論電力物聯(lián)網(wǎng)研究的若干熱點(diǎn)問題

柴 雯

（國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001）

0 引言

早在互聯(lián)網(wǎng)尚未普及的年代，少數(shù)時(shí)代先鋒就已經(jīng)開始描繪萬物互聯(lián)的未來景象。1985年至1999年，物聯(lián)網(wǎng)的理念快速豐富成型，最終于2005年，“物聯(lián)網(wǎng)”時(shí)代來臨。與此同時(shí)，廣泛發(fā)展的計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，與無所不在的“物”，給予了各行各業(yè)新的發(fā)展機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

20世紀(jì)80年代起，一些新技術(shù)在電力行業(yè)崛起，其中柔性交流輸電技術(shù)、廣域向量測(cè)量技術(shù)、分布式電源等關(guān)鍵技術(shù)為行業(yè)突破性發(fā)展帶來了新的機(jī)遇。進(jìn)入21世紀(jì)，全球范圍的能源問題、環(huán)境問題、金融問題，以及電力行業(yè)復(fù)雜多元的先進(jìn)技術(shù)設(shè)備需求、用戶需求、安全需求、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行需求與落后的電力系統(tǒng)的矛盾，將智能電網(wǎng)推進(jìn)了必然發(fā)展的道路。經(jīng)過10多年的理論研究，歷經(jīng)美國IBM“智能電網(wǎng)”、奧巴馬能源計(jì)劃、我國能源專家武建生“互動(dòng)電網(wǎng)”等計(jì)劃、方案的提出和發(fā)酵，各國智能電網(wǎng)發(fā)展計(jì)劃逐漸興起。智能電網(wǎng)具備自愈、兼容、交互、協(xié)調(diào)、高效、優(yōu)質(zhì)、集成等特點(diǎn)，其技術(shù)解決方案與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)殊途同歸，智能電網(wǎng)的熱潮推動(dòng)了電力物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展進(jìn)程[1-3]。國內(nèi)外學(xué)者開始將物聯(lián)網(wǎng)的概念引入電力系統(tǒng)，探討物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。

我國對(duì)電力物聯(lián)網(wǎng)的研究最早可追溯到2009年，研究數(shù)量逐年增加。2019年國家電網(wǎng)公司在“兩會(huì)”上正式提出“三型兩網(wǎng)”的發(fā)展戰(zhàn)略，將這一領(lǐng)域的研究帶入新的熱潮。筆者對(duì)現(xiàn)有的文獻(xiàn)和研究進(jìn)行閱讀和梳理，分析并討論我國現(xiàn)階段電力物聯(lián)網(wǎng)研究領(lǐng)域的若干熱點(diǎn)問題，通過對(duì)這些問題的凝練和分析，為后續(xù)電力物聯(lián)網(wǎng)的研究提供借鑒，吸引更多的學(xué)者進(jìn)行研究。

1 電力物聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)涵

電力物聯(lián)網(wǎng)的起源可以追溯到物聯(lián)網(wǎng)的提出和智能電網(wǎng)的誕生，但是作為一個(gè)專有名詞，它出現(xiàn)的時(shí)間并不長。不同的學(xué)者雖然對(duì)電力物聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)涵有不同的見解，但是歸根到底都是相似的，且表達(dá)方式具有物聯(lián)網(wǎng)特色。目前，對(duì)電力物聯(lián)網(wǎng)的定義，按照定義的角度來劃分主要有4種類型（見表1）。

a）信息通信的角度。電力物聯(lián)網(wǎng)出現(xiàn)早期，大家通常從物聯(lián)網(wǎng)的角度作為切入點(diǎn)解釋何為電力物聯(lián)網(wǎng)，因此電力物聯(lián)網(wǎng)的概念具有較重的信息通信風(fēng)格，用以幫助大家理解物聯(lián)網(wǎng)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。

b）智能電網(wǎng)的角度。電力物聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展與智能電網(wǎng)是分割不開的，在現(xiàn)階段的研究文獻(xiàn)中，絕大部分高水平文獻(xiàn)都是以物聯(lián)網(wǎng)如何在智能電網(wǎng)中發(fā)揮作用為主題的。這類研究因主要探索物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為智能電網(wǎng)帶來的變革，較少對(duì)電力物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行定義和規(guī)范，僅模糊地將其定義為物聯(lián)網(wǎng)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用。

