专题|人工智能驱动能源系统变革的挑战与应对策略

人工智能驱动能源系统变革的挑战与应对策略

汪振涛

（安徽电信规划设计有限责任公司，合肥 230000）

摘要：随着人工智能（Artificial Intelligence，AI）技术的迅猛发展，其在能源系统中的应用正逐步深入，从智能调度、故障诊断到能源管理与优化决策，正推动能源系统向智能化、低碳化、高效化方向转型。然而，AI在推动能源变革的过程中也面临诸多挑战，如数据质量和安全问题、模型透明度与可解释性不足、技术与制度协同不足以及伦理与政策的滞后等。系统梳理了AI在能源系统中的主要应用场景，深入分析了在能源系统转型过程中面临的关键技术与治理难题，并从技术、制度与政策三个维度提出应对策略，以期为实现新型能源系统的智能化升级提供理论支持和实践路径。

关键词：人工智能；能源系统；智能化转型；数据治理；绿色低碳

0   引言

能源系统作为国民经济发展的基础设施，是实现国家工业化、城市化和现代化的核心支撑。在我国，能源体系不仅为制造业、交通运输和城市运营提供了稳定的动力基础，也通过产业链延伸作用推动了经济增长、就业吸纳与区域协调发展。据国家能源局统计，2023年能源行业直接关联就业人口超过2 000万，对保障国家能源安全与宏观经济稳定运行具有不可替代的意义^[1]。

当前，我国正处于能源结构深度转型的关键时期。一方面，非化石能源的消费占比持续上升，2023年已接近18%^[1]；风电和光伏等可再生能源装机容量连续多年位居世界前位；另一方面，以特高压输电、智能电网、新型储能为代表的新型能源基础设施正加快布局，推动能源系统从“以化石能源为主的集中式供给”向“多元互补的分布式网络”加速演进^[1]。这种趋势不仅改变了能源系统的物理结构，也对其运行机理、调控方式与治理逻辑提出了全新的要求。

在此背景下，人工智能（Artificial Intelligence，AI）作为以算法、数据与算力为核心驱动的新一代信息技术，正成为引领能源系统变革的重要技术引擎。深度学习、生成建模与强化学习等方法在新能源预测、设备维护、电网调度等场景中展现出前所未有的效率优势。同时，数字孪生、边缘计算与智能终端的融合应用，增强了系统感知、响应与自主调控能力，加速实现能源系统的智能化升级。AI不仅优化了能源系统的运行效率与资源配置能力，更在一定程度上打破了传统工程范式对模型精度与因果推理的依赖，拓展了系统认知与控制的边界。

然而，技术变革带来的挑战亦不容忽视。首先，AI依赖的高算力基础设施正在造成显著的能源消耗反弹，与“双碳”目标形成潜在张力；其次，AI模型的“黑箱”特性与不可解释性加剧了运行过程中的不确定性，难以满足电力系统对安全性与可控性的刚性要求；再次，能源系统的复杂性与AI的泛化性之间存在认知脱节，尤其在极端气候、市场博弈等场景下，现有算法的泛用性和鲁棒性仍面临挑战。此外，传统能源制度体系在应对数据治理、算法责任归属与知识产权分配等方面亦显得滞后，造成了“技术领先-制度滞后”的结构性矛盾。

因此，全面梳理AI在能源系统变革中面临的核心问题，深入剖析底层约束条件，并提出具备协同性、适应性与可持续性的治理策略，不仅具有重要的理论价值，也对我国能源治理体系现代化具有现实指导意义。本文将在总结AI能源融合技术基础与应用现状的基础上，聚焦智能化转型过程中的系统瓶颈与制度挑战，提出面向未来的协同治理范式与智能跃迁路径，以期为构建安全、高效、绿色、智能的新型能源体系提供决策参考。

1  AI赋能能源系统的技术基础与应用现状

1.1  深度神经网络与大模型驱动的技术突破

如图1所示，近年来，以深度神经网络（Deep Neural Network，DNN）、堆叠式自动编码器（Stacked AutoEncoder，SAE）、循环神经网络（Recurrent Neural Network，RNN）、生成对抗网络（Generative Adversarial Network，GAN）等为代表的算法体系，在能源预测、系统建模和优化调度等多个场景中得到广泛应用^[2]。具体而言，长短期记忆网络（Long Short-Term Memory，LSTM）网络通过融合气象、地理与历史功率数据，实现对光伏输出功率的高精度预测，其均方根误差从传统方法的19.2%降至6.3%，显著降低了弃风弃光现象的发生概率^[3]。在油气资源勘探领域，基于GAN的岩性识别模型可模拟储层空间分布特征，预测准确率提升逾40%，有效压缩了油气钻探周期与成本^[4]。

