在物聯(lián)網支持的可持續(xù)智能電網中,采用高效節(jié)能變壓器和聯(lián)邦多智能體學習技術實現自適應需求側管理
《Sustainable Computing: Informatics and Systems》:Energy Efficient Transformer-Federated Multi-Agent Learning for Adaptive Demand-Side Management in IoT-Enabled Renewable Smart Grids
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時間:2026年02月27日
來源:Sustainable Computing: Informatics and Systems 3.8
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智能電網中融合聯(lián)邦轉移學習與多智能體強化學習的分布式需求側管理框架,解決了傳統(tǒng)方法收斂慢、中心化優(yōu)化瓶頸及魯棒性不足問題。實驗表明該框架在自適應靈活性、峰值負荷平緩率、能耗成本優(yōu)化效率及決策延遲方面均顯著優(yōu)于PSO-ConvLSTM基線模型,并驗證了區(qū)塊鏈在安全交易中的有效性。
Siva Raja P. M | S Vidhya | K Rejini | G Megala | S. Pravinth Raja | U Kumaran
摘要
隨著可再生能源在智能電網中的滲透率不斷提高,以及物聯(lián)網(IoT)連接的負載變得越來越多樣化,下一代需求側管理(DSM)框架需要具備適應性、安全性和能源效率。傳統(tǒng)的基于群體智能的控制器結合卷積長短期記憶網絡(Conv-LSTM)進行預測,雖然能夠提供時空負載預測,但存在收斂速度慢、優(yōu)化過程集中以及在高不確定性需求下的魯棒性降低等問題。為了解決這些挑戰(zhàn),本文提出了一種能源高效的DSM框架,該框架將聯(lián)邦傳輸學習(FTL)集成到多智能體強化學習(MARL)中,以實現去中心化且保護隱私的能源協(xié)調。聯(lián)邦預測模型能夠在不聚合原始IoT數據的情況下捕捉消費者負載的時間和上下文依賴性,從而確保隱私性和可擴展性。同時,MARL智能體動態(tài)學習需求響應策略,以優(yōu)化電網集群中的分布式負載和可再生能源的使用。區(qū)塊鏈層采用輕量級共識協(xié)議來保護DSM交易,并為生產者和消費者提供透明的激勵機制。通過MATLAB/Simulink–Python TensorFlow聯(lián)合仿真以及Hyperledger Fabric測試平臺的實驗驗證表明,該框架的適應性靈活性指數(AFI)達到97.4%,峰值負載平滑率(PLFR)為35.2%,能源成本優(yōu)化效率(ECOE)為27.8%,DSM決策延遲為19毫秒。與基于粒子群優(yōu)化(PSO)- ConvLSTM的DSM相比,該框架的靈活性提高了6.6%,峰值負載減少了3.6%,成本節(jié)約了5.4%,收斂速度加快了4.2%,為物聯(lián)網輔助的智能電網提供了一種可擴展、安全且適應性強的解決方案。
章節(jié)摘錄
引言
可再生能源和物聯(lián)網設備的迅速發(fā)展徹底改變了智能電網,使其成為一個動態(tài)且交互式的信息物理生態(tài)系統(tǒng)[1]。這種巨大變化帶來了前所未有的管理挑戰(zhàn),包括分布式資源的處理、變化的需求特征以及波動的可再生能源滲透率。傳統(tǒng)的需求側管理(DSM)依賴于集中優(yōu)化和啟發(fā)式方法
文獻綜述與研究空白
智能電網中的需求側管理是一個備受關注的研究領域,早期的研究主要依賴于粒子群優(yōu)化(PSO)、遺傳算法和差分進化等啟發(fā)式調度和優(yōu)化算法。盡管這些方法在小型場景中可能有效,但它們無法應對可再生能源帶來的組合復雜性和時間變化不確定性聯(lián)邦多智能體DSM框架設計
本研究基于一種混合型智能電網系統(tǒng),該系統(tǒng)結合了太陽能光伏(PV)陣列、分布式風力渦輪機以及帶有電池儲能支持的電網接口和物聯(lián)網支持的需求側管理(DSM)[1]。其主要目標是創(chuàng)建一個現實的環(huán)境,在該環(huán)境中,波動的可再生能源可以與電動汽車充電器、暖通空調系統(tǒng)及家用電器等靈活負載結合使用[45]。該系統(tǒng)具有可擴展性集成算法設計與實現環(huán)境
為了證明所提出的自適應需求側管理(DSM)框架在真實且可擴展的智能電網環(huán)境中的有效性,需要將算法設計與實際實現相結合。這部分詳細介紹了主要的計算邏輯、控制機制以及用于開發(fā)、訓練和測試該解決方案的實驗環(huán)境[21][22]。該組合涵蓋了基于聯(lián)邦學習的方面結果與性能分析
本文展示了在MATLAB/Simulink、Python–TensorFlow和Hyperledger Fabric聯(lián)合仿真環(huán)境中實現的能源高效DSM框架的實驗結果。首先介紹了系統(tǒng)的實時輸出,包括聯(lián)邦負載預測、基于MARL的負載控制、可再生能源集成以及區(qū)塊鏈交易管理結論與未來方向
總之,本研究提出了一種適用于物聯(lián)網支持的智能電網的新的節(jié)能需求側管理(DSM)框架。該框架結合了聯(lián)邦傳輸學習(FTL)與多智能體強化學習(MARL)以及區(qū)塊鏈支持的安全性。所提出的方法解決了數據隱私、可擴展性、去中心化協(xié)調和自適應決策等關鍵問題,從而實現了非常準確的預測和動態(tài)負載管理倫理審批與參與同意
在本實施過程中不涉及任何人類參與。術語表與縮寫
- FTL(聯(lián)邦傳輸學習)
- 一種去中心化的訓練框架,其中Transformer預測模型在消費者節(jié)點上本地更新,并在中央進行匯總,而無需共享原始數據。
FL(聯(lián)邦學習)一種分布式機器學習范式,允許多個客戶端協(xié)同訓練模型,同時保持數據隱私性。DSM(需求側管理)用于影響和優(yōu)化消費者端電力消費模式的技術,包括負載管理
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