面向泛在電力物聯網平臺與生態構建范文

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摘要：泛在電力物聯網是能源轉型背景下電網企業提升自身建設、運維、管理水平，增強不同行業及用戶互動的有益探索。對泛在電力物聯網的體系架構和主要特點進行闡述分析，從網絡層、平臺層和應用層梳理面向泛在電力物聯網支撐平臺的關鍵技術，從技術角度深入理解泛在電力物聯網的主要特點。最后，提出泛在電力物聯網行業生態構建的思考，為相關研究和實踐的進一步拓展開拓思路。

關鍵詞：泛在電力物聯網；關鍵技術；云計算；行業生態

引言

能源轉型背景下，電力生產與消費關系由垂直式的發-輸-配-用一體化體系轉型為橫向涉及電、氣、熱、可再生能源等各種能源系統，縱向貫穿能源生產、傳輸、存儲、消費、交易等各個環節的分布式多源互動體系，用戶與電網互動增強，催生了面向用戶側的各種新興能源服務[1]。近年來，互聯網技術在能源行業不斷融合滲透[2]，“云大物移智”技術繼續發展突破，傳統電力自動化技術體系逐漸邁向智能化，電力能源系統正逐步朝著全方位態勢感知及智能決策調度的方向演變。然而，目前電力系統終端采集覆蓋不足，通信接入網覆蓋廣度不夠，數據不貫通[3]，難以支撐復雜能源運行控制等新興業務的數據需求。當前數據采集、傳輸、存儲及處理仍依賴于傳統模式：依據事先制定的“白名單”識別信源，按照固定的傳輸路徑選擇信道，由割裂部署的服務器承載固定業務，業務之間以及數據之間缺乏交互協作。隨著信息泛在接入以及業務聯動的轉變，傳統模式必將成為瓶頸。此外，當前硬件制造商緊緊扼住了業務應用開發的主導權，硬件部署周期長，業務應用開發效率低下，靈活性差，難以形成良性競爭的商業模式和行業生態，不利于推動能源服務的價值整合和創造。為了提升電網建設、運維、管理水平，挖掘新的效益增長點，重構能源轉型背景下的電力自動化技術體系，培育新的行業生態模式勢在必行。為此，我國電力行業提出建設“泛在電力物聯網”的工作目標[4]，國家電網在2019年3月了《泛在電力物聯網建設大綱》，明確了泛在電力物聯網的概念，提出了包括“打造智慧能源綜合服務平臺（下文稱“支撐平臺”）”、“構建能源生態體系”在內的11個重點建設內容[3]。文獻[5]主要從物理實體組成的角度提出了基于“云、管、邊、端”4個部分的配電物聯網架構，為泛在電力物聯網的建設提供了技術方案支撐。隨著泛在電力物聯網建設的推進，電力系統必將成為多能耦合網絡的核心和紐帶，而支撐平臺將起到關鍵的業務承載聯結與效益增值作用。本文旨在對泛在電力物聯網的架構、主要特點，以及支撐平臺的關鍵技術進行分析和說明，并探究以支撐平臺為核心的泛在電力物聯網生態構建思路，為相關研究的推進挖掘提供一些有益的參考。

1泛在電力物聯網體系架構

1.1架構

從技術視角看，泛在電力物聯網包括感知層、網絡層、平臺層和應用層4個層次，如圖1所示。（1）感知層:利用各種智能測量裝置，對電力能源相關各個環節的業務對象進行實時感知和信息采集，有時還需要對信息進行本地初步處理。（2）網絡層：對下利用物聯網技術、無線通信技術等泛在接入感知層的信息，對上利用光線專網、互聯網等向平臺層標準化傳輸信息。（3）平臺層：負責對網絡層傳輸的信息進行存儲、篩選清洗和數據挖掘等處理，為各類應用提供數據基礎。通過打造支撐平臺，可實現網絡、計算和存儲資源的統一優化分配。（4）應用層：承載泛在電力物聯網的各類業務，能源服務商可實現應用開發，用戶可便捷獲取服務。

