泛在電力物聯(lián)網的未來發(fā)展趨勢

1引言

互聯(lián)網技術與新能源技術將推動新一輪能源革命，智能電網與“互聯(lián)網+”技術相結合成為當前電氣工程領域研究的熱點，興起了能源互聯(lián)網和泛在電力物聯(lián)網的概念，為智能電網建設拓展了更開闊的發(fā)展空間。其中，物聯(lián)網技術作為當前科技領域的熱點技術，在電力領域中的應用展示了充滿想象力的前景。

根據國際電信聯(lián)盟（ITU）的定義，物聯(lián)網是通過二維碼識讀設備、射頻識別（RFID）裝置、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)和激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網相連接，進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網絡。國家電網有限公司提出理念，圍繞電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)，充分應用移動互聯(lián)、人工智能等現代信息技術、先進通信技術，實現電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)萬物互聯(lián)、人機交互，形成具有狀態(tài)感知、信息快速處理、應用便捷靈活特征的智慧服務系統(tǒng)。隨著物聯(lián)網技術的發(fā)展，特別是智能傳感器低功率廣域通信，5G以及云/邊緣計算等技術的成熟，如何建設UPIoT引起了廣泛的關注。作為構建透明電網的關鍵支撐技術，小微智能傳感器是傳統(tǒng)傳感器與微處理機相結合的產物，具有采集、處理、交換信息的能力，因其特低功率、便于安裝、抗干擾、價格低等特點使智能電網透明化運行成為可能。以寬帶載波、5G、LPWAN為代表的通信技術，將UPIoT的數據傳輸向高傳輸速率、低功耗、遠距離、高可靠性等方向發(fā)展。云/邊緣計算技術有望解決快速處理海量數據的難題，適應電網數字化、信息化、智能化的數據處理需求。

基于此，本文探討了UPIoT的主要作用和價值體現，分析了物聯(lián)網技術在發(fā)電、輸電、變電、配電和

用電5個環(huán)節(jié)中的已有基礎，闡述了未來透明電網和零邊際成本電網的概念、內涵和發(fā)展趨勢。然后，

本文提出了UPIoT的若干技術挑戰(zhàn)。

2泛在電力物聯(lián)網的主要作用和價值體現

電網聯(lián)系到千家萬戶的每一臺設備和電器，非常具備物聯(lián)網萬物互聯(lián)的物質基礎?，F有電網上增加傳感測量技術、集成通信技術和計算控制方法，實現物聯(lián)網和智能電網的高度融合。

UPIoT以信息獲取為基礎，注重用戶之間以及用戶與電網之間進行實時連接和互動，并對海量數據信息進行收集分析和實時高速傳輸，從而加強電網智能處理和決策支持功能。

UPIoT的主要特征表現在：①無時不在、無處不在：除了電力設備外，成千上萬的電器，甚至是用戶的穿戴設備，都將通過傳感器連接到物聯(lián)網中，支持終端即插即用，用戶本身也是物聯(lián)網連接的對象之一；②多種業(yè)務數據貫通：電網多種業(yè)務打破數據壁壘，各環(huán)節(jié)數據統(tǒng)一在大數據平臺進行管理，為應用提供強大的數據平臺支撐；③應用功能完善：隨著人工智能算法、大數據分析方法的成熟，應用層將會逐漸完善功能，及時處理多種數據形成分析結果和優(yōu)化方案反饋回電網，保證電網安全穩(wěn)定可靠經濟運行；④數據呈現巨大效益：電網數據價值得到充分挖掘，既能實現電網企業(yè)業(yè)務轉型升級和盈利模式創(chuàng)新，又能為各種創(chuàng)新型機構提供共享數據，促進社會經濟發(fā)展。

