浙江大學(xué)教授楊強(qiáng):工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)下的新能源電力系統(tǒng)發(fā)展
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前面很多老師講了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)涵,現(xiàn)在大家的網(wǎng)絡(luò)化、平臺(tái)化、新模式是非常認(rèn)同的。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)是在數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化以后形成的面向未來(lái)、泛在連接、彈性供給、高效配置,我認(rèn)為它的核心是人機(jī)物泛在互聯(lián)和深度融合情況下的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智能化,這是代表未來(lái)人工智能深度發(fā)展的趨勢(shì)。
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的價(jià)值和問(wèn)題很明確,價(jià)值上我們看到的優(yōu)勢(shì)以外,問(wèn)題是問(wèn)絡(luò)空間的架構(gòu),數(shù)據(jù)科學(xué),機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能應(yīng)用,還有網(wǎng)絡(luò)空間安全的問(wèn)題,這些年來(lái)從三網(wǎng)融合,到時(shí)空關(guān)聯(lián),到平行演進(jìn),包括自感知,自學(xué)習(xí)、自診斷、自控制,從過(guò)去的互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的形態(tài),向未來(lái)以人工智能為驅(qū)動(dòng)的方向發(fā)展。
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)趨勢(shì)下,人工智能在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)一定需要和行業(yè)的需求結(jié)合,和行業(yè)的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)結(jié)合,只有這樣才能把我們的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用推向更深入的方面。把知識(shí)驅(qū)動(dòng)的主動(dòng)智能方向發(fā)展,我提的是能源互聯(lián)網(wǎng),能源互聯(lián)網(wǎng)是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)重要的領(lǐng)域,是能源方面的分支。我們國(guó)家從2009年的智能電網(wǎng)建設(shè)開(kāi)始,當(dāng)時(shí)追隨美國(guó)的步伐,我們走到了世界前列,最近我們提出我們要建設(shè)世界一流的能源互聯(lián)網(wǎng),過(guò)程當(dāng)中我們有智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)來(lái)支撐我們構(gòu)建未來(lái)新一代的能源互聯(lián)網(wǎng)。這也是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)典型的應(yīng)用案例。
能源互聯(lián)網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)一個(gè)系統(tǒng)智能,多能協(xié)同、信息對(duì)稱(chēng)、供需分散、扁平管理、交易開(kāi)放等,所以我們還有很長(zhǎng)的路要走也是我們國(guó)家推動(dòng)能源革命的重要的技術(shù)支撐平臺(tái),所以說(shuō),大量的研究技術(shù)研究、產(chǎn)品都在朝著這個(gè)方向發(fā)展。
我們之所以能夠做能源互聯(lián)網(wǎng),因?yàn)橛袃蓚€(gè)基礎(chǔ),過(guò)去很長(zhǎng)時(shí)間的物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ),包括能源的生產(chǎn)端、傳輸端、消費(fèi)端,數(shù)以?xún)|計(jì)的海量裝備和熟練,形成的數(shù)據(jù),為我們后來(lái)的人工智能的應(yīng)用,挖掘處理決策等,包括可視化提供了一個(gè)非常好的契機(jī)。
能源互聯(lián)網(wǎng)將實(shí)現(xiàn)一個(gè)電力系統(tǒng)能量流、信息流和價(jià)值流的重新整合,這也符合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的趨勢(shì)。人工智能的內(nèi)涵和外延也有普遍的闡釋?zhuān)沧R(shí)是基礎(chǔ)條件已經(jīng)成熟,人工智能工業(yè)級(jí)的應(yīng)用,未來(lái)的十年當(dāng)中很可能成為顛覆的技術(shù)。人工智能應(yīng)用除了前面提到的應(yīng)用領(lǐng)域之外,還有新一代人工智能2.0,2017年的時(shí)候國(guó)發(fā)的人工智能的綱要,以高級(jí)機(jī)器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算為核心,重點(diǎn)突破感知智能、計(jì)算智能和認(rèn)知智能領(lǐng)域技術(shù),并將其應(yīng)用到工業(yè)和很多民用的領(lǐng)域。
