泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用前景

楊東升，王道浩，周博文，陳麒宇，楊之樂(lè)，胥國(guó)毅，崔明建

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泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用前景

楊東升1，王道浩1，周博文1，陳麒宇2，楊之樂(lè)3，胥國(guó)毅4，崔明建5

（1．東北大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧省 沈陽(yáng)市 110819；2．中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司， 北京市 海淀區(qū) 100192；3．中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院，廣東省 深圳市 518055； 4．新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))，北京市 昌平區(qū) 102206；5．美國(guó)南衛(wèi)理工會(huì)大學(xué)，美國(guó) 達(dá)拉斯 75275）

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)是以電力系統(tǒng)為核心，結(jié)合智能終端傳感器、通信網(wǎng)、人工智能和云平臺(tái)技術(shù)構(gòu)成的復(fù)雜多網(wǎng)流系統(tǒng)，其具有全息感知、泛在連接、開(kāi)放共享、融合創(chuàng)新的特點(diǎn)。首先闡述了泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的基本概念、特征，并詳細(xì)分析了其體系架構(gòu)；其次，從智能芯片、5G與LPWA、物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)三方面探討了泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，從業(yè)務(wù)壁壘、信息安全、數(shù)據(jù)分析和商業(yè)模型4個(gè)角度分析了泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的關(guān)鍵難點(diǎn)；最后研究了泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)際需求和應(yīng)用前景。

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)(UPIoT)；新能源消納；實(shí)物ID；5G切片；云平臺(tái)

0 引言

隨著交直流輸電規(guī)模的迅速擴(kuò)大，分布式發(fā)電設(shè)備接入類型與數(shù)量快速增加，導(dǎo)致電網(wǎng)復(fù)雜程度不斷提升，對(duì)傳統(tǒng)電網(wǎng)形態(tài)提出了挑戰(zhàn)[1]。另一方面人工智能技術(shù)的發(fā)展也對(duì)電網(wǎng)功能和運(yùn)行方式提出新的要求[2]。因此，結(jié)合泛在物聯(lián)技術(shù)將現(xiàn)有電力系統(tǒng)建設(shè)成泛在電力物聯(lián)網(wǎng)是未來(lái)電力能源體系的發(fā)展趨勢(shì)，也是當(dāng)前階段國(guó)家電網(wǎng)最緊迫、最重要的任務(wù)。

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的研究相對(duì)較少，其中關(guān)于綜合能源系統(tǒng)的研究與泛在電力物聯(lián)網(wǎng)有許多相似之處。杰里米×里夫金認(rèn)為以新能源技術(shù)和信息技術(shù)深入結(jié)合的未來(lái)能源體系具有以下特點(diǎn)：1）清潔能源為主要一次能源；2）支持超大規(guī)模分布式發(fā)電與分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)接入；3）基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)廣域能源共享； 4）支持交通系統(tǒng)的電氣化[3]。文獻(xiàn)[4-6]認(rèn)為，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的使命就是破除阻礙開(kāi)放共享能源生態(tài)形成的各類壁壘，如冷、熱、氣、電不同能源之間的壁壘，需要通過(guò)建設(shè)綜合能源系統(tǒng)去突破；文獻(xiàn)[7-8]通過(guò)能量樞紐及其擴(kuò)展模型分析了綜合能源系統(tǒng)的綜合模型。文獻(xiàn)[9]提出了未來(lái)能源系統(tǒng)的核心是分布式可再生能源和儲(chǔ)能的即插即用。文獻(xiàn)[10-11]認(rèn)為靈活的電力市場(chǎng)交易是未來(lái)能源領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。文獻(xiàn)[12]認(rèn)為物理信息上的互聯(lián)，是實(shí)現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)的關(guān)鍵之一。

相比于綜合能源系統(tǒng)，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)更加關(guān)注不同設(shè)備的數(shù)據(jù)互聯(lián)和信息共享。因此對(duì) 于現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)的研究被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)泛在物聯(lián)的關(guān)鍵。文獻(xiàn)[13-15]研究了基于低功耗廣域網(wǎng)(LPWAN)的電力物聯(lián)網(wǎng)泛在連接方案，通過(guò)現(xiàn)有電力專網(wǎng)與LPWAN技術(shù)的融合創(chuàng)新，為“發(fā)-輸-變-用”多場(chǎng)景的海量數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了低成本、低功耗、低速率、低頻次、廣覆蓋的智能全息感知和泛在連接。文獻(xiàn)[16-17]探討了5G切片(URLLC時(shí)延切片、mMTC海量接入切片、eMBB增強(qiáng)帶寬切片、Voice語(yǔ)音切片)在電力物聯(lián)網(wǎng)不同場(chǎng)景下的應(yīng)用實(shí)踐。文獻(xiàn)[18]介紹了基于智能物聯(lián)的資產(chǎn)全壽命周期管理平臺(tái)，利用物聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)，推廣電力系統(tǒng)設(shè)備實(shí)物ID，實(shí)現(xiàn)設(shè)備參數(shù)查詢、故障信息記錄、狀態(tài)巡檢、物料更換的全方位一體化。

