泛在电力物联网发展与展望

赵萌萌， 唐平舟， 孙 堃,2， 成润坤,2， 陈广娟

(1.华北电力大学 经济与管理学院，北京 102206； 2.华北电力大学 智慧能源研究所，北京 102206； 3.山西电力交易中心，山西 太原 030021)

0 引 言

近年来，煤炭、石油等非清洁能源所引发的环境污染问题日益严重，可再生能源高比例接入电网，对电网安全运行提出了巨大的挑战[1]。同时，海量的电力数据尚未被挖掘利用，未发挥出其潜在的价值[2]。因此，在电力系统中引入物联网技术，可有效整合电力系统中海量的数据信息，提高电网信息化水平、保证其安全运行。

针对物联网技术在电力领域的应用，各国均开展了一系列的研究，但研究的侧重点各不相同。其中，我国重点研究物联网技术与智能电网的深度融合。于是在2019年，国家电网提出建设泛在电力物联网的新构想。与此同时，国内外学者对泛在电力物联网也进行了初步的探索。文献[3]探索了5G通信技术在泛在电力物联网的应用。文献[4]介绍了基于低功耗广域网络的泛在电力物联网的体系架构及性能。文献[5]对泛在电力物联网的关键技术进行了探讨。文献[6]为泛在电力物联网的实施方案提出了建议。

此外，为清晰了解泛在电力物联网的发展状况，利用Web of Science和中国知网两大数据库对泛在电力物联网的相关文献进行检索。在Web of Science上以“Internet of thing”和“Grid”为主题进行精确检索。检索结果显示，国内外在电力物联网领域的研究逐年增加，如图1所示。研究最多的国家为中国，其次为美国，然后为印度、意大利、韩国、英国等国家，主要的研究方向为计算机科学、工程、电信、能源燃料、数学、通信、自动控制系统、仪器仪表等，如图2所示。

图1 国内外相关论文发表数量Fig.1 Number of papers published at home and abroad

图2 国内外电力物联网的研究现状Fig.2 Research status of Power Internet of Things at home and abroad

在中国知网上以“泛在电力物联网”为主题进行精确检索。检索结果显示，国内学者对泛在电力物联网的研究主要集中在电力物联网、能源互联网、物联网、坚强智能电网、能源服务、智能电网、电力系统和数据共享等领域，如图3所示。自泛在电力物联网的概念提出以来，相关论文数量急速增加，如图4所示。

图3 国内对泛在电力物联网主要集中领域 Fig.3 Major areas of Power Internet of Things in China

图4 国内有关泛在电力物联网的论文发表数量Fig.4 Number of papers published on Ubiquitous Power Internet of Things in China

综上可知，有关泛在电力物联网的研究呈逐年增长的态势。泛在电力物联网受到了广泛的关注，已成为当下社会各界聚焦的热点。总体而言，泛在电力物联网对能源互联网的建设具有重要的支撑作用。一方面，泛在电力物联网可提高新能源发电占比，促进我国能源结构变革。另一方面，可保障能源安全，实现源网荷储的智能优化与协同。此外，还能实现用户与电网的实时互动，提升用户的用能体验与获得感。而目前有关泛在电力物联网的研究成果较为匮乏。为向后续泛在电力物联网的深入研究提供有益的参考，本文侧重对国内现阶段泛在电力物联网的研究状况进行总结，归纳其基本概念和体系架构，讨论其中涉及的关键技术，介绍泛在电力物联网的应用场景，分析商业模式，总结建设过程中的问题并展望其今后的发展方向。

1 泛在电力物联网概述

1.1 泛在电力物联网的概念

泛在电力物联网是充分利用一系列现代信息技术和先进通信技术，实现电力系统各环节万物互联、人机交互的智慧服务系统[7]，如图5所示。通俗地说，泛在电力物联网是将所有与电力相关的实物相连而形成的网络系统，是物联网在电力行业的应用落地。

