周荔丹，曹祖加，姚鋼，劉東

（1. 上海電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，上海市 楊浦區(qū) 200090；2. 上海交通大學(xué)電氣工程系，上海市 閔行區(qū) 200240）

0 引言

我國(guó)國(guó)土遼闊，自然資源充裕且潛力巨大。但是不同地區(qū)所擁有資源程度千差萬別。礦產(chǎn)資源多分布于華北，西北及西南等經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)地區(qū)，而工業(yè)和能源消費(fèi)卻集中于東部沿海地區(qū)。電力工業(yè)不斷發(fā)展，歷經(jīng)三次跨越式的電力體制改革，電力結(jié)構(gòu)得到了進(jìn)一步的優(yōu)化，發(fā)電供應(yīng)能力持續(xù)增強(qiáng)[1]。

2019 年全國(guó)發(fā)電機(jī)裝機(jī)容量為201006 萬 kW·h，相對(duì)于上一年，增長(zhǎng)5.8%。非化石能源發(fā)電量加快增長(zhǎng)。進(jìn)一步推進(jìn)了清潔能源發(fā)展和終端能源電氣化利用水平，并通過優(yōu)化需求側(cè)管理持續(xù)推廣了電能替代。但是，我國(guó)電網(wǎng)在發(fā)展的同時(shí)，仍然面臨著一些問題和挑戰(zhàn)。比如：電源與電網(wǎng)，交流和直流，輸電和配電的協(xié)調(diào)問題；清潔發(fā)電仍然存在棄水、棄風(fēng)、棄光等問題；電力體制仍需不斷改革[2-4]。

根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局的數(shù)據(jù)[5]，2019 年我國(guó)電力裝機(jī)結(jié)構(gòu)中，并網(wǎng)風(fēng)電增長(zhǎng)14%、并網(wǎng)太陽能發(fā)電增長(zhǎng)17.4%。當(dāng)前，我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)量、光伏和電動(dòng)汽車保有量位居全球首位，未來我國(guó)仍將是新能源投資的最大市場(chǎng)[6]。BP 世界能源展望2019 年版，預(yù)計(jì)到2040 年，世界生產(chǎn)總值將增加一倍以上，驅(qū)動(dòng)力主要來自于發(fā)展中經(jīng)濟(jì)體。世界將持續(xù)電氣化，電力消費(fèi)增長(zhǎng)強(qiáng)勁；屆時(shí)，全球發(fā)電結(jié)構(gòu)將發(fā)生實(shí)質(zhì)性改變，可再生能源將會(huì)成為電力最大的來源，占全球發(fā)電行業(yè)的約30%。中國(guó)經(jīng)濟(jì)開展可持續(xù)發(fā)展的模式，將會(huì)成為世界最大的能源增量市場(chǎng)并將保持最大的能源市場(chǎng)的地位[7]。

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)將全面提升電網(wǎng)系統(tǒng)整體的設(shè)備智能化水平，其可以利用多種現(xiàn)代化技術(shù)來建設(shè)能源生態(tài)系統(tǒng)[8]。本文首先介紹泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的概念，建設(shè)目標(biāo)和目前存在的問題；其次給出泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中運(yùn)用的相關(guān)技術(shù)及其應(yīng)用場(chǎng)景；最后針對(duì)其未來發(fā)展提出一些建議。

1 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的概念

1.1 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的定義

泛在物聯(lián)是指無論在何時(shí)何地人和物之間都可以產(chǎn)生信息互聯(lián)和交互。而泛在電力物聯(lián)網(wǎng)是指電力用戶及其設(shè)備、電網(wǎng)企業(yè)及其設(shè)備、發(fā)電企業(yè)及其設(shè)備、供應(yīng)商及其設(shè)備、以及人和物的信息互聯(lián)和交互。基于此，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)可形成巨大的能源生態(tài)體系。利用生態(tài)體系內(nèi)的共享數(shù)據(jù)及相關(guān)的大數(shù)據(jù)等技術(shù)，可搭建多功能的共享平臺(tái)。循環(huán)漸進(jìn)可形成良性循環(huán)的生態(tài)發(fā)展模式，持續(xù)為整個(gè)行業(yè)和社會(huì)創(chuàng)造更多發(fā)展機(jī)遇。

