泛在電力物聯(lián)網(wǎng)在電力市場(chǎng)應(yīng)用中的展望

夏超鵬

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)在電力市場(chǎng)應(yīng)用中的展望

夏超鵬

（國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司檢修分公司，江蘇省 南京市 210000）

隨著電力體制改革的不斷深化，電力用戶(hù)借助分布式發(fā)電、儲(chǔ)能系統(tǒng)和電動(dòng)汽車(chē)等新興技術(shù)已經(jīng)具備了參與電力交易的能力，但傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的運(yùn)行控制方式卻難以適應(yīng)新時(shí)代開(kāi)放電力市場(chǎng)的需求。國(guó)家電網(wǎng)有限公司所提出的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)(ubiquitous power internet of things，UPIoT)戰(zhàn)略可以實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)互連、狀態(tài)全面感知和優(yōu)化控制，是建設(shè)開(kāi)放電力市場(chǎng)的有效技術(shù)支撐?；诖?，分析了新時(shí)代電力系統(tǒng)發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)以及建設(shè)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的必要性；研究了泛在電力物聯(lián)網(wǎng)在開(kāi)放電力市場(chǎng)中的典型應(yīng)用；對(duì)面向電力市場(chǎng)的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了討論，為構(gòu)建現(xiàn)代化開(kāi)放電力市場(chǎng)提供參考。

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)(UPIoT)；電力市場(chǎng)；優(yōu)化控制；可再生能源

0 引言

電力工業(yè)市場(chǎng)化改革使得電力交易的方式逐步從計(jì)劃模式向市場(chǎng)模式的方向過(guò)渡，但是由于可再生能源、分布式發(fā)電和需求側(cè)響應(yīng)等新興技術(shù)和機(jī)制的出現(xiàn)，電力市場(chǎng)的發(fā)展將面臨一系列新的挑戰(zhàn)[1-6]。為應(yīng)對(duì)新時(shí)代電力系統(tǒng)發(fā)展的挑戰(zhàn)，2019年1月，國(guó)家電網(wǎng)有限公司工作會(huì)議上首次提出“三型兩網(wǎng)、世界一流”的新時(shí)代戰(zhàn)略目標(biāo)[7-8]，打造“樞紐型”、“平臺(tái)型”和“共享型”企業(yè)，建設(shè)運(yùn)營(yíng)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)和泛在電力物聯(lián)網(wǎng)，成為我國(guó)現(xiàn)代電力工業(yè)發(fā)展的“航向標(biāo)”。

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電力系統(tǒng)中的高級(jí)應(yīng)用，其充分融合了現(xiàn)代通信、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和人工智能等技術(shù)，依托智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)，構(gòu)建一個(gè)萬(wàn)物互聯(lián)和人機(jī)交互的信息物理融合系統(tǒng)。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)將極大程度地提高電力系統(tǒng)的智能化程度，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)全面感知，優(yōu)化配置各類(lèi)資源，靈活提供多樣化服務(wù)，為建立全球能源互聯(lián)網(wǎng)邁下堅(jiān)實(shí)的一步。

作為首次提出的現(xiàn)代化電網(wǎng)新興理念，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)受到了能源、互聯(lián)網(wǎng)和設(shè)備制造等領(lǐng)域研究人員的廣泛關(guān)注。目前已有很多學(xué)者對(duì)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的釋義[9]、實(shí)施策略[10-11]和關(guān)鍵技術(shù)[12-14]等內(nèi)容進(jìn)行了研究和展望，討論了泛在電力物聯(lián)網(wǎng)在輸變電設(shè)備[15-16]和智能配電網(wǎng)[17-19]等領(lǐng)域中的應(yīng)用。文獻(xiàn)[9]從物聯(lián)網(wǎng)和泛在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)層面入手，較為全面地分析了泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的含義、技術(shù)要求和應(yīng)用場(chǎng)景。文獻(xiàn)[14]從終端層、網(wǎng)絡(luò)層和平臺(tái)層分別指出，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)主要包含物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備研發(fā)、通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)安全和海量數(shù)據(jù)分析及處理等。文獻(xiàn)[15]根據(jù)輸電、變電和配電設(shè)備各自的運(yùn)行特點(diǎn)和檢測(cè)需求，分別提出了泛在電力物聯(lián)網(wǎng)在對(duì)應(yīng)領(lǐng)域的建設(shè)方案和應(yīng)用場(chǎng)景，分析了泛在電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用之后對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行管理和技術(shù)發(fā)展等方面帶來(lái)的影響。目前，針對(duì)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)在電力市場(chǎng)中應(yīng)用的研究還比較少，文 獻(xiàn)[20]提出了一種基于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電力市場(chǎng)主動(dòng)服務(wù)感知共享平臺(tái)的架構(gòu)和設(shè)想，但對(duì)于共享平臺(tái)具體運(yùn)行模式和主要功能研究 較少。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，討論了新時(shí)代電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變化和存在的問(wèn)題，分析了電力企業(yè)角色的轉(zhuǎn)變和面臨的挑戰(zhàn)。針對(duì)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)在電力市場(chǎng)中的應(yīng)用，提出了一種綜合能源服務(wù)及交易平臺(tái)，并討論了該平臺(tái)具備的功能和帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益。最后，對(duì)面向電力市場(chǎng)的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了討論。

