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摘要：泛在電力物聯(lián)網(wǎng)是能源轉(zhuǎn)型背景下電網(wǎng)企業(yè)提升自身建設(shè)、運維、管理水平，增強不同行業(yè)及用戶互動的有益探索。對泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)和主要特點進行闡述分析，從網(wǎng)絡(luò)層、平臺層和應(yīng)用層梳理面向泛在電力物聯(lián)網(wǎng)支撐平臺的關(guān)鍵技術(shù)，從技術(shù)角度深入理解泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的主要特點。最后，提出泛在電力物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)生態(tài)構(gòu)建的思考，為相關(guān)研究和實踐的進一步拓展開拓思路。

關(guān)鍵詞：泛在電力物聯(lián)網(wǎng)；關(guān)鍵技術(shù)；云計算；行業(yè)生態(tài)

引言

能源轉(zhuǎn)型背景下，電力生產(chǎn)與消費關(guān)系由垂直式的發(fā)-輸-配-用一體化體系轉(zhuǎn)型為橫向涉及電、氣、熱、可再生能源等各種能源系統(tǒng)，縱向貫穿能源生產(chǎn)、傳輸、存儲、消費、交易等各個環(huán)節(jié)的分布式多源互動體系，用戶與電網(wǎng)互動增強，催生了面向用戶側(cè)的各種新興能源服務(wù)[1]。近年來，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在能源行業(yè)不斷融合滲透[2]，“云大物移智”技術(shù)繼續(xù)發(fā)展突破，傳統(tǒng)電力自動化技術(shù)體系逐漸邁向智能化，電力能源系統(tǒng)正逐步朝著全方位態(tài)勢感知及智能決策調(diào)度的方向演變。然而，目前電力系統(tǒng)終端采集覆蓋不足，通信接入網(wǎng)覆蓋廣度不夠，數(shù)據(jù)不貫通[3]，難以支撐復(fù)雜能源運行控制等新興業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)需求。當(dāng)前數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲及處理仍依賴于傳統(tǒng)模式：依據(jù)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(wù)器承載固定業(yè)務(wù)，業(yè)務(wù)之間以及數(shù)據(jù)之間缺乏交互協(xié)作。隨著信息泛在接入以及業(yè)務(wù)聯(lián)動的轉(zhuǎn)變，傳統(tǒng)模式必將成為瓶頸。此外，當(dāng)前硬件制造商緊緊扼住了業(yè)務(wù)應(yīng)用開發(fā)的主導(dǎo)權(quán)，硬件部署周期長，業(yè)務(wù)應(yīng)用開發(fā)效率低下，靈活性差，難以形成良性競爭的商業(yè)模式和行業(yè)生態(tài)，不利于推動能源服務(wù)的價值整合和創(chuàng)造。為了提升電網(wǎng)建設(shè)、運維、管理水平，挖掘新的效益增長點，重構(gòu)能源轉(zhuǎn)型背景下的電力自動化技術(shù)體系，培育新的行業(yè)生態(tài)模式勢在必行。為此，我國電力行業(yè)提出建設(shè)“泛在電力物聯(lián)網(wǎng)”的工作目標(biāo)[4]，國家電網(wǎng)在2019年3月了《泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)大綱》，明確了泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的概念，提出了包括“打造智慧能源綜合服務(wù)平臺（下文稱“支撐平臺”）”、“構(gòu)建能源生態(tài)體系”在內(nèi)的11個重點建設(shè)內(nèi)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(lián)網(wǎng)架構(gòu)，為泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)提供了技術(shù)方案支撐。隨著泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的推進，電力系統(tǒng)必將成為多能耦合網(wǎng)絡(luò)的核心和紐帶，而支撐平臺將起到關(guān)鍵的業(yè)務(wù)承載聯(lián)結(jié)與效益增值作用。本文旨在對泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)、主要特點，以及支撐平臺的關(guān)鍵技術(shù)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(lián)網(wǎng)生態(tài)構(gòu)建思路，為相關(guān)研究的推進挖掘提供一些有益的參考。

