構(gòu)建更智能的電網(wǎng)

隨著電網(wǎng)向雙向和分散的方向發(fā)展，人工智能是唯一能夠以所需規(guī)模實(shí)時(shí)管理電網(wǎng)的工具。

世界各地的電網(wǎng)都面臨著類(lèi)似的挑戰(zhàn)。其中最大的一個(gè)是各種可再生能源發(fā)電量的增加。太陽(yáng)能和風(fēng)能對(duì)地球非常有益，但它們與天氣一樣難以預(yù)測(cè)。旨在鼓勵(lì)消費(fèi)者將太陽(yáng)能電池板放在屋頂上并使用電動(dòng)汽車(chē)儲(chǔ)存能量的計(jì)劃意味著電網(wǎng)正在從單向轉(zhuǎn)變?yōu)殡p向。而不是需求預(yù)測(cè)，公用事業(yè)現(xiàn)在需要以非常精細(xì)的粒度實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)供需。

“將人工智能添加到組合中并在邊緣進(jìn)行實(shí)時(shí)分析的能力對(duì)于增加可以上線的分布式能源數(shù)量至關(guān)重要，”能源部門(mén)全球業(yè)務(wù)發(fā)展和技術(shù)主管 Marc Spieler英偉達(dá)告訴EE Times。

馬克·斯皮勒

斯皮勒指出，風(fēng)能、太陽(yáng)能和電動(dòng)汽車(chē)正在做大量工作，但如果電網(wǎng)沒(méi)有能力支持這些應(yīng)用，那么這些努力就白費(fèi)了。

需求預(yù)測(cè)利用了許多復(fù)雜的因素。除了天氣，實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)可能包括復(fù)雜的任務(wù)，例如預(yù)測(cè)有多少電動(dòng)卡車(chē)將到達(dá)哪個(gè)加油站，以及需要在什么確切時(shí)間為電池充電。

“這將歸結(jié)為每小時(shí)、每分鐘的類(lèi)型決策，”他說(shuō)?！岸斯ぶ悄苁俏ㄒ荒茏屗兊酶咝У臇|西?！?/p>

大規(guī)模預(yù)測(cè)

如今，公用事業(yè)公司通常訂閱詳細(xì)的天氣預(yù)報(bào)服務(wù)，將這些數(shù)據(jù)輸入復(fù)雜的模型中，以嘗試預(yù)測(cè)能源需求。

“在這方面做得最好的人可能是金融服務(wù)公司，是買(mǎi)賣(mài)權(quán)力的對(duì)沖基金，”斯皮勒說(shuō)?！澳切┤苏趯?duì)人工智能進(jìn)行巨額投資，他們正在利用利潤(rùn)?！?/p>

然而，斯皮勒說(shuō)，公用事業(yè)公司正在升級(jí)他們的游戲。

“我們看到公用事業(yè)中的數(shù)據(jù)科學(xué)正在興起，”他說(shuō)。“我們正在合作的一些 [實(shí)用程序] 正在加強(qiáng)他們的數(shù)據(jù)科學(xué)社區(qū)。我們開(kāi)始首次將硬件 DGX 系統(tǒng) [Nvidia 數(shù)據(jù)中心級(jí) AI 加速器] 出售給公用事業(yè)公司?！?/p>

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雖然昨天的電網(wǎng)是單向的，但今天的能源需要在分散的數(shù)字化電網(wǎng)中流入和流出消費(fèi)者（圖片：Veritone）

大規(guī)模人工智能實(shí)用程序可用的技術(shù)之一是聯(lián)合學(xué)習(xí)——一種可以使用來(lái)自多個(gè)來(lái)源的數(shù)據(jù)訓(xùn)練中央模型的技術(shù)，而無(wú)需集中或共享數(shù)據(jù)。這通常在醫(yī)療保健領(lǐng)域用于醫(yī)療 AI 模型，因?yàn)榭梢栽L問(wèn)更多的訓(xùn)練數(shù)據(jù)可以使模型更準(zhǔn)確，但數(shù)據(jù)不能離開(kāi)醫(yī)院場(chǎng)所。本質(zhì)上，模型的本地版本在邊緣重新訓(xùn)練，然后集中更新模型參數(shù)以使整體模型更好。Nvidia 有一個(gè)名為 Clara 的聯(lián)合學(xué)習(xí)平臺(tái)。