本文首先闡述了泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的基本概念、特征和4層體系架構(gòu)，進(jìn)而分析了泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，最后重點(diǎn)研究了泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)際需求和應(yīng)用前景。

1 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的概念

1.1 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的定義

泛在物聯(lián)是指任何時(shí)間、任何地點(diǎn)、任何人、任何物之間的信息互聯(lián)和交互。而泛在電力物聯(lián)網(wǎng)是指電力用戶及其設(shè)備、電網(wǎng)企業(yè)及其設(shè)備、發(fā)電企業(yè)及其設(shè)備、供應(yīng)商及其設(shè)備、以及人和物的信息互聯(lián)和交互[19]。

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，其本質(zhì)是實(shí)現(xiàn)各種信息傳感設(shè)備與通信信息資源的共享，從而形成具有自我標(biāo)識(shí)、感知和智能處理的物理實(shí)體。實(shí)體之間的協(xié)同和互動(dòng)，使得有關(guān)物體相互感知和反饋控制，形成一個(gè)更加智能的電力生產(chǎn)、生活體系[20]。

1.2 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的基本特征

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)立足現(xiàn)有電網(wǎng)實(shí)體與通信技術(shù)，將不同能源系統(tǒng)物理互聯(lián)、時(shí)空信息互聯(lián)、商業(yè)互聯(lián)相融合，具有全息感知、泛在連接、開(kāi)放共享、融合創(chuàng)新的特征。全息感知是指通過(guò)RFID、傳感器等，動(dòng)態(tài)獲取“發(fā)–輸–變–用”各個(gè)環(huán)節(jié)不同設(shè)備、不同用戶的狀態(tài)信息。泛在連接指通過(guò)電力專網(wǎng)或移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)將電力系統(tǒng)中所有設(shè)備、用戶的信息和數(shù)據(jù)全時(shí)空連接。開(kāi)放共享指在統(tǒng)一平臺(tái)上利用智能技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行共享和管理，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，挖掘有效信息，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上下貫通，全方位實(shí)時(shí)交互。融合創(chuàng)新即通過(guò)不同設(shè)備、用戶，不同時(shí)空信息，對(duì)內(nèi)實(shí)現(xiàn)全業(yè)務(wù)在線，電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)外建成智慧綜合能源服務(wù)平臺(tái)，開(kāi)拓電力市場(chǎng)，促進(jìn)電力改革。

1.3 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)目標(biāo)

發(fā)揮泛在物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)是其建設(shè)的主要目標(biāo)。電力數(shù)據(jù)來(lái)源各異，包含控制、計(jì)量、監(jiān)測(cè)等不同類型、不同時(shí)空尺度，實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)統(tǒng)一分析及深度挖掘，是其首要建設(shè)目標(biāo)。電力數(shù)據(jù)服務(wù)對(duì)象不同，打破數(shù)據(jù)壁壘，實(shí)現(xiàn)不同業(yè)務(wù)貫通是其第二階段建設(shè)目標(biāo)。最終將電力數(shù)據(jù)應(yīng)用于各行各業(yè)，推廣不同行業(yè)廣泛參與的商業(yè)模式是其最終建設(shè)目標(biāo)?？梢灶A(yù)見(jiàn)，隨著泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)，以機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)為代表的大數(shù)據(jù)及人工智能技術(shù)等數(shù)據(jù)知識(shí)挖掘技術(shù)將得到廣泛應(yīng)用與發(fā)展。

2 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的基本構(gòu)架

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的基本架構(gòu)分為3個(gè)方面：技術(shù)架構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)、應(yīng)用架構(gòu)。

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)架構(gòu)分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺(tái)層和應(yīng)用層，如圖1所示。感知層完成“發(fā)–輸–變–用”各個(gè)單位數(shù)據(jù)同源采集，以及通過(guò)邊緣計(jì)算提升各終端智能化；網(wǎng)絡(luò)層利用“大云物移智”現(xiàn)代通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)全覆蓋；平臺(tái)層利用物聯(lián)管理中心和數(shù)據(jù)中心提升數(shù)據(jù)高效處理和云霧協(xié)同能力；應(yīng)用層促進(jìn)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，建設(shè)智慧綜合能源互聯(lián)網(wǎng)。