1泛在電力物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)

1.1架構(gòu)

從技術(shù)視角看，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層和應(yīng)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(guān)各個環(huán)節(jié)的業(yè)務(wù)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(wǎng)絡(luò)層：對下利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無線通信技術(shù)等泛在接入感知層的信息，對上利用光線專網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等向平臺層標(biāo)準(zhǔn)化傳輸信息。（3）平臺層：負(fù)責(zé)對網(wǎng)絡(luò)層傳輸?shù)男畔⑦M行存儲、篩選清洗和數(shù)據(jù)挖掘等處理，為各類應(yīng)用提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。通過打造支撐平臺，可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、計算和存儲資源的統(tǒng)一優(yōu)化分配。（4）應(yīng)用層：承載泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的各類業(yè)務(wù)，能源服務(wù)商可實現(xiàn)應(yīng)用開發(fā)，用戶可便捷獲取服務(wù)。

1.2特點

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)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(tǒng)，縱向貫穿能源生產(chǎn)、傳輸、存儲、消費、交易等各個環(huán)節(jié)；另一方面指的是感知的實時性強：利用狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)，設(shè)備狀態(tài)的感知頻率提高，即設(shè)備的狀態(tài)信息能夠被實時感知。（2）網(wǎng)絡(luò)層——信息貫通利用強大且靈活的通信方式，如物聯(lián)網(wǎng)、電力載波線、無線通信、光纖專網(wǎng)等，感知層獲取的信息能夠被高效快速地傳輸?shù)狡脚_層，實現(xiàn)不同信息采集系統(tǒng)之間的互聯(lián)貫通[6]。（3）平臺層——集約建設(shè)、統(tǒng)一調(diào)控、軟硬件解耦面向泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的支撐平臺可以是一個或多個統(tǒng)一建設(shè)和管理的數(shù)據(jù)中心，并依托云計算技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心資源的優(yōu)化調(diào)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(fā)廠家的依賴，創(chuàng)建開放式的軟件開發(fā)環(huán)境。（4）應(yīng)用層——快速迭代、開放共享、協(xié)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(xiàn)應(yīng)用服務(wù)的快速開發(fā)迭代。基于共享的信息，各個應(yīng)用服務(wù)可以進一步挖掘信息價值并創(chuàng)造效益，有利于構(gòu)建開放共享、協(xié)作共生的能源行業(yè)生態(tài)，具體闡述見下文。

2支撐平臺關(guān)鍵技術(shù)

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)支撐平臺，上下分別與網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層緊密耦合，因此以下將從網(wǎng)絡(luò)層、平臺層和應(yīng)用層出發(fā)，介紹泛在電力物聯(lián)網(wǎng)支撐平臺的關(guān)鍵支撐技術(shù)。

2.1網(wǎng)絡(luò)層關(guān)鍵技術(shù)

（1）信息通信技術(shù)目前電力自動化技術(shù)體系充分利用光纖專網(wǎng)等介質(zhì)和先進信息通信技術(shù)有效實現(xiàn)了部分信息的快速高效傳輸。隨著泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的推進，需要進一步研究物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)等信息通信技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)通過傳感器網(wǎng)絡(luò)等信息傳感手段，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，低功耗地實現(xiàn)物品的智能化識別、定位、監(jiān)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(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)是5G網(wǎng)絡(luò)的一個關(guān)鍵技術(shù)，利用虛擬化技術(shù)將網(wǎng)絡(luò)資源根據(jù)場景需求虛擬化為多個專用虛擬網(wǎng)絡(luò)，并獨立按需進行網(wǎng)絡(luò)功能的定制剪裁和編排管理[8]。利用網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)可以進一步實現(xiàn)信息高效傳輸以及網(wǎng)絡(luò)資源的優(yōu)化調(diào)度。（2）源端維護由于感知層涉及到的對象海量、協(xié)議復(fù)雜，泛在接入的信息給其他各層功能的實現(xiàn)帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。受IEC61850統(tǒng)一協(xié)議的啟發(fā)，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層可利用源端維護技術(shù)，對感知層的異構(gòu)信息進行協(xié)議辨識，標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換，并統(tǒng)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(jīng)統(tǒng)一封裝后，對外呈現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的箱體，極大提高了后續(xù)處理的效率。（3）軟件定義技術(shù)軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN，soft-definednetwork)將傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)平臺和控制平面分離，具有網(wǎng)絡(luò)全局視角的控制器統(tǒng)一調(diào)度整個網(wǎng)絡(luò)信息流的傳輸路徑[9]，可實現(xiàn)信息的快速高效傳輸，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能。將SDN技術(shù)的思想推廣到泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的全部硬件資源，則為軟件定義技術(shù)，其本質(zhì)就是打破一體化硬件設(shè)施的模式，將軟硬件解耦，即基礎(chǔ)硬件及其虛擬化提供標(biāo)準(zhǔn)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(wù)[10]。