Spieler 指出，電網(wǎng)的大規(guī)模需求和供應(yīng)預(yù)測(cè)模型將是 Clara 的一個(gè)有趣用例。

“[Utilities] 無(wú)法共享他們的數(shù)據(jù)，但他們也不是完全的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，因?yàn)橹挥幸唤M電源線連接到你的房子，”他說(shuō)?！拔覀兿嘈?，我們可以使用聯(lián)合學(xué)習(xí)，通過(guò)訓(xùn)練他們的模型并與可以整合這些模型的大型組織共享模型權(quán)重，讓整個(gè)行業(yè)協(xié)同工作?！?/p>

這可以使更準(zhǔn)確的模型能夠預(yù)測(cè)電網(wǎng)對(duì)異常天氣條件的響應(yīng)——例如，部署在沙漠州的模型可以部分使用來(lái)自更北方的數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，其中將包括更多這些特定條件的實(shí)例。

網(wǎng)格邊緣

未來(lái)的電網(wǎng)也將在邊緣使用人工智能。

十年前的“智能電表”將變得更加智能。智能電表的用例已經(jīng)從擺脫人工抄表員轉(zhuǎn)變?yōu)樵谑褂萌斯ぶ悄茴A(yù)測(cè)太陽(yáng)能電池板和電動(dòng)汽車(chē)的消費(fèi)者需求和供應(yīng)方面發(fā)揮更多作用。

根據(jù) Spieler 的說(shuō)法，今天的智能電表使用的數(shù)據(jù)很少。一個(gè)典型的儀表可能有八個(gè)可用的數(shù)據(jù)通道，而智能恒溫器等下游設(shè)備可能收集多達(dá) 20 或 30 個(gè)數(shù)據(jù)通道。

“今天的每個(gè)智能電表都有一個(gè)芯片——問(wèn)題是它是否足夠強(qiáng)大來(lái)處理大量數(shù)據(jù)？” 他說(shuō)。“我們?cè)O(shè)想智能電表可以像 iPhone 一樣——它捕獲大量數(shù)據(jù)，然后公用事業(yè)、消費(fèi)者和其他人可以在此基礎(chǔ)上應(yīng)用應(yīng)用程序，以?xún)?yōu)化能源效率?！?/p>

如果變電站出現(xiàn)故障，智能電表可以提供必要的數(shù)據(jù)，以在特定社區(qū)創(chuàng)建微電網(wǎng)，該微電網(wǎng)可以在鄰居之間共享太陽(yáng)能或電動(dòng)汽車(chē)電池的能量。在極端天氣的情況下，支持人工智能的智能電表也可能被用于關(guān)閉非必要負(fù)載的電源，作為一種智能減載方案。（斯皮勒在這里的例子是，在最近的德克薩斯電網(wǎng)危機(jī)期間，休斯頓游泳池泵的電源可能已經(jīng)關(guān)閉，以維持對(duì)正在運(yùn)行救生醫(yī)療設(shè)備的家庭的供應(yīng)）。

“[我們可以]以外科手術(shù)的方式將能源消耗從電網(wǎng)中移除，”他說(shuō)。“今天它純粹是通過(guò)打開(kāi)和關(guān)閉[整個(gè)城市]來(lái)完成的，但在未來(lái)你可以根據(jù)某人家的溫度做出決定。”

在寒流期間，智能電表可以顯示哪些家庭的溫度處于或低于 40 度，然后電網(wǎng)可以?xún)?yōu)先考慮他們的電力供應(yīng)，這樣他們的管道就不會(huì)凍結(jié)。

“人工智能將提供這種級(jí)別的可見(jiàn)性，”他說(shuō)。“數(shù)據(jù)是存在的，我們?cè)?Nest 恒溫器和儀表后面的其他東西上看到了這一點(diǎn)。但這些數(shù)據(jù)并沒(méi)有返回給公用事業(yè)公司以更好地做出決策。”

網(wǎng)格 AI 算法

Veritone 是為網(wǎng)格管理開(kāi)發(fā) AI 解決方案的幾家公司之一。該公司的 CDI（協(xié)作分布式推理）技術(shù)旨在確保整個(gè)電網(wǎng)的可預(yù)測(cè)能量分布和彈性。該系統(tǒng)使用預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)和規(guī)則來(lái)構(gòu)建和持續(xù)更新設(shè)備狀態(tài)模型，然后用于智能控制邊緣設(shè)備。

“沒(méi)有人可以正確控制電網(wǎng)，” Veritone 能源高級(jí)副總裁 Sean McEvoy 告訴EE Times。他說(shuō)，需要對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以持續(xù)監(jiān)控電網(wǎng)上每個(gè)發(fā)電和儲(chǔ)存設(shè)備的狀態(tài)，以及能源需求、天氣模式、傳輸流量和能源價(jià)格。