1.2 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的特征

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)具有泛在化，智能化，平臺(tái)化和共享化的特點(diǎn)。泛在化指未來泛在電力物聯(lián)網(wǎng)連接范圍廣泛，將融合電力光纖網(wǎng)絡(luò)，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)等；智能化指電力業(yè)務(wù)終端和消費(fèi)終端的移動(dòng)通信技術(shù)將日益信息化；同時(shí)隨著智能芯片和軟件、硬件的不斷升級(jí)，各個(gè)終端設(shè)備的傳輸和處理數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和即時(shí)性將得到提升；平臺(tái)化指泛在電力物聯(lián)網(wǎng)將會(huì)形成一個(gè)巨大的綜合服務(wù)平臺(tái)?？梢砸?guī)范接口和技術(shù)連接的標(biāo)準(zhǔn)化，提升工作效率；共享化，指在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展過程中，整個(gè)能源生態(tài)體系將產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)資源并實(shí)現(xiàn)能源數(shù)據(jù)共享服務(wù)。

另一方面，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)和智能電網(wǎng)都屬于第三代電力系統(tǒng)，與超高電壓、大機(jī)組、互聯(lián)電網(wǎng)為特征的第二代電力系統(tǒng)相比，具有接納大規(guī)模可再生能源電力的能力；能源網(wǎng)絡(luò)的安全性，可靠性更高、能源供應(yīng)系統(tǒng)的配置更加靈活、終端能源的利用效率得到大幅度提升；電網(wǎng)覆蓋范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，通過搭建包含能源、信息和電力的綜合能源系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)城鄉(xiāng)的覆蓋，可以進(jìn)一步提高用電需求側(cè)的響應(yīng)速度。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)，將會(huì)有力推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和能源消費(fèi)的轉(zhuǎn)型，是能源革命和綠色發(fā)展的重要環(huán)節(jié)[9]。

2 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)

2.1 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)目標(biāo)

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)將因地制宜，積極應(yīng)用大數(shù)據(jù)及人工智能等多種現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)，完成電力系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的互聯(lián)互通。一方面，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量和管理水平，實(shí)現(xiàn)透明化管理。另一方面，廣泛連接內(nèi)外部服務(wù)資源，構(gòu)建能源互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)和新興電力服務(wù)產(chǎn)業(yè)。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)能源環(huán)節(jié)各設(shè)備的全面感知，將能源生態(tài)系統(tǒng)中每個(gè)部分相互連接起來。

2.2 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的基本構(gòu)架

平臺(tái)層，網(wǎng)絡(luò)層，感知層和應(yīng)用層組成了泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的基本技術(shù)構(gòu)架。其中，平臺(tái)層集成了數(shù)據(jù)中心和物聯(lián)管理中心，可增強(qiáng)數(shù)據(jù)的采集及利用；網(wǎng)絡(luò)層，利用多種現(xiàn)代技術(shù)，完成各種電力系統(tǒng)之間的鏈接；感知層，借助于智能化設(shè)備和先進(jìn)的智能計(jì)算方法，完成電力系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)的采集和流通；應(yīng)用層，服務(wù)綜合能源互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)環(huán)境和智慧化等新的平臺(tái)。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)構(gòu)架的建設(shè)，將加速信息的融通并提升整個(gè)電力行業(yè)的運(yùn)營(yíng)效率[10]。

3 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)難題

3.1 強(qiáng)直弱交

目前，我國(guó)在華中和西南地區(qū)已建成多條特高壓直流線路解決電力輸送問題。截止2020 年，中國(guó)特高壓直流輸電工程建設(shè)情況如表1 所示。

然而特高壓交流線路建設(shè)較少使得我國(guó)電網(wǎng)強(qiáng)直弱交問題日益嚴(yán)重。在運(yùn)行機(jī)理上，交直流電網(wǎng)的情況將會(huì)更加復(fù)雜，電力系統(tǒng)面臨著直流雙極閉鎖，發(fā)電設(shè)備損壞，連鎖故障等問題從而影響電網(wǎng)的整體安全和穩(wěn)定[11-12]。

3.2 電力設(shè)備的智能化

電力設(shè)備的智能化不僅可以整合多種先進(jìn)技術(shù)，有利于構(gòu)建更加現(xiàn)代化，高效率的能源生態(tài)體系，而且可以提升電網(wǎng)盈利能力和穩(wěn)定性。

我國(guó)還需要進(jìn)一步開發(fā)能夠提高設(shè)備測(cè)控功能、增強(qiáng)運(yùn)行維護(hù)能力和質(zhì)量的電氣設(shè)備。目前，仍需研發(fā)的技術(shù)包括：一次設(shè)備和二次設(shè)備的智能化技術(shù)、智能用電設(shè)備的量測(cè)、監(jiān)控技術(shù)、電力系統(tǒng)裝置及傳感器的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)、電網(wǎng)設(shè)備的通信技術(shù)，故障保護(hù)技術(shù)等[13]。