图1   AI在电力系统的应用框架

随着模型参数规模和预训练语料规模的不断扩展，GPT、DeepSeek等大模型架构开始在能源领域展现出全局优化与认知迁移的能力。中国石油天然气集团有限公司推出的“昆仑大模型”涵盖超过330亿参数，已在测井解释、流体识别、储层建模等任务中实现了从专家经验到知识迁移的跃升。国家电网在2025年完成了国产大模型DeepSeek的全面部署，并与自研的“光明大模型”进行深度融合。借助长链推理与多轮交互能力，在广西电网，模型对输电线路隐患（如鸟巢、绝缘子爆裂）的自动识别率显著高于传统专家系统。在山东地区，该模型能够通过对多个测点数据的联动分析，分钟级完成换流变压器的健康状态判断，显著压缩了故障响应时间，提升了系统的敏捷性与韧性。

1.2  数字孪生与智能电网的融合演进

数字孪生技术正在重塑能源系统的建模与运行方式。通过构建高度拟真的虚拟仿真系统，运维人员可在不影响实际运行的前提下完成调度策略测试与风险情景分析，实现预测到反馈的闭环管理^[5]。南方电网公司建设的数字孪生电网平台，已覆盖超过995家新能源场站、2万个发电单元，实现了运行状态的实时可视、运行曲线的多时空预测以及调度策略的动态匹配。配套的新能源多时空尺度精确预测平台，将风电与光伏的日前预测准确率分别提升至81.0%和91.1%，为高比例新能源接入下的电力系统稳定运行提供了坚实保障^[6]。

同时，基于数字孪生的电网模拟系统在应对大规模分布式接入、电动汽车充电负荷扰动以及极端天气冲击等复杂情景中展现出较强的适应性。通过动态参数更新与物理状态反馈，电力调度中心可实现从静态规则配置向动态策略优化的转型，从而提升系统运行的精度、效率与安全裕度^[7]。

1.3  全球能源AI生态的地缘分化特征

全球能源AI发展路径呈现出显著的地缘特征与技术分化。例如，美国依托谷歌、亚马逊、微软等科技企业，构建基于云计算平台的能源操作系统，强调“云端集中+算法即服务”的高通量处理能力。欧盟则以西门子、ABB等传统工业巨头为核心，通过深度融合边缘计算与控制系统，推进本地智能装备与多能源系统的协调运行。我国以华为、阿里云等平台型企业为代表，聚焦“5G+AI+边云协同”模式，打通终端感知、边缘决策与云端优化之间的连接链条。

2  AI深化能源转型的底层约束

2.1  多源异构数据融合的治理困境

能源系统的数字化基础建立在海量多源数据的实时采集与高效利用之上，但数据的物理属性、时间粒度与语义框架之间存在显著差异。电力负荷数据呈连续时序特征，而设备状态数据可能为非结构化信号，气象信息则具有空间相关性与预测不确定性。不同类型数据在采样频率、更新周期、单位维度等方面的差异，造成系统集成过程中频繁出现“语义断层”与“结构冲突”^[8]。

此外，数据治理制度的滞后亦加剧了融合难度。在能源物联网环境中，数据所有权往往归属于设备制造商、运营商或第三方服务商，而算法开发者通常不具备完整的数据访问权限，因此形成数据主权、平台控制和算法能力三者割裂的结构性问题。缺乏统一的数据接口标准和跨主体的数据流通机制，使智能系统难以突破局部优化的封闭边界，形成微观精准、宏观失焦的系统悖论。

2.2  算力扩张与绿色转型的结构性张力

AI模型尤其是大模型的训练与部署对算力资源依赖程度极高，造成显著的能源消耗问题。当前主流AI模型的复杂度呈指数级增长，而芯片能效的提升速度却受到半导体物理极限的制约，二者之间形成显著的“剪刀差”。

边缘计算虽然通过分布式部署在一定程度上缓解了集中数据中心的压力，但也将算力消耗推向终端网络，引发“能耗长尾效应”。当大量终端设备持续运行并联入系统，其总能耗在整体碳足迹中所占比例迅速上升，可能抵消集中式系统能效优化所带来的节能效果。此外，智能系统对高算力的路径依赖正在强化高能耗、高精度的技术逻辑，形成类似杰文斯悖论的反向演化趋势，对能源系统的绿色转型目标构成长期威胁。

