Применение методов искусственного интеллекта в задачах управления режимами электрических сетей Smart Grid

 

 
 
 
 
 
РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ 
СЕРИИ «МОНОГРАФИИ НГТУ» 
 
 
д-р техн. наук, проф. (председатель)  А.А. Батаев 
д-р техн. наук, проф. (зам. председателя)  А.Г. Вострецов 
д-р техн. наук, проф. (отв. секретарь)  В.Н. Васюков 
 
д-р техн. наук, проф. А.А. Воевода 
д-р техн. наук, проф. В.И. Денисов 
д-р физ.-мат. наук, проф. А.К. Дмитриев 
д-р физ.-мат. наук, проф. В.Г. Дубровский 
д-р филос. наук, проф. В.И. Игнатьев 
д-р физ.-мат. наук, проф. О.В. Кибис 
д-р социол. наук, проф. Л.А. Осьмук 
д-р техн. наук, проф. Н.В. Пустовой 
д-р техн. наук, проф. Г.И. Расторгуев 
д-р физ.-мат. наук, проф. В.А. Селезнев 
д-р техн. наук, проф. Ю.Г. Соловейчик 
д-р техн. наук, проф. А.А. Спектор 
д-р техн. наук, проф. А.Г. Фишов 
д-р экон. наук, проф. М.В. Хайруллина 
д-р техн. наук, проф. В.А. Хрусталев 
д-р техн. наук, проф. А.Ф. Шевченко 
 

 

 

 

УДК 621.311.245:004.8 
         М 241 
 
 
Рецензенты: 
д-р техн. наук, профессор СГУВТ С.В. Горелов 
д-р техн. наук, доцент НГТУ А.Г. Русина 
 
 
 
 
Манусов В.З. 
М 241 
Применение методов искусственного интеллекта в задачах 
управления режимами электрических сетей Smart Grid : монография / В.З. Манусов, Н. Хасанзода, П.В. Матренин. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2019. – 240 с. (Серия «Монографии 
НГТУ»). 

 
 
ISBN 978-5-7782-3911-1 

Рассматриваются методы искусственного интеллекта в задачах управления 
и оптимизации режимов электрических интеллектуальных сетей (Smart Grid) с 
альтернативными и возобновляемыми источниками энергии. Введены и обоснованы понятия генерирующих потребителей (холонов) и иерархической 
структуры в виде холархии для сетей с двусторонним потоком энергии и информации. Применены различные алгоритмы роевого интеллекта и их сравнительный анализ с методом градиентного спуска. Рассмотрены принципы  
Q-обучения с подкреплением. 
Книга может представлять интерес для студентов, магистров и аспирантов 
высших учебных заведений, а также научных работников и инженеровэлектриков проектных и производственных предприятий, в том числе и для 
широкого круга читателей. 
 
УДК 621.311.245:004.8 
 
 
 
ISBN 978-5-7782-3911-1 
 Манусов В.З., Хасанзода Н., 
 
    Матренин П.В., 2019 
 
 Новосибирский государственный 
 
    технический университет, 2019 

 

УДК 621.311.245:004.8 
         М 241 
 
 
 
Reviwers: 
Professor S.V. Gorelov, D.Sc. (Eng.), SSUCE 
Assocuiate professor A.G. Rusina, D.Sc. (Eng.), NSTU 
 
 
 
 
Manusov V.Z.  
М 241 
Application of artificial intelligence methods to energy management in smart grids: monograph / V.Z. Manusov N. Khasanzoda,  
P.V. Matrenin. – Novosbirsk: NSTU Publishers, 2019. – 240 p. 
(“NSTU Monographs” series). 

 
 
ISBN 978-5-7782-3911-1 

The monograph considers artificial intelligence methods in the optimization and management of smart grids with renewable and alternative energy.The monograph introduces and substantiates the concepts of a generating 
consumer (holons) and a hierarchical holarchy structure of networks with 
two-way energy and information flow.  
Various algorithms of Swarm intelligence are used, and their comparative analysis between themselves and with the Gradient descent method is 
carried out. The bases of reinforcement learning and Q-learning are considered. 
The monograph is intended for a wide range of readers, including bachelors, masters and postgraduate students, as well as scientists and electricians 
engineers of R&D companies and manufacturing enterprises. 
 