2.2平臺層關(guān)鍵技術(shù)

（1）資源調(diào)度技術(shù)在云計算中，云基礎(chǔ)設(shè)施提供商可以對支撐平臺的網(wǎng)絡(luò)、計算和存儲資源實現(xiàn)統(tǒng)一調(diào)控，調(diào)控的目標(biāo)包括：資源利用率最大化，運行成本最低，能耗最低，服務(wù)水平協(xié)議（SLA，servicelevelagreement）違背率最低等[11]。具體來說，是依據(jù)應(yīng)用服務(wù)的SLA等，根據(jù)上述優(yōu)化目標(biāo)調(diào)整完成該應(yīng)用服務(wù)所需的網(wǎng)絡(luò)、計算和存儲資源，調(diào)整內(nèi)容包括這些資源的大小、映射關(guān)系等，調(diào)整手段包括信息流路徑的動態(tài)調(diào)整，虛擬機的實時遷移等[12]。（2）大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)支撐平臺在數(shù)據(jù)服務(wù)方面主要可以利用大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的進一步處理以及信息價值的挖掘。關(guān)鍵技術(shù)包括：數(shù)據(jù)存儲與檢索，在線數(shù)據(jù)處理，交互式統(tǒng)計與數(shù)據(jù)挖掘，數(shù)據(jù)安全治理等[13]。

2.3應(yīng)用層關(guān)鍵技術(shù)

軟件定義技術(shù)為應(yīng)用服務(wù)的開發(fā)提供了新的解決思路。支撐平臺可以通過開放的應(yīng)用程序接口（API，appli⁃cationprogramminginterface）允許不同能源服務(wù)商的開發(fā)人員低成本、高效率地完成應(yīng)用服務(wù)的開發(fā)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(lián)網(wǎng)行業(yè)生態(tài)構(gòu)建

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)支撐平臺貫穿于能源生產(chǎn)、傳輸、存儲、消費、交易等各個環(huán)節(jié)，打破各專業(yè)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(tǒng)一調(diào)度管理，極大促進了電力物聯(lián)網(wǎng)參與主體之間的橫向聯(lián)合，增強發(fā)揮泛在電力物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)的整合效應(yīng)，可以有效實現(xiàn)電力行業(yè)的價值創(chuàng)造、信息增值、業(yè)務(wù)革新與效益挖掘。根據(jù)產(chǎn)能、運能、儲能、用能、測能、護能、易能等各環(huán)節(jié)及當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)結(jié)構(gòu)，梳理出泛在電力物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的生態(tài)模式如圖2所示。按照能源全生命周期的發(fā)展動向來劃分，將泛在電力物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的參與主體分為八大部分，即電能生產(chǎn)、電網(wǎng)運營、儲能服務(wù)、電能消費側(cè)服務(wù)、數(shù)據(jù)資產(chǎn)運營、平臺運維管理、能源及衍生品交易和能源產(chǎn)業(yè)金融服務(wù)。上述各參與主體均具有獨立的計算及應(yīng)用服務(wù)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(yè)務(wù)功能領(lǐng)域，促進自身企業(yè)的內(nèi)部擴張，與此同時，生態(tài)圈不斷并向外催生出新型企業(yè)，進而實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)支撐平臺生態(tài)圈的永續(xù)發(fā)展[14-15]。下面對8大泛在電力物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的參與主體展開描述。