1 新時(shí)代電力工業(yè)發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)

1.1 電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和環(huán)境問(wèn)題的日益突出，當(dāng)今電力系統(tǒng)在“發(fā)、輸、配、用”等各個(gè)方面都發(fā)生了顯著的變化[21-22]。其表現(xiàn)為：發(fā)電側(cè)逐漸從過(guò)去的傳統(tǒng)能源集中發(fā)電方式轉(zhuǎn)變?yōu)榧惺桨l(fā)電與分布式發(fā)電、傳統(tǒng)能源發(fā)電與可再生能源發(fā)電并存的方式，由于發(fā)電側(cè)出現(xiàn)了大量的風(fēng)力和光伏等可再生能源，導(dǎo)致系統(tǒng)電源側(cè)的隨機(jī)性和可調(diào)整性受到極大的影響[23]。輸電側(cè)逐漸從過(guò)去的以超高壓電網(wǎng)為主網(wǎng)架的局部互聯(lián)方式轉(zhuǎn)變?yōu)橐蕴馗邏弘娋W(wǎng)為骨干網(wǎng)架的廣泛互聯(lián)方式，大容量、遠(yuǎn)距離的特高壓交直流混合輸電的出現(xiàn)，導(dǎo)致系統(tǒng)的運(yùn)行特性和穩(wěn)定特性發(fā)生重大變化[24]。配電側(cè)用戶(hù)數(shù)量以及用電負(fù)荷種類(lèi)的增多，導(dǎo)致配電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和承載的功能正在發(fā)生改變，由于用戶(hù)多樣性的用能需求，配電網(wǎng)的角色已經(jīng)由傳統(tǒng)的單向電能提供逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殡p向能量互動(dòng)。隨著智能終端、分布式發(fā)電和電動(dòng)汽車(chē)的普及，用電側(cè)已經(jīng)具備了一定程度的參與電網(wǎng)動(dòng)態(tài)調(diào)整和電能供應(yīng)的能力[25]，用電客戶(hù)的角色界定也越來(lái)越模糊。

新時(shí)代電力系統(tǒng)的組成和所承載的功能已經(jīng)發(fā)生了顯著的轉(zhuǎn)變，因電源、網(wǎng)架和負(fù)荷的變化而導(dǎo)致的系統(tǒng)備用容量不足、頻率/電壓穩(wěn)定性差和諧波含量高等問(wèn)題日益凸顯[26]。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)調(diào)控往往采用棄風(fēng)、棄光和增加備用容量等措施維持系統(tǒng)穩(wěn)定，但這種方式會(huì)導(dǎo)致新能源利用率不高、投資成本過(guò)大和輸電通道傳輸容量無(wú)法充分利用等問(wèn)題，無(wú)法從根本上保證系統(tǒng)的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。因此，建設(shè)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)，提高電力系統(tǒng)全網(wǎng)絡(luò)的智能化水平，實(shí)時(shí)感知當(dāng)前電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，優(yōu)化調(diào)整系統(tǒng)的運(yùn)行方式和精細(xì)控制各方面現(xiàn)有的調(diào)節(jié)容量，是適應(yīng)新時(shí)代電網(wǎng)調(diào)控的可行方案。

