泛在电力物联网的关键技术与应用前景

杨东升，王道浩，周博文，陈麒宇，杨之乐，胥国毅，崔明建



泛在电力物联网的关键技术与应用前景

杨东升1，王道浩1，周博文1，陈麒宇2，杨之乐3，胥国毅4，崔明建5

（1．东北大学信息科学与工程学院，辽宁省 沈阳市 110819；2．中国电力科学研究院有限公司， 北京市 海淀区 100192；3．中国科学院深圳先进技术研究院，广东省 深圳市 518055； 4．新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)，北京市 昌平区 102206；5．美国南卫理工会大学，美国 达拉斯 75275）

泛在电力物联网是以电力系统为核心，结合智能终端传感器、通信网、人工智能和云平台技术构成的复杂多网流系统，其具有全息感知、泛在连接、开放共享、融合创新的特点。首先阐述了泛在电力物联网的基本概念、特征，并详细分析了其体系架构；其次，从智能芯片、5G与LPWA、物联网平台三方面探讨了泛在电力物联网的关键技术，从业务壁垒、信息安全、数据分析和商业模型4个角度分析了泛在电力物联网建设的关键难点；最后研究了泛在电力物联网的实际需求和应用前景。

泛在电力物联网(UPIoT)；新能源消纳；实物ID；5G切片；云平台

0 引言

随着交直流输电规模的迅速扩大，分布式发电设备接入类型与数量快速增加，导致电网复杂程度不断提升，对传统电网形态提出了挑战[1]。另一方面人工智能技术的发展也对电网功能和运行方式提出新的要求[2]。因此，结合泛在物联技术将现有电力系统建设成泛在电力物联网是未来电力能源体系的发展趋势，也是当前阶段国家电网最紧迫、最重要的任务。

目前国内外关于泛在电力物联网的研究相对较少，其中关于综合能源系统的研究与泛在电力物联网有许多相似之处。杰里米×里夫金认为以新能源技术和信息技术深入结合的未来能源体系具有以下特点：1）清洁能源为主要一次能源；2）支持超大规模分布式发电与分布式储能系统接入；3）基于互联网技术实现广域能源共享； 4）支持交通系统的电气化[3]。文献[4-6]认为，泛在电力物联网的使命就是破除阻碍开放共享能源生态形成的各类壁垒，如冷、热、气、电不同能源之间的壁垒，需要通过建设综合能源系统去突破；文献[7-8]通过能量枢纽及其扩展模型分析了综合能源系统的综合模型。文献[9]提出了未来能源系统的核心是分布式可再生能源和储能的即插即用。文献[10-11]认为灵活的电力市场交易是未来能源领域的发展趋势。文献[12]认为物理信息上的互联，是实现综合能源系统的关键之一。

相比于综合能源系统，泛在电力物联网更加关注不同设备的数据互联和信息共享。因此对 于现代通信网络的研究被认为是实现泛在物联的关键。文献[13-15]研究了基于低功耗广域网(LPWAN)的电力物联网泛在连接方案，通过现有电力专网与LPWAN技术的融合创新，为“发-输-变-用”多场景的海量数据实现了低成本、低功耗、低速率、低频次、广覆盖的智能全息感知和泛在连接。文献[16-17]探讨了5G切片(URLLC时延切片、mMTC海量接入切片、eMBB增强带宽切片、Voice语音切片)在电力物联网不同场景下的应用实践。文献[18]介绍了基于智能物联的资产全寿命周期管理平台，利用物联网和移动互联技术，推广电力系统设备实物ID，实现设备参数查询、故障信息记录、状态巡检、物料更换的全方位一体化。

本文首先阐述了泛在电力物联网的基本概念、特征和4层体系架构，进而分析了泛在电力物联网的关键技术，最后重点研究了泛在电力物联网的实际需求和应用前景。

1 泛在电力物联网的概念

1.1 泛在电力物联网的定义

泛在物联是指任何时间、任何地点、任何人、任何物之间的信息互联和交互。而泛在电力物联网是指电力用户及其设备、电网企业及其设备、发电企业及其设备、供应商及其设备、以及人和物的信息互联和交互[19]。