1.2特點

泛在電力物聯網體系架構具有如下特點。（1）感知層——全面感知“全面感知”一方面指的是感知的對象廣：橫向涉及電、氣、熱、可再生能源等各種能源系統，縱向貫穿能源生產、傳輸、存儲、消費、交易等各個環節；另一方面指的是感知的實時性強：利用狀態監測技術，設備狀態的感知頻率提高，即設備的狀態信息能夠被實時感知。（2）網絡層——信息貫通利用強大且靈活的通信方式，如物聯網、電力載波線、無線通信、光纖專網等，感知層獲取的信息能夠被高效快速地傳輸到平臺層，實現不同信息采集系統之間的互聯貫通[6]。（3）平臺層——集約建設、統一調控、軟硬件解耦面向泛在電力物聯網的支撐平臺可以是一個或多個統一建設和管理的數據中心，并依托云計算技術實現數據中心資源的優化調度。此外，支撐平臺的軟件部分與硬件部分解耦，可降低對硬件研發廠家的依賴，創建開放式的軟件開發環境。（4）應用層——快速迭代、開放共享、協作共生基于平臺層軟硬件解耦的特點，支撐平臺可以向眾多第三方廠家開放，實現應用服務的快速開發迭代。基于共享的信息，各個應用服務可以進一步挖掘信息價值并創造效益，有利于構建開放共享、協作共生的能源行業生態，具體闡述見下文。

2支撐平臺關鍵技術

泛在電力物聯網支撐平臺，上下分別與網絡層和應用層緊密耦合，因此以下將從網絡層、平臺層和應用層出發，介紹泛在電力物聯網支撐平臺的關鍵支撐技術。

2.1網絡層關鍵技術

（1）信息通信技術目前電力自動化技術體系充分利用光纖專網等介質和先進信息通信技術有效實現了部分信息的快速高效傳輸。隨著泛在電力物聯網建設的推進，需要進一步研究物聯網技術、網絡切片技術等信息通信技術。物聯網通過傳感器網絡等信息傳感手段，把任何物品與互聯網相連接，低功耗地實現物品的智能化識別、定位、監控和管理[7]，是拓展感知層信息廣度和感知頻度的有效手段。網絡切片技術是5G網絡的一個關鍵技術，利用虛擬化技術將網絡資源根據場景需求虛擬化為多個專用虛擬網絡，并獨立按需進行網絡功能的定制剪裁和編排管理[8]。利用網絡切片技術可以進一步實現信息高效傳輸以及網絡資源的優化調度。（2）源端維護由于感知層涉及到的對象海量、協議復雜，泛在接入的信息給其他各層功能的實現帶來了嚴峻挑戰。受IEC61850統一協議的啟發，泛在電力物聯網的網絡層可利用源端維護技術，對感知層的異構信息進行協議辨識，標準轉換，并統一建模。這個過程就像碼頭集裝箱的“裝箱”過程，箱子裝載的信息“貨物”形狀尺度各異，但經統一封裝后，對外呈現標準化的箱體，極大提高了后續處理的效率。（3）軟件定義技術軟件定義網絡(SDN，soft-definednetwork)將傳統網絡中的數據平臺和控制平面分離，具有網絡全局視角的控制器統一調度整個網絡信息流的傳輸路徑[9]，可實現信息的快速高效傳輸，優化網絡性能。將SDN技術的思想推廣到泛在電力物聯網的全部硬件資源，則為軟件定義技術，其本質就是打破一體化硬件設施的模式，將軟硬件解耦，即基礎硬件及其虛擬化提供標準化的基本功能，然后通過管控軟件控制這些基本功能，從而提供更開放、靈活、智能的管控服務[10]。

2.2平臺層關鍵技術

（1）資源調度技術在云計算中，云基礎設施提供商可以對支撐平臺的網絡、計算和存儲資源實現統一調控，調控的目標包括：資源利用率最大化，運行成本最低，能耗最低，服務水平協議（SLA，servicelevelagreement）違背率最低等[11]。具體來說，是依據應用服務的SLA等，根據上述優化目標調整完成該應用服務所需的網絡、計算和存儲資源，調整內容包括這些資源的大小、映射關系等，調整手段包括信息流路徑的動態調整，虛擬機的實時遷移等[12]。（2）大數據應用技術支撐平臺在數據服務方面主要可以利用大數據應用技術實現數據的進一步處理以及信息價值的挖掘。關鍵技術包括：數據存儲與檢索，在線數據處理，交互式統計與數據挖掘，數據安全治理等[13]。

