泛在电力物联网下电网公司未来发展模式研究

李 洋 陈 洁 高 强

1.国网浙江省电力有限公司

2.中国能源建设集团浙江省电力设计院有限公司

3.国网浙江省电力有限公司台州供电公司

关键字：三型两网；泛在电力物联网；电力大数据；综合能源服务

随着能源互联网和电力市场的深入发展，区域电网公司的职能与经营模式正在悄然转变[1]。一方面，分布式可再生能源和储能技术的进步、大云物移智等互联网技术的应用促使电力系统逐步向以“横向多能源互补、纵向源网荷储协调”为主要特征的综合能源系统发展；另一方面，电力零售市场放开、社会资本进入配售环节、用户选择性增强，使电网公司将以产品为中心的传统能源供给模式逐步转变为以客户为中心的新型能源服务模式。对此，国家电网有限公司提出“三型两网”发展目标，依托坚强智能电网与泛在电力物联网(Electrical Internet of Things,EIoT)，着力打造枢纽型、平台型、共享型的能源互联网企业。其中，枢纽型体现电网公司的产业属性，电网公司作为电力系统运营者，应发挥电网在能源汇集传输和转换利用中的枢纽作用，促进清洁低碳、安全高效的能源体系建设；平台型体现电网公司的网络属性，电网公司要以能源互联网为支撑，打造能源配置和综合服务平台，使平台价值成为电网公司的市场核心竞争优势；共享型体现电网公司的社会属性，要求电网公司树立开放、合作、共赢的理念，吸引更多社会资本参与能源互联网建设和价值挖掘，带动产业链上下游共同发展。

泛在电力物联网是物联网技术在智能电网中的应用，通过将发电企业、电网公司、售电公司、电力用户及其设备连接起来，发挥电网公司的枢纽和平台作用，产生覆盖能源生产、传输、交易、消费各个环节共享的电力大数据，充分运用云计算、人工智能等互联网技术，实现电力系统各环节互联、人机交互。EIoT具有状态全面感知、信息高效处理、应用便捷灵活等特征，主要分为感知层、网络层、平台层和应用层等四层架构。其中：感知层是EIoT的物理基础，通过智能电表等一系列数据采集装置对电力系统的各个环节进行数据采集；网络层通过5G等新技术实现电力大数据的高效传递；平台层将数据进行统一汇集管理，打破各环节的数据壁垒；应用层则协同综合能源服务体系的建设，向系统主体提供更加智能化、人性化的电力普遍服务，体现数据价值。

电力大数据的采集与利用是泛在电力物联网的核心。对此，文献[2]提出了电力大数据的概念并阐释了其关键特征。文献[3]在分析大数据、云计算、智能电网三者逻辑关系的基础上，提出了具有通用性的电力大数据平台总体架构。文献[4]总结了大数据技术在配电网运行、检修、规划和资产管理等方面的指导作用。文献[5]研究了大数据技术在电网运行监控中的应用并提出了监控运行大数据分析系统的整体架构和功能体系。文献[6]提出了一种基于大数据平台的电网故障追踪方法，将故障针对数据源延展至变电站层，解决了电力系统监控数据的管理问题。文献[7]基于多功能大数据服务平台制定了电动汽车充放电管理策略，以解决大量EV分散接入时难以统一控制和管理的问题。然而上述文献多是对大数据技术在电力系统单一环节的应用研究，缺乏对能源互联网及其技术体系的系统梳理；另一方面，建设泛在电力物联网的目的是为了实现电网公司向能源互联网企业转型，因而研究该背景下区域电网公司的综合能源服务模式更符合其实际需求。

本文基于大云物移智等互联网技术在国内外电力系统的应用现状，讨论泛在电力物联网的发展趋势及区域电网公司的综合能源服务模式。首先提出泛在电力物联网下能源互联网的整体架构，从可再生能源消纳与多能互补、配电网规划与运营、负荷预测和需求响应等方面梳理了电力大数据技术在电力系统源网荷储环节的应用；在此基础上从综合能源供给与综合服务两方面构建未来区域电网公司的综合能源服务体系；讨论未来区域电网公司向能源互联网企业转型的演化路径并提出需要进一步深入研究的问题，以期为电网公司在泛在电力物联网建设与综合能源服务转型两方面提供理论参考。