УДК 621.311.245:004.8 
 
 
ISBN 978-5-7782-3911-1 
 Manusov V.Z., Khasanzoda N.,  
 
    Matrenin P.V., 2019 
 
 Novosibirsk State  
 
    Technical University, 2019 

 

 
 
 
 
 
 

ÑÏÈÑÎÊ ÑÎÊÐÀÙÅÍÈÉ 

АРП – адаптивный алгоритм роя пчел 
АРЧ – адаптивный алгоритм роя частиц 
АТЭС – Азиатско-Тихоокеанское экономическое сообщество 
ВИЭ – возобновляемый источник энергии 
ВЭУ – ветроэнергетическая установка 
ВЭС – ветроэлектростанция 
ГП – генерирующий потребитель 
ГНЭ – гибридный накопитель энергии 
ГА – генетический алгоритм 
ИНС – искусственная нейронная сеть 
КРМ – компенсация реактивной мощности 
КУ – компенсирующая установка 
КПД – коэффициент полезного действия 
МЭА – международное энергетическое агентство 
НЭ – накопитель энергии 
ПКЭ – показатель качества электроэнергии 
РИ – роевой интеллект 
РМ – реактивная мощность 
РП – алгоритм роя пчел 
РЧ – алгоритм роя частиц 
СНАУ – система нелинейных алгебраических уравнений 
СЛАУ – система линейных алгебраических уравнений 
СЭС – система электроснабжения 
ТЭЦ – теплоэлектроцентраль 
ФСК ЕЭС – Федеральная сетевая компания Единой энергосистемы 
ЩСН – щиты собственных нужд 
ЭЭС – электроэнергетическая система 
ЭМ – электромобиль 

глава 1. ооооо 

8 

 
 
 
 
 
 

ÂÂÅÄÅÍÈÅ 

 настоящее время все большее значение в электроэнергетике 
имеют альтернативные и возобновляемые источники энергии, 
которые улучшают экологическую обстановку и позволяют отдельным 
активным электропотребителям иметь собственные источники генерации энергии. Наряду с этим взаимосвязи между источниками генерации и электропотребителями усложняются за счет новых требований к 
балансированию режимов, что усугубляется непредсказуемостью генерации энергии альтернативными источниками, а также необходимостью дополнительных объектов в виде накопителей энергии. 
При этом современная тенденция состоит в повышении роли информационных и компьютерных технологий для создания человекомашинных систем поддержки принятия решений. Эти системы, в свою 
очередь, должны использовать методы искусственного интеллекта, 
позволяющие выполнить интеллектуализацию режимных и производственных процессов в электроэнергетике. Наибольший интерес представляют новые методы искусственного интеллекта и информационных технологий, дающие возможность оптимизировать электрические 
режимы и минимизировать материально-финансовые затраты, что существенно повышает энергоэффективность как отдельных устройств, 
так и системы в целом. 
Таким образом, можно утверждать, что подключение альтернативных источников энергии с учетом распределенной генерации и возможности создания двусторонних потоков энергии требует более  
высокого уровня интеллектуализации процессов управления в электроэнергетике. 
Авторы надеются, что настоящая монография, посвященная вышеуказанным проблемам, будет полезна в том числе широкому кругу читателей, использующих новые информационные технологии и методы 
искусственного интеллекта. 