c）應(yīng)用的角度。從應(yīng)用的角度對(duì)電力物聯(lián)網(wǎng)來進(jìn)行定義是2019年國家電網(wǎng)公司兩會(huì)報(bào)告中提出“泛在電力物聯(lián)網(wǎng)”之前較為流行的一種定義方式。此時(shí)的學(xué)者經(jīng)過一段時(shí)間的研究和探討，已經(jīng)探索了多種物聯(lián)網(wǎng)在電力系統(tǒng)的應(yīng)用，早已脫離了單純的信息通信領(lǐng)域，也慢慢區(qū)分出了智能電網(wǎng)與電力物聯(lián)網(wǎng)。在這種情況下，“電力物聯(lián)網(wǎng)”開始成為一個(gè)專有名詞，也慢慢具備了“電力”特色。在應(yīng)用研究框架下，電力物聯(lián)網(wǎng)被定義為：實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施、人員及所在環(huán)境識(shí)別、感知、互聯(lián)與控制的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

d） 綜合的角度。國家電網(wǎng)公司在2019年兩會(huì)報(bào)告中提出要建設(shè)運(yùn)營好“堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”和“泛在電力物聯(lián)網(wǎng)”。這是“泛在電力物聯(lián)網(wǎng)”這個(gè)名詞首次出現(xiàn)在國家電網(wǎng)公司的兩會(huì)報(bào)告中，也是首次出現(xiàn)在學(xué)術(shù)圈中。國家電網(wǎng)公司對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)在電力行業(yè)的應(yīng)用，已有了多年的技術(shù)基礎(chǔ)，具備了深刻的理解，才能從綜合的角度給出詳細(xì)的定義。但是這一定義又有所不同，所解釋的名詞是“泛在電力物聯(lián)網(wǎng)”，針對(duì)“泛在”二字，國家電網(wǎng)公司泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)大綱中的解釋是，任何時(shí)間、任何地點(diǎn)、任何人和任何物，強(qiáng)調(diào)了無所不在，賦予電力物聯(lián)網(wǎng)更高的期待和要求。“泛在電力物聯(lián)網(wǎng)”的出現(xiàn)，基本明晰了電力物聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)涵。

表1 電力物聯(lián)網(wǎng)概念

2 智能電網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)

我國學(xué)者對(duì)電力物聯(lián)網(wǎng)的研究一直都沒有脫離智能電網(wǎng)[8-9]。2009年前后，國內(nèi)智能電網(wǎng)的研究如火如荼地開展，國家電網(wǎng)公司先后啟動(dòng)了一系列試點(diǎn)工程，將智能電網(wǎng)的建設(shè)推向高潮[10]。隨著世界各國對(duì)智能電網(wǎng)研究的不斷深入，研究者們開始認(rèn)識(shí)到，智能電網(wǎng)所要實(shí)現(xiàn)的是一個(gè)美妙而復(fù)雜的未來，這似乎與物聯(lián)網(wǎng)的終極構(gòu)想是一致的，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以為智能電網(wǎng)服務(wù)。在這樣的背景推動(dòng)下，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)走進(jìn)了電力行業(yè)的視野，并緊密圍繞智能電網(wǎng)的藍(lán)圖發(fā)揮作用。

我國學(xué)者對(duì)智能電網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)的研究，在不同時(shí)段有不同的主題，大致可以劃分為兩個(gè)時(shí)間段。第一個(gè)時(shí)間段是2013年以前，這是物聯(lián)網(wǎng)理念在電力行業(yè)興起至扎根的階段，在這一時(shí)期內(nèi)，大家都在認(rèn)同并形成一個(gè)觀點(diǎn)：電力物聯(lián)網(wǎng)是智能電網(wǎng)發(fā)展到一定階段的必然產(chǎn)物[11]。第二個(gè)時(shí)間段是2014年至今，是物聯(lián)網(wǎng)概念在電力行業(yè)鋪開發(fā)展的階段，在這一時(shí)期，學(xué)者們不再集中論證將物聯(lián)網(wǎng)引入電力行業(yè)的重要意義，而是著重刻畫在不同的“智能”場(chǎng)景中，如何讓物聯(lián)網(wǎng)發(fā)揮重要作用[12-14]。