1 能源互联网的功能架构

能源互联网以泛在电力物联网与坚强智能电网为物理基础，兼容传统电网，充分利用分布式可再生能源发电、微电网、储能等技术，融合大数据、云计算、人工智能等互联网技术，满足用户多样化的综合能源消费需求，并为其提供一个公共的能源市场交易与信息共享平台。能源互联网的整体功能架构见图1。

图1 能源互联网的功能架构

1.1 分布式可再生能源

可再生能源是能源互联网的主要能量供应来源。分布式可再生电源数量庞大、单个体量小、布局分散，发电具有间歇性和波动性，其大规模并网将打破相对静态的传统电力生产，使电力生产的管理和计量变得日趋复杂。

依托泛在电力物联网，构建分布式可再生能源预测框架，采用云计算、大数据等技术，可预估区域分布式可再生能源发电容量；结合深度学习等具有处理海量数据能力的算法，充分利用泛在电力物联网采集的广泛、实时、高密度数据，挖掘可再生能源发电的波动特性和关键影响因素，提高预测精度[8]。在此基础上，电网公司可优化火电、燃气发电、风电、光伏、储能等各类能源资源的时空互补配置，保障电力系统经济稳定运行。

1.2 配电网规划运营

在传统的配电网规划中，由于数据源或数据分析不足，网架优化面临许多不确定性，理论上优化的结果往往与实际之间存在较大差异[9]。基于大数据的配电网规划方法利用丰富的数据信息，如历史电力数据、工业数据、经济数据、市政数据和环境数据等，将用电预测结果、城市综合体发展趋势以及用户用电行为特征等与网架结构数据综合分析，降低网架优化的不确定性，提高优化效率。

基于对泛在电力物联网的智能终端设备采集得到的配电网运行数据的处理和分析，电网公司可构建信息共享平台，打破公司内部各部门的数据壁垒，实现配电网运行的实时监控；结合大数据分析与电力系统模型，可对配电网进行故障诊断和预测，为电网安全、可靠、经济、高效地运行提供保障。

1.3负荷预测与需求响应

通过智能终端设备对用户或企业用电数据进行采集，对用户用能习惯、行为模式等个性化特点进行分析，建立基于大数据的用户用电预测模型，得到更高精度、更时间细粒度的预测结果，有利于源荷协同调度的实现。在此基础上，区域电网公司可结合用户能效水平和用电行为特征等数据为用户订制智能化用电方案，挖掘节电潜力，降低用户购电成本；与终端用户互动，提高负荷需求响应与配电网削峰填谷的能力。

电动汽车以及储能等新型设备的广泛接入也促进了大数据技术的应用。以电动汽车为例，通过大数据技术深度挖掘其充放电特性，优化电动汽车充电站的规划建设[10]，设计兼顾充电地点、充电时间、交通流量及用户满意度的充放电优化策略，从而能最大程度地挖掘电动汽车的灵活性和储能潜力。

2 未来电网公司的综合能源服务体系

能源互联网下的综合能源服务是一种新型的为满足客户多元化能源生产与消费的服务方式，能够极大地促进一、二次能源的联动、转化，实现能源资源的合理优化配置，是实现能源转型的必由之路[11]。综合能源服务包含两层含义，即综合能源供给和综合能源服务。对于电网公司而言，由单一售电模式转为电、气、冷、热等的多元化能源供应和多样化增值服务模式。

2.1 综合能源供给

综合能源供给以综合能源系统为基础。综合能源系统(Integrated Energy System,IES)即在传统供能，包括电力、燃气、热、冷供给的基础上，整合可再生能源、氢能和储能设备等，通过天然气冷热电联供、分布式能源和智能微网等方式，实现多能协同供应和能源综合梯级利用，从而提高能源系统效率的一种新型的能源供给系统。IES的能量耦合和流动特性见图2。

图2 综合能源系统能量耦合和流动特性

综合能源系统具有下述特点[12]：

1)多能优势互补。通过冷、热、电联产的方式，降低能源供给损耗。

2)促进可再生能源消纳。可再生能源发电接入电力系统遭遇系统运行约束问题时，相对于弃风、弃光，可通过热、气储能的方式实现电力存储，从而最大限度地利用可再生资源。

3)提高能源供给效率、降低终端用户能源费用。多能源系统间的协调控制，可以提高系统的灵活性和适应性，使系统元件运行于技术和经济的优化状态，提高能源利用效率，同时降低用户能源费用。