图5 泛在电力物联网Fig.5 Ubiquitous Power Internet of Things

1.2 泛在电力物联网的体系架构

泛在电力物联网的网络架构如同其他形式的物联网系统，分为感知层、网络层、平台层和应用层4层，其中平台层为整个系统的核心[8],如图6所示。

图6 泛在电力物联网的体系架构Fig.6 Architecture of Ubiquitous Power Internet of Things

2 泛在电力物联网的信息技术

泛在电力物联网的本质是对海量的电力信息进行挖掘，以满足用户对能源的多种需求。故建设泛在电力物联网需要多项信息技术做支撑。信息技术主要包括信息感知、传输、处理分析与安全技术[9]，如图7所示。

图7 泛在电力物联网的信息技术Fig.7 Information technology of Ubiquitous Power Internet of Things

2.1 信息感知技术

实现信息感知是构建泛在电力物联网的首要任务，需将各种传感设备部署于电力系统中的指定区域，以对不同的人或物进行实时感知。

由于电力系统规模庞大、结构复杂，故安装的传感设备需要具备低成本、低功耗和高度集成化的特性[10]。目前，应用于电力系统的传感设备多种多样，输电方面主要有环境微气象传感器[11]、导线温度传感器[12]等。环境微气象传感器可监测输电架空线路周围的天气情况，并可将监测到的气象数据以及变化情况通过网络实时传送到中心监控分析系统，帮助管理人员及时应对异常情况。导线温度传感器可在线测量输电线路导线的温度，传感器终端运用微功耗技术，电池采用锂亚电池。锂亚电池自消耗低、寿命长且耐高温，与微功耗技术相结合，可有效解决终端单元取电问题。配电方面主要有电压测量传感器[13]。电压测量传感器不仅可以测量低压配电线路的电能质量信号，还可以对低压电力设备进行防盗预警。

此外，传感设备数量之多且应用环境复杂，其电池不便频繁更换，因此在传感设备的研发中，需考虑高效的电源管理技术[14]。而一般主要通过提高电池能效和优化供电方式两个方面对电源进行有效的管理。一方面，可通过优化传感设备网络的路由来提升电池能效。例如文献[15]提出的配电无线传感网络的能量均衡路由算法，可解决传输节点能量消耗不均而导致的低能效问题。文献[16]提出的基于LEACH的改进路由算法，可有助于选择更合理的簇头节点，从而提高电池能耗。另一方面，可通过无线充电技术和无线电能传输技术来优化供电方式。在一定距离内，利用无线充电技术和无线电能传输技术可直接或间接地完成电能供应和传输。其中，无线电能传输技术还包括电感耦合技术、电磁辐射技术以及磁耦合谐振技术等。

2.2 信息传输技术

信息的传递是泛在电力物联网的基础功能，如图8所示。当前泛在电力物联网的信息传输技术可分为有线网络技术和无线网络技术。有线网络技术主要包括电力载波通信等，无线网络技术包括5G[17]、低功耗广域网(LPMA)[18,19]和紫峰无线网络(Zig-Bee)[20]等。

图8 信息传输技术Fig.8 Information transmission technology

电力载波通信作为泛在电力物联网今后研究的工作重点，是一种以电力线为传输媒介的通信方式[21]。为保证传输过程的可靠性，提高电力载波通信的线路覆盖率，文献[22]提出一种基于正交频分复用技术的多频带自适应技术，可在一定跨频带范围内，自适应地选择合适的工作频率和通信带宽。此外，电力载波通信的接收端通路存在噪声也是影响传输质量的一大因素，文献[23]提出基于分数阶傅里叶变换限波的噪声干扰规避设计，有效地避免了载波通信接收端的噪声信号影响。

而在现实情况下，泛在电力物联网中的信息具有分布广，分散性强的特点，传统的有线网络通信技术难以适用。因此泛在电力物联网通信的主要手段将是以无线为主的现代通信技术[4]。其中，5G被视为泛在电力物联网发展的基础，将广泛应用于万物互联、精准控制、海量量测、宽带通信、高效计算等方面[3]。而依托5G和卫星形成的信息传输系统也将是实现泛在网络的关键力量。LPWA 以其覆盖范围广、传输速度低等优点，主要适用于高度分散的小数据[24]。而ZigBee因其功耗低、成本低、易于组网等特点，成为短距离电力物联网传输技术发展的主线[25]。此外，一些人工智能技术也为提高通信传输效率，保证传输质量做出了巨大贡献[26]。