圖1 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)架構(gòu)

標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)為數(shù)據(jù)平臺(tái)接入標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示。感知層“發(fā)–輸–變–用”各環(huán)節(jié)設(shè)備產(chǎn)生了海量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來(lái)源不同，數(shù)據(jù)類型不同，數(shù)據(jù)長(zhǎng)短各異，導(dǎo)致數(shù)據(jù)之間存在壁壘，難以上下統(tǒng)一貫通利用，建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)，可以提高數(shù)據(jù)質(zhì)量和實(shí)時(shí)共享性。

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用分為3個(gè)部分：保障電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、打造智慧能源綜合服務(wù)平臺(tái)并開(kāi)拓電力市場(chǎng)、構(gòu)建能源生態(tài)體系，如圖2 所示。

數(shù)據(jù)共享是泛在電力物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)的基礎(chǔ)，其中通信網(wǎng)絡(luò)貫穿整個(gè)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)，安全互動(dòng)、智能防御的物聯(lián)網(wǎng)安防技術(shù)是整個(gè)體系安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要保證。

表1 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的一體化數(shù)據(jù)平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)

圖2 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用架構(gòu)

3 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)是基于智能電網(wǎng)發(fā)展而來(lái)，智能電網(wǎng)的核心是構(gòu)建具備智能判斷與自適應(yīng)調(diào)節(jié)能力的多種能源統(tǒng)一入網(wǎng)和分布式管理的智能化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其本質(zhì)為能源替代和兼容利用[21]。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)是海量電力信息的可靠、高效利用手段。對(duì)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的4層體系架構(gòu)，包含四大要素，即終端海量電力數(shù)據(jù)的采集及終端智能化、電力數(shù)據(jù)的傳遞、電力數(shù)據(jù)的一體化分析和管理、電力信息的綜合應(yīng)用，所對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)為智能芯片、現(xiàn)代通信技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。

3.1 智能芯片

隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的計(jì)量、保護(hù)、變換、控制、監(jiān)測(cè)、用電等設(shè)備接入電力系統(tǒng)，各種電力設(shè)備的運(yùn)行產(chǎn)生了大量數(shù)據(jù)，目前多數(shù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備仍然基于傳動(dòng)的工業(yè)采集裝置，數(shù)據(jù)可靠性差，精度低，也使得終端設(shè)備的智能化程度低，而基于智能芯片的微型智能傳感及智能終端可以充分解決這一問(wèn)題，其具備高精度、低功耗、微型化、智能計(jì)算的特點(diǎn)，一方面可以完成設(shè)備信息的采集、提取及傳遞；另一方面通過(guò)本地邊緣計(jì)算，實(shí)現(xiàn)終端智能化，完成本地自控，從而無(wú)需像傳統(tǒng)設(shè)備一樣只具備遙測(cè)搖信功能而不具備遙控功能。近年來(lái)，谷歌開(kāi)發(fā)的Edge TPU芯片、中科院開(kāi)發(fā)的“寒武紀(jì)”芯片都具備海量數(shù)據(jù)處理與邊緣計(jì)算的能力，這些智能芯片的出現(xiàn)將快速促進(jìn)終端的全息感知與智能化。

3.2 5G與LPWA

海量電力數(shù)據(jù)的傳遞需要一體化的通信網(wǎng)絡(luò)。電力系統(tǒng)地域分布廣泛，往往涉及高山、森林、冰原等復(fù)雜環(huán)境，致使通信網(wǎng)絡(luò)難以覆蓋全部，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)難以傳輸?，F(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)有2類主流技術(shù)：一類是工業(yè)以太網(wǎng)和電力載波為主的有線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，另一類是以5G和低功耗廣域網(wǎng)(LPMA)為主的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)分布廣，分散性強(qiáng)，部分不易供電，連接難，采集頻次低[22]，傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)難以適用，因此以無(wú)線網(wǎng)絡(luò)為主的現(xiàn)代通信技術(shù)是實(shí)現(xiàn)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通信的主要手段。