2.3應用層關鍵技術

軟件定義技術為應用服務的開發提供了新的解決思路。支撐平臺可以通過開放的應用程序接口（API，appli⁃cationprogramminginterface）允許不同能源服務商的開發人員低成本、高效率地完成應用服務的開發與迭代，而這一過程不需要硬件廠家的參與，部署周期也大幅降低，因此更為靈活開放。

3泛在電力物聯網行業生態構建

泛在電力物聯網支撐平臺貫穿于能源生產、傳輸、存儲、消費、交易等各個環節，打破各專業時間和空間的限制，完成了各種資源（信息、資金、能源等）的全方位整合與統一調度管理，極大促進了電力物聯網參與主體之間的橫向聯合，增強發揮泛在電力物聯網生態的整合效應，可以有效實現電力行業的價值創造、信息增值、業務革新與效益挖掘。根據產能、運能、儲能、用能、測能、護能、易能等各環節及當前互聯網生態結構，梳理出泛在電力物聯網行業的生態模式如圖2所示。按照能源全生命周期的發展動向來劃分，將泛在電力物聯網行業的參與主體分為八大部分，即電能生產、電網運營、儲能服務、電能消費側服務、數據資產運營、平臺運維管理、能源及衍生品交易和能源產業金融服務。上述各參與主體均具有獨立的計算及應用服務需求，且隨著主體間交互程度的加深，參與主體將不斷開拓新的業務功能領域，促進自身企業的內部擴張，與此同時，生態圈不斷并向外催生出新型企業，進而實現物聯網支撐平臺生態圈的永續發展[14-15]。下面對8大泛在電力物聯網行業的參與主體展開描述。

（1）電能生產借助支撐平臺，相關企業或組織通過給定電能生產設備及輔助設施的身份位移編碼，獲取電力生產環節特定空間的定位、位移、振動、溫濕度等多維度、多時間尺度的傳感數據，實現企業資產狀態全面感知及電能生產環節運行狀態在線估計，及時調整設備運維方案和人員工作計劃。同時，通過該支撐平臺，掌握其他參與主體多時間尺度的運行信息（如網絡運行方式、負荷需求特性曲線、市場交易情況等），從而提前制定適宜的發電計劃、檢修方案及擴建計劃，及實時控制電能生產設備及輔助設施的運行狀態。

（2）電網運營支撐平臺“連接”和“聚合”電能生產端和消費端兩端實時信息，作為中間樞紐的電網絡借助兩端信息，以平臺豐富的計算資源為基礎，運用精度高的運算模型甚至是云計算、人工智能、大數據等新型技術，實現網絡設備運行狀態的在線感知、運行方式的安全校核、網絡最優潮流的在線計算及虛擬電廠的實時服務等。

（3）儲能服務儲能是微網系統提高靈活性、優化調度和能量管理策略的重要載體。在規劃階段，通過平臺內描述的電網現有資源（網絡、能源、已有儲能）及負荷特性等信息，建立考慮線路網架約束的電網潮流優化模型，合理選擇儲能的容量和選址，提高資金利用效率；在運行階段，企業可借助平臺內微網系統及大電網的運行狀態信息、實時負荷信息、電源出力信息，動態控制儲能設備運行，保證系統可靠性和穩定性。期間的功能計算任務可選擇借助于平臺計算資源，提高儲能系統的動作準確性。

（4）電能消費側服務電能消費側用戶需求復雜多樣化，用戶行為對市場電價影響進一步加深，且電力市場內電能交易周期、交易方式、競爭格局等發生了顯著變化，這對綜合能源服務公司、公司、售電公司等電能消費側服務企業的能力提出更高的要求。電能消費側服務商通過物聯網支撐平臺掌握政策、市場機制發展動向，并根據區域用戶群體的負荷數據及數據挖掘技術刻畫不同類型、不同響應負荷的特性，提供不同管理周期下的負荷管理服務方案，以及調頻、提高電能質量等輔助服務，降低用戶綜合電費，并將負荷信息借由平臺反饋給電源和電網端，最終達到供需匹配靈活的目標。