（1）電能生產(chǎn)借助支撐平臺，相關(guān)企業(yè)或組織通過給定電能生產(chǎn)設(shè)備及輔助設(shè)施的身份位移編碼，獲取電力生產(chǎn)環(huán)節(jié)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(shù)據(jù)，實現(xiàn)企業(yè)資產(chǎn)狀態(tài)全面感知及電能生產(chǎn)環(huán)節(jié)運行狀態(tài)在線估計，及時調(diào)整設(shè)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(wǎng)絡(luò)運行方式、負(fù)荷需求特性曲線、市場交易情況等），從而提前制定適宜的發(fā)電計劃、檢修方案及擴建計劃，及實時控制電能生產(chǎn)設(shè)備及輔助設(shè)施的運行狀態(tài)。

（2）電網(wǎng)運營支撐平臺“連接”和“聚合”電能生產(chǎn)端和消費端兩端實時信息，作為中間樞紐的電網(wǎng)絡(luò)借助兩端信息，以平臺豐富的計算資源為基礎(chǔ)，運用精度高的運算模型甚至是云計算、人工智能、大數(shù)據(jù)等新型技術(shù)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備運行狀態(tài)的在線感知、運行方式的安全校核、網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)潮流的在線計算及虛擬電廠的實時服務(wù)等。

（3）儲能服務(wù)儲能是微網(wǎng)系統(tǒng)提高靈活性、優(yōu)化調(diào)度和能量管理策略的重要載體。在規(guī)劃階段，通過平臺內(nèi)描述的電網(wǎng)現(xiàn)有資源（網(wǎng)絡(luò)、能源、已有儲能）及負(fù)荷特性等信息，建立考慮線路網(wǎng)架約束的電網(wǎng)潮流優(yōu)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(yè)可借助平臺內(nèi)微網(wǎng)系統(tǒng)及大電網(wǎng)的運行狀態(tài)信息、實時負(fù)荷信息、電源出力信息，動態(tài)控制儲能設(shè)備運行，保證系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性。期間的功能計算任務(wù)可選擇借助于平臺計算資源，提高儲能系統(tǒng)的動作準(zhǔn)確性。

（4）電能消費側(cè)服務(wù)電能消費側(cè)用戶需求復(fù)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(nèi)電能交易周期、交易方式、競爭格局等發(fā)生了顯著變化，這對綜合能源服務(wù)公司、公司、售電公司等電能消費側(cè)服務(wù)企業(yè)的能力提出更高的要求。電能消費側(cè)服務(wù)商通過物聯(lián)網(wǎng)支撐平臺掌握政策、市場機制發(fā)展動向，并根據(jù)區(qū)域用戶群體的負(fù)荷數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)刻畫不同類型、不同響應(yīng)負(fù)荷的特性，提供不同管理周期下的負(fù)荷管理服務(wù)方案，以及調(diào)頻、提高電能質(zhì)量等輔助服務(wù)，降低用戶綜合電費，并將負(fù)荷信息借由平臺反饋給電源和電網(wǎng)端，最終達到供需匹配靈活的目標(biāo)。