5G被視為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的基礎(chǔ)[23]。基于不同場(chǎng)景的5G切片網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)被認(rèn)為是解決電力系統(tǒng)全息感知、泛在連接的關(guān)鍵所在。對(duì)于智能分布式配電自動(dòng)化、毫秒級(jí)精準(zhǔn)負(fù)荷控制等控制類業(yè)務(wù)，可以選擇具有超低時(shí)延的URLLC切片；對(duì)于海量用電信息采集、智能汽車充電站/樁、分布式電源接入等信息采集類業(yè)務(wù)可以選擇mMTC海量機(jī)器類通信接入切片；對(duì)于需要高清視頻回傳的輸變電線路狀態(tài)監(jiān)控、無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)程巡檢、變電站機(jī)器人巡檢等現(xiàn)場(chǎng)業(yè)務(wù)，可以選擇eMBB增強(qiáng)移動(dòng)帶寬切片；對(duì)于需要語(yǔ)音信息的調(diào)度電話、管理電話、應(yīng)急通信等，可以選擇具有高安全、高可靠、高接通率和高清通話質(zhì)量保障的為Voice語(yǔ)音切片。針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，5G切片網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以選擇不同的切片，在5G網(wǎng)絡(luò)通道上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，并接入同樣的5G數(shù)據(jù)平臺(tái)，如圖3所示。

另一方面，以NB-IoT、LoRa為代表的低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)由于其廣覆蓋、大連接、低功耗、低成本的特點(diǎn)而成為工信部《物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃(2016—2020年)》中明確要發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

目前5G網(wǎng)絡(luò)與低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用并不廣泛，隨著其與電力系統(tǒng)的不斷結(jié)合，必將成為實(shí)現(xiàn)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)通信的主要手段。

圖3 5G網(wǎng)絡(luò)切片在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.3 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)

隨著電力系統(tǒng)海量數(shù)據(jù)接入一體化數(shù)據(jù)平臺(tái)，通過(guò)對(duì)大量數(shù)據(jù)的合理分析、深層挖掘，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電力信息的有效利用。一體化數(shù)據(jù)平臺(tái)應(yīng)當(dāng)具備大數(shù)據(jù)處理和云端計(jì)算，以及實(shí)現(xiàn)風(fēng)光預(yù)測(cè)、電力系統(tǒng)故障診斷等的人工智能能力。目前百度的“天工”智能物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，移動(dòng)OneNET物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，阿里link物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)等一體化數(shù)據(jù)平臺(tái)相繼在生產(chǎn)實(shí)踐中展開(kāi)應(yīng)用。移動(dòng)OneNET與“Hi”電展開(kāi)合作，協(xié)助其解決“設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)”、“設(shè)備位置監(jiān)管”、“設(shè)備信息管理”、“反向控制設(shè)備”等問(wèn)題；阿里云于無(wú)錫鴻山打造首個(gè)物聯(lián)網(wǎng)小鎮(zhèn)，實(shí)現(xiàn)小鎮(zhèn)交通、環(huán)境、水務(wù)、能源等多個(gè)城市管理項(xiàng)目的在線運(yùn)營(yíng)。對(duì)于實(shí)現(xiàn)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)一體化平臺(tái)的搭建，必須結(jié)合“大數(shù)據(jù)+云計(jì)算+人工智能”的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。

4 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)難點(diǎn)

4.1 業(yè)務(wù)壁壘

電網(wǎng)各個(gè)部門(mén)都有獨(dú)立的系統(tǒng)，獨(dú)立的業(yè)務(wù)，如何對(duì)海量數(shù)據(jù)統(tǒng)一分析，互補(bǔ)融合，打破業(yè)務(wù)壁壘，降低信息冗余，實(shí)現(xiàn)運(yùn)維、檢修、調(diào)度、營(yíng)銷、計(jì)量、財(cái)務(wù)、資產(chǎn)等不同業(yè)務(wù)貫通是其建設(shè)難點(diǎn)之一。

4.2 信息安全

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的核心是海量數(shù)據(jù)在電力系統(tǒng)的應(yīng)用，海量數(shù)據(jù)的采集必須通過(guò)通信傳輸至統(tǒng)一平臺(tái)，進(jìn)而在統(tǒng)一物聯(lián)平臺(tái)上對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，因此保障網(wǎng)絡(luò)安全是至關(guān)重要的。一方面要保障數(shù)據(jù)能夠可靠、快速?gòu)倪h(yuǎn)端傳輸至平臺(tái)，另一方面還要防止數(shù)據(jù)泄露、抵御網(wǎng)絡(luò)攻擊，因此如何研發(fā)新型的信息安全防護(hù)技術(shù)及系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)信息互聯(lián)、數(shù)據(jù)統(tǒng)一處理是其難點(diǎn)之二。