（5）數據資產運營所謂“數據資產運營”，是企業或組織采用各種表計、測量工具獲取數據，并通過管理手段保證數據資產的安全、質量與完整性、合理配置和有效利用的方式，從而保障和促進各項功能的進行和發展，提高企業的經濟效益增長。在泛在電力物聯網環境下，數據資產運營既可作為解決平臺統一管理、透明分配、共享開放數據的有效方法，也可以作為企業內部合理評估、規范和治理企業信息資產，挖掘發揮數據資產價值并促進其增值的重要功能部分。

（6）平臺運維管理平臺自身構建、管理、運維及更新直接影響參與者賴以生存的組織環境。平臺型企業（如云服務提供商、部分互聯網公司等）是平臺供應者，一方面需要搭建堅韌靈活的平臺，建立恰當的定價結構吸引用戶，并對用戶進行一定的管理與指導，構建公平、健康、活躍的生態環境；另一方面需要促進平臺更新迭展，跟緊時代科技的步伐，持續不斷向用戶輸送高質產品及服務，適應能源生態圈不斷發展的需求。由于平臺實現軟硬件解耦、第三廠家開放、網絡共享，平臺的日常運維與管理（如軟件更新、硬件維護、系統迭代等）可交由更具專業特色及卓越能力的企業操作。在這種情況下，支撐平臺市場不會任由“一家獨大”，而是打破了傳統壟斷化的垂直結構，自由、開放的平臺環境促進企業之間的良性競爭，整體運維管理服務質量大幅提升，從而打造更為頑強的支撐平臺，實現良性循環。

（7）能源及衍生品交易隨著綠色可再生能源不斷滲透，綠色能源的環保效益得以發揮，隨之衍生出綠色電力證書、排污權、用能權、碳排放權等能源衍生品，這些衍生品促使電能生產、傳輸、消費趨于低碳、節能、環保的新特點。在多方參與的開放平臺環境下，市場參與主體根據開放的系統信息參與到能源及衍生品交易，交易過程透明公開，交易結果（如成交量、成交時刻、交易方等）通過平臺及時，有助于市場參與主體動態調整自身行為，實現市場均衡。

（8）能源產業金融服務能源產業的迅猛發展產生了多元化的新型金融服務需求，因此金融機構需要聚焦于能源產業發展支持力度、服務方式、金融產品等各方面，促進能源產業新發展。泛在電力物聯網行業參與主體通過注冊等方式登記于平臺之中，對應由獨立公正的第三方記錄各企業信用情況、發展現狀和發展前景等準確信息，以便金融機構進行信貸融資審核，縮短項目融資風險及周期，企業或組織需求能夠得到快速有效滿足。此外，互聯網平臺為構建多元化金融服務通道奠定基礎，銀行、擔保、租賃、保險、信托等金融組織均可為電能生產者、消費者和產消者服務。

4結束語

能源轉型背景下，電力生產與消費關系由垂直式的發-輸-配-用一體化體系轉型為自由交易的分布式多源互動體系。泛在電力物聯網是該體系下集成各方主體，充分挖掘價值的有益探索。支撐平臺是泛在電力物聯網建設的核心環節，基于以上背景和思考，有必要開展對泛在電力物聯網的體系架構及主要特點，支撐平臺的關鍵技術進行研究分析，解決泛在電力物聯網實施及推廣過程中關鍵性技術要素和難點，為重構現有自動化體系提供有益思路。另一方面，在建設泛在電力物聯網，培育發展新型業務的背景下，必將催生出全新的行業生態模式，通過獲取改革紅利挖掘出新的市場契機，是IT行業、電力自動化行業和能源行業的絕佳機遇。

作者：蔡澤祥 孫宇嫣 郭采珊 單位：華南理工大學