【科技前沿】用深度强化学习优化电网，让电力调度更聪明！

news2024/12/23 9:57:18

Hey小伙伴们，今天我要跟大家分享一个超级酷炫的技术应用——深度强化学习在电网优化中的典型案例！如果你对机器学习感兴趣，或是正寻找如何用AI技术解决实际问题的方法，这篇分享绝对不容错过！👩‍💻✨

📚 开场白

大家好，我是你们的技术小助手！今天我们要聊的是如何利用深度强化学习（DRL）来优化电网的调度，让电力系统变得更智能、更高效。🌟

💡 引入话题

想象一下，如果你能够通过一种先进的技术手段，自动调整电网中的能源分配，不仅能够节约成本，还能确保电力供应的稳定性，那该有多好？今天我们就来揭秘这个神奇的技术——深度强化学习！

📝 主体内容

1. 什么是深度强化学习？

应用场景：
深度强化学习是一种结合了深度学习和强化学习的方法，它能让计算机通过与环境的互动学习到最优的行为策略。

优势：

自适应性强：能够根据环境的变化自动调整策略。
通用性好：适用于多种复杂场景下的决策问题。

2. 电网优化案例背景

应用场景：
在电网管理中，如何合理调度电力资源是一项极具挑战的任务。我们需要确保电力供应稳定的同时，还要尽量降低成本。

问题描述：
假设我们有一个小型电网系统，其中包括风力发电、太阳能发电和储能装置。我们的目标是通过调整不同类型的发电设施的功率输出，以及储能装置的充放电策略，来满足电网的需求，同时尽量减少总成本。

3. 深度强化学习解决方案

应用场景：
我们使用深度强化学习中的DQN（Deep Q-Network）算法来训练一个代理，使其能够学习到最优的调度策略。

代码解析：
首先，我们需要安装必要的库：

pip install gymnasium stable-baselines3

接着，我们定义一个简单的环境，并训练一个DQN代理。

定义环境

import gymnasium as gym
import numpy as np
from stable_baselines3 import DQN
from stable_baselines3.common.env_checker import check_env
from stable_baselines3.common.evaluation import evaluate_policy


# 定义环境类
class GridEnv(gym.Env):
    metadata = {'render_modes': ['human']}

    def __init__(self):
        super(GridEnv, self).__init__()
        self.action_space = gym.spaces.Discrete(3)  # 0: charge battery, 1: idle, 2: discharge battery
        self.observation_space = gym.spaces.Box(low=-np.inf, high=np.inf, shape=(3,),
                                                dtype=np.int32)  # Demand, Battery Level, Cost

        self.demand = 0  # 当前需求
        self.battery_level = 50  # 初始电池电量 (0-100%)
        self.cost = 0  # 当前成本
        self.max_steps = 100
        self.current_step = 0

    def reset(self, *, seed=None, options=None):
        super().reset(seed=seed)
        self.demand = np.random.randint(20, 80)
        self.battery_level = 50
        self.cost = 0
        self.current_step = 0
        return np.array([self.demand, self.battery_level, self.cost]), {}

    def step(self, action):
        if action == 0:  # 充电
            self.battery_level = min(100, self.battery_level + 10)
            self.cost += 10
        elif action == 2:  # 放电
            self.battery_level = max(0, self.battery_level - 10)
            self.cost -= 10

        self.current_step += 1
        reward = -self.cost
        terminated = self.current_step >= self.max_steps
        truncated = False  # 假设没有截断
        info = {}

        # 更新需求
        self.demand = np.random.randint(20, 80)

        return np.array([self.demand, self.battery_level, self.cost]), reward, terminated, truncated, info

    def render(self, mode='human'):
        print(
            f"Step: {self.current_step}, Demand: {self.demand}, Battery Level: {self.battery_level}, Cost: {self.cost}")

    def close(self):
        pass

训练DQN模型

   # 创建环境实例
    env = GridEnv()

    # 检查环境
    check_env(env)

    # 初始化模型
    model = DQN('MlpPolicy', env, verbose=1)

    # 训练模型
    model.learn(total_timesteps=10000)

    # 保存模型
    model.save("grid_optimization_model")
    # Evaluate the model
    mean_reward, std_reward = evaluate_policy(model, env, n_eval_episodes=10)
    print(f"Mean reward: {mean_reward:.2f} +/- {std_reward:.2f}")

使用模型

    #  使用模型
    model = DQN.load("grid_optimization_model")

    # 重置环境
    obs, _ = env.reset()  # 注意这里返回obs和info

    # 运行环境
    for i in range(100):
        action, _states = model.predict(obs, deterministic=True)
        obs, rewards, dones, truncated, infos = env.step(action)
        env.render()

    # 关闭环境
    env.close()