1.2 電網(wǎng)公司角色的轉(zhuǎn)變

伴隨著電力體制改革和供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的不斷深化，電網(wǎng)公司和傳統(tǒng)的電信運(yùn)營(yíng)商一樣，面臨著被“管道化”的可能[27-28]。過(guò)去的20年，互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)通信飛速發(fā)展，然而在這個(gè)發(fā)展的風(fēng)口上，不斷崛起的是各大互聯(lián)網(wǎng)公司，而提供基礎(chǔ)服務(wù)的三大電信運(yùn)營(yíng)商不僅沒(méi)有從中獲得太多的紅利，反而逐步失去了市場(chǎng)中的主動(dòng)權(quán)。這是由于在移動(dòng)通信發(fā)展初期，運(yùn)營(yíng)商是典型的內(nèi)容提供商，其直接與客戶(hù)群體聯(lián)系，為客戶(hù)群體提供通話(huà)和短信等業(yè)務(wù)并收取費(fèi)用。然而隨著互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來(lái)，移動(dòng)數(shù)據(jù)流量成為了移動(dòng)通信的主角，各大運(yùn)營(yíng)商所能提供的服務(wù)幾乎沒(méi)有差異?？蛻?hù)對(duì)于運(yùn)營(yíng)商提供短信和通話(huà)服務(wù)的黏性逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)容的黏性，導(dǎo)致過(guò)去運(yùn)營(yíng)商直接面向客戶(hù)的場(chǎng)景轉(zhuǎn)變?yōu)榛ヂ?lián)網(wǎng)公司直接面向客戶(hù)，而運(yùn)營(yíng)商只提供通信“管道”的現(xiàn)狀，如圖1所示?；ヂ?lián)網(wǎng)公司通過(guò)自身推出的各項(xiàng)服務(wù)吸引了大批客戶(hù)之后，其所提供的服務(wù)將不僅僅限于這些基礎(chǔ)業(yè)務(wù)，還可以利用大量的客戶(hù)群體提供各類(lèi)增值業(yè)務(wù)(如廣告和理財(cái)服務(wù)等)[29-31]，并從中獲得更大的利潤(rùn)。比較有代表性的例子包括，現(xiàn)在越來(lái)越多的人開(kāi)始使用社交軟件的音頻或者視頻通話(huà)取代傳統(tǒng)的電話(huà)和短信業(yè)務(wù)，而社交平臺(tái)的作用也不僅限于社交，其還提供了公眾號(hào)的推廣服務(wù)、內(nèi)嵌其他小程序的廣告服務(wù)和電子貨幣的理財(cái)服務(wù)等。在這個(gè)過(guò)程中，運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)完全失去了市場(chǎng)的主動(dòng)權(quán)，不僅無(wú)法獲得互聯(lián)網(wǎng)帶來(lái)的紅利，還需要承擔(dān)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和維護(hù)的龐大費(fèi)用，因此導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)商的利潤(rùn)逐年下滑。

圖1 電信運(yùn)營(yíng)商的角色轉(zhuǎn)變

從電信運(yùn)營(yíng)商被“管道化”的現(xiàn)象中不難發(fā)現(xiàn)，電力作為一種類(lèi)似于移動(dòng)數(shù)據(jù)的無(wú)差別商品，隨著開(kāi)放的電力市場(chǎng)逐步完善，如果電網(wǎng)公司繼續(xù)堅(jiān)持傳統(tǒng)的電網(wǎng)建設(shè)和運(yùn)營(yíng)業(yè)務(wù)，就會(huì)逐步失去客戶(hù)，逐漸變成為新型能源服務(wù)提供基礎(chǔ)支撐的“管道化”企業(yè)。因此在新時(shí)代電網(wǎng)公司必須改變傳統(tǒng)的業(yè)務(wù)模式和商業(yè)模式，加快推動(dòng)電網(wǎng)向智能化和物聯(lián)網(wǎng)化的新階段轉(zhuǎn)型，打破傳統(tǒng)通過(guò)購(gòu)銷(xiāo)價(jià)差獲得盈利的單一模式，在萬(wàn)物互聯(lián)的新時(shí)代積極開(kāi)辟新的經(jīng)營(yíng)方式和發(fā)展理念。

1.3 發(fā)電企業(yè)角色的轉(zhuǎn)變

與電網(wǎng)公司不同，在開(kāi)放的電力市場(chǎng)環(huán)境下，發(fā)電企業(yè)可以成立售電公司，直接與用電客戶(hù)進(jìn)行交易，并具備了一定程度上的自主定價(jià)權(quán)。發(fā)電企業(yè)進(jìn)入電力市場(chǎng)，一方面能促進(jìn)企業(yè)降本增效，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益；另一方面也使得企業(yè)面臨市場(chǎng)化的挑戰(zhàn)，增加了企業(yè)的經(jīng)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)。由于受傳統(tǒng)壟斷式的運(yùn)營(yíng)方式所限，發(fā)電企業(yè)對(duì)于電力市場(chǎng)的了解很少，在電力營(yíng)銷(xiāo)和用戶(hù)側(cè)服務(wù)方面的經(jīng)驗(yàn)非常欠缺。如何打開(kāi)售電渠道、提高企業(yè)的市場(chǎng)占用率是發(fā)電企業(yè)立足開(kāi)放電力市場(chǎng)必須解決的問(wèn)題。

為應(yīng)對(duì)市場(chǎng)化所帶來(lái)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，首先，發(fā)電企業(yè)必須加強(qiáng)電力營(yíng)銷(xiāo)與宣傳的力度，不斷擴(kuò)大自身的用戶(hù)群體，充分利用信息化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，簡(jiǎn)化售電的流程，構(gòu)建一條開(kāi)放、便捷和實(shí)時(shí)的售電渠道。其次，為增強(qiáng)電力用戶(hù)與發(fā)電企業(yè)產(chǎn)品之間的黏性，企業(yè)必須準(zhǔn)確獲取用戶(hù)的用能信息和習(xí)慣，針對(duì)不同的用戶(hù)群體推出精細(xì)化、個(gè)性化的服務(wù)，合理安排各種類(lèi)型的優(yōu)惠政策，突出企業(yè)的特點(diǎn)，增強(qiáng)核心競(jìng)爭(zhēng)力。