综合能源系统是能源互联网的主要承载形式，既为多元能源耦合利用提供了平台，又使用户多样化的能源需求成为可能[13]。

2.2 综合能源服务模式

自我国开放售电业务以来，售电公司数量和市场交易电量快速增加，用户选择性不断提高，市场主体更为多元、市场竞争也更为激烈。这要求电网企业转变服务理念与经营方式，发展综合能源服务，以应对越来越大的市场份额流失压力。

综合能源服务模式主要包括：

1)能源销售服务。包括以购售差价为主要收益来源的电、气、热、冷等能源销售服务，以及用户侧管网运维、绿色能源采购、智慧用能管理、信贷金融服务等深度能源服务。综合能源服务商可依据用户负荷特性和用能理念的差异性，为其量身订制经济合理的套餐式用能方案或折扣模式，以提高自身的市场竞争力。

2)分布式能源服务。利用区域内的风、光等一次能源，建设运营分布式风电、光伏电源；根据区域内用户电、热等多能源需求，以及天然气、煤炭等一次能源价格与利用条件，建设、运营分布式热电联产能源站；深入分析区域内用户能源生产与消纳特点，建设、运营余热发电、余压发电、余气发电等能源回收利用项目，节约能源，创造价值。

3)节能减排及需求响应服务。指工业和建筑的节能改造及需求响应服务等。典型业务包括照明节能、屋顶光伏改造以及代理签订需求响应协议等基础服务，以及调控空调、电动汽车等柔性负荷参与容量市场、辅助服务市场、可中断负荷项目等深度服务[14]。

综合能源服务商应根据自身能力、当地政策、市场竞争环境等因素，分阶段、有选择地开发和实施各类综合能源服务模式。

3 未来电网公司的发展路径与关键问题

3.1 发展路径

电网公司由传统电网企业向能源互联网企业转型，需要完成泛在电力物联网及综合能源服务模式两方面的建设，具体可划分为探索期、发展期、成熟期三个阶段。

1)探索期。该阶段需要初步建成泛在电力物联网，实现基础电力业务的协同和数据互通；打造电力业务综合服务平台，发挥电网公司的平台作用，提供多样化的电力增值服务。

2)发展期。该阶段需要强化云、大、物、移等互联网技术与电网的融合，建成泛在电力物联网；选取典型区域，开展综合能源系统仿真，建设综合能源服务示范工程，形成可推广的综合能源服务模式。

3)成熟期。该阶段电网公司应结合泛在电力物联网等相关技术应用，开拓综合能源服务市场，打造能源流与信息流融合的综合能源系统，实现向能源互联网企业转型。

3.2 关键问题

当前泛在电力物联网研究和综合能源服务正处于起步阶段，在建设发展过程中可能会面临以下问题：

1)数据接口标准。电力大数据的互联互通是泛在电力物联网的核心。为了实现电力系统源、网、荷以及服务平台的信息交互，标准化的数据互联接口必不可少[15]。不同种类装置的通信协议需要相互兼容，避免造成信息交互壁垒。

2)市场交易规则。电力市场是综合能源服务市场的重要组成部分。通过建立完善的电力市场交易机制，可充分发挥市场调节的作用，合理引导资本投资泛在电力物联网、可再生能源以及增量配网项目；省间电力交易机制的制定，可打破区域交易壁垒，促进信息互通；辅助服务市场的制定，可将电力辅助服务市场化、商品化，方便其纳入综合能源服务体系。

3)商业服务模式。电网公司作为保底供电企业，掌握着大量的电力数据及相关客户数据、设备数据，拥有庞大的电网专业人员团队以及雄厚的财务资本，是未来业务发展的核心竞争资源。随着电力零售市场竞争的不断深化，电网公司应充分发挥自身技术、资源和品牌优势，转变原有的经营理念，探索综合能源服务商业模式，提高自身的市场竞争力。