UPIoT的作用和價值主要體現在以下4個方面。

2.1支撐電網運行性能提升

隨著智能電網不斷發(fā)展，系統(tǒng)每天都在產生海量數據，對電網的監(jiān)控、調度和管理帶來了巨大的作用和挑戰(zhàn)。如何對電力系統(tǒng)中多種類型的數據進行有效分析和管理成了急需解決的問題。包含每一個用戶，每一個用電設備的細顆粒度數據將使得智能電網完全透明化，通過大數據計算分析和可視化展示，非常便于電網相關人員及時洞察異常和潛在的風險，實時準確掌握電網的運行狀態(tài)，快速精細預測電網的變化趨勢；多環(huán)節(jié)業(yè)務數據貫通，可打通不同專業(yè)部門的數據壁壘，提高對電網認知的性，促進多環(huán)節(jié)業(yè)務協(xié)同進行?？傊琔PIoT可提高電網運行的安全性、可靠性、性和經濟性。

值得一提的是，傳統(tǒng)的集中式控制模式難以滿足海量數據的傳輸處理的要求，而利用邊緣計算可降低對主站系統(tǒng)的壓力，提高數據傳輸的實時性、準確性和安全性，在中低壓配電網、微電網等分布式控制中具有巨大的競爭力，為電網企業(yè)面向內部的管理決策提供了全新的技術手段。

2.2促進與用戶互動化的智能用電

隨著中國人民生活質量的提高，人民對供電質量要求也越來越高，用戶側的光伏、儲能、充電樁等元素越來越多，對智能家居和智能用電的體驗感受越來越重視。在此背景下，傳統(tǒng)的配網運行管理因缺乏必要和充分的用戶數據獲取及交互手段，難以對用戶準確建模并將用戶資源納入電網的協(xié)同柔性控制，也無法為用戶提供更和個性化服務。

通過物聯(lián)網可以對用戶及配電網運行狀態(tài)進行準確的測量和態(tài)勢感知，打通電網與用戶雙向通信的通道，引導用戶有序用電，提高用戶參與電網運行的體驗和收益，實現電網與用戶的共贏。如何基于物聯(lián)網實現與用戶數據交互、資源共享，促進智能用電服務是目前用電側需要解決的問題。

2.3提升分布式可再生能源消納能力

隨著分布式可再生能源在電網中滲透率的不斷提高，其出力的隨機性、間歇性和波動性經過和傳統(tǒng)

負荷特性的疊加，容易造成配電網功率和電壓的顯著波動，形成階段性過載或者過電壓風險，對配網運

行控制和保護帶來了挑戰(zhàn)?；谖锫?lián)網技術，利用智能化的小微傳感器對分布式電源進行實時監(jiān)測和態(tài)勢預測，基于配調系統(tǒng)或者臺區(qū)邊緣端對區(qū)域配電網或臺區(qū)以及DG及時進行調整，實現源網荷儲協(xié)作運行，從而降低系統(tǒng)運行風險，提高可再生能源分布式消納水平，促進能源轉型升級。

2.4挖掘用電大數據的增量價值

隨著近兩年國家對一般工商業(yè)電價的調控到位，電網公司從傳統(tǒng)的售電商業(yè)模式中獲得利潤的空間和增量已經相當有限，挖掘用電大數據的價值成為電網公司業(yè)務和利潤的增長點。另一方面，用電大數據的商業(yè)價值一直為社會各界所關注，有望為智慧城市、智能交通、智能家居、傳統(tǒng)商業(yè)和第三產業(yè)、新能源與節(jié)能行業(yè)、互聯(lián)網行業(yè)、咨詢行業(yè)、制造業(yè)等各行各業(yè)帶來重要的信息來源和決策依據。

從商業(yè)模式來看，國家電網有限公司提出的UPIoT的建設將搭建一個以電力供需為核心的泛在電力生態(tài)平臺。電網企業(yè)將在服務過程中構建起多條服務價值鏈，實現電網企業(yè)與相關方的共創(chuàng)共享共贏。而用電大數據的基礎必然是配用電物聯(lián)網。

3物聯(lián)網技術在電網中的已有基礎

UPIoT的概念，是基于目前電力系統(tǒng)信息化、智能化的技術現狀和發(fā)展趨勢提出來的。本節(jié)從發(fā)電、輸電、變電、配電、用電5個方面，闡述電網中物聯(lián)網技術的研究和應用基礎。