海量电力信息的传递不仅需要先进的传输方式，还需要一体化的通信网络，故需解决差异化信息的互操作性问题。针对此问题，研究学者展开了相关研究。其中一些学者通过创新算法解决差异化信息的传输问题。文献[27]设计了一种新型多模式节点，可进行专网与公网技术的多模式通信，实现各种网络类型的多模式切换。文献[28]提出了一种针对电力物联网异构网络接入场景的统一化服务质量保障方法。与此同时，部分学者则通过构建统一的信息模型，实现泛在电力物联网平台的信息交互。文献[29]指出为使平台外部接口保持一致，保证信息传输的简单迅速，应在平台层建立标准的信息模型，通过统一的通信协议向应用层提供统一的服务。文献[30]建立了一种通过对接入的传感层设备信息进行规范化处理的信息接入规范，可使接入信息在网络层中以统一的信息模型进行交互。

2.3 信息处理分析技术

有效的信息处理技术可将泛在电力物联网中产生的海量数据转化为有价值的信息。有效的信息处理分析技术包括大数据处理、云端计算和人工智能技术等。而这些信息分析技术也被应用于输变电、配用电和智能电网等领域。

在输变电方面，利用大数据、云计算等技术，对各类输变电设备的生产信息进行处理，以实现设备状态的智能监测和实时诊断。文献[31]基于随机矩阵理论，处理分析与交直流输电通道线损率相关的信息，从而找出线损率与状态量及不同通道的线损率三者之间的关联特性，为降低线损率提供建议。在配用电方面，利用配用电大数据处理分析，可对配电网进行精益化管理。文献[32]基于大量的配用电数据，提出了一种随机矩阵相关性算法，此方法可分析用户用电的行为，帮助电网企业引导用户用电行为。文献[33]基于云计算平台和并行k-means聚类算法对智能小区的居民用电行为进行分析。在智能电网方面，依托海量的电网运维和管理数据，对有关电网设备状态的信息集成与分析进行研究，可促进电网智能化。文献[34-36]构建了智能电网监控运行大数据分析系统，实现电网监控运行全过程信息的处理分析。文献[37]介绍了对电力系统进行高性能在线分析计算的现状，并探讨了协同计算的关键技术，如分配映射机制、分解协调计算服务、模块服务接口化以及数据交互规范等。

2.4 信息安全技术

众所周知，泛在电力物联网涉及海量的数据信息，而信息的安全问题与人民利益和国家安全紧密相关[6]。故在这些海量信息的复杂流动下，研发有效的可保障信息安全的技术至关重要。文献[38]采用面向攻击的配电网区域业务恢复方法保证配电网安全运行。文献[39]深入分析了电力物联网各个层次的安全隐患，提出相应的安全防护措施，并提出将来可引入量子安全传输技术以保障电网的安全运行。文献[40]从加密技术、认证技术、入侵检测与保护技术3个方面提出了电力物联网的安全防护技术。在电力物联网加密技术方面，建议电力企业应采用分布式RFID询问-应答认证协议作为RFID的安全协议；在认证技术方面，认为电力大型物联网更适合分布式的、点对点的域认证方式；在入侵检测与保护技术方面，建议使用分布式入侵检测和保护手段来防护电力系统。文献[41]基于NB-IoT技术研究了感知层、传输层、应用层的安全问题及应对策略。同时提出了面向电力业务的跨层安全框架。

未来泛在电力物联网将不断接入大量的新设备，而这些设备具有多样性、异构性及动态变化的特点，导致设备信息在采集、传输、处理过程中的安全隐患日益突出[42]。为保证泛在网络的安全，对精准的信息安全技术进行创新研发刻不容缓。

