泛在电力物联网研究现状分析

2020-03-04肖白周文凯姜卓綦雪松牛湘智

发电技术 2020年1期

肖白，周文凯，姜卓，綦雪松，牛湘智

泛在电力物联网研究现状分析

肖白1，周文凯1，姜卓2，綦雪松3，牛湘智3

（1.东北电力大学电气工程学院，吉林省吉林市 132012；2.北华大学计算机科学技术学院，吉林省吉林市 132021；3.国网吉林省电力有限公司吉林供电公司，吉林省吉林市 132001）

泛在电力物联网的建设主要是将信息化和人工智能等新技术、新理念应用于企业发展进程中，以提高电力企业的技术水平，同时这也是服务于国家战略需要，符合推动互联网、大数据、人工智能和制造业深度融合的战略要求，其对推动我国的科技进步、产业升级和提高人民生活水平具有重要意义。对泛在电力物联网的提出背景、建设目标和意义等进行介绍；讨论各界对泛在电力物联网的态度和相应措施；对泛在电力物联网建设的技术支持进行分析；举例说明泛在电力物联网在当下的典型应用；最后指出泛在电力物联网发展过程中可能遇到的问题。

泛在电力物联网(UPIoT)；物联网；能源互联网；三型两网；虚拟电厂

0 引言

物联网(internet of things，IOT)的概念由美国麻省理工学院的自动识别中心联合创始人Kevin Ashton教授在1998年首次提出[1]，他指出将无线射频技术(radio frequency identification，RFID)和其他传感器技术应用到日常物品中构造一个物联网。电力行业对“物联网”的理解是：物联网是一个实现电网基础设施、人员及所在环境识别、感知、互联与控制的网络系统[2]。“泛在物联”是指任何时间、任何地点、任何人、任何物之间的信息连接和交互。而泛在电力物联网是国家电网公司董事长寇伟于2019年3月8日在京召开的国家电网有限公司泛在电力物联网建设工作部署电视电话会议上首先提出的新概念[3-4]，是“泛在物联”在电力行业的具体表现形式和应用落地，不仅是技术的创新，更是管理理念和思维的创新，对内重点是质效提升，对外重点是融通发展。

1 泛在电力物联网简述

1.1 泛在电力物联网的提出背景

从国家的角度来看，建设泛在电力物联网是国家电网公司对网络强国战略的具体实践，是其落实中央部署、发挥央企带头作用的重要举措，是其适应内外部形势和挑战的必然要求。从国家电网公司的角度来看，面对市场化的挑战正在诉求战略转型，做出全面推进“三型两网”建设，加快打造具有全球竞争力的世界一流能源互联网企业的战略部署，正是其具体措施之一。从服务对象的角度来看，近十几年我国经济发展迅速，相应地，企业、居民等电网服务对象对电能的需求量剧增，需求模式也趋向多样化，当前电网的技术水平、管理模式等已经非最优化，难以完美满足各方的要求，电网企业需要从工程驱动转向客户价值驱动[5]，实现满足客户需求的“定制化”解决方案，即建设泛在电力物联网势在必行。

1.2 泛在电力物联网的概念和建设意义

泛在电力物联网是指围绕电力系统各环节，充分应用移动互联、人工智能等现代信息技术、先进通信技术，实现电力系统各环节万物互联、人机交互，具有状态全面感知、信息高效处理、应用便捷灵活特征的智慧服务系统[6]，主要包含感知层、网络层、平台层、应用层4层结构[7]。

建设泛在电力物联网在技术和业务2个方面具有重大意义。从技术方面讲，建设泛在电力物联网能够推动电网和互联网的深度融合，把大数据和人工智能等先进技术手段应用到传统电网中去，实现传统行业与新兴技术相结合，从而更有效率地进行能源分配，避免浪费，并从整体上促进中国电力行业提高相关技术水平，在技术上追赶乃至超越世界先进电力企业。从业务方面讲，建设泛在电力物联网是国家电网公司的战略性调整，由自然垄断走向市场化，激发企业活力，以“坚强+智能”构建能源互联网企业的核心竞争力。在坚守原本业务的基础上，建设一个完整的以电力为核心的平台，拓展业务并形成生态圈，提供完整的、综合的电力相关服务[5]。