3.1發(fā)電領域

“互聯(lián)網+”智慧能源的任務之一就是推動能源生產智慧化，提升大規(guī)模新能源的消納能力。作為實現這一目標的技術基礎，物聯(lián)網技術在發(fā)電領域的應用主要體現在傳感器應用及對發(fā)電機實時狀態(tài)監(jiān)測。文獻基于物聯(lián)網架構，構建了發(fā)電機組遠程狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，實現了機組狀態(tài)遠程在線專家診斷、故障預報、科學維護，保障機組安全運行；文獻設計了基于視頻監(jiān)控、RFID、GPRS等技術的物聯(lián)網監(jiān)控平臺，實現發(fā)電系統(tǒng)各類動態(tài)數據的可視化。文獻利用ZigBee和嵌入式系統(tǒng)搭建微網分布式電源的控制系統(tǒng)，其中，ZigBee用于短距離通信，嵌入式系統(tǒng)用于數據格式處理和通信協(xié)議轉化，控制命令由遠程服務器生成并下達。

3.2輸電領域

物聯(lián)網技術在輸電領域的應用主要體現在對輸電線路狀態(tài)的監(jiān)測及線路安全檢修管控。目前，基于物聯(lián)網技術的輸電線路監(jiān)測系統(tǒng)，根據應用場合的不同，數據采集的方式或傳輸層的通信方式也可能不一樣?，F有監(jiān)測系統(tǒng)往往存在運行維護費用高、數據傳輸率低等問題。文獻組建了基于級聯(lián)拓撲無線Mesh與光纖復合架空地線光傳輸耦合網絡，滿足輸電線路設備物聯(lián)網通信網絡帶寬、時延、可靠性和安全性要求。文獻則采用接入網和匯聚網兩級通信網絡結構進行變電站和輸電線路的通信網絡設計，從而實現遠距離傳輸。文獻提出扁平式通信網絡結構和有線/無線雙通道異構組網技術，比傳統(tǒng)方法更有效地保障了重負載網絡性能和網絡容錯能力。文獻借鑒產品電子代碼設計了輸變電設備標識碼，提高了設備之間的信息聯(lián)系交互能力和共享能力；文獻結合ZigBee和GPRS組成混合網絡，用來傳輸桿塔傾角、人員攀爬、導線拉力、桿塔振動等監(jiān)測數據，減少人工巡檢的工作量。

3.3變電領域

物聯(lián)網在變電領域的應用包括了變電站電氣信息，設備溫度等狀態(tài)信息和運行操作信息的監(jiān)控預警與故障診斷等方面，著力于解決變電設備狀態(tài)實時監(jiān)測、監(jiān)測裝置孤島運行、故障診斷功能不足等問題。工業(yè)物聯(lián)網是實現變電站監(jiān)控數據實時采集、通信和處理的有效手段。文獻設計了變電設備智能監(jiān)測傳感網絡，并基于一體化智能監(jiān)測裝置實現收發(fā)數據、分布式計算以及設備故障診斷和預警功能。文獻基于視覺傳感器、信息傳輸和智能視覺分析組成智能視覺物聯(lián)網，將紅外圖像與可見光圖像智能識別相結合，準確、實時地檢測和定位變電站設備溫度異常區(qū)域。文獻采用物聯(lián)網技術研發(fā)了一套可移動、免安裝、無線化的變電設備局部放電檢測系統(tǒng)，使現場設備可以在不停電下進行帶電檢測與在線監(jiān)測。此外，針對變電站避雷器故障診斷和安全操作的監(jiān)控也取得不少成果。

3.4配電領域

物聯(lián)網技術在配電領域的應用包括對配電設備及其運行狀態(tài)的監(jiān)測、故障定位、資產管理。文獻采用無線傳感器反應網絡（WSANs）構建了智能電網的信息系統(tǒng)，實現智能電網的可視可控。文獻采用無線傳感網絡建立了配網故障定位系統(tǒng)，相比于傳統(tǒng)故障定位系統(tǒng)，故障定位更準確，性價比更高。文獻將RFID應用到資產管理工作中，提高資產管理水平和效率。主動地對并網分布式發(fā)電（DG）、儲能、充電樁、有載調壓變壓器、無功補償等配電網設備的運行進行優(yōu)化與控制是主動配電網的主要功能，而這些功能的實現往往依賴于物聯(lián)網技術。兩者的深度融合將形成配電物聯(lián)網，成為能源轉型“再電氣化”發(fā)展的新思路、新模式、新焦點。文獻論述了配電物聯(lián)網的內涵構想和應用特征，提出由“云、管、邊、端”構成的配電物聯(lián)網體系架構；文獻針對配電臺區(qū)管理存在設備多、通信基礎薄弱等困難，提出一種新型配電臺區(qū)應用實踐方式、設計理念、關鍵技術節(jié)點和協(xié)同機制；文獻總結了配電物聯(lián)網建設背景下的智能終端的內涵及基本特征，給出了智能終端硬件的基本結構和軟件的重要組成，分析了智能終端在計算、存儲、通信等方面為配電網向能源互聯(lián)網轉型發(fā)展所帶來的變化。