泛在电力物联网是物联网技术在电力系统中的应用，其本质是实现各种信息传感设备与通信信息资源的共享，从而形成具有自我标识、感知和智能处理的物理实体。实体之间的协同和互动，使得有关物体相互感知和反馈控制，形成一个更加智能的电力生产、生活体系[20]。

1.2 泛在电力物联网的基本特征

泛在电力物联网立足现有电网实体与通信技术，将不同能源系统物理互联、时空信息互联、商业互联相融合，具有全息感知、泛在连接、开放共享、融合创新的特征。全息感知是指通过RFID、传感器等，动态获取“发–输–变–用”各个环节不同设备、不同用户的状态信息。泛在连接指通过电力专网或移动网络将电力系统中所有设备、用户的信息和数据全时空连接。开放共享指在统一平台上利用智能技术对数据进行共享和管理，提高数据质量，挖掘有效信息，实现数据上下贯通，全方位实时交互。融合创新即通过不同设备、用户，不同时空信息，对内实现全业务在线，电网安全稳定运行。对外建成智慧综合能源服务平台，开拓电力市场，促进电力改革。

1.3 泛在电力物联网的建设目标

发挥泛在物联网大数据的优势是其建设的主要目标。电力数据来源各异，包含控制、计量、监测等不同类型、不同时空尺度，实现海量数据统一分析及深度挖掘，是其首要建设目标。电力数据服务对象不同，打破数据壁垒，实现不同业务贯通是其第二阶段建设目标。最终将电力数据应用于各行各业，推广不同行业广泛参与的商业模式是其最终建设目标。可以预见，随着泛在电力物联网的实现，以机器学习和深度学习为代表的大数据及人工智能技术等数据知识挖掘技术将得到广泛应用与发展。

2 泛在电力物联网的基本构架

泛在电力物联网的基本架构分为3个方面：技术架构、标准架构、应用架构。

泛在电力物联网的技术架构分为感知层、网络层、平台层和应用层，如图1所示。感知层完成“发–输–变–用”各个单位数据同源采集，以及通过边缘计算提升各终端智能化；网络层利用“大云物移智”现代通信技术实现电力系统各环节全覆盖；平台层利用物联管理中心和数据中心提升数据高效处理和云雾协同能力；应用层促进电网安全稳定运行，建设智慧综合能源互联网。

图1 泛在电力物联网的技术架构

标准架构为数据平台接入标准，如表1所示。感知层“发–输–变–用”各环节设备产生了海量数据，数据来源不同，数据类型不同，数据长短各异，导致数据之间存在壁垒，难以上下统一贯通利用，建立统一的数据平台标准，可以提高数据质量和实时共享性。

泛在电力物联网的应用分为3个部分：保障电网安全经济运行、打造智慧能源综合服务平台并开拓电力市场、构建能源生态体系，如图2 所示。

数据共享是泛在电力物联网体系架构的基础，其中通信网络贯穿整个泛在电力物联网的体系架构，安全互动、智能防御的物联网安防技术是整个体系安全稳定运行的重要保证。

表1 泛在电力物联网的一体化数据平台标准

图2 泛在电力物联网的应用架构

3 泛在电力物联网的关键技术

泛在电力物联网是基于智能电网发展而来，智能电网的核心是构建具备智能判断与自适应调节能力的多种能源统一入网和分布式管理的智能化网络系统，其本质为能源替代和兼容利用[21]。泛在电力物联网的本质是海量电力信息的可靠、高效利用手段。对泛在电力物联网的4层体系架构，包含四大要素，即终端海量电力数据的采集及终端智能化、电力数据的传递、电力数据的一体化分析和管理、电力信息的综合应用，所对应的关键技术为智能芯片、现代通信技术和物联网平台。