1.3 泛在电力物联网建设的战略安排、具体内容和战略目标

战略安排是将2019—2021年定为战略突破期，其之后几年定为攻坚期与提升期。到2021年初步建成泛在电力物联网，基本实现业务协同和数据贯通，初步实现统一物联管理，各级智慧能源综合服务平台具备基本功能，支撑电网业务与新兴业务发展。到2024年建成泛在电力物联网，全面实现业务协同、数据贯通和统一物联管理，公司级智慧能源综合服务平台具备强大功能，全面形成共建共治共享的能源互联网生态圈[8]。

国家电网公司《泛在电力物联网建设大纲》指出具体建设内容包括6个方面：对内业务、对外业务、数据共享、基础支撑、技术攻关和安全防护。具体而言，对内业务重点方向为：1）提升客户服务水平；2）提升企业经营绩效；3）提升电网安全经济运行水平；4）促进清洁能源消纳。对外业务重点方向为：1）打造智慧能源综合服务平台；2）培育发展新兴业务；3）构建能源生态体系；4）数据共享；5）基础支撑；6）技术攻关；7）安全防护。

建设泛在电力物联网是落实“三型两网、世界一流”战略目标的核心任务。在该核心任务中，“三型”指的是“枢纽型、平台型和共享型”，“两网”指的是“坚强智能电网和泛在电力物联网”。泛在电力物联网是继坚强智能电网之后的“第二张网”，其具备多元化和生态化的特征，建设目标在于使泛在电力物联网与坚强智能电网相辅相成、融合发展，二者协同并进，形成强大的价值创造平台，共同构成能源流、业务流、数据流“三流合一”的能源互联网[4]。

2 各界对泛在电力物联网的态度及应对措施

2.1 政府

政府是泛在电力互联网建设的一大推动力。2015年，习近平主席在联合国峰会上提出构建全球能源互联网生态圈，能源互联网具备五大特征：可再生性、分布式、互联性、开放性和智能化。而“坚强智能电网＋泛在电力物联网＝能源互联网”，泛在电力物联网可以将海量的数据收集起来并成功利用，实现数据下沉，建立起强大的数据和应用平台。从能源互联网建设角度来说，建设泛在电力物联网不仅仅是国家电网公司自身为紧随时代发展而采取的举措，也是响应国家对能源行业发展的倡议，符合国家发展的大政方针，对我国能源互联网的建设起到巨大的推动作用。

2.2 国家电网公司

当下我国经济社会发展迅速，对电能的需求不仅局限于量上的增加，同时还要求电能的来源更加清洁，利用更加合理灵活，避免大规模浪费。为实现以上要求，需要利用现代信息技术突破电力发展瓶颈，泛在电力物联网应运而生。国家电网公司是“泛在电力物联网”这一概念的首先提出者和第一参与建设者，建设泛在电力物联网，是推进“三型两网”建设的重要内容和关键环节。建设泛在电力物联网能够解决电网技术问题，突破电网发展瓶颈，也是构建能源互联网的2个重要环节之一，有助于实现超大规模分布式发电系统与分布式储能系统接入和基于互联网技术的广域能源共享，实现国家电网公司的全面创新和深刻变革。泛在电力物联网将使电网公司由传统电网企业向综合能源服务商转型，带动电网企业产业链上下游协同创新发展，引领国家能源互联网高质量建设，在新的更高层次形成核心竞争力[9-10]。

2.3 高校及科研院所

当前，泛在电力物联网对各个高校及科研院所都是一个新的研究课题，具有十分巨大的研究潜力和价值，它可以整合不同研究方向的科研成果，实现能源、信息和通信的有机融合，可以突破目前我国电网发展的瓶颈。同时与传统电网相比，泛在电力物联网能够采集到面广量大的数据，这些数据对高校和科研院所的研究十分重要。泛在电力物联网被提出之后，许多高校和科研院所就对其给予了高度的认可，并积极地进行相关研究与合作。建设泛在电力物联网需要高校、科研院和企业间加强交流合作，甚至是跨界的合作。2019年4月，由国内著名高校、通信企业和互联网企业联合成立泛在电力物联网产业联盟，此平台便于彼此间的交流和紧密合作，利用各自的优势资源加快推进泛在电力物联网建设。