3.5用電領域

物聯(lián)網在用電領域的應用主要涉及低壓抄表、用電安全、工廠智能用電、智能家居、智能充電、智能樓宇等。智能用電服務系統(tǒng)是智能電網建設在用戶側的重要組成部分，文獻分別從組成架構和信息架構兩方面介紹了用電設備智聯(lián)網的體系架構，并分析了用電設備智聯(lián)網這個“電力物聯(lián)網”的功能，異構了電力光纖、雙絞線、現場總線和無線網絡等大容量傳輸技術，可以支撐DG、電動汽車和智能家居的應用。中國已經推廣應用了智能電表，結合UPIoT的建設推進，智能電表的超計量功能價值凸顯，智能用電的各種場景都將變得清晰?？傮w上看，UPIoT是電力網-信息網-社會網的融合。在此階段，需要加強4個方面的研究：大范圍多設備感知能力強化；多業(yè)務異構數據統(tǒng)一管理平臺建設，包括數據標準與模型統(tǒng)一、系統(tǒng)技術架構統(tǒng)一、平臺入口統(tǒng)一等；電力大數據快速分析與應用；用電大數據安全與隱私保護及分級授權方法。

4泛在電力物聯(lián)網的發(fā)展形態(tài)

隨著傳感器技術、通信技術與云/邊緣計算技術等物聯(lián)網關鍵技術在智能電網中的應用深化，UPIoT的形態(tài)也會逐漸演化。階段，UPIoT基本實現電網的信息化和自動化，建成一系列通信信息平臺和自動化系統(tǒng)，對應當前智能電網的發(fā)展水平；第2階段：UPIoT連接對象更加豐富，數據的應用水平明顯提高，數據采集、通信與計算處理分析的效率與質量提升，提高電力系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的可觀可測性，通過貫通不同業(yè)務數據，逐漸實現電網透明化運行；第3階段：UPIoT加強用戶與電網交互，萬千主體在開放式平臺上參與電力生產與消費，促進電力供應的邊際成本趨近于零，從而可能形成零邊際成本電網形態(tài)。

4.1初級形態(tài)：現階段智能電網

自2000年美國提出智能電網概念以來，多個國家興起了智能電網的研究和建設工作，并取得了突出的成果。中國的智能電網建設涵蓋了電網的各個環(huán)節(jié)，推廣應用了一系列通信信息平臺和自動化系統(tǒng)，電網的信息化和自動化水平得到了顯著的提升。盡管中國大力推進智能電網建設，但仍存在著數據不貫通、終端覆蓋不足、通信不暢通、資源利用率不高等問題。

電力和信息的雙向流動性是智能電網的本質特征之一，這與UPIoT的理念是一致的。UPIoT的概念是基于現階段智能電網的技術背景和需求提出的。UPIoT的工作任務是銜接智能電網的發(fā)展現狀，進一步促進電力網-信息網-社會網的融合貫通。因此，可以將現階段智能電網視為UPIoT的初級階段。