人工智能的應(yīng)用有一個(gè)特點(diǎn),就是它跟我們的行業(yè)場(chǎng)景應(yīng)用是非常耦合的,場(chǎng)景是密集相關(guān)的。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的背景下人工智能將給新能源電力系統(tǒng)帶來(lái)什么樣的挑戰(zhàn)和機(jī)會(huì)?現(xiàn)在的能源系統(tǒng)也有很多挑戰(zhàn),包括人工智能提供了新的手段。他們之間在技術(shù)上,需求上有哪些可以相互之間交流的地方?前幾年做了一些簡(jiǎn)單的工作,工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)背景下,針對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化、可靠和安全運(yùn)行的挑戰(zhàn),從優(yōu)化控制到電氣信息的角度開(kāi)展,比如多類(lèi)型能源高度耦合,這是一個(gè)很明顯的問(wèn)題。所以我們需要實(shí)現(xiàn)一個(gè)自動(dòng)化甚至智能化的調(diào)度和能量適配的手段和方法。
第二是風(fēng)電、光伏、大型的輸電線(xiàn)路發(fā)展得非???,我們現(xiàn)在的新能源基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)模龐大,傳統(tǒng)的運(yùn)維手段失效了,所以我們引入了新的智能化的高效運(yùn)維手段。第三,電力信息在相互支撐的過(guò)程當(dāng)中不再融合了,信息安全和網(wǎng)絡(luò)空間的問(wèn)題。舉幾個(gè)例子,比如在家庭當(dāng)中,家庭能量管理當(dāng)中,這是一個(gè)小范圍的冷熱電器,包括不同能源的交匯的地方,能夠滿(mǎn)足家庭周?chē)墓夥?、小型的風(fēng)機(jī)、同時(shí)能夠滿(mǎn)足用戶(hù)的需求。我們用了一個(gè)相對(duì)來(lái)說(shuō)有人工智能的特色,但是弱人工智能的方式,我們實(shí)現(xiàn)了預(yù)測(cè),采用遺傳算法,就解決了,這并不是特別復(fù)雜,因?yàn)榉秶容^小。
我們得到的結(jié)果發(fā)現(xiàn)效果很好,投入這樣的方式,負(fù)荷控制、儲(chǔ)能單元的管理變得非常簡(jiǎn)單,它的好處就是我們不需要建立精確的模型,需要對(duì)未來(lái)的預(yù)測(cè)有精準(zhǔn)的把握。這種情況下我們專(zhuān)門(mén)針對(duì)預(yù)測(cè)不準(zhǔn),受天氣的影響比較大,算法可靠性怎么樣?我們也做了魯棒測(cè)試。它的性能會(huì)有下降,但是還是比傳統(tǒng)的方式要好很多。
第二是國(guó)內(nèi)的海島很多,比如上面有一些工業(yè)生產(chǎn)的過(guò)程,也有電源的來(lái)源,脫離在主網(wǎng)之外。這也包括一些典型的光伏、風(fēng)機(jī),包括柴油發(fā)電機(jī),還有鹽水淡化的裝置。這些處理是波動(dòng)性很大的,很難預(yù)測(cè),宋老師也提到了,很難建立精確的模型,基于模型很難奏效,我們用了一個(gè)比較簡(jiǎn)單的模糊推理的方式。
我們制定了一個(gè)模糊表,根據(jù)我們的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),我們把它變成一個(gè)規(guī)則,我們找到了變量和決策之間的關(guān)系。通過(guò)這樣的效果,我發(fā)現(xiàn)結(jié)果比較好,通過(guò)模糊推理的方式,避免或者規(guī)避了求一個(gè)模型才能控制的局面。
基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方式,大大增強(qiáng)了能量調(diào)度的適用性。第三就是非常龐大的輸電線(xiàn)路,我們采用無(wú)人機(jī)作為輔助手段,采集大量的數(shù)據(jù),我們發(fā)現(xiàn)這些圖像非常難分析,有兩個(gè)問(wèn)題。第一是特征難以表達(dá),第二是形態(tài)各異,第三是干擾因素比較多,光線(xiàn)、背后的背景,相對(duì)運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)性等,都會(huì)對(duì)我們的分析產(chǎn)生一定的問(wèn)題,不能依賴(lài)于人,我們要用智能化的方法來(lái)解決。
大量的研究難以獲取真實(shí)的樣本,這阻礙了采用一些智能化手段。我們采用的一些解決方法就是高效增廣,比如用虛擬仿真、對(duì)抗學(xué)習(xí)的方法,生成更多的仿真樣本,原有樣本的不足,解決樣本不足的問(wèn)題、分不平衡的問(wèn)題。然后我們?cè)僮鲆恍┥疃鹊奶卣鞣治?,以及判斷,這都提供了一些解決,這是我們當(dāng)時(shí)做的工作。效果還是很明顯的,我們知道可見(jiàn)光、紫外、紅外,針對(duì)不同項(xiàng)目的原件,都有圖像特征,我們通過(guò)這樣的方式,增加樣本,然后采用不同的訓(xùn)練的模型嘗試,后面發(fā)現(xiàn)效果還是很好的。故障的特征可以很精確地表達(dá)出來(lái),識(shí)別效率也比較高。