3.3 傳感器等設(shè)備安裝不足

目前，電網(wǎng)企業(yè)只是選取了電力線路的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)來監(jiān)控電網(wǎng)的安全運(yùn)行。某些地方受到地形的限制，以及傳感器占地面積較大、運(yùn)輸困難，尚未安裝足夠多的量測(cè)設(shè)備[14]。此外，仍需開發(fā)新的傳感器技術(shù)。電網(wǎng)企業(yè)需要針對(duì)不同的用戶側(cè)，開發(fā)相匹配的傳感器設(shè)備，并結(jié)合其他技術(shù)提升對(duì)用戶側(cè)的環(huán)境數(shù)據(jù)、消費(fèi)數(shù)據(jù)的采集，并提高電網(wǎng)監(jiān)測(cè)的質(zhì)量管理水平[15]。

表1 截止2020 年中國(guó)特高壓直流輸電工程項(xiàng)目建設(shè)情況統(tǒng)計(jì)表Table 1 Construction statistics of UHVDC transmission projects in China up to 2020

3.4 網(wǎng)絡(luò)安全

隨著大量的設(shè)備和用戶的相互連接，以及多種技術(shù)的融合，對(duì)電力系統(tǒng)整體的網(wǎng)絡(luò)安全水平提出了更高的要求。

電力系統(tǒng)涉及設(shè)備和用戶范圍廣泛。一旦發(fā)生網(wǎng)絡(luò)攻擊或者存在軟件漏洞引起安全問題，將會(huì)產(chǎn)生不可估量的經(jīng)濟(jì)損失并影響社會(huì)安全和穩(wěn)定[16]。因此，電網(wǎng)企業(yè)應(yīng)不斷適時(shí)研發(fā)新的安全防御技術(shù)并升級(jí)網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)，加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的運(yùn)行和維護(hù)。同時(shí)提高管理人員的安全意識(shí)從而保障數(shù)據(jù)安全，確保電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

3.5 數(shù)據(jù)分析

由于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)所連接的設(shè)備眾多，因此會(huì)產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)。與傳統(tǒng)的電力數(shù)據(jù)不同，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，來源差異性更大，范圍更廣泛。一方面，由于電網(wǎng)建設(shè)的階段性以及運(yùn)行狀態(tài)的變化性，相關(guān)的信息平臺(tái)上會(huì)堆積較多的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)。另一方面，由于電力系統(tǒng)所涉及的設(shè)備繁多，類型的差異性、生產(chǎn)廠家的差異性等情況較為突出。存在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式不同，接口規(guī)則不同等情況。這使得相關(guān)電力企業(yè)需要適時(shí)開發(fā)相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析技術(shù)，從而保障數(shù)據(jù)的及時(shí)安全存儲(chǔ)，整合各類數(shù)據(jù)格式，實(shí)現(xiàn)對(duì)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的高效分析處理[17]。

3.6 其他問題

對(duì)于電網(wǎng)企業(yè)，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)將帶來多方面的挑戰(zhàn)。例如：在電網(wǎng)的運(yùn)行調(diào)度、設(shè)備控制和管理體系上需不斷改進(jìn)；節(jié)能管理機(jī)制和方法需適時(shí)創(chuàng)新；電力生產(chǎn)運(yùn)行方式、發(fā)電設(shè)備的資源配置和省間大范圍電網(wǎng)安全運(yùn)行方式需適度優(yōu)化。此外，電網(wǎng)企業(yè)還需做好市場(chǎng)調(diào)研，同時(shí)做好信息化技術(shù)的儲(chǔ)備和開發(fā)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的合理利用[18]。

4 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)采用的關(guān)鍵技術(shù)及其相互關(guān)系如圖1 所示。

4.1 大數(shù)據(jù)技術(shù)及在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

大數(shù)據(jù)，即主流軟件難以完全處理的海量資料。電力大數(shù)據(jù)，即在電力系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，全程會(huì)產(chǎn)生巨量的數(shù)據(jù)。

通過合理利用電力大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)流處理，電力企業(yè)可以對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。在此基礎(chǔ)上，通過大量的電力數(shù)據(jù)對(duì)比分析，可及時(shí)監(jiān)測(cè)電能的各類運(yùn)行指標(biāo)。根據(jù)預(yù)警數(shù)據(jù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)各種安全隱患，保證各種設(shè)備的正常運(yùn)行。此外，該技術(shù)還可以合理優(yōu)化生產(chǎn)調(diào)度，預(yù)測(cè)新能源發(fā)電功率及用戶用電功率、用電行為等方面[19-20]。

圖1 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中的關(guān)鍵技術(shù)Fig. 1 Key Technologies in Ubiquitous Power Internet of Things

4.2 云計(jì)算技術(shù)及在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

云計(jì)算是網(wǎng)格計(jì)算、分布式計(jì)算和并行計(jì)算的演化發(fā)展。其可以整合龐大的系統(tǒng)池，利用新的構(gòu)架方法幫助用戶合理的使用數(shù)據(jù)和處理器，靈活性較高，擴(kuò)展性較強(qiáng)。