3 泛在电力物联网的应用场景

泛在电力物联网具有广阔的应用场景。本文重点探索其在发电、输电、用电等领域的应用。以发电领域的虚拟电厂，输电领域的输电巡检系统，用电领域的新型智能电表计量体系为例。

(1)虚拟电厂

如何高效调节各台调峰机组、各类储能设备以及各种用电设备的负荷一直是电力行业关注的焦点。而虚拟电厂概念的提出使问题的解决有了眉目，如图9所示。虚拟电厂通过先进的控制、计量、通信等技术聚合不同类型的分布式能源，并通过先进的调度算法实现各种分布式能源的协调优化运行，从而实现对分布式能源并网的监管[43]。虚拟电厂不仅能促进发电量和用电量的平衡，还有助于保障未来电力市场交易的稳定运行。

图9 虚拟电厂Fig.9 Virtual power plant

随着虚拟电厂参与主体的数据信息的大幅增长，主站存储能力不足、信息处理堵塞等问题接踵而来。为解决此问题，可基于边缘计算技术，充分利用用户侧智能终端，实现数据处理边缘化，减轻虚拟电厂中央节点的压力，并有效提高虚拟电厂的可扩展性和响应速度。例如，可运用机器学习相关算法实现数据学习本地化，在虚拟电厂进行决策时，无需上传全部原始数据，只需选择性地传输学习结果的特征即可，从而降低通信网络的数据传输压力。随着售电侧的放开，在保证数据安全隐私防护的前提下，可结合边缘计算与区块链，实现虚拟电厂交易边缘化。

此外，区块链技术也可在虚拟电厂中发挥重要作用。区块链可为虚拟电厂提供公开透明、高效安全的交易平台。区块链具有时序存储特性，可存储每笔交易记录的交易方和传递路径等信息，以至于存储在平台上的数据均可追溯及可验证，从而降低了数据丢失及被攻击的风险。而区块链的去中心化特性可帮助虚拟电厂实现新的商业模式。虚拟电厂中的每个节点都可充当能源生产者和消费者，无需通过第三方组织或中央管理机构，直接通过对等网络参与能源交易。交易完成后，可自动生成智能合约，以实现资源更为主动高效的利用。此外，运用非对称密码学的加密算法，可使数据不被篡改和伪造，保证交易数据的安全可靠，实现数据交互过程中的去信任化。

(2)输电巡检系统

随着电网规模越来越大，输电线路越来越复杂，输电巡检工作量猛增，传统的人工巡检方式已难以满足输电巡检的要求[44]。无人机巡检和巡检机器人巡检应运而生，可替代巡检人员完成输电线路的巡检工作。

在无人机巡检方面，基于载波相位差分定位技术，制定输电线路多旋翼无人机智能巡检方法。此方法首先由巡检人员操控无人机进行线路巡检和线路记忆，再从记忆的巡检航迹中提取重要的地理信息，以此制定巡检线路的无人机巡检方案。最后沿设定的轨迹进行无人机巡航，并在规定的轨迹控制点以预设角度进行航拍，实现流程化和标准化的无人机巡航。此方法不受强电磁场环境的干扰，可快速准确地完成巡检任务[45，46]。与此同时，冀北电力已自主研发并应用了无人机巡检技术，其构建了一个智能巡检管控平台，由无人机进行指挥、控制和维护。同时，引入人工智能技术，实现了工作全程无人机化，最大程度地优化了现场作业效能，为实现智能巡检奠定了基础。

在智能巡检机器人方面，文献[47]研制了一种轨道式智能巡检机器人系统，系统由机器人本体、通信配电系统、轨道系统、综合监控平台系统四部分构成。机器人本体包括行走机构、升降机构及检测单元。该智能巡检机器人可实现视频图像监控、仪表读数识别、红外热成像温度检测、局部放电检测定位、管廊内环境监测等功能。而巡检人员可通过多种客户端软件对其进行远程操作。