2.4 企业界

我国许多著名企业家均十分认可泛在电力物联网的建设，认为这不仅是国家电网公司实现自身调整发展的机会，也是许多企业所能获得的新的增长机遇。5G的到来构建了万物互联的基础，为泛在电力物联网的建设提供了工具，能有效激发产业创造力，给能源电力等传统行业带来市场机遇。当前，我国众多企业正在积极开展与国家电网公司在泛在电力物联网方面的合作，这些企业来自不同领域，有着不同的业务范围，但相同之处是他们的产品或服务都与人们的生活息息相关。他们与国家电网公司的合作意味着泛在电力物联网改变的将是人们生活中与电有关的方方面面。

2.5 其他方面

泛在电力物联网与传统电网的最大区别在于利用许多现代科技在原以“输–变–配–用–售”环节为核心的既定业务范围基础上又扩展了许多新型业务，互联网的融入让普通大众对电网服务更加了解，而且方便了他们的日常使用。在电网环节中，以大众最为关心的电价问题为例，当前居民用电大多采用分层计算方式，而随着泛在电力物联网的建成使用，大数据和人工智能能够通过统计和分析海量的数据来得到更加合理的电价计算方式。大众也可以通过“网上电网”实时了解自己的用电量。而在综合能源服务环节中，新技术能够推动国家电网公司的战略转型，推出新的便民服务。普通大众对待泛在电力物联网也是持有积极支持的态度。

3 泛在电力物联网建设的技术支持

泛在电力物联网的技术支撑主要有大数据、云计算、物联网、移动互联、人工智能、区块链、边缘计算等。通信技术贯穿全部，是泛在电力物联网的核心技术之一，是实现万物互联的基本组成部分。以下以通信技术支撑为例，泛在电力物联网可以通过不同类型的通信网络进行互联，但泛在电力物联网具有的复杂性、包容性、开放性和创新性自然决定了其需要海量的数据支持。每时每刻会传递大量的数据，4G通信已经不能满足其需要，而最新发展的5G通信又具有独特的优势，其高速率、高容量、高可靠性、低时延、低能耗分别与电力系统的基本需求相对应，即海量数据传输、万物信息互联、电力系统可靠性、灵活响应与协同控制、电池寿命与保障。

电力系统中对控制实时性和可靠性要求极高的部分必须接入电力光纤专网，其通信带宽、可靠性以及通信延时等方面的性能不低于5G通信，而对于分布式设备则对应于5G通信的高密度连接特点，同时5G带来的数据增长也会促进人工智能、大数据和深度学习等数据分析水平的提高，5G通信对分布式可控资源的海量接入以及广域的量测体系的建立和发展有重大意义[5-6]。5G能够对电网多方面的升级提高起到助力作用，例如电网管理、用户服务和业务需求等。具体表现为软化开放技术能够协助管理泛在电力物联网，使得电网在通信上拥有更强的自主性；性能增强技术为泛在电力物联网的万物互联成为现实提供了技术支撑；自治优化技术让泛在电力物联网智能化，实现以用户为中心的新业态，做到状态全面感知、信息高效处理、应用便捷灵活。所以5G通信是实现泛在电力物联网的关键技术支撑之一，这就使得网络运营商必须加快5G建设速度，扩大覆盖面积，稳定信号强度，并加快优化以上泛在电力物联网需要利用的技术，实现与泛在电力物联网的融合[11]。

4 泛在电力物联网的应用

4.1 在传统电网领域的应用

在传统电网领域，泛在电力物联网的应用场景分成采集类和控制类。其中，采集类是指将被测对象的各种参量检测采集后，转换成数字信号，送到计算机进行存储、分析和处理，包括高级计量、智能电网大视频应用等；控制类是指通过输出的信号来控制系统的执行机构，包含用电负荷需求侧响应、分布式能源调控等。在泛在电力物联网应用场景下，采集类应用能够做到采集频率更高，内容更丰富全面，双向互动等；而控制领域将从当前的星型集中连接模式向点到点分布式连接切换，主站系统将逐步下沉，出现更多的本地就近控制和边缘计算[8]。