4.3 數(shù)據(jù)分析

目前的數(shù)據(jù)分析技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性要求駛較高，而電力大數(shù)據(jù)來(lái)源各異、數(shù)據(jù)長(zhǎng)短不同、包含時(shí)間尺度不同，使得傳統(tǒng)數(shù)據(jù)分析技術(shù)不 能直接應(yīng)用于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)；另一方面由于電力系統(tǒng)建設(shè)的階段性、運(yùn)行的實(shí)時(shí)性，導(dǎo)致電力物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上將會(huì)積累大量控制、監(jiān)測(cè)、計(jì)量等歷史和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，它們構(gòu)成了泛在電力物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)層的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)源；此外，以電能替代為代表的用電側(cè)設(shè)備一般市場(chǎng)準(zhǔn)入門(mén)檻較低，不同類型、不同廠家、不同批次設(shè)備的數(shù)據(jù)格式、控制邏輯、接口規(guī)則等差別迥異。因此，如何對(duì)海量多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一分析、深層挖掘是其難點(diǎn)之三。

4.4 商業(yè)模式

目前的電網(wǎng)商業(yè)模式匱乏，僅有的基于電力服務(wù)的商業(yè)模式仍然是以電網(wǎng)為主體的統(tǒng)一分配、計(jì)劃調(diào)度、試點(diǎn)運(yùn)行。這樣的商業(yè)模式已經(jīng)不利于電網(wǎng)公司的業(yè)務(wù)增值需求，不滿足用戶 參與電力的愿景需求，更不符合快速發(fā)展的市場(chǎng)需求。

因此，迫切需要依據(jù)現(xiàn)有電力服務(wù)，借鑒互聯(lián)網(wǎng)理念，通過(guò)法律政策保護(hù)、電價(jià)政策補(bǔ)償、稅收政策優(yōu)惠，建立涵蓋多部門(mén)、多行業(yè)的商業(yè)模式，是泛在物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的難點(diǎn)之四，也是最終能否落地實(shí)施的關(guān)鍵難點(diǎn)。

5 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用前景

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)“發(fā)-輸-變-用”的多個(gè)場(chǎng)景廣泛應(yīng)用。有些技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用，如實(shí)物ID用于電網(wǎng)資產(chǎn)評(píng)估，有些現(xiàn)在還不具備落地條件，需要不斷推廣應(yīng)用。

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)整體體系構(gòu)架的推廣應(yīng)用可有力促進(jìn)智能芯片和智能化電力傳感器的研發(fā)，一體化通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)的建立，并最終制定多項(xiàng)指導(dǎo)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

5.1 提高電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平

目前我國(guó)電網(wǎng)存在能源分布不均，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)不合理，電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力不足等問(wèn)題。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以有效解決這些問(wèn)題，促進(jìn)電力系統(tǒng)“發(fā)–輸–變–配”各個(gè)環(huán)節(jié)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，研發(fā)風(fēng)能、太陽(yáng)能、負(fù)荷實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)，建立以火電機(jī)組為底層支撐的能源統(tǒng)一調(diào)控系統(tǒng)。

結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提高輸電環(huán)節(jié)可靠性、設(shè)備狀態(tài)自動(dòng)診斷技術(shù)，利用智能傳感及智能終端提升保護(hù)、通信等二次設(shè)備的感知能力和終端智能，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合處理、數(shù)據(jù)傳輸、綜合判斷等功能，提高電網(wǎng)的智能化水平和可靠性程度。

結(jié)合電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，建立智能配電管理系統(tǒng)(IDMS)，實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、智能巡檢、快速故障診斷恢復(fù)、優(yōu)化運(yùn)行控制與管理全部在線；對(duì)于難以線上工作的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)節(jié)，通過(guò)電子身份認(rèn)證、電子工作票，在線監(jiān)督，可以降低人員冗余，提高工作效率。

5.2 促進(jìn)清潔能源消納

目前我國(guó)電網(wǎng)中風(fēng)電、光伏等清潔能源占比低，且三北地區(qū)棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象嚴(yán)重，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)將極大促進(jìn)清潔能源消納。結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的全息感知，可以實(shí)現(xiàn)源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)的靈活互動(dòng)；利用人工智能等技術(shù)，對(duì)風(fēng)電、光伏進(jìn)行超短期發(fā)電預(yù)測(cè)，結(jié)合負(fù)荷情況，通過(guò)市場(chǎng)激勵(lì)用戶主動(dòng)參與清潔能源消納；將分布式新能源聚合成實(shí)體，形成虛擬電廠，以多能互補(bǔ)的形式提高分布式新能源的友好并網(wǎng)水平和電網(wǎng)可調(diào)控容量占比，并且優(yōu)化調(diào)度實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域協(xié)調(diào)控制，促進(jìn)集中式新能源省間交易和分布式新能源省內(nèi)交易。