3.1 智能芯片

随着电力系统的不断发展，越来越多的计量、保护、变换、控制、监测、用电等设备接入电力系统，各种电力设备的运行产生了大量数据，目前多数现场数据采集设备仍然基于传动的工业采集装置，数据可靠性差，精度低，也使得终端设备的智能化程度低，而基于智能芯片的微型智能传感及智能终端可以充分解决这一问题，其具备高精度、低功耗、微型化、智能计算的特点，一方面可以完成设备信息的采集、提取及传递；另一方面通过本地边缘计算，实现终端智能化，完成本地自控，从而无需像传统设备一样只具备遥测摇信功能而不具备遥控功能。近年来，谷歌开发的Edge TPU芯片、中科院开发的“寒武纪”芯片都具备海量数据处理与边缘计算的能力，这些智能芯片的出现将快速促进终端的全息感知与智能化。

3.2 5G与LPWA

海量电力数据的传递需要一体化的通信网络。电力系统地域分布广泛，往往涉及高山、森林、冰原等复杂环境，致使通信网络难以覆盖全部，现场数据难以传输。现在物联网有2类主流技术：一类是工业以太网和电力载波为主的有线网络技术，另一类是以5G和低功耗广域网(LPMA)为主的无线网络技术。泛在电力物联网中数据分布广，分散性强，部分不易供电，连接难，采集频次低[22]，传统的有线网络通信技术难以适用，因此以无线网络为主的现代通信技术是实现泛在电力物联网网络通信的主要手段。

5G被视为物联网发展的基础[23]。基于不同场景的5G切片网络通信技术被认为是解决电力系统全息感知、泛在连接的关键所在。对于智能分布式配电自动化、毫秒级精准负荷控制等控制类业务，可以选择具有超低时延的URLLC切片；对于海量用电信息采集、智能汽车充电站/桩、分布式电源接入等信息采集类业务可以选择mMTC海量机器类通信接入切片；对于需要高清视频回传的输变电线路状态监控、无人机远程巡检、变电站机器人巡检等现场业务，可以选择eMBB增强移动带宽切片；对于需要语音信息的调度电话、管理电话、应急通信等，可以选择具有高安全、高可靠、高接通率和高清通话质量保障的为Voice语音切片。针对不同的应用场景，5G切片网络技术可以选择不同的切片，在5G网络通道上实现数据的传输，并接入同样的5G数据平台，如图3所示。

另一方面，以NB-IoT、LoRa为代表的低功耗广域网技术由于其广覆盖、大连接、低功耗、低成本的特点而成为工信部《物联网发展规划(2016—2020年)》中明确要发展的网络技术。

目前5G网络与低功耗广域网技术在电力系统中的应用并不广泛，随着其与电力系统的不断结合，必将成为实现泛在电力物联网通信的主要手段。

图3 5G网络切片在电力系统中的应用

3.3 物联网平台

随着电力系统海量数据接入一体化数据平台，通过对大量数据的合理分析、深层挖掘，进而实现电力信息的有效利用。一体化数据平台应当具备大数据处理和云端计算，以及实现风光预测、电力系统故障诊断等的人工智能能力。目前百度的“天工”智能物联网平台，移动OneNET物联网平台，阿里link物联网平台等一体化数据平台相继在生产实践中展开应用。移动OneNET与“Hi”电展开合作，协助其解决“设备状态检测”、“设备位置监管”、“设备信息管理”、“反向控制设备”等问题；阿里云于无锡鸿山打造首个物联网小镇，实现小镇交通、环境、水务、能源等多个城市管理项目的在线运营。对于实现泛在电力物联网数据一体化平台的搭建，必须结合“大数据+云计算+人工智能”的物联网平台。

4 泛在电力物联网的建设难点

4.1 业务壁垒

电网各个部门都有独立的系统，独立的业务，如何对海量数据统一分析，互补融合，打破业务壁垒，降低信息冗余，实现运维、检修、调度、营销、计量、财务、资产等不同业务贯通是其建设难点之一。

4.2 信息安全

泛在电力物联网的核心是海量数据在电力系统的应用，海量数据的采集必须通过通信传输至统一平台，进而在统一物联平台上对数据进行处理分析，因此保障网络安全是至关重要的。一方面要保障数据能够可靠、快速从远端传输至平台，另一方面还要防止数据泄露、抵御网络攻击，因此如何研发新型的信息安全防护技术及系统，实现泛在电力物联网信息互联、数据统一处理是其难点之二。

