现代世界依赖能源、交通、电信、食品、水和医疗保健等重要服务的平稳供应。但支撑这些领域的系统日益复杂且相互依存,并在全球范围内相互作用,因此一旦承受压力,就可能发生潜在的灾难性故障。
近期英国的停电事件就是一个很好的例子。虽然持续时间相对较短,但此次停电由两台发电机同时故障所致,即巴福德的一座燃气电站和霍恩西海上风电场,导致英格兰和威尔士近100万人断电,并造成大范围交通中断。
在南美洲,4800万人在6月断电,原因是暴风雨摧毁了电网。在美国,加利福尼亚公用事业公司正在采取停电措施,以在高风险时段防止野火发生,此前近期发生的人员伤亡事件表明,老化的电力基础设施是造成野火的原因。
未来的能源供应
这些事件发生之际,能源供应正经历不可避免的变革,这要求改变系统的监测和管理方式。今年早些时候,英国政府宣布了其海上风电革命计划,旨在提供英国全部电力的三分之一(目标时间为2030年)。
这些新建海上风电场将由更大型的风力发电机组成,安装位置更远离海岸,并配备10至12兆瓦的发电机,将成为英国能源结构中的重要组成部分。根据此项协议,海上风电行业计划将我们的风电装机容量从7.9吉瓦几乎增至四倍,到2030年至少达到30吉瓦。
英国在海上风电领域已处于领先地位,装机容量居世界各国之首,拥有一些规模最大的海上风电场和功率最强的风力发电机。然而,正如近期事件所示,同时失去仅两台发电机就可能造成严重干扰。这突显出,该发展需要新的技术来对海上风电资产进行全生命周期管理、监测和控制。同时也表明需要新型的“需求侧响应”技术,即在用电需求高峰期间智能地使用电力的方式。“需求侧响应”技术
各学科的研究人员在支持这一愿景方面发挥着重要作用。我们是英国规模最大的全系统及能源系统整合项目的学术牵头方,该项目名为Reflex(灵活响应)。
该项目旨在探索如何构建具有韧性、可持续且低碳的能源基础设施,以支撑社会的重要服务。为将海上可再生能源发电接入大陆电网,我们需要建设成本高昂的海底电缆网络。例如,高压直流(HVDC)“NorthConnect项目”的单条海底电缆安装投资超过12亿英镑。显然,这些资产的高昂成本限制了我们在电网中纳入某些常见要素的能力,例如安装备用电缆以应对主电力线路故障。NorthConnect项目所需投资超过12亿英镑,用于单条海底电缆的安装。显然,这些资产的高昂成本限制了我们在电网中纳入某些常见要素的能力,例如安装备用电缆以应对主电力线路故障。
那么,在海上风电备受重视的背景下,我们如何保障能源基础设施的安全?我们认为,解决方案将涉及人类、人工智能与机器人之间的合作。我们需要机器人来提升对这些资产的监测和维护能力,未来这将通过持续的自主运行来实现。
海底作业
这意味着机器人将留置于原位,能够自行监测和维护,并对海上风电场进行监测和维护。随着结构监测系统、监控与数据采集(SCADA)系统、环境监测等多种来源的数据量达到前所未有的水平,支持关键运营决策的先进人工智能显得至关重要。
在这种情况下,人类将很容易被其可掌握的海量数据和信息所淹没。但在向以风能为主导的能源供应过渡期间,人与机器人及人工智能助手协同工作,将成为我们管理未来海上基础设施的核心特征。
我们正在开展的一个相关实例,与我们的研究有关,即受海豚启发的低频声呐研究,用以支持自主水下航行器(AUV)评估海底电力线路的完整性。AUV无需派遣人类潜水员进入这一危险环境,而低频声呐分析可提供关键测量数据,与陆上的人工智能助手形成互补,从而使其能够准确预测电缆的运行状况。
展望未来,我们预见海底对接站以及浮动式指挥与控制中心将被广泛集成,由能够进行检查和维修的巡逻机器人平台维护海底及海面风力涡轮机基础设施的安全。
近年来,人工智能和机器人技术取得了显著进步,与人类操作员协作时,它们能够使我们更具响应能力,从而应对极端天气等罕见事件,或应对海底电缆遭受的破坏威胁或干扰。挑战在于如何智能地管理这些远程资产,以在控制成本的同时保障电力供应。