云計(jì)算技術(shù)在電力系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。一方面，它可以與其他先進(jìn)技術(shù)融合，實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備的智能化。另一方面，由于計(jì)算性能出眾，可以快速提升數(shù)據(jù)的采集效率。借助云計(jì)算技術(shù)，電網(wǎng)企業(yè)可按需使用不同的算法進(jìn)行潮流計(jì)算，進(jìn)而優(yōu)化調(diào)度，及時(shí)發(fā)現(xiàn)特殊情況并排除安全隱患。

此外，該技術(shù)還可與大數(shù)據(jù)等技術(shù)相結(jié)合，快速搭建電力電子仿真和各種電力系統(tǒng)模型來模擬各種事故，提高電力系統(tǒng)的安全性[21]。

4.3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)是指為了完成識(shí)別、監(jiān)管等功能，使各種物體基于商定的協(xié)議，借助于一些傳感設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)相連接并進(jìn)行信息融通。

在電力系統(tǒng)中，由于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，使得設(shè)備、人員和網(wǎng)絡(luò)之間的鏈接更加緊密，從而提升了整個(gè)電力系統(tǒng)的智能化水平和對(duì)信息的感知能力。該技術(shù)在電力系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛?？梢耘c現(xiàn)代通信系統(tǒng)融合實(shí)現(xiàn)智能化的配電網(wǎng)和變電站的動(dòng)態(tài)在線監(jiān)測(cè)等功能[22]。

4.4 新一代5G 通信技術(shù)及在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

5G 即第五代移動(dòng)手機(jī)通信技術(shù)。相對(duì)于4G，它將新的無線接入技術(shù)與現(xiàn)有的通信方式相結(jié)合，能夠快速提高信息傳輸?shù)男剩哂懈斓捻憫?yīng)時(shí)間和更大的系統(tǒng)容量。通過采用5G 切片網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，可以選擇超可靠低時(shí)延通信 (ultra reliable low latency communications, URLLC) 切片實(shí)現(xiàn)智能分布式配電自動(dòng)化控制；選擇Voice 語音切片，實(shí)現(xiàn)高可靠性的調(diào)度通信和應(yīng)急通信等功能[17]。

從現(xiàn)在到未來的一段時(shí)間，5G 將會(huì)成為泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中信息快速傳播的橋梁，其將實(shí)現(xiàn)各種信息技術(shù)的融合，增強(qiáng)設(shè)備的智能化、控制性能和對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸、量測(cè)和分析能力。同時(shí)，該技術(shù)還可以助力智能電網(wǎng)，智慧城市和新能源發(fā)電等建設(shè)，革新商業(yè)形態(tài)和商業(yè)模式[23]。將來，由于通信行業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，在發(fā)展5G 的基礎(chǔ)之上，還可以研發(fā)利用6G 技術(shù)來進(jìn)行電力網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)建設(shè)[24]。

4.5 區(qū)塊鏈技術(shù)及在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

區(qū)塊鏈實(shí)質(zhì)上是去除中心化的數(shù)據(jù)庫，同時(shí)它也是新型的計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用模式，也融合了加密算法、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸?shù)燃夹g(shù)。

數(shù)據(jù)鏈技術(shù)并行處理能力強(qiáng)，采用分布式存儲(chǔ)和核算，具有很強(qiáng)的獨(dú)立性。同時(shí)，用戶個(gè)人信息經(jīng)過加密，在共識(shí)協(xié)議的基礎(chǔ)上，可以繞開第三方，安全的進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

在電力系統(tǒng)中運(yùn)用該技術(shù)，可以提高電網(wǎng)企業(yè)數(shù)據(jù)的保密性，保障電網(wǎng)信息系統(tǒng)的安全性；對(duì)于電力交易平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)交易的公開透明，提升平臺(tái)的公信力和交易效率，降低成本，保障客戶的賬號(hào)安全[25]。

4.6 人工智能技術(shù)及在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

人工智能是在數(shù)學(xué)，心理學(xué)，計(jì)算機(jī)科學(xué)和神經(jīng)學(xué)等科目的基礎(chǔ)上模擬和研究人類的理論、思考方式等方面行為的技術(shù)。人工智能的智能化程度高，可以不斷的進(jìn)行學(xué)習(xí)；持續(xù)完善學(xué)習(xí)模式，提高認(rèn)知能力和方法；實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科或者環(huán)境學(xué)習(xí)；機(jī)器人的智能性和自主能力會(huì)不斷的提升，可實(shí)現(xiàn)團(tuán)體機(jī)器人的智能融合。