4.2 在新兴领域的应用

在新兴领域，泛在电力物联网将在清洁能源消纳、综合能源服务平台、信息共享、多场景安全防护和多站融合等领域起到重大作用，为电网企业和新兴业务主体赋能。以综合能源服务平台和多站融合为例，综合能源服务平台是一种为满足终端客户多元化能源生产与消费的新型能源服务方式，其以用户为中心，围绕需求响应、能效管理和电力交易3方面内容，由传统的电能供应转向冷、热、电、气的综合能源供应，并充分利用技术优势为客户提供相配套的服务[8-9]。多站融合是在传统的变电站、储能站和数据中心站融合的基础上，扩充融合分布式新能源发电站、5G通信基站和环境监测站等，实现业务上的跨界融合、数据上的开放共享，提高能源利用率[12-15]。

4.3 在电力行业中的典型应用

我国是唯一提出泛在电力物联网概念的国家，目前国内泛在电力物联网典型应用之一是“虚拟电厂”。“虚拟电厂”的提出是为了整合分布式电源、可控负荷和储能装置等以往不易调控、容易被大量浪费的能源，提高电能的利用率。“虚拟电厂”的本质是一个分布式电力管理系统。通过该系统将电网中的分布式电源、可控负荷和储能装置等聚合成一个虚拟可控的电源集合体，而不再是之前彼此完全孤立的分散状态，然后参与到电网的运行和调度中，智慧协调智能电网与分布式电源间的矛盾，让分布式能源为电网和用户带来最大的经济价值与社会价值。发电系统、储能设备和通信系统3部分有机构成了“虚拟电厂”这一整体。“虚拟电厂”并不是真实的发电厂，而是相当于一个电力“智能管家”，是一个以现代技术手段形成的分散的能源聚合体，在光伏等分布式能源有间歇性时，通过储能装置把它们组织起来，形成稳定可控的“大电厂”，“大电厂”中的每个小组电源在地理位置上是分散的，但在利用时却通过输电线路和通信系统等将其作为整体来进行调度使用[16]。

“虚拟电厂”技术仍在持续发展之中，而从其当前的实际应用中可以发现，它对未来能源市场起到的颠覆性效果已经显露出来。这种效果表现在发电和用电不可能每时每刻都完美匹配，在“虚拟电厂”出现之前两者之间存在不可调节的矛盾，不仅造成能源浪费，更存在着安全问题。而“虚拟电厂”可以做到精确控制用电需求与发电输出平衡。

实现“虚拟电厂”最重要的是大数据的支撑，只有海量的数据才能做到精确控制，而泛在电力物联网便能够收集到足够且有效的数据，从而为“虚拟电厂”的实现奠定数据基础。国内，在上海、江苏将建成由大数据支撑的“虚拟电厂”；国外，壳牌公司正在英国、特斯拉公司正在澳大利亚分别建设由大数据支撑的“虚拟电厂”。

国外在智能电网、物联网等方面也有许多探索，他们虽然未明确提出“泛在电力物联网”，但却具有与之拥有相同或相似功能的应用。而且由于各国地理位置、发展状况、面临问题等国情各不相同，不同国家的电力行业对于物联网应用的侧重点也有所不同，比如欧洲电力行业对物联网的应用更倾向于清洁能源和环保方向，而日本电力行业对于物联网的应用则更倾向于对新能源发电监控和预测、智能电表计量、微网系统监控等领域[17]。以下举例说明具体应用：

在西欧地区，为实现降低二氧化碳排放量和减少能量消耗的目标，荷兰的阿姆斯特丹将节能智慧化技术应用于West Orange和Geuzenveld两个项目中。此外，还有智能大厦项目，能够在不影响大厦正常商业和生活功能的前提下，对大厦能源使用的历史数据进行分析，实现最低的能源消耗和电力系统有效运行。