2 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)在電力市場(chǎng)中的創(chuàng)新應(yīng)用場(chǎng)景

2.1 綜合能源服務(wù)及交易平臺(tái)架構(gòu)

在一個(gè)技術(shù)條件齊備和市場(chǎng)管理機(jī)制成熟的開(kāi)放電力市場(chǎng)下，電力系統(tǒng)中的發(fā)電側(cè)和購(gòu)電側(cè)完全市場(chǎng)化，人們可以靈活地參與到電力的交易中來(lái)。其中：發(fā)電側(cè)既包含了傳統(tǒng)的發(fā)電集團(tuán)，也包含了個(gè)人的小水電、分布式新能源以及電動(dòng)汽車(chē)等；而購(gòu)電側(cè)則包含了工廠等大客戶(hù)以及居民等個(gè)人客戶(hù)。需要注意的是，除了專(zhuān)門(mén)的發(fā)電集團(tuán)以外，其他客戶(hù)可以根據(jù)自己當(dāng)前的電能需求、個(gè)人電源當(dāng)前能發(fā)出的電量以及上網(wǎng)的實(shí)時(shí)電價(jià)，決定是從電網(wǎng)購(gòu)電還是向電網(wǎng)售電。

在上述開(kāi)放的電力市場(chǎng)下，依托泛在電力物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建一個(gè)綜合能源服務(wù)及交易平臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“綜合能源服務(wù)平臺(tái)”)，并開(kāi)發(fā)相應(yīng)的電腦和手機(jī)客戶(hù)端。所有參與電力交易的企業(yè)和個(gè)人可以通過(guò)實(shí)名制賬戶(hù)進(jìn)入綜合能源服務(wù)平臺(tái)，進(jìn)行實(shí)時(shí)靈活的電力交易。該綜合能源服務(wù)平臺(tái)的主要功能如圖2所示。

圖2 綜合能源服務(wù)及交易平臺(tái)的主要功能

2.2 電力能源交易

電力能源交易是綜合能源服務(wù)平臺(tái)的核心業(yè)務(wù)和基礎(chǔ)功能。所有需要參與電力能源交易的企業(yè)和個(gè)人需向有關(guān)部門(mén)及運(yùn)營(yíng)的電網(wǎng)公司提出開(kāi)戶(hù)申請(qǐng)，獲得審核批準(zhǔn)之后，可以登錄綜合能源服務(wù)平臺(tái)。電力能源交易業(yè)務(wù)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 電力能源交易業(yè)務(wù)結(jié)構(gòu)

發(fā)電企業(yè)是典型的售電側(cè)客戶(hù)，其根據(jù)發(fā)電調(diào)度計(jì)劃和電力需求的情況，決定當(dāng)前該企業(yè)的售電電價(jià)并將這部分電能像商品一樣在綜合能源服務(wù)平臺(tái)上“上架”。待用電客戶(hù)通過(guò)綜合能源服務(wù)平臺(tái)買(mǎi)走該部分電能之后，發(fā)電企業(yè)將對(duì)應(yīng)容量的電能輸送上網(wǎng)。

大型的企業(yè)及工廠是典型的購(gòu)電側(cè)客戶(hù)，其根據(jù)企業(yè)的電能需求和自身的用能特點(diǎn)，在綜合能源服務(wù)平臺(tái)上選擇價(jià)格合適的售電商。與對(duì)應(yīng)的售電商簽訂購(gòu)買(mǎi)協(xié)議并支付費(fèi)用之后，購(gòu)電企業(yè)獲得對(duì)應(yīng)容量電能的使用權(quán)限。

個(gè)人用戶(hù)在不同的場(chǎng)景下既可能是售電側(cè)客戶(hù)，也可能是購(gòu)電側(cè)客戶(hù)?？紤]當(dāng)用戶(hù)家庭安裝有分布式小型發(fā)電及儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí)，用戶(hù)在滿(mǎn)足自身電能需求的情況下就具備了對(duì)外售電的能力。當(dāng)個(gè)人的分布式發(fā)電系統(tǒng)所供電能超出了目前個(gè)人所需的電能時(shí)，用戶(hù)可以將這部分多余的電能定價(jià)后在綜合能源服務(wù)平臺(tái)上“上架”；而當(dāng)分布式發(fā)電不能滿(mǎn)足自身需求時(shí)，用戶(hù)則可以在平臺(tái)上向發(fā)電企業(yè)或其他個(gè)人賣(mài)家購(gòu)買(mǎi)電能。