4 未来电网发展的管理

4.1 增强配电网的风险管控意识，提高配电网的资产管理水平

风险评估和资产管理已成为世界各地配电公司进行各项业务的基本指导原则。配电公司的一系列投资决策，需能够恰到好处地平衡成本和性能之间的关系，以便提高资产管理水平。配电公司在决策过程中，需充分考虑风险因素，即需要逐渐增强风险管控意识。

应从全局、方向、战略高度制定风险管控的规章制度，针对未来可再生能源高渗透率的发展背景，开展风险管理与控制机制、能源管理与调度策略、数据与信息管理系统的重点研究，改变传统确定性N-1实用安全导则的过于保守、严苛的风险管控策略，采用协调成本与可靠性的不确定风险管控策略，不仅考虑用户停电、设备损坏的风险，更要考虑相关事件对安全、环境以及公司的声誉等无形的风险。应结合不同地区的可再生能源种类与特点和具体的负荷情况，采用不确定的风险管控手段，合理分析开发集中式或分布式可再生能源的极限容量，并配置部分提高运行控制灵活性的可控资源；超前引导、部署分布式能源的发展策略和发展规模，并在过程中提高风险的管控水平，形成稳定可靠且控制手段灵活的配电网结构。

健全配网资产管理体制，采用概率性风险分析的资产管理决策手段，采用大数据技术对历史数据进行深度挖掘和分析，考虑所有可能的配网系统状态及其相关概率，评估配网系统约束越限的风险。根据情况的严重程度计算系统约束越限时的后果，采用自定义“风险对策”或是专家库指导资产管理措施的实施。针对配网规划及运行过程中的薄弱环节采取一定的预防措施，寻找成本、性能和风险之间的平衡点，促进电网投资精益化水平提升。

4.2 提高设备智能化水平，推进直流配电和微网的建设

在自主技术创新和提升核心竞争力方面下大力气，开发同等容量占地面积更小、成本更低的设备装置，降低配网设备对土地的需求，满足快速增长的负荷需求和电能质量要求。

在可再生能源并网、主动配电网技术、适应可再生能源接入的智能调度运行等方面，围绕分布式可再生能源渗透率的逐步提高，大力推进控制设备的智能化，增加配电网中大规模储能装置和静态无功补偿器的优化配置，提高控制设备对潮流的控制能力和对电压的稳定能力，争取做到控制设备对分布式电源的智能解列和并网，减小由于集成大量可再生能源引起的电压、频率波动。

开展新一代大容量、高电压电力电子器件的材料研发和关键工艺技术研究，提高直流断路器和直流保护设备的质量并降低其成本，大力推进柔性直流配电技术的国产化。在部分供电可靠性较低的地区，大力推进分布式交直流微电网建设，推动可再生能源就近高效利用。

4.3 开展大数据背景下配电网的不确定规划，提高规划的成本效益

围绕智能配电网和主动配电网的发展，开发新型配电网仿真和规划辅助工具，以配电系统运行的安全性、可靠性以及供电质量为依据，对负荷和分布式电源出力的建模从确定性建模转变为更精确的不确定性建模，在评估传统电网建设方案和智能电网建设方案优缺点的同时，为形成主动配网管理运行策略和在电网规划决策中考虑主动配网要素提供有价值的参考依据。

开发统一的云平台和统一的数据库，提出统一的开发框架、公共服务化及微应用的技术路线，大力发展大数据平台，形成产研用一体化的运作体系，承担“大云物移”新技术研究应用和大数据分析一体化辅助服务的职责，针对配电网可靠性投资的敏感性进行定量分析，定量计算网架结构优化、设备水平提升、配电自动化水平提升、不停电作业水平提升等四类措施实施前后缩短单位停电时间的投资需求。积极开展基于大数据的配网规划，考虑可能出现的风险、量测和控制手段变化以及规划模型的经济性，采用负荷和DG出力的概率模型来模拟风险，通过合适的概率密度函数来描述未来发电和需求的不确定性，另外采用概率潮流计算方法，在模型中用由期望值及其概率分布组成的潮流计算结果来计算概率风险的切负荷代价，考虑大概率事件以及小概率大损失事件对规划不同程度的影响，通过灵活性资源的合理配置可以显著改善电力系统的运行效率，提高智能配电网规划的成本效益。