4.3 数据分析

目前的数据分析技术对数据的统一性要求驶较高，而电力大数据来源各异、数据长短不同、包含时间尺度不同，使得传统数据分析技术不 能直接应用于泛在电力物联网；另一方面由于电力系统建设的阶段性、运行的实时性，导致电力物联网平台上将会积累大量控制、监测、计量等历史和实时数据，它们构成了泛在电力物联网平台层的多源异构数据源；此外，以电能替代为代表的用电侧设备一般市场准入门槛较低，不同类型、不同厂家、不同批次设备的数据格式、控制逻辑、接口规则等差别迥异。因此，如何对海量多源异构数据进行统一分析、深层挖掘是其难点之三。

4.4 商业模式

目前的电网商业模式匮乏，仅有的基于电力服务的商业模式仍然是以电网为主体的统一分配、计划调度、试点运行。这样的商业模式已经不利于电网公司的业务增值需求，不满足用户 参与电力的愿景需求，更不符合快速发展的市场需求。

因此，迫切需要依据现有电力服务，借鉴互联网理念，通过法律政策保护、电价政策补偿、税收政策优惠，建立涵盖多部门、多行业的商业模式，是泛在物联网建设的难点之四，也是最终能否落地实施的关键难点。

5 泛在电力物联网的应用前景

泛在电力物联网技术“发-输-变-用”的多个场景广泛应用。有些技术已经开始应用，如实物ID用于电网资产评估，有些现在还不具备落地条件，需要不断推广应用。

泛在电力物联网整体体系构架的推广应用可有力促进智能芯片和智能化电力传感器的研发，一体化通信网络的设计，物联网管理平台的建立，并最终制定多项指导泛在电力物联网建设的国家标准和行业标准。

5.1 提高电网安全经济运行水平

目前我国电网存在能源分布不均，网架结构不合理，电网调节能力不足等问题。泛在电力物联网通过物联网技术，可以有效解决这些问题，促进电力系统“发–输–变–配”各个环节的安全稳定运行。

结合物联网技术，研发风能、太阳能、负荷实时监测和功率预测系统，建立以火电机组为底层支撑的能源统一调控系统。

结合物联网技术提高输电环节可靠性、设备状态自动诊断技术，利用智能传感及智能终端提升保护、通信等二次设备的感知能力和终端智能，实现联合处理、数据传输、综合判断等功能，提高电网的智能化水平和可靠性程度。

结合电力物联网技术，建立智能配电管理系统(IDMS)，实现配网状态监测、智能巡检、快速故障诊断恢复、优化运行控制与管理全部在线；对于难以线上工作的现场作业环节，通过电子身份认证、电子工作票，在线监督，可以降低人员冗余，提高工作效率。

5.2 促进清洁能源消纳

目前我国电网中风电、光伏等清洁能源占比低，且三北地区弃风、弃光现象严重，泛在电力物联网的建设将极大促进清洁能源消纳。结合物联网的全息感知，可以实现源、网、荷、储的灵活互动；利用人工智能等技术，对风电、光伏进行超短期发电预测，结合负荷情况，通过市场激励用户主动参与清洁能源消纳；将分布式新能源聚合成实体，形成虚拟电厂，以多能互补的形式提高分布式新能源的友好并网水平和电网可调控容量占比，并且优化调度实现跨区域协调控制，促进集中式新能源省间交易和分布式新能源省内交易。

5.3 打造智慧能源服务平台

智慧能源服务平台为电网，用户提供了互动平台。利用合理的商业模式与激励政策提升用户参与电力互动的积极性，通过电动汽车参与电网调峰调频对用户进行电价补偿，通过智慧能源服务平台将传统能源企业、园区工业、智慧城市、新兴企业全部纳入服务范围，通过电动汽车联网、光伏云网、终端边缘计算等技术，提供基础供电服务以外的互联网金融、大数据运营、线上供应链金融等新型能源服务，从而建成涵盖发电运营、电网、政府、金融机构、第三方投资、用户、装置制造等在内的能源生态体系。

