智慧能源体系信息通信技术构架及实施方案

丁腾波，刘宏波，吴聘

智慧能源体系信息通信技术构架及实施方案

丁腾波，刘宏波，吴聘

（中国能源建设集团浙江省电力设计院有限公司，浙江省 杭州市 310012）

基于社会经济发展、环境保护需求、产业政策引导等多方因素，智慧能源将为传统能源结构带来新一轮的巨变。现代信息通信技术(information communications technology，ICT)的飞速发展，为传统能源向智慧能源转型升级提供了强有力的技术支撑。整个智慧能源体系将以创新型的场景需求为导向，以跨界科技力量的深度加持为支撑，驱动整个能源及相关产业链的结构性升级。结合云计算、大数据、物联网(internet of things，IoT)、移动通信、人工智能、区块链等新兴技术，赋能传统能源体系，提出一种适用于智慧能源应用场景下的能源体系ICT构架，贯通能源体系的底层至顶层，实现智慧能源体系能量流、信息流和价值流的全面融合。

物联网(IoT)；人工智能；智慧能源；区块链; 信息通信技术(ICT)；云计算；大数据

0 引言

我国目前处于发展智慧能源的重要战略机遇期，根本诉求是经济发展模式的转变迫切需要能源发展方式的升级，而后者的核心是将能源供给、储运和消费作为一个双向沟通的系统来看待，智慧能源则是推动能源体系优化演进的核心手段[1-2]。

本文从智慧能源体系的发展诉求切入，分析现有能源体系信息通信技术(information communications technology，ICT)构架的特点，结合云计算、大数据、物联网(internet of things，IoT)、移动互联网、智能电网、区块链等新兴技术，构建智慧能源供能体系的框架模型，并依据新技术演进路径，提出完整的智慧能源ICT系统构架及实施方案，适应当下的业务发展诉求，并具备灵活的弹性系统架构。

1 智慧能源体系现状

1.1 变革的“驱动”

智慧能源体系将以创新型的场景需求为导向，以跨界科技力量的深度加持为支撑，驱动整个能源及相关产业链的结构性升级，即技术服务于场景，场景来源于需求。

伴随着人工智能(artificial intelligence，AI)、大数据、云计算、物联网等现代科技的爆发式发展，未来能源将在技术和模式2个维度并行发展。技术层面更为注重传统能源和现代ICT技术的跨界融合，模式层面更为注重体制内资源和民间资本的深度合作，并以此衍生出新的业务需求和应用场景，催化新的能源产业结构形成[3-4]。

以目前的技术手段而言，电力依旧是整个能源体系的核心，也是整个能源产业链的中心环节，但是随着社会、经济、环境以及技术的不断演进，能源网络的功能发生了改变，不同于以往的输配电物理可靠安全承载功能，智慧能源提出的要求是多种能源的资源优化配置，整个能源系统的高效经济性运行以及构建于网架之上的各类商业应用，如多个经济主体下更为灵活有效的能源市场运营等。

1.2 驱动的“引擎”

智慧能源的发展得益于各类基础和跨界技术的突破，诸如固态变压器、能量路由器、微网、储能之类的基础技术，也有分布式能量管理、柔性能源协调控制之类的后台应用类技术，还有诸如云计算、大数据、物联网之类的跨界类技术。整个智慧能源体系的关键技术瓶颈在于3个层面：底层是一二次设备的真正融合；中层是电力通信网络的“价值开发”；顶层是后台应用的多元化、价值增值及变现。

1.3 技术的“选择”

以区块链、信息物理系统、云计算、大数据等技术为基础所衍生出的智慧能源解决方案，应用场景类似，但侧重点和解决问题的方式存在差异，可根据技术的成熟度组合实施。单一的新技术都不是实现智慧能源的充分必要条件，但代表了目前技术可及的发展方向，也是该类项目落地的关键支撑[5]。