5.3 打造智慧能源服務(wù)平臺(tái)

智慧能源服務(wù)平臺(tái)為電網(wǎng)，用戶提供了互動(dòng)平臺(tái)。利用合理的商業(yè)模式與激勵(lì)政策提升用戶參與電力互動(dòng)的積極性，通過(guò)電動(dòng)汽車參與電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻對(duì)用戶進(jìn)行電價(jià)補(bǔ)償，通過(guò)智慧能源服務(wù)平臺(tái)將傳統(tǒng)能源企業(yè)、園區(qū)工業(yè)、智慧城市、新興企業(yè)全部納入服務(wù)范圍，通過(guò)電動(dòng)汽車聯(lián)網(wǎng)、光伏云網(wǎng)、終端邊緣計(jì)算等技術(shù)，提供基礎(chǔ)供電服務(wù)以外的互聯(lián)網(wǎng)金融、大數(shù)據(jù)運(yùn)營(yíng)、線上供應(yīng)鏈金融等新型能源服務(wù)，從而建成涵蓋發(fā)電運(yùn)營(yíng)、電網(wǎng)、政府、金融機(jī)構(gòu)、第三方投資、用戶、裝置制造等在內(nèi)的能源生態(tài)體系。

5.4 開(kāi)放電力市場(chǎng)

根據(jù)2018年第1季度大型發(fā)電集團(tuán)各類電源交易情況匯總，總交易電量2428億kW×h，其中火電核電交易電量1986億kW×h，而相對(duì)靈活的風(fēng)力、光伏電源交易電量?jī)H有199億kW×h，占比8.2%，這一現(xiàn)象不利于我國(guó)快速發(fā)展的清潔能源并網(wǎng)。

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)將打破現(xiàn)有電力市場(chǎng)的格局，促進(jìn)全面的電力市場(chǎng)開(kāi)放。通過(guò)“大云物智移”的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以實(shí)時(shí)獲取風(fēng)力、光伏、負(fù)荷功率預(yù)測(cè)信息，由此可以將區(qū)域分布式新能源和負(fù)荷聚合成一個(gè)整體，作為電力交易現(xiàn)貨。通過(guò)完善電力現(xiàn)貨市場(chǎng)，可以實(shí)現(xiàn)基于電力現(xiàn)貨價(jià)格和增量配網(wǎng)、局域電網(wǎng)乃至微電網(wǎng)的多種交易模式，如虛擬電廠參與現(xiàn)貨和輔助服務(wù)交易。最終形成網(wǎng)絡(luò)化的能源生態(tài)體系，這是泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的終極戰(zhàn)略目標(biāo)，也是國(guó)家電網(wǎng)公司轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵所在。

5.5 提升電網(wǎng)資產(chǎn)管理水平

電網(wǎng)企業(yè)提出開(kāi)展資產(chǎn)全壽命周期管理工作，以全壽命周期為主線的成本管理，實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)的物資流、信息流、價(jià)值流有效合一的集約化管理，實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)的全過(guò)程、精益化管理。

隨著電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，輸、變、配電設(shè)備數(shù)量及異動(dòng)量迅速增多且運(yùn)行情況更加復(fù)雜，設(shè)備資產(chǎn)全壽命周期管理工作也愈發(fā)艱難。

傳統(tǒng)的設(shè)備巡檢工作主要依靠人力或電子設(shè)備進(jìn)行巡視，面對(duì)龐大的巡檢任務(wù)，一方面對(duì)于人員巡檢監(jiān)督機(jī)制提出了更高的要求，另一方面設(shè)備巡檢、管理、分析、評(píng)估的高度集中也迫切需要一種新的智能化手段。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)，利用實(shí)物ID數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備資產(chǎn)規(guī)劃、采購(gòu)、建設(shè)、運(yùn)行等全方位在線評(píng)估，線下操作；與此同時(shí)，營(yíng)銷員、物資人員和建設(shè)人員也可以利用實(shí)物ID的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)帳、卡、物數(shù)據(jù)更新的惟一性、完整性、準(zhǔn)確性和及時(shí)性，提高設(shè)備賬、卡、物的管理水平。物聯(lián)網(wǎng)實(shí)物ID技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備資產(chǎn)管理的標(biāo)識(shí)、感知和信息傳送，提升電網(wǎng)資產(chǎn)管理水平。

5.6 數(shù)據(jù)增值服務(wù)

數(shù)據(jù)增值服務(wù)是對(duì)海量數(shù)據(jù)的有效利用，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)增值服務(wù)主要分為以下3個(gè)方面：