4.2形態(tài)：透明電網

李立浧院士在“2018鹽城綠色智慧能源大會”上提出的“透明電網”方向，通過信息技術、計算機技術、數據通信技術、傳感器技術、電子控制技術、自動控制理論、運籌學、人工智能、互聯(lián)網等技術的綜合運用，使電網運行透明、可觀可測。區(qū)別于運行數據不全和狀態(tài)難以準確評估預測的傳統(tǒng)電網，透明電網是基于UPIoT的一種新的電網形態(tài)：通過對并網的設備及關鍵節(jié)點的運行數據進行實時采集、上傳、識別和監(jiān)控，并在配電網可視化平臺上集中反映，從而實現全數據采集、全狀態(tài)可見、全態(tài)勢預測以及全網絡可控的一種透明化電網模式。透明電網與UPIoT的概念不謀而合，其區(qū)別在于UPIoT強調的是技術路線（即泛在物聯(lián)），而透明電網則是強調終效果（即透明）。透明電網實現了對電網數據及數據蘊含意義、規(guī)律、價值的高度掌控，是UPIoT充分發(fā)展后的結果。在透明電網中，每個點每條線的數據都可以采集，所有的電網狀態(tài)和設備狀態(tài)都可以獲取，整個電網的趨勢和任意操作的結果都可以預見。因此，本文將透明電網視為UPIoT的形態(tài)。

透明電網的主要特征表現在：①數據透明：電網的運行數據可以通過在電網中密集分布的傳感器廣泛收集，電網的資產信息可以通過實時更新的臺賬準確獲?。虎跔顟B(tài)透明：設備的運行狀態(tài)和電網的運行狀態(tài)可以通過采集到的數據準確評估，電網的拓撲結構可以清晰辨識；③態(tài)勢透明：電網未來的發(fā)展態(tài)勢可以準確預測，這為快速率解決包含源網荷儲充多維不確定性的智能電網運行維護的安全性、可靠性具有至關重要的意義。

透明電網是在UPIoT賦能下的電網運行形態(tài)。利用物聯(lián)網小微傳感器、先進通信技術、大數據分析技術，電網從業(yè)人員可以理解電網量測數據、調控行為、市場信息等多類型數據蘊含的意義、規(guī)律、價值，掌握從微網到復雜大電網運行的特征與策略。

小微智能傳感器是組成透明電網的重要元素，其未來將要突破的瓶頸是自行實現能量補給的問題。通過節(jié)點內置傳感器進行采集和處理目標信息的無線傳感網絡因其具有自組織性、抗干擾能力強等特點，與小微智能傳感器相結合，將為物聯(lián)網帶來傳感、互通和驅動的高性能。

5G通信系統(tǒng)具有高傳輸速率、超大容量帶寬、低延時、低功耗、點對點傳輸等特點，使得視頻等海量數據快速傳輸成為可能，更能支撐透明電網的全景實現。但應該重視的是，因為數據來源急劇增加，需要特別關注信息的加密和安全防控，防范不法分子竊取重要數據、通過網絡攻擊惡意引發(fā)電網事故。

在5G通信技術支撐下，電力大數據的智能分析是電網實現透明化運行的必要手段。電力系統(tǒng)發(fā)展至今，產生的運行數據數量已經超過傳統(tǒng)數據處理方法的能力范圍，依靠大數據分析方法才能滿足當前和未來電力系統(tǒng)獲取信息的需求。人工智能在電力大數據的價值挖掘中的作用不可替代，特別是大量視頻圖像數據，離開人工智能技術應用將只會成為電網運行的負擔。

此外，若將海量數據遠距離傳輸到云端處理，帶來巨大的網絡負擔、存儲負擔和計算負擔。邊緣計算在業(yè)務來源就近處理數據，只將必要的少量數據上傳到云端，是一種更具有效率的計算方式。當然，過度配置邊緣計算資源對整個系統(tǒng)而言也會造成不必要的浪費。在整個數據處理周期內，邊緣計算和云計算如何協(xié)同，需要深入研究資源、任務在云端和邊緣節(jié)點的平衡。

4. 3 遠景形態(tài)：零邊際成本電網

《零邊際成本社會》中描述：“在未來的時代，每個人都會變成產消者，可以更直接地在物聯(lián)網上生產并相互分享能源和實物，這種方式的邊際成本接近于零，近乎免費”。

在物聯(lián)網技術的長遠作用下，能源生產力將會有巨大的飛躍，未來智能電網可以實現能源的隨時接入與使用，實現分布式能源就近獲取和多種能源網融合，使用戶逐漸成為產消者，互聯(lián)網交易和共享促進能源交易和增值服務，終發(fā)展成為零邊際成本電網。