在此過(guò)程中，綜合能源服務(wù)平臺(tái)相當(dāng)于為售電和購(gòu)電的客戶(hù)提供了一個(gè)實(shí)時(shí)交易的平臺(tái)。售電側(cè)和購(gòu)電側(cè)客戶(hù)只需要在平臺(tái)上完成交易，負(fù)責(zé)運(yùn)營(yíng)的電網(wǎng)公司作為中間層負(fù)責(zé)電能的傳輸、調(diào)度和功率平衡，并從中收取一定比例的過(guò)網(wǎng)費(fèi)和手續(xù)費(fèi)。對(duì)于發(fā)電企業(yè)，綜合能源服務(wù)平臺(tái)為其提供了廣大的客戶(hù)群體，解決了企業(yè)的售電渠道問(wèn)題并降低了市場(chǎng)化運(yùn)營(yíng)的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于用電客戶(hù)，綜合能源服務(wù)平臺(tái)為其提供了更多的選擇，可以根據(jù)自身用能的特點(diǎn)選擇最佳的售電商，從而降低自身的用電成本。另外，對(duì)于具備發(fā)電能力的用電客戶(hù)，綜合能源服務(wù)平臺(tái)為其提供了良好的電力交易環(huán)境，有利于分布式電源廣泛接入和各類(lèi)能源綜合利用。對(duì)于電網(wǎng)公司，其依托傳輸通道和調(diào)度管理的核心地位，擁有了綜合能源服務(wù)平臺(tái)的運(yùn)營(yíng)權(quán)，后續(xù)可在平臺(tái)上繼續(xù)開(kāi)發(fā)高級(jí)應(yīng)用，為企業(yè)發(fā)展注入新的動(dòng)力。

2.3 電力需求側(cè)響應(yīng)

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的頻率和電壓調(diào)節(jié)主要通過(guò)供給側(cè)改變有功和無(wú)功出力的方式實(shí)現(xiàn)，這種傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法增大了系統(tǒng)的備用容量和投資成本。利用綜合能源服務(wù)平臺(tái)上靈活的電力交易機(jī)制，可以通過(guò)市場(chǎng)化的調(diào)節(jié)手段鼓勵(lì)用電客戶(hù)主動(dòng)參與到電網(wǎng)的調(diào)節(jié)中，從而實(shí)現(xiàn)電力的需求側(cè)響應(yīng)。

在電力使用的高峰期，由于電力需求緊張，各個(gè)售電商會(huì)提高電價(jià)。此時(shí)為了降低用電成本，企業(yè)和工廠會(huì)將部分耗能或者不緊急的業(yè)務(wù)推遲到用電低谷時(shí)期，而個(gè)人客戶(hù)也會(huì)將部分可轉(zhuǎn)移負(fù)荷(洗衣機(jī)、洗碗機(jī)和電動(dòng)汽車(chē)充電等)推遲到用電低谷時(shí)期。此外，為了賺取更多的售電收益，具備發(fā)電能力的個(gè)人用戶(hù)還會(huì)將儲(chǔ)能系統(tǒng)和電動(dòng)汽車(chē)中多余的電能反送上網(wǎng)進(jìn)行售賣(mài)，也能在一定程度上緩解高峰時(shí)期電力緊張的程度。

而在電力使用的低谷時(shí)期，由于電價(jià)便宜，工廠和企業(yè)可進(jìn)行大規(guī)模的生產(chǎn)。個(gè)人客戶(hù)此時(shí)可以開(kāi)始可轉(zhuǎn)移負(fù)荷的用電，同時(shí)給自己的儲(chǔ)能系統(tǒng)和電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行充電。

通過(guò)電價(jià)激勵(lì)的手段，電力客戶(hù)會(huì)逐漸轉(zhuǎn)變自己的用電習(xí)慣，主動(dòng)參與到電力系統(tǒng)的調(diào)節(jié)中。這不僅可以提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減少電力基礎(chǔ)設(shè)施的投資，還可以在保證用戶(hù)生活質(zhì)量的同時(shí)，使用戶(hù)從中獲得一部分經(jīng)濟(jì)利益。

2.4 增值業(yè)務(wù)

2.4.1 增值業(yè)務(wù)模式

增值業(yè)務(wù)是綜合能源服務(wù)平臺(tái)一大新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)極，也是平臺(tái)型業(yè)務(wù)的特有優(yōu)勢(shì)，其結(jié)構(gòu)如圖4所示?，F(xiàn)代社會(huì)每個(gè)人都需要參與到電力交易中來(lái)，因此綜合能源服務(wù)平臺(tái)將會(huì)成為擁有最大客戶(hù)占有率的企業(yè)平臺(tái)。利用如此龐大的客戶(hù)群體，可以通過(guò)提供相關(guān)的高級(jí)應(yīng)用和增值服務(wù)進(jìn)一步挖掘綜合能源服務(wù)平臺(tái)的潛在價(jià)值。