(3)新型智能电表计量体系

电能计量装置的准确性始终是社会关注的热门话题。随着泛在电力物联网的深入推进，国网探索构建了面向用户侧的新型智能计量体系。新型智能计量体系可统一终端标准，采集不同结构的同源数据，深度覆盖配、用电侧的采集监控，提升终端智能化和边缘计算水平。

在实际应用中，智能电能表需要采集大量用户侧的数据，其中不可避免地会存在异常数据[48]。如何找到并剔除这些数据，获得准确的用户负荷信息对新型智能电表计量体系落地应用至关重要[49]。基于机器学习和神经网络异常数据检测方法可提高智能电能表测量数据的准确性。另外，新型智能电表计量体系需要保证计量信息的安全性。文献[50]提出采用智能小区结合区域管理中心的计量模式来保证计量信息的安全。文献[51]从模式保护的角度出发，对原始用户的消费数据进行延时重组，以破坏电表记录的功耗数据波形，从而模糊用户行为模式，提高智能电表信息的隐私安全性。

未来智能电能表将采用模组化设计，拥有相对独立的两种芯片，即计量芯和管理芯，包括通信模块和业务应用模块，具有较强的兼容性和扩展性。

4 泛在电力物联网的商业模式

随着新一轮电力体制改革的深入推进，电力企业对电力供应的垄断地位被打破。传统电网的商业模式即通过买电和卖电赚取电费价差，已经不能适应电力市场新环境的要求。同时，随着经济的发展以及人民生活水平的提高，用户的用电需求越来越多样，用户对电力服务的要求也越来越高，传统电网的商业模式已难以为继。电网企业亟需积极致力于创新发展，建立适应售电市场竞争环境和泛在电力物联网的创新商业模式。

4.1 泛在电力物联网的构建参考

国外电力公司的商业模式可为泛在电力物联网商业模式的构建提供一定的参考。美国AutoGrid公司通过基于电力大数据建立的能源数据云平台采集和处理客户接入智能电网的数据；通过建立的需求响应优化及管理系统获取用电客户的能量消耗情况，以此预测用电量，最后结合电价实现需求侧响应并生成相应的分析报告[52]。同时，需求响应优化及管理系统也可为电网运营者提供需求响应应对策略[53]。AutoGrid公司通过向采用其设计的用户收费盈利。其收费模式有三种，一是根据公司为客户处理的数据量收费；二是与采用公司提供的需求侧响应分析报告的客户共享收益；三是向使用公司软件的设备商收费。此外，AutoGrid公司建立的能源数据平台的运营维护以及报告分析所需的费用随数据的增多而增长。美国OPower公司基于大数据与云平台为用户提供节能方案和个性化的账单服务。其盈利模式本质上与AutoGrid公司其中一种盈利模式一致，即依靠向电力企业提供付费软件盈利[54]。日本东京电力公司采取根据客户类型制定差异化服务的策略。公司将客户分为工商业客户和居民客户，针对工商业客户，公司会根据其不同的需求提供多样的电力服务。而针对居民客户，公司主要考虑其舒适、环保、经济的需求，提供一系列节能服务，大力推广高效电器产品。另外，东京电力公司比较注重技术的研发，设有专门的技术研发研究所。

国内研究学者对电力企业营销模式的研究对泛在电力物联网商业模式的构建同样具有一定的参考价值。电力企业营销模式的核心要素是电价，文献[55]提出电网企业可将现有的主流类型的电价同时呈现给用户，用户可根据自身特点自由选择电价模式。文献[56]提出国家电网可利用微网技术进行发电，以降低成本。文献[57]构建了以社会福利最大化为目标的电力交易模型，利用双向拍卖机制确定电价和电量。与电力消费相关联的各种增值服务同样是电力企业商业模式的关键部分。文献[58]认为适合售电企业的创新增值服务主要有综合节能增值服务、智能家居增值服务、分布式新能源服务项目等模式。文献[59]提出可根据用户的用电情况创建用户画像，然后基于用户画像，利用智能互动创新平台对客户进行个性化收费服务。