2.3  算法模型在能源场景下面临适应性瓶颈

当前AI模型大多源自通用领域，其设计理念、优化目标和假设条件并不完全适用于能源系统这一高复杂性、强约束的工程环境。监督学习模型依赖于大量标注数据，然而能源系统中的高影响低频事件（如极端天气、电网故障）难以提供足够样本，导致模型泛化能力受限。强化学习模型基于马尔可夫决策过程假设，难以刻画多主体博弈、电力市场策略行为等复杂动态交互。图神经网络虽在处理能源系统拓扑上具有一定优势，但其在表达电磁耦合、多物理场关联方面仍存在“理论鸿沟”，尚无法替代经典物理模型的全尺度表达能力^[9]。

更重要的是，算法的不可解释性与能源系统的安全性要求之间存在本质矛盾。AI模型的“黑箱”特性使其在运行异常或系统崩溃时难以快速追溯错误原因，增加了运维成本与系统风险。当算法成为基础设施的“隐性控制层”时，微小的模型偏差或数据漂移可能在系统层面造成指数级放大，其潜在风险不容忽视。

2.4  技术制度的代际错配与治理滞后

技术演化速度远快于制度更新节奏，导致能源智能化过程中普遍存在治理滞后现象^[10]。传统能源监管制度多基于实体设备、静态流程与因果链条构建，而AI系统则依赖概率逻辑、数据驱动与自主优化，二者之间在权责划分、风险识别与规范执行等方面缺乏衔接。

当前法律框架难以涵盖AI系统中的关键问题，例如算法偏差造成的决策责任应由谁承担，训练数据来源是否具备合法性与公平性，模型共谋、算力垄断等新型权力形态是否构成市场失灵等。这些问题的模糊性与技术的高度复杂性共同构成制度回应的壁垒。此外，工程文化、算法思维与监管逻辑之间的价值观差异，也造成多方在技术选择、安全标准与社会目标之间的协调难度不断加大，进一步加剧了技术制度的代际错配风险。

3  技术与制度协同的治理范式重构

3.1  以动态治理体系应对技术敏捷性挑战

能源AI所具有的动态性，正不断对传统监管的静态假设发起挑战。当算法模型以周为周期进行迭代时，基于年度周期的安全认证体系便难以有效应对技术风险的非线性扩散问题。这就需要构建一套融合“沙盒监管”、实时评估以及弹性规则的动态治理体系^[11]。具体而言，在电网控制算法部署之前，要建立具备风险隔离功能的测试环境；在算法运行阶段，需嵌入由数字孪生驱动的平行评估系统；并且通过智能合约来实现规则的自主适配。更为深层次的制度创新在于，要建立起技术迭代、风险评估与规则更新的同步机制，从而使治理体系具备与AI系统共同演进的自适应能力。

3.2  构建多目标均衡的价值校准机制

能源系统智能化所引发的价值冲突，迫切需要新的决策框架。当AI调度算法为了追求全网经济性，而使特定区域处于备用容量临界点时，技术效率最大化原则便与能源公平的公共属性产生了根本性的矛盾。鉴于此，需要在技术系统中内嵌伦理约束模块。与此同时，要建立多方参与的算法影响评估制度，通过利益相关者之间的协商博弈，将社会价值转化为可量化的模型约束条件。

3.3  开放共享的知识权力制衡路径

AI正在深刻重构能源治理中的知识权力结构。大模型依托对海量运行数据的处理能力，显著提升了技术供应商在认知层面的主导地位，其影响力已超越传统设备制造商。这一权力格局的演变要求对现有治理体系的知识基础进行系统性重塑，一方面，应推动构建开放的知识共享机制，通过制度化手段实现基础模型特征分布信息的强制公开；另一方面，需开发具备可解释性的技术工具，将算法决策过程转化为形式化、可验证的工程知识，从而提升系统的透明性与可问责性；同时，有必要建立独立的知识仲裁机构，对技术方形成的认知结构进行第三方评估，防范信息不对称与认知垄断风险的扩散。这一系列机制的建立，有助于实现知识权力在能源治理中的有效制衡与再平衡。

3.4  全球能源数字主权的协同治理

AI的扩展正遭遇愈加复杂的地缘政治障碍，尤其在标准制定和数据主权领域表现尤为突出。主要国家和地区在智能电网通信协议方面的标准分歧，以及区域性数据管控政策的强化，已导致全球能源AI生态呈现出高度碎片化特征。在此背景下，亟需构建多层次、多主体参与的协同治理体系。在技术层面，应确立统一的通信与接口规范，以提升系统间的互操作性；在数据层面，应引入具备主权属性的区块链架构，支撑跨境能源数据的可信交换与确权管理；在治理层面，应强化全球数字公共产品的供给机制，通过多边平台协调实现数据资源的有序流通与公平配置。该治理模式在强化技术连通性的同时，亦保障了数据主权与国家利益的边界，对于构建开放而安全的全球能源AI生态具有关键意义。