利用人工智能技術(shù)在電力系統(tǒng)中可提升數(shù)據(jù)分析能力，發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)中薄弱環(huán)節(jié)并及時(shí)改善，做出更加準(zhǔn)確的決策從而合理調(diào)配資源，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性；結(jié)合電力生產(chǎn)數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)及相應(yīng)地理數(shù)據(jù)，構(gòu)建專家系統(tǒng)或智能決策系統(tǒng)，在故障前及時(shí)檢測(cè)出不良數(shù)據(jù)并發(fā)出預(yù)警，避免各種故障；合理學(xué)習(xí)氣象學(xué)，心理學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)，預(yù)測(cè)新能源的發(fā)電量和客戶的使用行為，提高電網(wǎng)企業(yè)的運(yùn)營(yíng)能力，為電力企業(yè)和用戶節(jié)約能源等[26]。

4.7 其他技術(shù)及在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

除了以上介紹的幾種關(guān)鍵技術(shù)之外，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)還包含其他各種技術(shù)，如邊緣計(jì)算技術(shù)，臨場(chǎng)感知與信息交互技術(shù)，感傳一體化技術(shù)，數(shù)字孿生技術(shù)，一體化通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，統(tǒng)一物聯(lián)信息模型，物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)解釋體系，需求側(cè)資源控制與服務(wù)，物聯(lián)終端安全等。

這些技術(shù)目前主要應(yīng)用于電力系統(tǒng)智能設(shè)備的量測(cè)和交互、電力通信、電力數(shù)據(jù)的處理和電網(wǎng)企業(yè)智能化平臺(tái)建設(shè)，能源生態(tài)系統(tǒng)的建設(shè)，系統(tǒng)安全的建設(shè)等方面。它們將強(qiáng)化電網(wǎng)企業(yè)對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)感知和控制，實(shí)現(xiàn)多種設(shè)備和系統(tǒng)之間的連接以及對(duì)各種資源的統(tǒng)一調(diào)度管理，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源的利用，提升整個(gè)電力系統(tǒng)的智能化水平、電氣化水平和對(duì)能源的合理利用[27]。

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)所采用的技術(shù)分析見表2，由于涉及技術(shù)多，過程建設(shè)復(fù)雜，因此電網(wǎng)企業(yè)需規(guī)范使用各種技術(shù)，并注意提升技術(shù)的安全性和可靠性，從而穩(wěn)固提高電網(wǎng)運(yùn)行和管理水平。

5 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景

根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)有限公司公布的白皮書，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)將重點(diǎn)圍繞電動(dòng)汽車，新能源和金融等方面建設(shè)相應(yīng)的服務(wù)生態(tài)系統(tǒng)并產(chǎn)生相應(yīng)的各類應(yīng)用場(chǎng)景[28]。

5.1 新能源汽車行業(yè)

我國(guó)新能源汽車行業(yè)成長(zhǎng)較快，截止到2020年6 月，其保有量達(dá)到417 萬輛，其中電動(dòng)汽車銷量不斷擴(kuò)大，位列世界前列[29]。圍繞電動(dòng)汽車可構(gòu)建智慧車聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，它將成為泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分之一，可鏈接汽車、充電樁，電網(wǎng)、企業(yè)、客戶等，其具體應(yīng)用場(chǎng)景如下：

1）智慧充電樁的建設(shè)。它將用戶與電網(wǎng)公司相連，可以采集用戶、汽車和充電設(shè)施的信息。通過這種方式，電網(wǎng)企業(yè)可以遠(yuǎn)距離操控充電設(shè)施，統(tǒng)一匯總并整合交易信息流[30]。

2）可根據(jù)電網(wǎng)動(dòng)態(tài)和電動(dòng)汽車功率需求，及時(shí)優(yōu)化電網(wǎng)調(diào)度并將電力系統(tǒng)的交易平臺(tái)與電動(dòng)汽車相連接，實(shí)現(xiàn)綠色電力交易和削峰填谷，進(jìn)而提高可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的可靠性和電能質(zhì)量，解決間接性能源增加所造成的電網(wǎng)調(diào)度問題[31-32]。國(guó)網(wǎng)電動(dòng)汽車公司，利用智慧車聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)建立了船舶用電的岸電云網(wǎng)。它在車聯(lián)網(wǎng)的體系中又增加了港口和輪船，進(jìn)一步挖掘了新的業(yè)務(wù)價(jià)值，擴(kuò)展了平臺(tái)的功能[33]。

3）電動(dòng)汽車退役電池的有效利用。隨著電動(dòng)汽車行業(yè)的持續(xù)成長(zhǎng)，退役電池規(guī)模也將逐漸擴(kuò)大。通過一定的技術(shù)將退役電池合理兼容組成儲(chǔ)能電站可以實(shí)現(xiàn)廢舊電池的梯次利用，有效減少儲(chǔ)能成本，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)循環(huán)發(fā)展。目前，中國(guó)鐵塔集團(tuán)，通過有效利用廢舊電池，已將梯次電池投入到5G 通信基站的建設(shè)之中[34]。