盡管大家對(duì)“電力物聯(lián)網(wǎng)與智能電網(wǎng)關(guān)系密切”這一觀念高度認(rèn)可，但是對(duì)電力物聯(lián)網(wǎng)和智能電網(wǎng)的關(guān)系還是有不同的看法。一種看法認(rèn)為，智能電網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)的一種應(yīng)用，一個(gè)子系統(tǒng)，是在電力專業(yè)范圍內(nèi)的一個(gè)專業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，它可以隨著智能電網(wǎng)建設(shè)水平的不斷提升而提升[15-16]；另一種看法則較為復(fù)雜，持這種看法的學(xué)者認(rèn)為電力物聯(lián)網(wǎng)和智能電網(wǎng)無論是在內(nèi)涵、特點(diǎn)、形成背景還是實(shí)現(xiàn)手段上都高度一致[17]，但是智能電網(wǎng)本質(zhì)上是電網(wǎng)的優(yōu)化運(yùn)行和管理，主要解決能源問題，而電力物聯(lián)網(wǎng)本質(zhì)上是電力信息的高效運(yùn)行，主要解決信息問題。出現(xiàn)概念高度相似的原因是很多的，主要是兩者都是電力行業(yè)高速發(fā)展的產(chǎn)物，尚未經(jīng)過學(xué)術(shù)界的統(tǒng)一定義，而根據(jù)國家電網(wǎng)“三型兩網(wǎng)”相關(guān)文件中解讀可以知道，在國網(wǎng)公司的概念體系中，盡管都是圍繞著“智能”展開，但兩者的物理基礎(chǔ)和使命還是有所區(qū)別。首先，物理基礎(chǔ)方面，堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的物理基礎(chǔ)是以特高壓骨干網(wǎng)架為主、各級(jí)電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)則是泛在的萬物；其次，在使命方面，堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)是為了更好地適應(yīng)能源協(xié)調(diào)發(fā)展，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)則是為了電網(wǎng)各方面戰(zhàn)略發(fā)展開拓新道路。

總的來說，電力物聯(lián)網(wǎng)是伴隨智能電網(wǎng)而生的，其愿景又更為宏大。在當(dāng)前的研究體系中，二者由于根基尚淺，許多基礎(chǔ)問題尚未嚴(yán)格地區(qū)分開來，使得二者更加緊密不可分，但是隨著研究的深入，“智能”這一主題一定不會(huì)僅僅局限于智能電網(wǎng)或者物聯(lián)網(wǎng)，新技術(shù)的發(fā)展會(huì)為兩者帶來更多的不同。

3 物聯(lián)網(wǎng)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)目前已在交通、安全、生活、環(huán)保、零售、公共服務(wù)、航空航天、醫(yī)療等領(lǐng)域得到應(yīng)用，涵蓋社會(huì)、工業(yè)、環(huán)境等多個(gè)方向[18]。物聯(lián)網(wǎng)在電力行業(yè)也有著廣闊的應(yīng)用空間，多角度的應(yīng)用研究是電力物聯(lián)網(wǎng)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。目前，我國電力物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用研究有以下幾個(gè)熱點(diǎn)。

3.1 電力物聯(lián)網(wǎng)傳感器研究

感知層是電力物聯(lián)網(wǎng)的第一層，通過傳感器實(shí)現(xiàn)信息的識(shí)別、采集和組織。電力系統(tǒng)復(fù)雜多樣，想要實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的信息交換和信息處理，就需要合理利用傳感器技術(shù)，并在這一基礎(chǔ)上研究統(tǒng)一的信息模型。根據(jù)研究的類別不同，現(xiàn)階段研究中，與電力物聯(lián)網(wǎng)緊密相關(guān)的傳感器主要有3種：首先，最為重要的是無線傳感器，無線傳感器是一個(gè)由天線和帶有電磁屏蔽的電路板組成，結(jié)構(gòu)小巧簡單，使用技術(shù)已十分成熟，在電力系統(tǒng)的應(yīng)用中，存在路由策略、統(tǒng)一信息模型、隱私保護(hù)、電磁兼容等問題；其次是氣敏傳感器，氣敏傳感器常出現(xiàn)在變壓器油色譜檢測(cè)中，是一種測(cè)量氣體屬性，并將氣體屬性轉(zhuǎn)化成電信號(hào)的裝置；最后是溫度傳感器，用以測(cè)量各種設(shè)備環(huán)境的溫度數(shù)據(jù)。