5.4 开放电力市场

根据2018年第1季度大型发电集团各类电源交易情况汇总，总交易电量2428亿kW×h，其中火电核电交易电量1986亿kW×h，而相对灵活的风力、光伏电源交易电量仅有199亿kW×h，占比8.2%，这一现象不利于我国快速发展的清洁能源并网。

泛在电力物联网的建设将打破现有电力市场的格局，促进全面的电力市场开放。通过“大云物智移”的物联网技术，可以实时获取风力、光伏、负荷功率预测信息，由此可以将区域分布式新能源和负荷聚合成一个整体，作为电力交易现货。通过完善电力现货市场，可以实现基于电力现货价格和增量配网、局域电网乃至微电网的多种交易模式，如虚拟电厂参与现货和辅助服务交易。最终形成网络化的能源生态体系，这是泛在电力物联网建设的终极战略目标，也是国家电网公司转型的关键所在。

5.5 提升电网资产管理水平

电网企业提出开展资产全寿命周期管理工作，以全寿命周期为主线的成本管理，实现资产的物资流、信息流、价值流有效合一的集约化管理，实现资产的全过程、精益化管理。

随着电网规模的扩大，输、变、配电设备数量及异动量迅速增多且运行情况更加复杂，设备资产全寿命周期管理工作也愈发艰难。

传统的设备巡检工作主要依靠人力或电子设备进行巡视，面对庞大的巡检任务，一方面对于人员巡检监督机制提出了更高的要求，另一方面设备巡检、管理、分析、评估的高度集中也迫切需要一种新的智能化手段。泛在电力物联网，利用实物ID数据，实现设备资产规划、采购、建设、运行等全方位在线评估，线下操作；与此同时，营销员、物资人员和建设人员也可以利用实物ID的动态数据，实现帐、卡、物数据更新的惟一性、完整性、准确性和及时性，提高设备账、卡、物的管理水平。物联网实物ID技术可以实现设备资产管理的标识、感知和信息传送，提升电网资产管理水平。

5.6 数据增值服务

数据增值服务是对海量数据的有效利用，泛在电力物联网的数据增值服务主要分为以下3个方面：

1）数据促进行业融合。电力大数据可以广泛应用于冷、热、气等不同工商行业；利用电力数据的特点，冷热气等行业可以进行生产活动的调节优化，制定个性化的生产流程，用户服务流程，促进与电力行业的合作，实现更好的社会服务和更高企业盈利。

2）数据衍生新型业务。大数据海量优质的数据可以应用于互联网金融等领域，泛在电力物联网依托其庞大的用户基数和积累的用户数据，可以开拓互联网金融流量入口方面的业务。

3）数据租售。金融行业、高校、科研机构等对电力原始数据或处理数据有着巨大的需求。泛在电力物联网在其强大网络安全的保障下，无需将数据作为行业壁垒，通过数据租售，可以实现相关行业的快速发展，也能促进泛在电力物联网的不断完善。

6 结论

泛在电力物联网是以电力系统为核心，结合智能终端传感器、通信网、人工智能、云平台技术，构成的复杂多网流系统。泛在电力物联网通过电力系统设备信息交互、人物信息交互，实现能源生产与消耗的实时平衡，保障电网的经济安全运行；另一方面也可以促进电力市场的开放，实现供需交易的快速响应，以及清晰明了的电网资产评估。泛在物联技术与电力系统的结合，最终将会构建多方参与的能源生态体系。作为第三次能源革命的核心技术，泛在电力物联网是未来能源产业的发展方向。

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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。

杨东升(1977)，男，教授，博士生导师，主要研究方向为电力系统自动化、电力电子技术、混沌控制、模糊决策、智能信息处理、故障诊断等，yangdongsheng@mail.neu.edu.cn。

杨东升

国家自然科学基金项目(61703081)；辽宁省自然科学基金(20170520113)；新能源电力系统国家重点实验室开放课题(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).

(责任编辑 辛培裕)