表2 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)所采用的技術(shù)分析Table 2 Technology analysis of ubiquitous power internet of Things

5.2 智慧營(yíng)業(yè)廳

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)不僅可以提升電網(wǎng)的營(yíng)銷服務(wù)水平，還可以擴(kuò)展售電業(yè)務(wù)。國(guó)家電網(wǎng)大連公司建成了泛在電力物聯(lián)網(wǎng)智慧營(yíng)業(yè)廳?？梢詫?shí)現(xiàn)全天自助辦理業(yè)務(wù)并且提供多種綜合能源業(yè)務(wù)的服務(wù)。同時(shí)，采用現(xiàn)代技術(shù)完成了智能排隊(duì)、智能評(píng)價(jià)、媒體宣傳等管理系統(tǒng)。宣傳了電力企業(yè)的電力文化和國(guó)家的能源戰(zhàn)略，同時(shí)提升了客戶的服務(wù)水平[35]。

未來，隨著更多新技術(shù)和智能化設(shè)備的加入，如全息投影儀，更高等級(jí)的智能機(jī)器人等，電網(wǎng)公司可以制定動(dòng)態(tài)定價(jià)策略引導(dǎo)用戶用電，實(shí)現(xiàn)削峰填谷，降低用戶電費(fèi)，優(yōu)化電力系統(tǒng)運(yùn)行。同時(shí)，電網(wǎng)企業(yè)可與天然氣、自來水等其他能源公司合作，提供一窗多辦的服務(wù)，增強(qiáng)電網(wǎng)企業(yè)與用戶的互動(dòng)能力，幫助電力企業(yè)聚集用戶數(shù)據(jù)和用戶畫像，提升服務(wù)質(zhì)量[36]。

5.3 虛擬電廠

虛擬電廠借助相應(yīng)的計(jì)算機(jī)等技術(shù)完成分布式能源等裝置與電網(wǎng)，電力市場(chǎng)相連。從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)智能調(diào)控供需平衡，推進(jìn)電能替代等措施并提高新能源消納的電能管理系統(tǒng)[37]。

德國(guó)虛擬電廠運(yùn)營(yíng)商N(yùn)ext Kraftwerke 在電力交易、技術(shù)等方面積極開拓虛擬電廠的運(yùn)營(yíng)業(yè)務(wù)。其有效聚集低成本的光伏、風(fēng)電等新能源，一方面使用內(nèi)燃機(jī)、生物質(zhì)發(fā)電等分布式能源為電網(wǎng)提供調(diào)頻服務(wù)；另一方面，根據(jù)市場(chǎng)電力價(jià)格的實(shí)時(shí)波動(dòng)調(diào)節(jié)分布式能源的出力實(shí)現(xiàn)類似于抽水蓄能電站的功能從而獲得收益[38]。

5.4 智慧變電站

不同于傳統(tǒng)變電站，智慧變電站采用的技術(shù)更加先進(jìn)。借助于技術(shù)優(yōu)勢(shì)，使變電站電氣量、狀態(tài)量等數(shù)據(jù)的采集更加準(zhǔn)確高效，并加強(qiáng)了變電站的實(shí)時(shí)控制能力。另一方面，通過使用更多智能化設(shè)備，包括無人機(jī)、機(jī)器人等，提高了故障診斷能力。例如：無人機(jī)自動(dòng)巡視，加強(qiáng)了信息的傳輸和共享等諸多功能。這些都使得變電站的工作效率、安全水平和供電質(zhì)量不斷提高[39]。

5.5 智慧綜合能源服務(wù)平臺(tái)

基于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)可以打造智慧綜合能源服務(wù)平臺(tái)。它將打破過去傳統(tǒng)能源系統(tǒng)間的制度和技術(shù)等壁壘，連通電力行業(yè)的上下游產(chǎn)業(yè)鏈并可擴(kuò)展建成涵蓋政府、其他能源機(jī)構(gòu)、金融機(jī)構(gòu)、客戶等在內(nèi)的綜合能源系統(tǒng)。同時(shí)，借助于融合的多種技術(shù)向客戶提供綜合能源服務(wù)，促進(jìn)社會(huì)發(fā)展。進(jìn)而優(yōu)化系統(tǒng)管理與發(fā)電結(jié)構(gòu)，促進(jìn)新能源的消納和行業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級(jí)[17,40]。

國(guó)家電網(wǎng)客服中心建成了包含綠色復(fù)合能源網(wǎng)運(yùn)行調(diào)控平臺(tái)和光伏發(fā)電系統(tǒng)、地源熱泵等7個(gè)系統(tǒng)，完成了園區(qū)所用能源的綜合調(diào)度和管理，并產(chǎn)生了一定的節(jié)能收益[41]。