2 智慧能源体系核心诉求

基于全球能源转型的大背景，智慧能源、智能电网、智慧电力等概念层出不穷，定义虽有不同，但其转变是容易达成共识的。传统的火电作为电源基荷的比例逐步下降，取而代之的是持续增长的可再生能源供能比例；诸如风能、太阳能等可再生能源的接入改变以往集中式的能源网络构架，取而代之的是更为灵活的分布式网络拓扑，侧重区域性的能源优化及分布式能源的协调控制；基于能源供给及传输侧的能源发展思路将逐步转变，取而代之的是基于负荷侧、用户侧的需求响应能力建设，依靠供求双方的有效互动提高广义范畴内能源的优化配给。

上述转变中的重要基础是能量流、信息流以及价值流在物理网架和通信网架中的高度融合，信息通信、自动化技术不仅提供了能量信息流构架的基础性保障，也提供了基于该类构架开发并实现最终价值应用的技术途径。现代通信信息技术的发展，更是将信息、通信和技术相互融合成一个新的专业，即ICT。ICT水平直接决定了智慧能源项目的高度和实际效益。鉴于智慧能源的概念定义、功能诉求和技术特性，其在实践过程中对传统的电力系统通信、信息、自动化等相关技术提出了不同的需求，如图1所示。

图1 智慧能源中的ICT诉求

1）网络构架。

传统的能源系统采用集中式的专用调度数据网络来实现全网调控数据的集中式管理、存储和决策，高额成本、高度冗余、专网分层的网络可以有效保障能源系统的安全可靠运行，但其侧重点在能源的生产、储运和调控环节；智慧能源基于分布式能源的接入，更加侧重在区域范围的多种能源有效互补、资源优化配置，重点是用户侧的响应和控制，更加贴近用户侧，强调效率和效益并兼顾安全，导致智慧能源在进行网络构架设计时，采用的是分布式、经济性、混合型的网络构架。

2）终端节点。

传统的能源系统在设计和建设电网节点时，主要侧重于电网结构中的骨干节点，如大中型电厂、骨干枢纽变电站、市级以上调度机构，一是出于保供给思路，二是基于成本考虑。而智慧能源强调需求侧管理，依靠灵活可控的变配电设备和线路拓扑来保障供电，依靠精准的用户负荷预测和用能习惯大数据分析来优化运营，更加强调对大量终端设备、线路、用户节点的测控，同时由于节点数量巨大、负荷特性多样，往往依靠多种技术手段在经济性和可靠性之间寻求平衡[6]。

3）后台应用。

传统的能源系统依靠高度集中的分层分区调控机制来维持电网的正常运行，信息高度集中于各级调控后台，基于后台的高级应用主要服务于电网各级管理部门，重点是保障安全稳定；而智慧能源的应用场景一般是区域性的小型网络，可以灵活采用分布式和集中式的混合管理模式，基于后台的高级应用更加注重统一平台上的多业务系统协调和数据共享。应用上更加偏向于用户侧，尤其是用户负荷特性分析和预测，基于故障快速定位和修复以提高供电质量，基于精准的用户负荷预测来获取电力市场交易中的主动权[7]。

综上所述，整个智慧能源体系构架的核心在于基础物理架构的搭建，智能终端的部署以及系统后台的开发，而系统的ICT构架则是为了以更低的成本来高效、快速、弹性地部署相应的业务。

3 构架方案

3.1 设计目标

智慧能源体系的ICT构架是为满足整个供能区域的综合运维管理而服务的，需要综合应用“互联网+传统能源”技术，打通综合能源服务体系底层至顶层，实现智慧能源体系中能量流、信息流和价值流的全面融合。构架服务于9个能力的体系建设：针对不同物理网架的“灵活适应”能力；针对复杂多能网络的“全景感知”能力；针对分布式能源产销的“即插即用”能力；针对“源、网、荷、储”构架的“协调控制”能力；针对新型场景业务的快速“灵活部署”能力；针对算力、存储等资源的“弹性扩展”能力；针对多方参与的“低成本共识”能力；针对复杂能源市场环境下的“跨区交易结算”能力；针对高度信息化构架的“安全防护”能力。

3.2 建模原则

智慧能源的总体构架模型遵循一定的约束前提，即模型构架原则。作为智慧能源服务的底层支撑，采用模块化、平台化建设思路，利用标准化的规约、接口，实现高级应用及业务的“即插即用”[8-9]，基于云计算平台的综合能源ICT构架模型如图2所示。