圖4 增值業(yè)務(wù)結(jié)構(gòu)

2.4.2 能源服務(wù)一站化解決

隨著分布式發(fā)電和電動(dòng)汽車(chē)等技術(shù)的快速發(fā)展，出于降低能源消費(fèi)和提高生活質(zhì)量等原因，未來(lái)有條件的客戶(hù)都可以在自己的家中安裝分布式發(fā)電系統(tǒng)以及電動(dòng)汽車(chē)充放電裝置，綜合能源服務(wù)平臺(tái)可以為客戶(hù)提供從方案設(shè)計(jì)到產(chǎn)品選型再到施工安裝的一站式綜合能源解決方案。對(duì)于有相關(guān)需求的客戶(hù)，可在綜合能源服務(wù)平臺(tái)上填報(bào)自己的需求和安裝地址，之后會(huì)由專(zhuān)人對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行查看并出具設(shè)計(jì)方案和設(shè)備清單?？蛻?hù)可以在綜合能源服務(wù)平臺(tái)的電力商城中選購(gòu)安裝所需要的各類(lèi)部件，付款后再由專(zhuān)人配送到家并負(fù)責(zé)安裝。

2.4.3 電力商城

以能源服務(wù)為契機(jī)，推進(jìn)綜合能源服務(wù)平臺(tái)中電力商城業(yè)務(wù)的進(jìn)一步拓寬，打造專(zhuān)業(yè)電力領(lǐng)域的網(wǎng)上商場(chǎng)。所有經(jīng)過(guò)認(rèn)證的國(guó)內(nèi)外電力設(shè)計(jì)及設(shè)備制造的廠家，都可以在電力商場(chǎng)中銷(xiāo)售電力設(shè)備及技術(shù)服務(wù)。通過(guò)在產(chǎn)品安裝和售后服務(wù)等方面的專(zhuān)業(yè)優(yōu)勢(shì)，提高電力商城相比于其他平臺(tái)的競(jìng)爭(zhēng)力。

2.4.4 智能購(gòu)售電

在開(kāi)放的電力市場(chǎng)下，電價(jià)隨著時(shí)間和需求不斷波動(dòng)。為了提高客戶(hù)用電的經(jīng)濟(jì)性，可以利用大數(shù)據(jù)和優(yōu)化算法為客戶(hù)實(shí)時(shí)尋找最佳的購(gòu)電和售電方案。當(dāng)用戶(hù)需要購(gòu)電或者售電時(shí)，其通過(guò)在綜合能源服務(wù)平臺(tái)上設(shè)定某段時(shí)間之內(nèi)所需交易的電量之后，智能購(gòu)售電程序?qū)⒃谶@段時(shí)間內(nèi)不斷尋找和預(yù)測(cè)價(jià)格最優(yōu)惠的售電商進(jìn)行購(gòu)買(mǎi)，或?qū)ふ易罴训氖垭姇r(shí)間和電價(jià)進(jìn)行出售。此外，在用戶(hù)配備有儲(chǔ)能系統(tǒng)的情況下，智能購(gòu)售電業(yè)務(wù)還可以利用波動(dòng)的電價(jià)，通過(guò)低價(jià)買(mǎi)入和高價(jià)賣(mài)出的方式獲得部分利潤(rùn)。

2.4.5 貨幣金融業(yè)務(wù)

為了實(shí)現(xiàn)綜合能源服務(wù)平臺(tái)上能源交易的功能，貨幣交易是該平臺(tái)必不可少的環(huán)節(jié)。用戶(hù)將自己的銀行卡與個(gè)人賬戶(hù)綁定，并將真實(shí)貨幣與平臺(tái)上的虛擬貨幣進(jìn)行兌換后方可進(jìn)行能源交易。由于在綜合能源服務(wù)平臺(tái)上任何時(shí)間都可以將虛擬貨幣兌換為等價(jià)的電能，實(shí)現(xiàn)了該平臺(tái)上虛擬貨幣的“實(shí)體化”，保證了此虛擬貨幣的價(jià)值。為了鼓勵(lì)用戶(hù)將貨幣存入平臺(tái)內(nèi)，綜合能源服務(wù)平臺(tái)可以進(jìn)一步開(kāi)發(fā)貨幣基金、理財(cái)產(chǎn)品和股票等金融業(yè)務(wù)，將能源的平臺(tái)進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)榻鹑诘钠脚_(tái)。

3 面向電力市場(chǎng)的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

為構(gòu)建本文所提出的綜合能源服務(wù)平臺(tái)的體系架構(gòu)和相關(guān)功能，實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)能源流、信息流、業(yè)務(wù)流的一體化融合，應(yīng)當(dāng)在狀態(tài)感知、信息交互和數(shù)據(jù)處理等各環(huán)節(jié)著重發(fā)展以下關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 電力物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備