零邊際成本電網是在物聯(lián)網平臺支撐下對傳統(tǒng)垂直電力價值鏈的顛覆，它可以使電力供應的邊際成本趨近于零，是具生態(tài)效益的UPIoT形態(tài)。需要指出的是，零邊際成本電網的實現，不僅需要物聯(lián)網技術對生產力的推動，同時也需要經濟主體觀念的轉變——從追求利益到按需生產和消費，這兩者都需要長遠的過程。因此，不妨將零邊際成本電網視為UPIoT的遠景形態(tài)。

在未來物聯(lián)網技術的支撐下，電能由即插即用的分布式可再生能源發(fā)電提供，不需要消耗常規(guī)能源，生產邊際成本趨近于零；電網的自動化控制系統(tǒng)按化的路徑傳輸、分配電能，同時高溫超導的應用使輸送損耗顯著降低，輸送邊際成本趨近于零；用戶以低廉的價格獲得電力，而且，用戶同時也是電能的生產者，在一段時間內，電能買賣基本實現平衡，消費邊際成本趨近于零。電能供應全鏈條的邊際成本趨近于零。

零邊際成本電網的主要特征表現在：①電力供應邊際成本趨近于零：電力生產采用綠色能源，大大減少高成本化石能源的使用；電網接入大量DG，電力需求自給自足、就近滿足，無須遠距離輸送電能；小微能源采集器無處不在，未來可以隨時隨地使用能源；種種轉變使電力生產、傳輸、消費等各個環(huán)節(jié)成本不斷降低。②電力市場迎來協(xié)同共享模式：每個用戶同時也是電力的生產者，眾多產消者參與到電力協(xié)同共享中，形成橫向規(guī)模經濟。

物聯(lián)網技術可以釋放潛藏在各處的電力生產力，降低電力供應邊際成本。同時，開放的物聯(lián)網平臺提供了大量產消者進行電力共享的條件。毫無疑問，零邊際成本電網的實現需要依靠物聯(lián)網的大力支撐推動能源生產和消費革命。

零邊際成本電網的目標對UPIoT提出更高的要求，包括：建立多主體開放平臺，滿足大量分散產消者參與電力分享的平臺需求，主動適應社會、經濟的新發(fā)展；實現共享經濟下的信用管理，保障協(xié)同共享經濟模式的可持續(xù)發(fā)展。

5泛在電力物聯(lián)網的技術挑戰(zhàn)

為達到透明電網乃至零邊際成本電網形態(tài)，UPIoT的建設還需要克服多項技術難題。本節(jié)從數據采集、數據通信、數據處理3個方面，提出泛在電力物聯(lián)網的技術挑戰(zhàn)。

5.1傳感器的覆蓋不充分，電網仍存在監(jiān)測盲區(qū)

當前，電網仍存在著許多監(jiān)測盲區(qū)：輸電線路跨越的距離長，架設的環(huán)境復雜多變，天然具有分布式特性，而現階段對輸電線的監(jiān)測只是選取了部分重要的節(jié)點和分段，遠遠達不到廣域監(jiān)測的水平；配電網點多面廣，傳統(tǒng)的測量裝置存在體積大、成本高、功耗大、運維困難等不足，無法鋪開安裝；低壓用電信息沒有打通，物人互聯(lián)的技術尚未突破，用戶參與程度較低。

為消除監(jiān)測盲區(qū)，傳感器技術的提升是一大挑戰(zhàn)。對于輸電線監(jiān)測，采用分布式的傳感器（例如光纖測溫），準實時獲取沿線的微氣象、微地形、微圖像，輔以大數據分析和人工智能識別技術，提高線路監(jiān)測效果，實現輸電線的廣域監(jiān)測；對于配電網監(jiān)測，加強小微傳感器的開發(fā)與實用化，以體積小、成本低、功耗小、運維方便等優(yōu)異特性適應配電網點多面廣的監(jiān)測需求；對于用電監(jiān)測，通過傳感器連接各種用電終端，或者采用非侵入式負荷監(jiān)測的方式，與用電終端、用戶產生連接。

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