主要建模原则如下：

1）应用场景贴近用户侧的终端能源网络层面，包含存量和增量。

2）场景不受地域限制，依托互联网及现代ICT技术实现网络全覆盖，支持分阶段、跨区域建设。

3）作为综合能源服务的底层和应用技术支撑，服务于风、光、柴、气、油、储、煤等多种能源形式。

4）构架按通用性模块化设计，具备良好的分布实施能力和按需灵活扩展能力，即系统构架具备良好的弹性。

5）构架分为供能基础、通信网络、数据采集、云计算平台、云端功能、业务应用。

6）通信网络基于配网网络进行优化，具备灵活可靠的物联网接入能力。

7）数据采集的建设重点是布点采集范围、数据类型品控、应用接口等。

8）云平台为智慧能源服务的系统平台，根据业务特性和场景需求构建私有+公有的混合云结构，系统构架具备弹性扩展能力。

9）云平台具备用户侧的接入和服务能力，针对不同类型用户提供按需定制服务和资源租赁服务。

10）能源调控、网架运维、资产管理、营销服务等功能分别以PaaS、SaaS的形式迁入云端。

11）区块链、大数据、边缘计算等技术是实现综合能源的充分但不是必要条件，按模块化设计和实施，具备灵活“加减法”能力。

图2 基于云计算平台的综合能源ICT构架模型

12）大数据应用基于云平台搭建。

智慧能源区块链的建设与云平台的建设不存在必然关联，适用于区域内的能源、信息、数字资产的价值转移，其设计建模原则[8]如下：

1）区域内的能源交互依靠区块链技术实现价值转移，遵循扁平化、离散化、分布式的设计原则，跨区能源服务场景部署能源区块链主链，单个区域部署能源区块链子链。不同区域间的能源区块链子链根据通道状况及功能需求实现与主链的灵活互联和解列。

2）能源区块链作为重要的公用服务基础资源，将安全性作为首要考虑目标，同时考虑智慧能源应用场景下的多方主体诉求，以联盟链形式构建，并遵循严格的用户准入认证机制。

3）鉴于能源网络的重资产属性、能源安全需求以及国家政策要求，单个区域内的能源运营只存在单个服务运营商。

4）单个区域内的通信网络支撑体系应以自建网络为主、公共网络为辅，并确保各类数据的接入管控安全性，重点确保能源网内调控数据的安全存储及可靠通信。

5）跨区域的通信网络支撑体系以公共网络为主、自建网络为辅，优先采用独立的运营商通道资源租赁。

6）鉴于分布式调控技术的成熟程度，暂不考虑跨区域的分布式调控，主要应用以跨区能源交易及结算为主。在单个区域内尝试验证分布式调控技术及策略。

7）单个区域通信网络承载数据包括维持配网运行的调控实时数据和管理非实时数据、能源交易数据，以及其他区块链+行业应用的交互数据。

8）跨区域通信网络承载数据包括跨区能源交易数据以及其他区块链+行业应用的交互数据。

能源区块链由跨区域的主链和单个区域内的子链构成。主链和子链均是由多个参与实体所构成的联盟链，它们是技术上可完全独立的侧链关系。主链服务于跨区身份认证、资产转移、能源交易、数据交互，子链服务于单个区域内的应用服务。完整的能源区块链主链下可以存在多个区域的不同子链，子链间数据交互经网络安防(如防火墙)接入主链，由主链完成数据交互。同时，子链和子链之间、子链和主链之间的运行安全性不相互影响，具备灵活的接入和解列功能。能源区块链与其他行业区块链是互联链的关系。

综上所述，智慧能源ICT构架平台依托云计算作为算力支撑搭建，以大数据、人工智能、物联网、5G通信等技术加以技术赋能，以能源区块链技术为核心完成价值重构和转移，能源区块链的总体设计模型如图3所示。