風(fēng)力發(fā)電軸承的故障是76%,齒輪故障是17.1%,我們做得不同,我們是基于振動(dòng),也就是運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中采集的振動(dòng)信號(hào)來(lái)研究和分析產(chǎn)生了什么故障,哪里發(fā)生了故障,故障的程度怎么樣。我們前期在沒(méi)有獲取數(shù)據(jù)之前用了一些仿真信號(hào),我們驗(yàn)證我們的方法是否有效,我發(fā)現(xiàn)初步可以達(dá)到比較好的效果。我們?cè)俎D(zhuǎn)移到了平臺(tái)上,就是我們后面有一個(gè)自己的機(jī)械平臺(tái),來(lái)模擬我們風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的缺陷。
向量機(jī)的分析,從概率上可以獲得它是某一個(gè)類(lèi)型故障的比例或者可能性,這樣可以對(duì)我們做運(yùn)維決策有很大的幫助。真實(shí)風(fēng)機(jī),我們把效果驗(yàn)證完畢之后集成到了風(fēng)力發(fā)電廠(chǎng)的系統(tǒng)當(dāng)中,這樣我們從遠(yuǎn)程可以實(shí)現(xiàn)對(duì)這個(gè)故障的診斷和早期的預(yù)警。我們還做了一些光伏組件,它很龐大,地理分布也非常地不規(guī)則,人為巡檢非常困難,在這種情況下,我們的組件巡檢特別嚴(yán)重,影響到了我們發(fā)電站的質(zhì)量。
比如說(shuō)熱板、隱裂、蝸牛紋、組件破損什么的,后來(lái)通過(guò)無(wú)人機(jī),我們采集了很多圖像,然后我們基于訓(xùn)練出來(lái)的模型,然后來(lái)輔助決策出現(xiàn)了哪一種故障,情況怎么樣,效果非常好,對(duì)五種典型的表面缺陷的診斷可以達(dá)到92%以上。還有一個(gè)就是安全防護(hù)的問(wèn)題,我們做了嘗試,電力和信息系統(tǒng)相吻合的情況下,電力系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)未知威脅。
2015年烏克蘭發(fā)生了大停電事故,因?yàn)槭状尾捎昧司W(wǎng)絡(luò)協(xié)同的方式,來(lái)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)組合拳的攻擊。網(wǎng)絡(luò)攻擊手段達(dá)到了非常高的水平,現(xiàn)有防范水平不可能具有絕對(duì)的防御能力。我們國(guó)家特別龐大,我們整個(gè)支撐電力系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中專(zhuān)網(wǎng)是非常大的,基本上規(guī)模是世界上首位的。
我們現(xiàn)在的光纖覆蓋率,連接程度也是非常大,在這種情況下我們控制的安全、網(wǎng)絡(luò)的安全、數(shù)據(jù)的安全,都面臨前所未有的威脅,這種情況下我們做了一些嘗試,比如智能化變電站當(dāng)中,增加了它的操作性。但是由于它用了IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議,我們考慮到當(dāng)你受到攻擊或者網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)問(wèn)題的時(shí)候,流量會(huì)發(fā)生變化,從流量檢測(cè)的角度我們看是不是可以診斷出一些問(wèn)題。然后建立了一個(gè)構(gòu)建了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)流量評(píng)價(jià)的模型,我們事實(shí)上是可以一定程度上把屬于異常流量的把它分離出來(lái),這樣的話(huà)我們可以第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)異常。
再有就是輸電泄露當(dāng)中,它的控制很大程度上取決于我們的廣域量測(cè)系統(tǒng),這個(gè)時(shí)候如果我針對(duì)它的廣域量測(cè)系統(tǒng)攻擊的話(huà)后果不可設(shè)想,尤其是虛假數(shù)據(jù)的注入攻擊。我注入了虛擬數(shù)據(jù),直接導(dǎo)致我后面的狀態(tài)估計(jì)是錯(cuò)誤的。在這種情況下我就無(wú)法保證安全。
我們考慮網(wǎng)絡(luò)攻擊威脅的情況下,如何去配置和安防量測(cè)單元,來(lái)決定它能夠達(dá)到一定的冗余,或者對(duì)系統(tǒng)安全性的保障。再一個(gè)就是剛才提到的,之江實(shí)驗(yàn)室主要的目的是在未來(lái)的網(wǎng)絡(luò),泛化人工智能泛在信息安全、無(wú)障感知互聯(lián)、智能制造與機(jī)器人開(kāi)展研究,在鄔院士提出的擬態(tài)防御理論體系的指導(dǎo)下,基于異構(gòu)、冗余、動(dòng)態(tài)的思想的擬態(tài)防御理論在工業(yè)控制系統(tǒng),特別是應(yīng)用于電力系統(tǒng)的最有防御策略和形式化驗(yàn)證方法。
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)不是一張信息網(wǎng),而是支撐泛在連接、彈性供給、高效配置的開(kāi)放式平臺(tái),未來(lái)人工智能要跟行業(yè)結(jié)合,才能發(fā)揮更大作用,同時(shí)人工智能是更大的支撐平臺(tái)。這是我總結(jié)的未來(lái)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)出現(xiàn)的超級(jí)特性,規(guī)模特別大,系統(tǒng)超級(jí)異構(gòu),比如混合組網(wǎng)模式,端到端服務(wù)質(zhì)量,互操作能力,還有工業(yè)互聯(lián)系統(tǒng)超高靈活性能,超高的性能,比如數(shù)據(jù)的可靠、可靠的傳輸、高效計(jì)算,謝謝。
(審核編輯: 智匯小新)
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