1）數(shù)據(jù)促進(jìn)行業(yè)融合。電力大數(shù)據(jù)可以廣泛應(yīng)用于冷、熱、氣等不同工商行業(yè)；利用電力數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，冷熱氣等行業(yè)可以進(jìn)行生產(chǎn)活動(dòng)的調(diào)節(jié)優(yōu)化，制定個(gè)性化的生產(chǎn)流程，用戶服務(wù)流程，促進(jìn)與電力行業(yè)的合作，實(shí)現(xiàn)更好的社會(huì)服務(wù)和更高企業(yè)盈利。

2）數(shù)據(jù)衍生新型業(yè)務(wù)。大數(shù)據(jù)海量?jī)?yōu)質(zhì)的數(shù)據(jù)可以應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)金融等領(lǐng)域，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)依托其龐大的用戶基數(shù)和積累的用戶數(shù)據(jù)，可以開(kāi)拓互聯(lián)網(wǎng)金融流量入口方面的業(yè)務(wù)。

3）數(shù)據(jù)租售。金融行業(yè)、高校、科研機(jī)構(gòu)等對(duì)電力原始數(shù)據(jù)或處理數(shù)據(jù)有著巨大的需求。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)在其強(qiáng)大網(wǎng)絡(luò)安全的保障下，無(wú)需將數(shù)據(jù)作為行業(yè)壁壘，通過(guò)數(shù)據(jù)租售，可以實(shí)現(xiàn)相關(guān)行業(yè)的快速發(fā)展，也能促進(jìn)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的不斷完善。

6 結(jié)論

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)是以電力系統(tǒng)為核心，結(jié)合智能終端傳感器、通信網(wǎng)、人工智能、云平臺(tái)技術(shù)，構(gòu)成的復(fù)雜多網(wǎng)流系統(tǒng)。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)通過(guò)電力系統(tǒng)設(shè)備信息交互、人物信息交互，實(shí)現(xiàn)能源生產(chǎn)與消耗的實(shí)時(shí)平衡，保障電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)行；另一方面也可以促進(jìn)電力市場(chǎng)的開(kāi)放，實(shí)現(xiàn)供需交易的快速響應(yīng)，以及清晰明了的電網(wǎng)資產(chǎn)評(píng)估。泛在物聯(lián)技術(shù)與電力系統(tǒng)的結(jié)合，最終將會(huì)構(gòu)建多方參與的能源生態(tài)體系。作為第三次能源革命的核心技術(shù)，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)是未來(lái)能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向。

[1] 丁婧，王欣，鄭淑文，等. DG接入對(duì)微電網(wǎng)電流保護(hù)的影響[J]. 發(fā)電技術(shù)，2019，40(1)：22-27.

[2] 朱永利，石鑫，王劉旺. 人工智能在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的近期研究熱點(diǎn)介紹[J]. 發(fā)電技術(shù)，2018，39(3)： 204-212.

[3] Rifkin J．The third industrial revolution：how lateral power is transforming energy，the economy，and the world[M]．New York：Palgrave MacMillan，2011．

[4] 孫宏斌．泛在電力物聯(lián)網(wǎng)將成能源互聯(lián)網(wǎng)重要實(shí)踐[EB/OL].中電新聞網(wǎng)，(2019-04-04)[2019-04-21]．http: //www.cpnn.com.cn/zdyw/201904/t20190404_1128211.html.

[5] Hongbin S，Qinglai G，Boming Z，et al．Integrated energy management system： concept，design，and demonstration in China[J]．IEEE Electrification Magazine，2018，6(2)：42-50．

[6] Yu J，Shen X，Sun H B．Economic dispatch for regional integrated energy system with district heating network under stochastic demand[J]．IEEE Access，2019(7)：46659-46667．

[7] Wang W L，Wang D，Jia H J，et al．Review of steady-state analysis of typical regional integrated energy system under the background of energy internet [J]．Proceedings of the CSEE，2016，36(12):3292-3305．

[8] Wang D，Liu L，Jia H J，et al．Review of key problems related to integrated energy distribution systems [J]．CSEE Journal of Power and Energy Systems，2018，4(2)：130-145．

[9] Huang A Q，Crow M L，Heydt G T，et al．The future renewable electric energy delivery and management (FREEDM) system： the energy internet [J]．Proceedin- gs of the IEEE，2010，99(1)：133-148．

[10] Su W ，Huang A Q ．A game theoretic framework for a next-generation retail electricity market with high penetration of distributed residential electricity suppliers[J]．Applied Energy，2014，119(C)：341-350．