在北美地区，美国迪比克市政府与国际商业机器公司(IBM)合作，针对城市中的供水系统、电力系统、石油、天然气、交通、公共服务等涵盖各种资源的独立系统分别运行，缺乏协调，成本高的问题，计划使用物联网技术将各独立系统连接形成一个涵盖城市各种资源的数字化系统，对各种数据进行监测、分析和整合以做到智能化地响应市民的需求，这样不仅能使市民享受到更令人满意的服务，而且会降低城市能耗[18]。

5 泛在电力物联网建设过程中须考虑和解决的问题

1）信息准确性及安全性问题。泛在电力物联网建设过程中必然需要收集并分析海量的数据，这些数据涉及范围广，关系到我国公民的各种信息，无论是从国防还是其他方面来说，防止信息外泄都是最重要的问题，具备安全可靠的信息防护系统是必要条件[8,19-21]。

2）战略研究问题。泛在电力物联网毕竟是新兴的，其相关概念与应用可能会需要完善，而且通信技术和应用环境在快速变化，因此在战略方面必须要考虑长期战略和短期战略的兼容问题、投资问题，尽量避免过度浪费[22]。

3）国网建设力度不及预期问题。由特高压、农网与配网构建的坚强智能电网尚在建设中，其建设进度和投资可能会影响后续泛在电力物联网的投资[20]。

4）行业壁垒问题。国家电网公司打造的泛在电力物联网是一个开放的平台，其涉及许多行业，毫无疑问，泛在电力物联网是以电网为核心的，那么在与传统信息行业竞争时可能会直面它们的冲击，缺乏相关经验便是一个问题[23-24]。

6 结论

主要介绍了泛在电力物联网的概念，目标、意义和战略安排等，并总结了各界从不同视角对建设泛在电力物联网的看法，分析了各自将采取的措施，及其在建设过程中所需要的技术支持，最后根据泛在电力物联网的特点分析说明其应用的范围，并列举了在建设过程中必须面临的风险和问题。总之，建设泛在电力物联网是国家电网公司在发展过程中迈出的重要一步，实现有效聚合分布式新能源和配电系统升级改变。它不仅仅是顺应国家发展，建设国家能源互联网的重要一环，更会深深影响我国电力行业的发展进程，促进企业技术升级和开拓新业务，也会使人们的日常用电方式发生变化。

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Analysis of Research Status for Ubiquitous Power Internet of Things

XIAO Bai1, ZHOU Wenkai1, JIANG Zhuo2, QI Xuesong3, NIU Xiangzhi3

(1. School of Electrical Engineering, Northeast Electric Power University, Jilin 132012, Jilin Province, China; 2. School of Computer Science and Technology, Beihua University, Jilin 132021, Jilin Province, China; 3. Jilin Power Supply Company，State Grid Jilin Electric Power Company Co., Ltd., Jilin 132001, Jilin Province, China)

The construction of ubiquitous power internet of things (UPIoT) is mainly to apply new technologies and ideas such as information technology and artificial intelligence to the development process ofenterprises in order to improve technological level of power enterprises. At the same time, it also serves the national strategic needs and conforms to the strategic requirements of promoting the deep integration of internet, big data, artificial intelligence and manufacturing industry. It is of great significance for promoting China's scientific and technological progress, industrial upgrading and improving people's living standards. The background, construction goals and significance of UPIoT was Introduced. Technical support of UPIoT construction was analyzed. The attitudes and corresponding measures of some communities towards UPIoT was discussed. The typical application of UPIoT at present was illustrated, and finally the possible problems in the development process of UPIoT were analyzed.

ubiquitous power internet of things (UPIoT); internet of things; energy internet; three types and two nets; virtual power plant

10.12096/j.2096-4528.pgt.19155

TM 73

2019-10-29。

国家重点研发计划项目(2017YFB0902200)；吉林省产业创新专项基金项目(2019C058-7)；吉林省教育厅科技项目(JJKH20180442KJ)。

Project Supported by National Key Research and Development Program of China (2017YFB0902200)； Industrial Innovation Foundation of Jilin Province (2019C058-7); Scientific Item of Education Bureau of Jilin Province (JJKH20180442KJ).

肖白(1973)，男，博士，教授，从事电力系统规划、空间电力负荷预测、多能源电力系统互补协调发电、电力系统继电继电保护等方面的研究与教学，xbxiaobai @126.com；