4.4 促进电网物理系统与信息系统相融合，提高电网智能化水平

基于全场景的信息采集与灵活应用，促进电网物理系统与信息系统相融合，提高电网一次系统与二次系统在功能方面的协调度；促进电网连续过程与离散过程相融合，基于连续与离散的内在联系，在建模、分析、控制等各方面提高自主感知、采集传输、计算处理、协同交互等能力。

在多元异构数据的采集部分，提高智能电表的普及率，实现一次设备、控制终端、多级控制器互通，兼容多种通信协议、信息模型，满足装置“即插即用”需求，能准确传递、识别信息流，依据功能和通信资源优化信息路径和信息内容，充分考虑电网协调控制与优化分析需要。

在多元异构数据的传输部分，采用广义的信息与通信技术，并基于智能电表的载波通信技术和基于IPV6的快速传输技术，避免基于远程终端单元的双向通信系统的高成本和通信延迟，及其对完整性和自动化操作序列可靠性所带来的破破坏，提高多元异构数据的传输效率。

在多元异构数据的存储部分，采用分散和虚拟存储的方式，构建标准的、可共享的，并可持续更新的数据仓储，确保存储网络的运行状态、网络资产状况，保障相关的所有系统同步访问到最新信息，实现未来用户对电网运行控制数据和实时电价信息的了解。

在潮流计算部分，考虑分布式电源出力和负荷的不确定性，采用连续潮流计算替代单个时间断面的潮流计算，采用分布式潮流计算替代集中式潮流计算，采用随机潮流计算替代确定性潮流计算，提高电网潮流计算的准确性和对不确定风险的感知能力。

在状态估计部分，考虑信息系统与物理系统间的交互作用影响，采用连续状态估计替代单个时间断面的状态估计，采用分布式状态估计替代集中式状态估计，采用多量测融合的状态估计替代基于SCADA量测的状态估计，提高电网态势感知的敏感度和细致度。

4.5 推进智慧城市的综合能源规划与实践，提高城市能源利用效率

积极开展智慧城市综合资源规划的研究与实践工作，通过能源互联网将发电设备、电网设备和用户进行互联，通过信息互联网进行设备和装置的实时信息交换，实现横向电源互补，纵向源网荷协调，提高系统总体经济效益，同时保证供需实时平衡，维护系统安全稳定运行。

大力推进多种能源的协调运行和协同优化，发挥不同能源系统在不同规模跨度、不同时间尺度、不同控制手段、不同储能特性等方面各自的优势和潜力，丰富可再生能源消纳途径，扩大可再生能源消纳空间，促进可再生能源极限消纳。

4.6 利用多种科技创新协同攻关，提高电网的弹性和韧性。

利用多种科技创新和多样管理方式协同攻关技术难题，努力做到四个既要和四个又要，实现电网弹性和韧性的极大提高。

既要投入改造电网的自动化和信息化程度，又要综合利用有功功率和无功功率协调优化控制、需求侧响应、分布式储能系统调节和网络重构等技术手段，考虑控制系统和电力系统相互依赖的关系，提高电网实时调控的速度、精度和管理决策的能力，共同确保电网安全、优化运行。

既要优化调整电网的结构和运行方式，又要注重电气设备的性能改进和功能创新，在大力推进柔性交直流配电网建设的同时，提高电力电子设备的传输效率和传输容量；在不断提高电气设备性能的同时，降低其建设投运成本，不断革新电气设备的功能，使其具有更加丰富的功能。

既要积极开展新材料的研发，又要重视具备自适应功能的电力设备、保护设备和其他新技术的研发，在大力研究高效、低成本新材料的同时，提高基于电力电子设备的保护与控制水平，提高电力设备和保护设备的响应速度和精度，共同提高电网的可靠性。

既要加强信息通信技术的应用，又要注重发展电力系统的协调计算分析技术，考虑信息通信网络和协调计算仿真相互依赖的关系，采用分布式云平台和集中式云平台的协同手段以及边缘计算的方式，利用数据挖掘技术从实时海量多元异构数据中提取有效信息，提升未来电网的准确、快速、灵活的管理决策能力，有效提高供电恢复率、减小停电损失，提升电网运行效益。