3.2 電力物聯(lián)網(wǎng)在電力系統(tǒng)六大環(huán)節(jié)中的作用

電力系統(tǒng)有六大環(huán)節(jié)，發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調(diào)度。不論是智能電網(wǎng)還是電力物聯(lián)網(wǎng)，都要以這六大環(huán)節(jié)為核心開展具體業(yè)務(wù)。電力物聯(lián)網(wǎng)是智能電網(wǎng)在設(shè)備智能化上的延伸，主要解決的問題包括在線監(jiān)測(cè)、狀態(tài)評(píng)估、故障診斷、決策與管理等。在發(fā)電環(huán)節(jié)，電力物聯(lián)網(wǎng)能夠?qū)Ω黝愲姀S實(shí)現(xiàn)檢測(cè)、預(yù)測(cè)和控制，總體優(yōu)化資源配置，提升機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)水平，保障發(fā)電側(cè)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行；在輸電環(huán)節(jié)，電力物聯(lián)網(wǎng)能夠?qū)旊娋€路進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并共享、分析線路數(shù)據(jù)，保障輸電線路安全，提高智能化輸電的可靠性和安全性；在變電環(huán)節(jié)，電力物聯(lián)網(wǎng)可以解決設(shè)備信息數(shù)字化、檢修狀態(tài)化和運(yùn)維高效化的問題，實(shí)現(xiàn)變電環(huán)節(jié)的安全管理、無人化和數(shù)字化；在配電環(huán)節(jié)，配電物聯(lián)網(wǎng)致力于解決精益化運(yùn)維、定制化應(yīng)用、智能化管控、網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同、延伸服務(wù)和綜合管理問題，對(duì)內(nèi)實(shí)現(xiàn)智能管理和資源協(xié)同，對(duì)外則與用電環(huán)節(jié)相配合，為智能用電提供接口；用電環(huán)節(jié)是電力行業(yè)新戰(zhàn)略的突破口，千家萬戶都可以感受到電力物聯(lián)網(wǎng)的“智能”，用戶作為最重要的人參與泛在終端，為新業(yè)務(wù)的發(fā)展提供了無限可能；電力物聯(lián)網(wǎng)的“泛在”監(jiān)控已經(jīng)很好地解決了智能調(diào)度的問題，檢修人員可以通過物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)全面地了解各種設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，為故障快速修復(fù)、電網(wǎng)安全運(yùn)行提供了更強(qiáng)的保障。

3.3 電動(dòng)汽車

車聯(lián)網(wǎng)是電力物聯(lián)網(wǎng)研究中的一個(gè)熱點(diǎn)，也是泛在電力物聯(lián)網(wǎng)在用戶側(cè)的一個(gè)重要切入口。截至2018年4月，國家電網(wǎng)公司的智慧車聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)覆蓋150多個(gè)城市和3.1萬km高速公路，共計(jì)投入充電樁5.6萬個(gè)。智慧車聯(lián)網(wǎng)是電力網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)的重要實(shí)踐，如今的智慧車聯(lián)網(wǎng)早已實(shí)現(xiàn)車、人、城市之間的相互交互，目前正在積極拓展車聯(lián)無限的有關(guān)業(yè)務(wù)，打開物聯(lián)網(wǎng)更深層次的應(yīng)用。

3.4 5G與電力物聯(lián)網(wǎng)

在金融領(lǐng)域，電力物聯(lián)網(wǎng)是“5G”時(shí)代的第二個(gè)十倍風(fēng)口，這是由于當(dāng)前5G硬件設(shè)施在快速建設(shè)中，電力物聯(lián)網(wǎng)將是繼邊緣計(jì)算之后，第二個(gè)由市場(chǎng)推動(dòng)的十倍牛股行業(yè)。5G是新一代通信技術(shù)，有著海量接入、大帶寬和低延時(shí)的特點(diǎn)，利用邊緣計(jì)算技術(shù)和切片網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，5G時(shí)代為垂直行業(yè)變革提供了實(shí)現(xiàn)路徑，也為電力物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)提供了有效支撐[19]。目前，上海、河南、江蘇等地都已開展5G與泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)踐和研究，多所變電站已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)高清視頻回傳和通信，接下來將在通信質(zhì)量和統(tǒng)一控制方面有更多的發(fā)展。

4 結(jié)束語

電力物聯(lián)網(wǎng)再一次“火”起來是市場(chǎng)推動(dòng)的結(jié)果，是整個(gè)行業(yè)發(fā)展的迫切需求。電力物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展至今，盡管在定義、路徑和技術(shù)等方面有各種各樣的問題，但是其發(fā)展目標(biāo)一直是十分明確的。這在電力物聯(lián)網(wǎng)的研究領(lǐng)域表現(xiàn)為應(yīng)用先行，解決實(shí)際問題的能力更為成熟，而理論框架研究則一直比較薄弱。隨著《泛在電力物聯(lián)網(wǎng)》建設(shè)大綱的頒布和實(shí)施，我國電力物聯(lián)網(wǎng)的研究將進(jìn)入“規(guī)范化”時(shí)代，勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生更加完善的理論體系，為電力物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)踐工作提供支持和指導(dǎo)。