5.6 智慧供應(yīng)鏈

智慧供應(yīng)鏈?zhǔn)墙Y(jié)合現(xiàn)代供應(yīng)鏈技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和相應(yīng)的管理方法，實(shí)現(xiàn)企業(yè)供應(yīng)鏈的智能化，網(wǎng)聯(lián)化等功能的綜合供應(yīng)鏈系統(tǒng)。其具有數(shù)字化程度高，數(shù)據(jù)感知能力強(qiáng)，供應(yīng)鏈數(shù)據(jù)透明度高等特點(diǎn)。

依托智慧供應(yīng)鏈，可以對(duì)物資身份進(jìn)行智能化管理、建立數(shù)字孿生的供應(yīng)鏈系統(tǒng)模型，并搭建物資抽檢、實(shí)施、檢測(cè)等功能的綜合檢測(cè)平臺(tái)?？蓪?shí)現(xiàn)物資資源信息的有效共享利用，供應(yīng)配送的智能化和管理業(yè)務(wù)的信息化、自動(dòng)化等功能。

同時(shí)，智慧供應(yīng)鏈系統(tǒng)可利用區(qū)塊鏈技術(shù)，在供應(yīng)商管理上制定智能合約，建立可靠透明的電力產(chǎn)品流轉(zhuǎn)信息庫；在電網(wǎng)企業(yè)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)區(qū)塊鏈的審計(jì)信息化，提高審計(jì)結(jié)果的可靠性；在電網(wǎng)維護(hù)方面，有效記錄并保護(hù)各種電氣設(shè)備的數(shù)據(jù)信息，從而幫助電網(wǎng)企業(yè)及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并快速更換相應(yīng)的電力設(shè)備，提高電網(wǎng)的安全性[42]。

5.7 智能化電廠

智能化電廠采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，人工智能技術(shù)，虛擬現(xiàn)實(shí)等現(xiàn)代化技術(shù)，同時(shí)結(jié)合控制和管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電廠生產(chǎn)和管理的信息化、數(shù)字化和智能化。目前，智能化電廠主要應(yīng)用體現(xiàn)在包含電廠經(jīng)營(yíng)和基建等方面的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別的智能決策系統(tǒng)；包含物資安全、人員安全、財(cái)產(chǎn)安全等的安全管理系統(tǒng)；包含運(yùn)行調(diào)度及優(yōu)化、智能生產(chǎn)、智能監(jiān)控等的運(yùn)行管理系統(tǒng)；包含設(shè)備狀態(tài)分析、故障診斷及檢修維護(hù)等的設(shè)備管理系統(tǒng)。借助于標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，廣泛采用了各種先進(jìn)技術(shù)的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)、智能化電廠可以解決由于不同的設(shè)計(jì)方式以及眾多差異性的數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)造成的建設(shè)難題。通過建立能源生態(tài)體系，可進(jìn)一步積累安全可靠的電廠運(yùn)維數(shù)據(jù)，提升電廠的整體運(yùn)維能力、數(shù)字化管理水平，降低煤耗，優(yōu)化負(fù)荷，從而創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)收益[43]。

5.8 擴(kuò)展新興業(yè)務(wù)

依靠泛在電力物聯(lián)網(wǎng)和智慧綜合能源服務(wù)平臺(tái)，電網(wǎng)企業(yè)可以獲得電力系統(tǒng)龐大的數(shù)據(jù)。通過整合分析從發(fā)電端到售電端的各個(gè)數(shù)據(jù)，結(jié)合氣象條件和環(huán)境條件，可以因地制宜的開發(fā)出多種適合不同用戶的用電服務(wù)。這將加快電力交易效率，為企業(yè)創(chuàng)造更多的價(jià)值。此外，基于海量的電力數(shù)據(jù)，電網(wǎng)企業(yè)可以擴(kuò)展數(shù)據(jù)增值服務(wù)。如將電力數(shù)據(jù)應(yīng)用于冷、熱、氣等不同行業(yè)，促進(jìn)行業(yè)的數(shù)據(jù)融通；在確保數(shù)據(jù)安全的情況下，為金融、科研單位等提供數(shù)據(jù)租售服務(wù)，推動(dòng)相關(guān)行業(yè)的發(fā)展[17]。

6 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)未來發(fā)展建議

1）電力行業(yè)與國(guó)家的戰(zhàn)略安全密切相關(guān)。政府應(yīng)為電力公司出臺(tái)更多的優(yōu)惠政策，從而推動(dòng)電網(wǎng)建設(shè)。一方面，稅務(wù)機(jī)關(guān)可對(duì)在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)區(qū)盈利的相關(guān)公司實(shí)施減免稅政策。另一方面，財(cái)政部可以建立相應(yīng)的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略投資基金或引進(jìn)其他資本共同支持電力建設(shè)。