3.3 技术框架

智慧能源系统具有能源网络和互联网的双层构架，前者提供基础的供能支撑服务，后者依托现代ICT技术进行服务价值的二次发掘。智慧能源的整体技术构架由4部分组成，分别是物理构架层、网络信息层、服务应用层和价值效益层。沟通物理构架层和网络信息层的技术桥梁是ICT技术和IoT技术，沟通网络信息层和服务应用层的技术桥梁是现代调控自动化技术以及区块链之类的新兴技术。整个架构自底层向上完成能量、数据、价值的联动，如图4所示。

图3 能源区块链的总体设计模型

图4 综合能源体系构架

1）物理构架层。

物理构架层由电源、热源点、变配电设施、输电线路、热力管网、天然气管网等组成。物理层能量传输网架的规划设计尤为重要。必须根据现有网架结构的实际情况、负荷密度、路径条件以及政策处理因素等合理规划，在网架结构上充分考虑事故情况下的故障隔离、负荷转供需求，支持灵活的运行方式切换。

2）网络信息层。

网络信息层的建设包含基础网络的建设和信息支持系统的建设。对于基础网络而言，需结合供能区域的物理状况灵活采用星型、树型、网状的混合型拓扑结构，按需选择专线、运营商租赁和公用无线网络等多种建设模式，根据各网络节点的实际数据传输需求来完成网络设备选型。

对于信息支持系统而言，重点是物理节点的智能终端建设。以电力网络为例，建设内容不仅仅包括传统维持电网运行的二次设备，如数据传输装置、配电开关监控终端以及保护测控装置，还包含了布置于馈线、终端配变上的各类测控装置、状态传感器，以及用户侧的精准计量装置。

3）服务应用层。

服务应用层的建设包括2层含义：“服务”是实现目标，“应用”是支撑手段。应用层面的建设并不局限于区域能源网络的调度控制、事故处理、日常运维，重点是对供区内设备的灵活控制以调整故障检修情况下的运行方式，对供区内的负荷精准预测以赢得在能源市场(期货、日前、现货)交易过程中的先机，对供区内的大数据分析以实现供需资源的优化配置和能效的最大化，运用基于能源区块链的新技术来撮合高效低成本的区域内及跨区能源交易；服务层面的建设则是进一步发掘用户终端侧的金融属性和金融价值，提供更为丰富甚至定制化的服务，提高多金融主体和参与方的投资收益率，提供更为多样化的项目融资方案等。

4）价值效益层。

建立智慧能源的最终目的是为智慧城市、园区产业及其所衍生包含的配套体系而服务。基于社会效益的角度，用于支撑智慧城市所必须的智慧政务、智慧交通、智慧医疗、智慧安防、智慧环保等基础设施。基于能源发展的角度，用于完善能源+互联网的双层构架，通过能源供给和需求的深入融合，催化新型的商业模式，从而带动整个产业生态的发展。

3.4 技术路径

智慧能源ICT构架的具象形态是综合能源协控管理平台，构架是平台的核心，平台是构架的表现形式。不论是构架还是平台，都是伴随着技术的发展成熟度以及业务诉求的变化而灵活调整的。现代ICT技术之间存在较强的耦合关联度，互为支撑。云计算和边缘计算是相辅相成的，边缘计算是云计算的演进方向；大数据、物联网、5G、NB-IoT是密切关联的，大数据是应用，物联网是数据支撑，5G和NB-IoT是通信保障，缺一不可。区块链和人工智能相对而言比较独立，可单独部署。

系统性的构架依赖于新兴技术的成熟度，既要考虑远景业务的扩展需求，又要兼顾当下项目落地的可操作性，因此构架的建设是一个漫长且不断演进的过程。根据综合能源体系的发展诉求，提出系统构架的整体演进策略，具体如下：

1）基于人工智能的成熟度，运维模式由少人化向无人化演进；

2）基于柔性直流技术的成熟度，能源网络结构由交流为主向交直流混联的结构发展；

3）基于云计算和边缘计算的成熟度，系统建设模式由中心化向云端化演进，最终向分布式 演进；

4）基于物联网和下一代移动通信技术的成熟度，调控模式由专线向专+无线演进，最终向无线演进；

5）基于大数据的成熟度，应用模式由单一化向多元化演进；

6）基于BaaS的成熟度，交易模式由依托高成本的第三方共识到低成本的多方共识机制演进；

7）基于上述技术的成熟度，服务模式由供能服务为主向数据服务商演进，最终向智慧城市综合服务商演进。

3.5 业务模型

智慧能源需要考虑能源技术创新、系统形态升级、能源体制变革的多重影响。智慧能源的服务定义为面向能源系统终端，以满足客户需求为导向，通过多种能源品种组合和系统集成、能源技术和商业模式创新等方式，使客户收益或满足感得到提升。