（5）數(shù)據(jù)資產(chǎn)運營所謂“數(shù)據(jù)資產(chǎn)運營”，是企業(yè)或組織采用各種表計、測量工具獲取數(shù)據(jù)，并通過管理手段保證數(shù)據(jù)資產(chǎn)的安全、質(zhì)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(fā)展，提高企業(yè)的經(jīng)濟效益增長。在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，數(shù)據(jù)資產(chǎn)運營既可作為解決平臺統(tǒng)一管理、透明分配、共享開放數(shù)據(jù)的有效方法，也可以作為企業(yè)內(nèi)部合理評估、規(guī)范和治理企業(yè)信息資產(chǎn)，挖掘發(fā)揮數(shù)據(jù)資產(chǎn)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(gòu)建、管理、運維及更新直接影響參與者賴以生存的組織環(huán)境。平臺型企業(yè)（如云服務(wù)提供商、部分互聯(lián)網(wǎng)公司等）是平臺供應(yīng)者，一方面需要搭建堅韌靈活的平臺，建立恰當(dāng)?shù)亩▋r結(jié)構(gòu)吸引用戶，并對用戶進行一定的管理與指導(dǎo)，構(gòu)建公平、健康、活躍的生態(tài)環(huán)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(xù)不斷向用戶輸送高質(zhì)產(chǎn)品及服務(wù)，適應(yīng)能源生態(tài)圈不斷發(fā)展的需求。由于平臺實現(xiàn)軟硬件解耦、第三廠家開放、網(wǎng)絡(luò)共享，平臺的日常運維與管理（如軟件更新、硬件維護、系統(tǒng)迭代等）可交由更具專業(yè)特色及卓越能力的企業(yè)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(tǒng)壟斷化的垂直結(jié)構(gòu)，自由、開放的平臺環(huán)境促進企業(yè)之間的良性競爭，整體運維管理服務(wù)質(zhì)量大幅提升，從而打造更為頑強的支撐平臺，實現(xiàn)良性循環(huán)。

（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(huán)保效益得以發(fā)揮，隨之衍生出綠色電力證書、排污權(quán)、用能權(quán)、碳排放權(quán)等能源衍生品，這些衍生品促使電能生產(chǎn)、傳輸、消費趨于低碳、節(jié)能、環(huán)保的新特點。在多方參與的開放平臺環(huán)境下，市場參與主體根據(jù)開放的系統(tǒng)信息參與到能源及衍生品交易，交易過程透明公開，交易結(jié)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(tài)調(diào)整自身行為，實現(xiàn)市場均衡。

（8）能源產(chǎn)業(yè)金融服務(wù)能源產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展產(chǎn)生了多元化的新型金融服務(wù)需求，因此金融機構(gòu)需要聚焦于能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展支持力度、服務(wù)方式、金融產(chǎn)品等各方面，促進能源產(chǎn)業(yè)新發(fā)展。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)參與主體通過注冊等方式登記于平臺之中，對應(yīng)由獨立公正的第三方記錄各企業(yè)信用情況、發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展前景等準(zhǔn)確信息，以便金融機構(gòu)進行信貸融資審核，縮短項目融資風(fēng)險及周期，企業(yè)或組織需求能夠得到快速有效滿足。此外，互聯(lián)網(wǎng)平臺為構(gòu)建多元化金融服務(wù)通道奠定基礎(chǔ)，銀行、擔(dān)保、租賃、保險、信托等金融組織均可為電能生產(chǎn)者、消費者和產(chǎn)消者服務(wù)。

4結(jié)束語

能源轉(zhuǎn)型背景下，電力生產(chǎn)與消費關(guān)系由垂直式的發(fā)-輸-配-用一體化體系轉(zhuǎn)型為自由交易的分布式多源互動體系。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)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(lián)網(wǎng)建設(shè)的核心環(huán)節(jié)，基于以上背景和思考，有必要開展對泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)及主要特點，支撐平臺的關(guān)鍵技術(shù)進行研究分析，解決泛在電力物聯(lián)網(wǎng)實施及推廣過程中關(guān)鍵性技術(shù)要素和難點，為重構(gòu)現(xiàn)有自動化體系提供有益思路。另一方面，在建設(shè)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)，培育發(fā)展新型業(yè)務(wù)的背景下，必將催生出全新的行業(yè)生態(tài)模式，通過獲取改革紅利挖掘出新的市場契機，是IT行業(yè)、電力自動化行業(yè)和能源行業(yè)的絕佳機遇。

作者：蔡澤祥 孫宇嫣 郭采珊 單位：華南理工大學(xué)