4.2 未来泛在电力物联网的商业模式

未来泛在电力物联网的商业模式为关注成本的同时获得合理收益，如图10所示。

图10 泛在电力物联网的商业模式Fig.10 Business model of Ubiquitous Power Internet of Things

以共享储能、金融服务、数据加工变现为例。在共享储能方面，青海新能源企业进行了共享储能市场化交易。在此次交易中，储能电站首次作为电网侧储能电站，纳入电网调峰调度，统一由电网侧进行调控，实施精准的充放电控制，赋予电力系统灵活调节的能力。此次交易既提升了储能电站自身利用率，还将储能资源共享至其他参与交易的新能源企业，实现了新能源消纳的最大化。同时，参与主体也通过市场化收益分配达到了共赢。

在金融服务方面，电力企业可充分利用自身拥有的海量电力数据，与金融机构和融资企业展开合作，开发融合智能电力大数据和金融的服务产品，将电力数据商品化。在金融机构获得融资企业的授权下，电力企业对融资企业的用电情况进行大数据分析，量化企业的运营状态，帮助金融机构做出正确的贷款决策。同时，电力企业通过对融资企业用电情况进行大数据分析，筛选出用电诚信企业和正常运营企业，推动金融机构加大对这些企业的支持额度，以及简化企业的授信流程。

在数据加工变现方面，电力企业可与家电企业联合。家电企业研发家电传感器，为电力企业提供家电传感技术帮助，在设计电器时电力企业通过用户使用家电的电力信息分析用户对家电的使用行为，帮助家电企业实现产品优化，获得市场竞争力。

此外，在构建泛在电力物联网商业模式时，电力企业可重点关注区块链技术，利用区块链技术可追踪的特性，建立能源交易可信平台及智能合约，监管每一笔参与交易的能量流[60]。建立完整的可追溯的集发电、储电、配电和用电于一体的交易体系，实现共享储能的快速交易、清分结算。同时，利用区块链技术建立包括信息系统、市场机制和定价机制等在内的能源交易管理系统，与市场参与者的区块链账户关联，获知参与者的实时需求和供应数据。并基于这些数据，预测消费和发电量，以此制定投标策略，使能源市场高效运行[61]。

5 结论与展望

本文主要对国内现阶段泛在电力物联网的研究进行了全面总结。归纳了其基本概念和体系架构，讨论了其中涉及的信息技术，介绍了泛在电力物联网的应用场景和商业模式。泛在电力物联网通过一系列物联网技术赋予电力系统新的动能，将成为国家电网未来发展的重要方向。但是，就目前而言，泛在电力物联网仍然处于初始阶段，还存在很多问题。

(1)电网仍有很多监测盲区。现阶段对输电线路的监测只截取了部分重要的节点，其检测水平还远远低于广域监测；配电网节点较多，面积较广，传统的测量装置由于功耗大、体积大、成本高等不足，无法全面铺开安装；低压用电信息待全面打通，人物互联技术也尚未突破，用户参与程度较低。

(2)泛在电力物联网的相关标准尚未进行规定与统一。例如电力感知信息标准、网络传输技术标准、有线与无线网络接入标准、多源异构数据融合标准、跨层数据访问标准、电力行业应用标准等。

(3)海量的电力用户数据还未得到充分的挖掘。主要原因在于数据分析智能化程度较低。而相关的用电大数据应用建模与智能算法研究也较为匮乏。

(4)由于泛在电力物联网的业务属于竞争性业务，受到成本、管理制度等因素的制约，故如何对业务模式进行创新也是今后亟待解决的重点。

未来随着泛在电力物联网的发展，传感器技术、通信技术与数据分析处理技术等物联网关键技术将不断迭代更新，以上问题与挑战也势必要得到解决。其发展方向也将向智慧城市、数字农村、智慧小区、智能家居、智慧出行、智慧能源交易、用户能效分析与管理等方面延伸。泛在电力物联网的逐步发展也将会推动电网向智能电网、零边际成本电网演化，最终促进大众参与和协同共享的电力产业升级变革。