体系目标立足于智慧能源服务的提供商，首先是区域内智慧能源体系的规划搭建、能源网络的调度运维、智慧能源的服务供给、供能优化的整体方案提供商等，其次是区域内IT资源、网络资源、数据资源、计算资源等上层应用的运营商，最后是区域内能源类相关金融方案和产品的服务商。因此，在进行企业级ICT构架时，充分考虑远景服务需求，要求系统具备良好的扩展性和延伸性。针对具体项目进行规划时，首先确定其角色定位，根据其服务或开展业务的需求，来定制企业的ICT构架。立足智慧能源服务的供应商，要开展辐射区域内的多种属性衍生服务[10-12]。综合能源业务需求模块如图5所示。

图5 综合能源业务需求板块

4 构架实施

4.1 后台方案

现阶段将所有业务部署在“云端”尚存在一定的技术性风险，基于安全性考量，先将综合能源协控业务中的实时核心业务部署在独立主站系统，待“综合能源云”部署完毕后，逐步将主站端业务迁移到“云端”，并将现有主站作为协控平台的本地热备系统运行。系统主站仅服务于供能区域的控制区业务(实时性核心业务)，非实时的生产管理类等业务直接上云，因此主站系统分为控制区、非控制区和管理区3部分[13]。

基于不同通信方式的智能终端、智能表计、物联网传感器等设备均经过前置安全隔离区域接入控制区。综合能源网络协控及计量计费相关的应用均部署在控制区，经横向隔离装置从非控制区提取数据分析结果。综合能源网络运维、分析类的应用均部署在非控制区，经横向隔离装置从控制区调用供能网络实时数据、历史数据。

控制区基于独立建设一体化支撑平台建设，非控制区基于“云平台”建设，通过协同管控机制实现权限、责任区、告警定义等的分区维护、统一管理，并保证非控制区不向控制区发送权限修改、遥控等操作性指令。基于云+主站模式的协控系统如图6所示。

图6 基于云+主站模式的协控系统

4.2 数据采集方案

综合能源协控系统的终端数据来源于能源网络中的主要节点以及各种通过物联网技术接入的传感器、智能终端和在线监测装置。建设初期对网络中的主要节点进行全景数据采集，中后期结合物联网技术和下一代通信技术的发展实现毛细血管级的综合能源全感知网络建设[14-16]。

由于终端传感器、智能终端和在线监测装置与配网网架和通道资源关系密切，因此该部分的设计将结合能源网络规划、通信网络规划同步部署。将网络中的主要节点按其在网络中承担的角色划分为能源供给、能源配置和能源消费3类。

1）能源供给节点。

能源供给节点包含各类能源站、光伏电站、风电场、电厂等。对于具备完整监控系统的厂站，则利用原厂内的网络控制系统完成厂内数据采集，并通过原有通信网关机、二次安防及数据网设备上送至协控平台。对于不具备完整监控系统的厂站和新增厂站，部署终端采集设备和网络接入设备。

2）能源配置节点。

能源配置节点包含各类变电站、主干线路、主干管线、配变终端等。对于具备完整监控系统的变电站，则利用原站内的计算机监控系统完成站内数据采集，并通过原有通信网关机、二次安防及数据网设备上送至协控平台。对于具备完整四遥功能的配变终端，则利用终端内原有四遥装置完成该节点的数据采集，并通过配套的通信设备上送至协控平台。对于具备完整在线监测功能的线路、管道，则利用原在线监测装置完成数据采集，并通过配套的通信设备上送至协控平台。

对于新增变电站、配电终端和线路/管道，分别部署终端采集设备、四遥装置、在线监测和网络接入设备。

3）能源消费节点。

能源消费节点包含各类工商民用负荷。对于所有工商业用户负荷，部署终端智能表计。智能表计根据用户负荷的分布情况酌情部署，并结合用户侧通道资源配置相应的通信设备，如无线接入设备和专线接入设备。