4  复杂系统范式下的智能跃迁路径

4.1  从机械还原到生态涌现的认知升维

能源系统智能化的核心挑战在于经典工程范式与复杂系统特性之间的深层认知错位。传统能源系统建模方法主要依赖于层级分解和线性叠加，强调可控性和可预测性^[12]。然而，在AI介入下的能源网络已表现出显著的复杂适应特征，包括自组织临界性、非线性耦合与多尺度传导等现象，难以通过传统方法加以刻画与预测。因这一变革趋势，亟需构建基于复杂系统理论的新型认知框架。一方面，应引入多智能体系统建模方法，以捕捉能源系统中各类行为体的动态交互过程及其集体涌现特征；另一方面，应推动因果推理与机器学习的深度融合，以打通数据驱动模型与物理机制之间的解释性断层。此外，还需建立覆盖微观到宏观尺度的关联分析体系，实现从材料性能退化机制到跨区域电网波动模式的全过程建模。通过系统认知维度的拓展，技术研发将从以性能最优化为导向的局部改进，转向以结构韧性与系统协同为目标的整体演化路径。

4.2  高能耗技术依赖的范式革新

AI基础设施对算力资源的高度依赖，与全球可持续发展的战略目标之间形成根本张力，迫使能源智能技术体系面临范式层级的变革。新兴计算技术在能源系统中的应用已展现出显著的能效提升潜力。其中，光量子计算在电网调度与优化问题中的应用实现了计算资源消耗的指数级下降，神经形态计算通过事件驱动机制模拟生物神经元行为，在处理特定AI任务时显著降低能耗，表现出传统架构所不具备的能效密度优势。技术演进的更深层驱动力在于评价体系的重构。当前研究已将全生命周期碳足迹纳入AI模型的能效评估框架，使模型性能与环境成本之间的权衡更加科学可控。同时，面向未来的技术路线规划正转向以负熵原理为基础的算法体系，强调能耗自调节与信息效率最优的协同发展。上述转向不仅标志着AI从性能导向走向生态约束下的结构适应，也预示着能源技术创新逻辑的根本转变。

4.3  弹性规则与认知共识的动态治理机制

在AI深度嵌入能源系统的背景下，能源治理的关键转向是制度体系从静态规范向动态适应的跃迁，目标在于构建具备韧性与可演化特征的治理结构。基于区块链技术构建的弹性合规机制，能够通过智能合约实现规则条文的程序化表达，从而提升制度在面对快速技术演进时的响应效率与执行一致性。该类机制通过将法规逻辑嵌入分布式账本体系，使治理规则具备可溯源性与自动调整能力，有效增强治理系统的敏捷性与透明度。

与此同时，认知共识的形成机制亦亟需重构。在技术不确定性与社会多元价值并存的条件下，传统由专家主导的单向决策模式已难以满足智能系统治理的复杂性要求。通过构建面向多元主体的认知协同平台，可实现工程技术人员、算法开发者与社会公众之间的价值偏好协调与知识框架融合，从而在虚拟环境中形成具有合法性与可执行性的集体判断。这一机制有助于降低治理博弈中的认知分歧风险，为能源系统提供更具适应性与包容性的治理基础。

5  结束语

AI与能源系统的深度融合正推动能源体系的技术革新，但面临多重挑战。一是多源数据融合困境阻碍全局优化；二是算力扩张与绿色目标形成结构性冲突；三是算法在极端场景下的脆弱性暴露认知局限；四是传统制度与数字技术的“代际鸿沟”加剧治理滞后。

未来能源系统需转向复杂系统范式，融合多智能体建模与低能耗技术，并通过弹性治理机制提升韧性。唯有技术与制度深度协同，方能实现能源体系安全、高效、绿色与智能的多元目标，支撑全球低碳转型。

Challenges and countermeasures of artificial intelligence in energy system-driven transformation

WANG Zhentao

（Anhui Telecom Planning and Design Institute Co., Ltd., Hefei 230000, China）

Abstract: With the rapid development of Artificial Intelligence (AI), its applications in energy systems are expanding, from intelligent scheduling and fault diagnosis to energy management and optimization, driving the transition toward smarter, low-carbon, and more efficient energy infrastructures. However, this transformation faces multiple challenges, including data quality and security issues, lack of model interpretability, insufficient coordination between technology and regulation, and delays in ethical and policy responses. This paper systematically reviews key AI application scenarios in energy systems, analyzes core technological and governance constraints in the transformation process, and proposes countermeasures from the perspectives of technology, institutions, and policy. The goal is to provide theoretical support and practical strategies for building intelligent, efficient, and sustainable future energy systems.

Keywords: artificial intelligence; energy systems; intelligent transformation; data governance; green and low-carbon transition

本文刊于《信息通信技术与政策》2025年 第6期

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