2）借助于“一帶一路”能源倡議和國(guó)內(nèi)高校建立的電力管理平臺(tái)，政府可以及時(shí)組織全球高校和電力公司開展學(xué)術(shù)交流、舉辦進(jìn)出口貿(mào)易展覽以及探索有利于電力發(fā)展的活動(dòng)，進(jìn)而不斷提升我國(guó)電網(wǎng)的建設(shè)水平和質(zhì)量。在此基礎(chǔ)上，還可以擴(kuò)展和參與一帶一路計(jì)劃的國(guó)家之間的能源貿(mào)易，共同組建公司，并在符合條件的國(guó)家里，嘗試開展國(guó)際間泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)，構(gòu)建全球能源互聯(lián)網(wǎng)，促進(jìn)電能之間的相互傳輸。

3）電網(wǎng)企業(yè)需持續(xù)完善平臺(tái)建設(shè)和質(zhì)量監(jiān)督、技術(shù)升級(jí)等機(jī)制，對(duì)大規(guī)模新能源并網(wǎng)系統(tǒng)電源進(jìn)行合理規(guī)劃，防范建設(shè)過程中會(huì)出現(xiàn)的各種風(fēng)險(xiǎn)，保障電網(wǎng)的安全運(yùn)行。由于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)融合平臺(tái)較多并且革新了商業(yè)模式，建設(shè)過程中可能會(huì)出現(xiàn)技術(shù)變化或者應(yīng)用場(chǎng)景的變化風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，相關(guān)項(xiàng)目建成后可能未完成預(yù)期目標(biāo)并出現(xiàn)市場(chǎng)化運(yùn)作和管理系統(tǒng)滯后等風(fēng)險(xiǎn)。相關(guān)的電力企業(yè)應(yīng)當(dāng)充分做好項(xiàng)目規(guī)劃和評(píng)估，規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)化流程，提升平臺(tái)和相關(guān)軟件的安全及穩(wěn)定性，加大網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和維護(hù)工作，嚴(yán)控項(xiàng)目和產(chǎn)品質(zhì)量并做出相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。

4）考慮到資源的合理分配和電網(wǎng)企業(yè)收益的最大化，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)應(yīng)包含相應(yīng)的價(jià)值回收路徑。如：輸配電價(jià)價(jià)值回收路徑，合理連接能源消費(fèi)和能源供應(yīng)方，結(jié)合風(fēng)電火電打捆輸送，風(fēng)電水電協(xié)同運(yùn)行以及熱電廠的棄風(fēng)蓄熱等方式，優(yōu)化輸電方式，有效減少棄水、棄風(fēng)和棄光問題，從而為電力行業(yè)增加效益，通過輸配電電價(jià)回收部分建設(shè)成本；能源消費(fèi)模式的優(yōu)化，即從能源客戶方的角度出發(fā)，針對(duì)不同用戶的消費(fèi)習(xí)慣和需求，聯(lián)合設(shè)備供應(yīng)商，提供不同服務(wù)產(chǎn)品。推動(dòng)能源消費(fèi)升級(jí)和行業(yè)發(fā)展[44-45]。

5）泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)包含的現(xiàn)代技術(shù)較多。電網(wǎng)企業(yè)需加大相關(guān)技術(shù)的研發(fā)能力，同時(shí)加強(qiáng)與優(yōu)秀科研院所之間的合作，加大人才引進(jìn)與培養(yǎng)，進(jìn)一步推進(jìn)相關(guān)技術(shù)的研發(fā)進(jìn)度。另一方面，針對(duì)各種技術(shù)，政府應(yīng)制定相關(guān)的政策法規(guī)來引導(dǎo)和監(jiān)督相關(guān)技術(shù)行業(yè)的健康發(fā)展[46]。

7 結(jié)論

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的持續(xù)建設(shè)不僅有助于我國(guó)能源生態(tài)系統(tǒng)的建設(shè)和提升，而且有利于促進(jìn)我國(guó)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和技術(shù)升級(jí)，建立先進(jìn)的現(xiàn)代化電網(wǎng)并持續(xù)構(gòu)建世界一流的能源供應(yīng)體系以及能源消費(fèi)模式，進(jìn)而促進(jìn)能源革命，實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展。本文詳細(xì)分析了泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)目標(biāo)和存在的問題。此外，還討論了泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)和各種相關(guān)的應(yīng)用場(chǎng)景。最后，針對(duì)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)未來的建設(shè)提出了一些參考建議。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)是我國(guó)能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對(duì)電網(wǎng)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展意義重大。