智能化采集終端和用戶(hù)終端是綜合能源服務(wù)平臺(tái)的“神經(jīng)末梢”，一方面，其可以采集電力設(shè)備的狀態(tài)信息和用戶(hù)的用能信息等原始數(shù)據(jù)，從而準(zhǔn)確判斷當(dāng)前系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，優(yōu)化系統(tǒng)的運(yùn)行方式和潮流大小，提前發(fā)現(xiàn)故障隱患并評(píng)估運(yùn)行的安全風(fēng)險(xiǎn)。另一方面，基于優(yōu)化的運(yùn)行方式，終端設(shè)備可以實(shí)時(shí)發(fā)布當(dāng)前的電能需求，調(diào)整電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，準(zhǔn)確控制各電源的出力，優(yōu)化調(diào)整用戶(hù)的用電模式。

若要發(fā)展電力物聯(lián)網(wǎng)智能終端設(shè)備，首先，應(yīng)在當(dāng)前系統(tǒng)已有的電壓電流互感器、各類(lèi)傳感器和用戶(hù)側(cè)智能電表的基礎(chǔ)上，解決數(shù)據(jù)種類(lèi)單一和信息交互能力不強(qiáng)的問(wèn)題。其次，針對(duì)系統(tǒng)中新型的分布式發(fā)電單元、用戶(hù)側(cè)智能家電和電動(dòng)汽車(chē)等設(shè)備，開(kāi)發(fā)對(duì)應(yīng)的智能傳感接口設(shè)備，實(shí)現(xiàn)不同場(chǎng)景、不同設(shè)備的即插即用及能源信息雙向流通的功能[32-35]。最后，由于電力設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行在復(fù)雜多變的環(huán)境中，電磁場(chǎng)、溫濕度和壓力大小都會(huì)對(duì)傳感器的運(yùn)行產(chǎn)生影響。因此，電力物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備在面對(duì)復(fù)雜運(yùn)行工況的情況下，應(yīng)當(dāng)保證多維度信息采集的精度，具備數(shù)據(jù)的初步處理和可靠性評(píng)估的能力[36]。

3.2 綜合通信網(wǎng)絡(luò)及信息安全

綜合通信網(wǎng)絡(luò)是綜合能源服務(wù)平臺(tái)的“傳輸媒介”，其可為設(shè)備狀態(tài)信息、電力交易信息和調(diào)度控制命令等多種類(lèi)型的業(yè)務(wù)提供可靠、安全的信息交互通道。

綜合能源服務(wù)平臺(tái)不僅涉及電力系統(tǒng)中設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)信息，還需要處理海量的電力客戶(hù)用能信息，通信網(wǎng)絡(luò)所覆蓋的范圍更廣、程度更深且形式更加復(fù)雜。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中采用的電力線載波和專(zhuān)用光纖通信等“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”的有線通信方式，存在施工復(fù)雜、投資成本高且使用環(huán)境受限的弊端，因此泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)根據(jù)實(shí)際工況和經(jīng)濟(jì)成本等因素，靈活選擇局域網(wǎng)、Zigbee和5G等新興的各類(lèi)有線和無(wú)線通信方式進(jìn)行組網(wǎng)[37-38]。另外，針對(duì)不同對(duì)象所使用的不同通信方式，為了保證各類(lèi)設(shè)備的高效接入，需要制定泛在電力物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)用的通信標(biāo)準(zhǔn)[39-40]，構(gòu)建具備設(shè)備自識(shí)別、自動(dòng)注冊(cè)和跨平臺(tái)信息交互的通信協(xié)議。

在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的背景下，電力系統(tǒng)所承載的功能全且業(yè)務(wù)廣，除了傳統(tǒng)的電力流以外，大量的業(yè)務(wù)流、資金流和各類(lèi)用戶(hù)的私人信息都需要在通信網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行交互，因此信息安全對(duì)于電網(wǎng)安全運(yùn)行的重要性不言而喻[41-42]。但由于開(kāi)放性終端設(shè)備和雙向數(shù)據(jù)流通的出現(xiàn)，以及數(shù)據(jù)通信外網(wǎng)與電力專(zhuān)用內(nèi)網(wǎng)的并存，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的信息安全問(wèn)題也受到了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。針對(duì)信息安全問(wèn)題，一方面，需要建立終端設(shè)備安全防護(hù)體系，加強(qiáng)對(duì)接入終端設(shè)備的身份認(rèn)證和訪問(wèn)權(quán)限的控制[43]，過(guò)濾并攔截部分可信度較低的信息以及可能的惡意操作等。另一方面，需要對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)進(jìn)行安全管控，通信雙方可以采用數(shù)據(jù)加密技術(shù)或者安全路由技術(shù)等手段，保證數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的安全性和完整性，確定每一條信息的合法性和真實(shí)性。

3.3 智能化物聯(lián)網(wǎng)管控平臺(tái)