[11] Zhou K，Yang S，Zhen S．Energy Internet： The business perspective[J]．Applied Energy，2016，178：212-222．

[12] 艾芊，郝然．多能互補(bǔ)、集成優(yōu)化能源系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及挑戰(zhàn)[J]．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2018，42(4)：2-10．

[13] Yang W，Mao W，Zhang J，et al．Narrowband wireless access for low-power massive internet of things：a bandwidth perspective[J]．IEEE Wireless Communicat- ions，2017，24(3)：138-145．

[14] 陳永波，湯奕，艾鑫偉，等．基于LPWAN技術(shù)的能源電力物聯(lián)專網(wǎng)[C]//電力行業(yè)信息化年會(huì)，天津，2016．

[15] 陶莉，劉景祥，朱小光．基于LPWAN的電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．電氣技術(shù)，2018，19(8)：110-115．

[16] 夏旭，朱雪田，梅承力，等．5G切片在電力物聯(lián)網(wǎng)中的研究和實(shí)踐[J]．移動(dòng)通信，2019(1)：69-75．

[17] 程琳琳．國(guó)家電網(wǎng)李維：5G電力切片適配電網(wǎng)需求，未來(lái)將繼續(xù)加深合作[J]．通信世界，2018，779(21)：37．

[18] 程子華，陳鵬良，張銳，等．基于“五位一體”的電網(wǎng)資產(chǎn)實(shí)物“ID”建設(shè)及應(yīng)用[J]．管理觀察，2018，701(30)：32-34．

[19] 寇偉．公司全面部署泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)[EB/OL].國(guó)家電網(wǎng)公司網(wǎng)站，[2019-04-21].http://www.sgcc.c om.cn/html/sgcc_main/col2017021449/2019-03/09/20190309185902979893183_1.shtml.

[20] 汪洋，蘇斌，趙宏波．電力物聯(lián)網(wǎng)的理念和發(fā)展趨勢(shì)[J]．電信科學(xué)，2010(S3)：9-14．

[21] 王利霞．基于物聯(lián)網(wǎng)的智能電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的研究和分析[J]．電源技術(shù)，2014，38(3)：540-541．

[22] 基于LPWAN的電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．電氣技術(shù)，2018，19 (8)：110-115．

[23] 鞠鑫哲．談5G發(fā)展與物聯(lián)網(wǎng)潛力激發(fā)[J]．中國(guó)新通信，2017(17)：61-62．

Key Technologies and Application Prospects of Ubiquitous Power Internet of Things

YANG Dongsheng1, WANG Daohao1, ZHOU Bowen1, CHEn Qiyu2, YANG Zhile3, XU Guoyi4, CUI Mingjian5

(1. College of Information Science and Engineering, Northeastern University, Shenyang110819, Liaoning Province, China; 2.China Electric Power Research Institute, Haidian District, Beijing100192, China; 3. Shenzhen Institute of Advanced Technology, Chinese Academy of Sciences, Shenzhen 518055, Guangdong Province, China; 4. The State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources(North China Electric Power University), Changping District, Beijing 102206, China; 5. Southern Methodist University, Dallas 75275, USA)

The ubiquitous power internet of things(UPIoT) is a complex multi-network system composed of a power system and a combination of intelligent terminal sensors, communication networks, artificial intelligence, and cloud platform technologies. It is with the characteristics of holographic perception, ubiquitous connectivity, open sharing, and fusion innovation. This paper firstly expounded the basic concepts and characteristics of UPIoT, and analyzed its architecture in detail, including the technical architecture, standard architecture, and application architecture. Next, it discussed the key technologies of the ubiquitous power internet of things including intelligent chips, 5G and LPWA, internet of things platform. Afterwards, key difficulties such as business barriers, cyber security, data analytics, and business modes were explored. The actual needs and application prospects of ubiquitous power internet of things were studied.

ubiquitous power internet of things(UPIoT); new energy consumption; physical ID; 5G slicing; cloud platform

10.12096/j.2096-4528.pgt.19061

2019-04-23。

楊東升(1977)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)自動(dòng)化、電力電子技術(shù)、混沌控制、模糊決策、智能信息處理、故障診斷等，yangdongsheng@mail.neu.edu.cn。

楊東升

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61703081)；遼寧省自然科學(xué)基金(20170520113)；新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題(LAPS19005)。

Project Supported by the National Natural Science Foundation of China (61703081); Natural Science Foundation of Liaoning Province (20170520113); the State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources (LAPS19005).

(責(zé)任編輯 辛培裕)