要求越來越高，同時需要靈活的解決方案，因此人工智能技術(shù)在能源互聯(lián)網(wǎng)中具有廣泛的應用前景。在能源行業(yè)中，數(shù)據(jù)收集器和傳感器的廣泛使用收集了大量有關(guān)能耗的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以幫助理解，建模和預測物理行為以及人類對能源的影響，因此，目前人工智能技術(shù)已經(jīng)被廣泛地應用于能源領(lǐng)域中的系統(tǒng)建模、預測、控制和優(yōu)化等方面。

清華大學中國科技政策研究中心在其發(fā)布的《中國人工智能發(fā)展2018》報告中，通過對德溫特全球?qū)＠麢?quán)人的專利公開數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)AI領(lǐng)域中Top10專利權(quán)人分布如下圖：

圖1：AI領(lǐng)域中Top10專利權(quán)人分布（單位：件）（來源：參考資料1）

國家電網(wǎng)公司作為唯一一家中國企業(yè)在AI領(lǐng)域中與國際競爭對手在專利布局中占有一席之地，也說明AI技術(shù)在能源領(lǐng)域的巨大應用潛力。國家電網(wǎng)公司的AI相關(guān)發(fā)明技術(shù)主要應用在電網(wǎng)控制、配電網(wǎng)、風電站、新能源等領(lǐng)域。

當然，在整個電力系統(tǒng)中，除了電源側(cè)和輸電側(cè)以外，AI在用戶側(cè)的應用也十分流行，例如負荷預測、需求側(cè)管理和用戶分類等等。下圖描述了一個以新能源為電源的微網(wǎng)中AI的典型應用。AI技術(shù)，如機器學習、模糊邏輯、自然語言處理、大數(shù)據(jù)技術(shù)等，以及一些混合AI方法為電力系統(tǒng)的設(shè)計、模擬、預測、控制、優(yōu)化、評估、監(jiān)測、故障診斷、需求側(cè)管理等都提供了強大的工具。

圖2：AI在電力能源領(lǐng)域的應用（來源：參考資料2）

能源領(lǐng)域中常用的人工智能技術(shù)

機器學習

機器學習理論主要是設(shè)計和分析一些讓計算機可以主動“學習”的算法。在能源行業(yè)可應用在實現(xiàn)電網(wǎng)工程的可視化，輔助電廠優(yōu)化電網(wǎng)內(nèi)部設(shè)置等。自然語言處理自然語言處理讓計算機把輸入的語言數(shù)據(jù)變成有意思的符號和關(guān)系，然后進行再處理。在能源行業(yè)，自然語言處理可以用在自動獲取能源數(shù)據(jù)，為進一步能情況分析做準備。

大數(shù)據(jù)技術(shù)

大數(shù)據(jù)技術(shù)指對各種來源的大量非結(jié)構(gòu)化或者結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進行分析，利用人工智能從數(shù)據(jù)中挖掘信息，幫助決策。在能源行業(yè)中，對電廠的管理與運營是大數(shù)據(jù)技術(shù)的例子之一。

深度學習

深度學習使用包含復雜結(jié)構(gòu)或多重非線性變換購置的多個處理層對數(shù)據(jù)進行高層抽象。在能源行業(yè)中，利用深度學習優(yōu)化鉆井效率，可以提高20%的生產(chǎn)效率并減少40%的成本。

計算機視覺

計算機視覺是研究如何使機器實現(xiàn)人眼“看“的功能的技術(shù)。計算機視覺中的圖像識別在能源行業(yè)可以應用在能源勘探，通過收集的信息描繪地層結(jié)構(gòu)等。

模糊邏輯模糊邏輯是建立在多值邏輯基礎(chǔ)上的人工智能基礎(chǔ)理論，運用模糊集合的方法來研究模糊性思維、語言形式及其規(guī)律的科學。對于模型未知或不能確定的描述系統(tǒng)，模糊邏輯可以應用模糊集合和模糊規(guī)則進行推理，實行模糊綜合判斷。在能源行業(yè)，模糊邏輯可以用在處理不完整的油氣田地質(zhì)數(shù)據(jù)，從而優(yōu)化勘測模型，推理出更精細的地質(zhì)構(gòu)造情況。

人工智能在能源領(lǐng)域的應用方向

預測預測是人工智能在能源領(lǐng)域最常見的應用，包括能源經(jīng)濟方面的預測如負荷預測和電價預測，以及發(fā)電輸出功率預測。在電源側(cè)，針對風能、太陽能、水能等可再生能源受天氣條件影響較大的特點，可以采用深度置信網(wǎng)絡（DBN）、集成學習以及條件變分編碼器等技術(shù)，利用其在多層次網(wǎng)絡訓練、多分類綜合決策、特征自主提取與學習、強大泛化能力等方面的優(yōu)勢，基于調(diào)控大數(shù)據(jù)（天氣、環(huán)境、大氣條件、電站地理位置和電網(wǎng)歷史運行數(shù)據(jù)等），整合多種預測模型和算法，采用無監(jiān)督/半監(jiān)督的自主學習方式分析和發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)內(nèi)部規(guī)律、多種因素間的耦合關(guān)聯(lián)關(guān)，對可再生能源發(fā)電進行預測，提高可再生能源的預測精度。在用戶側(cè)，傳統(tǒng)上通常使用工程方法和統(tǒng)計方法進行負荷預測。但這些方法基本上是線性模型，而負荷和功率模式通常是外生變量的非線性函數(shù)。因此統(tǒng)計方法在預測的準確性和靈活性上具有不足之處。隨著ANN預測方法的發(fā)展，深度學習技術(shù)有望通過更高層次的抽象來提高預測精度。此外模糊邏輯、遺傳算法和SVM等也廣泛地應用到了預測中，這些技術(shù)與深度學習的結(jié)合應用得到了很高的預測精度。南網(wǎng)總調(diào)自動化處技術(shù)專家梁壽愚早在2015年就自行學習AI，基于谷歌旗下的TensorFlow開源框架，摸索AI與電網(wǎng)調(diào)度業(yè)務的結(jié)合，實現(xiàn)基于AI的負荷預測模型，取代原來幾個小時的人工測算，日前預測準確率高達97%。

故障檢測與診斷AI技術(shù)在電力系統(tǒng)故障診斷方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。主要使用的AI技術(shù)包括：模糊邏輯模型、廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡方法、多核SVM、免疫神經(jīng)網(wǎng)絡、分布式機器學習、ANN、神經(jīng)模糊和小波神經(jīng)網(wǎng)絡、隱馬爾可夫模型。

需求側(cè)管理

需求側(cè)管理是智能電網(wǎng)中重要的功能之一，可以提高智能電網(wǎng)的可持續(xù)性，并降低整體運營成本和碳排放水平。傳統(tǒng)能源管理系統(tǒng)中現(xiàn)有的需求側(cè)管理策略大多采用系統(tǒng)特定的技術(shù)和算法。此外，現(xiàn)有的策略只能處理有限數(shù)量的有限類型的可控負載。隱馬爾可夫模型、聚類算法、遺傳算法、機器學習等AI技術(shù)在負荷辨識、多用戶協(xié)調(diào)控制、錯峰控制等方面有很好的應用。

人工智能技術(shù)在能源領(lǐng)域中的應用已經(jīng)獲得了良好的發(fā)展，雖然在我國這方面的應用研究才剛剛進入軌道，但我國能源行業(yè)的持續(xù)發(fā)展、電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)總量的不斷增加以及市場競爭的影響和加大，都為人工智能技術(shù)的應用提供了廣闊