只有人工智能能夠做到這一切。

“對(duì)這場(chǎng)海嘯數(shù)據(jù)的持續(xù)實(shí)時(shí)建模提供了智能，可以不斷了解每個(gè)電網(wǎng)參與者需要多少能量，以及在任何給定時(shí)刻或不久的將來(lái)可以輸送多少能量，”McEvoy 說(shuō)?！安粌H沒(méi)有人能做到這一點(diǎn)——即使是巨大的計(jì)算機(jī)能力也是不夠的。它需要邊緣計(jì)算能力與智能強(qiáng)化和適應(yīng)學(xué)習(xí)相結(jié)合?！?/p>

強(qiáng)化學(xué)習(xí)是一種人工智能代理（一種采取某種行動(dòng)的人工智能算法）被訓(xùn)練以最大化某種獎(jiǎng)勵(lì)概念的技術(shù)。這使代理能夠有效地從其行為的后果中學(xué)習(xí)，而不是專(zhuān)門(mén)被教導(dǎo)。Veritone 算法的自適應(yīng)特性意味著它會(huì)隨著實(shí)時(shí)條件的變化而不斷更新其系統(tǒng)模型。

McEvoy 進(jìn)一步解釋說(shuō)，Veritone 為網(wǎng)格創(chuàng)建的 AI 模型使用“分布式、受約束的哈密頓量”方法。在這種情況下分布式意味著在邊緣進(jìn)行推理以改善延遲。這些模型可能受到規(guī)則的約束，例如設(shè)備保修，或北美電力可靠性公司 (NERC) 或聯(lián)邦能源管理委員會(huì) (FERC) 頒布的規(guī)則。平均場(chǎng)算法用于模型同步，線性代數(shù)模型用于預(yù)測(cè)。Veritone 的模擬器使用蒙特卡羅技術(shù)來(lái)模擬不同結(jié)果的概率。

Veritone 的電網(wǎng)人工智能解決方案概述如下所示。有關(guān)域規(guī)則的信息由規(guī)則轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為參數(shù)。斷層掃描儀學(xué)習(xí)和更新受控設(shè)備的模型，優(yōu)化器不斷創(chuàng)建滿(mǎn)足操作和行為目標(biāo)的策略，平均場(chǎng)通過(guò)將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)投影到本地代理來(lái)同步 CDI 代理。邊緣控制器控制邊緣設(shè)備，黑板提供信息流，預(yù)測(cè)器使用過(guò)去和當(dāng)前的傳感器數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)測(cè)未來(lái)的能源因素，包括需求。

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Veritone 用于實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制電網(wǎng)的 AI 解決方案概述（圖片：Veritone）

Veritone 面向公用事業(yè)和獨(dú)立電力生產(chǎn)商 (IPP)，如微電網(wǎng)開(kāi)發(fā)商和運(yùn)營(yíng)商，并與設(shè)備供應(yīng)商合作，為太陽(yáng)能逆變器和電池系統(tǒng)等資源開(kāi)發(fā)和部署人工智能模型和預(yù)測(cè)控制器。

“該軟件可以集中部署在變電站、數(shù)據(jù)中心或邊緣，以控制邊緣設(shè)備并提供邊緣推理，”McEvoy 說(shuō)。“多個(gè)電網(wǎng)邊緣設(shè)備的實(shí)時(shí)同步提供了工廠狀態(tài)和容量的整體模型視圖?！?/p>

這些人工智能技術(shù)將在多大范圍內(nèi)推廣，從相對(duì)較小的規(guī)模開(kāi)始是否有意義，也許是微電網(wǎng)？或者從零開(kāi)始有缺點(diǎn)嗎？

“通常，Veritone 建議從控制單個(gè)站點(diǎn)的能源資源開(kāi)始，”McEvoy 說(shuō)。

首先將人工智能技術(shù)推廣到較小的站點(diǎn)——也許是 25-50 兆瓦的可再生能源發(fā)電機(jī)和存儲(chǔ)——可以為電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商提供信心。

“一旦該站點(diǎn)使用 AI 進(jìn)行了優(yōu)化，它就可以擴(kuò)展到多個(gè)站點(diǎn)，并且 AI 可以在站點(diǎn)級(jí)別進(jìn)行同步，”他說(shuō)?！霸摷夹g(shù)可以管理和控制納米電網(wǎng)、微電網(wǎng)和更廣泛的公用電網(wǎng)，但隨著規(guī)模的擴(kuò)大，復(fù)雜性會(huì)呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)?！?/p>

審核編輯 黃昊宇