智能化物聯(lián)網(wǎng)管控平臺(tái)是綜合能源服務(wù)平臺(tái)的“控制中心”，其通過(guò)對(duì)海量的狀態(tài)信息進(jìn)行分析和處理，從而對(duì)目前系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)做出整體的判斷，并為系統(tǒng)的運(yùn)行控制和各類(lèi)用戶(hù)的電力交易提供指導(dǎo)。

綜合能源服務(wù)平臺(tái)中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)來(lái)源多樣、格式復(fù)雜且冗余度高，雖然各類(lèi)信息中所隱含的信息價(jià)值很大，但各類(lèi)信息之間的關(guān)聯(lián)性不直觀，因此物聯(lián)網(wǎng)管控平臺(tái)必須具備數(shù)據(jù)的分類(lèi)匯總、分析處理和信息挖掘的功能[44-45]。對(duì)于系統(tǒng)中的原始數(shù)據(jù)，首先，應(yīng)對(duì)各類(lèi)型的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)匯總，解決當(dāng)前電力系統(tǒng)信息碎片化存儲(chǔ)的問(wèn)題，打破信息的孤島，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)的互聯(lián)共享。其次，應(yīng)用數(shù)據(jù)融合技術(shù)在冗余的數(shù)據(jù)中對(duì)同類(lèi)型的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)，對(duì)有用的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，從而減小通信和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的壓力，提高數(shù)據(jù)分析的可信度。最后，針對(duì)篩選后的有效數(shù)據(jù)，應(yīng)用大數(shù)據(jù)挖掘分析技術(shù)，從數(shù)據(jù)中分析得出當(dāng)前電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)等深層次信息，并為綜合能源服務(wù)平臺(tái)中的電能交易、需求側(cè)響應(yīng)和智能購(gòu)售電等高級(jí)應(yīng)用提供支撐。

4 結(jié)論

對(duì)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)在電力市場(chǎng)中的具體應(yīng)用進(jìn)行了展望，并對(duì)關(guān)鍵技術(shù)的研究進(jìn)行歸納總結(jié)，得出如下結(jié)論：

1）電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和電力市場(chǎng)環(huán)境的變化，使得傳統(tǒng)的運(yùn)行控制方法無(wú)法保證電網(wǎng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，繼續(xù)采用傳統(tǒng)運(yùn)營(yíng)模式的電力企業(yè)無(wú)法適應(yīng)開(kāi)放電力市場(chǎng)下的角色轉(zhuǎn)變。大力建設(shè)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)是突破傳統(tǒng)運(yùn)行方式瓶頸、轉(zhuǎn)變電力工業(yè)發(fā)展方向和理念的重大戰(zhàn)略舉措，也是建設(shè)全球能源互聯(lián)網(wǎng)的必經(jīng)之路。

2）基于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)所提出的綜合能源服務(wù)平臺(tái)是連接電力工業(yè)各個(gè)環(huán)節(jié)的關(guān)鍵，實(shí)現(xiàn)了開(kāi)放電力市場(chǎng)下的能源交易、綜合能源服務(wù)以及增值業(yè)務(wù)等多項(xiàng)功能，充分體現(xiàn)了新時(shí)代電力系統(tǒng)“樞紐、平臺(tái)和共享”的作用，為電力工業(yè)各環(huán)節(jié)的發(fā)展提供了良好的基礎(chǔ)。

3）為實(shí)現(xiàn)綜合能源服務(wù)平臺(tái)的體系架構(gòu)和相關(guān)功能，還需要在電力物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備、綜合通信網(wǎng)絡(luò)及信息安全和智能化物聯(lián)網(wǎng)管控平臺(tái)等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域加強(qiáng)研究。

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Prospect of Ubiquitous Power Internet of Things in Electricity Market

XIA Chaopeng

(Maintenance Branch Company, State Grid Jiangsu Electric Power Co., Ltd., Nanjing 210000, Jiangsu Province, China)

With the deepening of power system reform, power customers have acquired the ability to participate in power trading with emerging technologies such as distributed generation, energy storage systems and electric vehicles. However, the operation and control methods of traditional power systems are difficult to adapt to the demand of open electricity market in the new era. The strategy of ubiquitous power internet of things (UPIoT) proposed by State Grid Co., Ltd. can realize the interconnection of all aspects in power system, overall state perception and optimal control, which is an effective technical support for building an open electricity market. The challenges faced by the development of power systems in the new era and the necessity of constructing UPIoTwere analyzed. The typical application of UPIoT in the open electricity market was researched. Finally, the key technologies of UPIoT for the electricity market were discussed, which provide reference for constructing modern open electricity market.

ubiquitous power internet of things (UPIoT); electricity market; optimal control; renewable energy

10.12096/j.2096-4528.pgt.19163

TM 73

2019-11-05。

(責(zé)任編輯 尚彩娟)