В

 

1.2. ÒÅÕÍÎËÎÃÈß SMART GRID È ÅÅ ÀÒÐÈÁÓÒÛ 

 
9 

 
 
 
 
 
 

1. ÑÎÑÒÎßÍÈÅ ÏÐÎÁËÅÌÛ ÈÑÏÎËÜÇÎÂÀÍÈß  
ÀËÜÒÅÐÍÀÒÈÂÍÛÕ ÈÑÒÎ×ÍÈÊΠÝÍÅÐÃÈÈ  
 ÊÎÍÖÅÏÖÈÈ SMART GRID È ÏÓÒÈ ÅÅ ÐÅØÅÍÈß 

1.1. ÈÑÒÎÐÈ×ÅÑÊÈÉ ÝÊÑÊÓÐÑ  
ÂÎÇÍÈÊÍÎÂÅÍÈß ÒÅÐÌÈÍÀ SMART GRID  
È ÅÃÎ ÐÎËÜ Â ÐÀÇÂÈÒÈÈ ÝËÅÊÒÐÈ×ÅÑÊÈÕ ÑÅÒÅÉ 

 настоящее время во всех странах мира возрастает потребление 
электроэнергии, причем электропотребители заинтересованы в 
возможности выбора поставщиков в условиях конкурентного энергетического рынка, улучшения показателей надежности электроснабжения и снижения тарифов на электроэнергию. 
В этих условиях реализация концепции Smart Grid (умных сетей) 
является наиболее подходящим решением. Электроэнергетическая система (ЭЭС), построенная согласно принципам Smart Grid, передает не 
только энергию, но и какую-либо информацию, поэтому потенциальный электропотребитель любого уровня получает возможность взаимодействовать с ЭЭС: прогнозировать и планировать потребление, выбирать поставщика и влиять на тарифы. 
Термин Smart Grid до сих пор не имеет четкого терминологического эквивалента в русском языке. К наиболее распространенным русскоязычным эквивалентным терминам относятся: «Интеллектуальная 
сеть энергетики», «Интеллектуальная электроэнергетическая система», 
«Активно-адаптивная сеть». В настоящее время имеется множество 
определений Smart Grid, при этом каждая из сторон-участниц процесса 
(энергокомпания, энергопотребитель, компании, решающие вопросы 
автоматизации энергообъектов, системные интеграторы и другие) видит 
в Smart Grid свои функции и задачи и понимает их по-своему [1–3]. 

В

 

1. ÑÎÑÒÎßÍÈÅ ÏÐÎÁËÅÌÛ ÈÑÏÎËÜÇÎÂÀÍÈß 

10 

Впервые термин Smart Grid использован авторами S.M Amin и  
B.F. Wollenberg в их публикации «К направлению интеллектуальной 
сети» [4]. Применение этого термина за рубежом было связано с чисто 
рекламными названиями специальных контроллеров, предназначенных 
для управления режимом работы и синхронизации автономных ветрогенераторов, отличающихся нестабильным напряжением и частотой,  
с электрической сетью. Затем термин стал применяться для обозначения микропроцессорных счетчиков электроэнергии, способных самостоятельно накапливать, обрабатывать, оценивать информацию и передавать ее по специальным каналам связи и даже через Интернет.  
В последние годы использование Smart Grid расширилось на системы 
сбора и обработки информации, мониторинга оборудования в электроэнергетике [5–7]. 
Формально термин Smart Grid был оформлен в 2007 году в законодательном акте об энергетической независимости и безопасности 
США. Так была названа технология модернизации национальной электроэнергетической системы с целью защиты, контроля и оптимизации 
энергопотребления всех элементов и участников сети. 
Smart Grid представляет собой автоматизированную систему, обеспечивающую двусторонний поток электрической энергии и коммуникативную информацию между энергообъектами и потребителями за 
счет применения новейших технологий, инструментов, которые позволяют повысить эффективность работы электросетевого комплекса [8, 9]. 
Наиболее масштабные программы и проекты разработаны и реализуются в США и странах Евросоюза, Канаде, Австралии, Китае и  
Корее. Так, например, в США такая программа имеет статус национальной и осуществляется при прямой поддержке политического руководства страны, а в странах Европейского Союза для координации 
работ и выработки единой стратегии развития электроэнергетики в 
2004 году создана технологическая платформа Smart Grids – «Европейская энергетическая система будущего», конечной целью которой является разработка и реализация программы развития Европейской 
энергетической системы до 2020 года и далее. 
Концепция Smart Grid в развитых странах предполагает формирование четкого стратегического видения целей и задач развития электроэнергетических систем, отвечающих новым, более высоким требованиям экономики, промышленности, государства и общества [10–12].