对于普通的民用负荷，部署无线智能表计即可，也可利用公网上送负荷数据。

5 构架特征

围绕智慧能源及相关ICT技术的发展现状，提出适用于智慧能源体系的ICT技术构架，并构建围绕智慧能源技术和商业模式的新兴能源+产业生态圈模式，在为用户提供优质廉价清洁能源及供能衍生服务的同时，带动产业上下游及相邻相关产业的发展，提供智慧能源相关技术及项目的发展平台，促成传统能源的产业转型升级和技术迭代。

本文提出的ICT构架主要特征如下：

1）基于“三流合一”的能源协控体系。

构建适用于智慧能源近期和远景服务的智慧协控体系，打通智慧能源服务体系全程，实现智慧能源体系能量流、信息流和价值流的全面融合。

2）基于“九项能力”的能源协控平台。

协控平台重点能力建设详见本文3.1节。

3）基于“技术驱动”的能源体系转型。

综合人工智能、大数据、云计算、物联网等现代科技，提出在技术和模式2个维度并行发展。技术层面注重传统能源行业技术和现代ICT技术的跨界融合，模式层面注重传统体制内资产和民间资本的深度合作，衍生新的业务需求和能源应用场景。

4）基于“4层构架”的体系模型研究。

综合能源系统具有能源网络和互联网的双层构架，前者提供基础的供能支撑服务，后者依托现代互联网技术进行能源服务价值的二次发掘。提出综合能源的4层模型体系构架，自下向上完成能量、数据、价值的联动。

5）基于“现实远景”的技术演进路线。

综合能源ICT构架的具象形态是综合能源协控管理平台。分别提出云计算、大数据、人工智能、物联网、5G/NB-IoT、区块链和边缘计算在综合能源发展路径上的演进策略。

6）基于“算力价值”的双重核心构架。

提出智慧能源协控体系的双构架设计理念，算力构架基于云计算平台(私有云)实现资源弹性扩展部署能力，价值构架基于区块链技术(联盟链)实现价值重构和转移。双构架设计共同支撑智慧能源近期和远期的业务发展诉求。

6 结论

提出的智慧能源体系ICT构架服务于时下热门的智慧城市、智慧园区等场景，侧重现代ICT技术和传统能源技术的跨界融合。总体的技术思路遵循技术服务于场景、场景来源于需求的核心原则，系统总体构架从整个能源体系切入，而非以往常见的产品级视角切入，追求技术和效益的平衡，确保实施方案和技术路线的现实操作性，避免单方面地追求技术高度。通过梳理、分析现有能源体系的特征、痛点，结合当下互联网技术的发展成熟度，挖掘出当下智慧能源体系的演进方向、技术路线以及实施方案。

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Information Communications Technology Architecture and Implementation Scheme of Smart Energy System

DING Tengbo, LIU Hongbo, WU Pin

(CEEC Zhejiang Electric Power Design Institute, Hangzhou 310012, Zhejiang Province, China)

Based on social and economic development, environmental protection needs, industrial policy guidance and other factors, smart energy will bring a new round of tremendous changes to the traditional energy structure. The rapid development of modern information communications technology (ICT) provides strong technical support for the transformation and upgrading of traditional energy to smart energy. The whole smart energy system will be guided by innovative scenario demand, supported by the deep support of cross-border scientific and technological forces, and drive the structural upgrading of the whole energy and related industrial chain. An ICT framework of energy system suitable for smart energy application scenario was proposed, which combined cloud computing, big data, internet of things (IoT), mobile communication, artificial intelligence, blockchain and other emerging technologies to enable traditional energy system. It runs through the bottom to the top of energy system, and realizes the comprehensive integration of energy flow, information flow and value flow of intelligent energy system.

internet of things (IoT); artificial intelligence; smart energy; block chain; information communications technology (ICT)；cloud computing; big data

10.12096/j.2096-4528.pgt.19002

TK 01

2019-09-10。

(责任编辑 辛培裕)