面向泛在电力物联网平台与生态构建范文

摘要：泛在电力物联网是能源转型背景下电网企业提升自身建设、运维、管理水平，增强不同行业及用户互动的有益探索。对泛在电力物联网的体系架构和主要特点进行阐述分析，从网络层、平台层和应用层梳理面向泛在电力物联网支撑平台的关键技术，从技术角度深入理解泛在电力物联网的主要特点。最后，提出泛在电力物联网行业生态构建的思考，为相关研究和实践的进一步拓展开拓思路。

关键词：泛在电力物联网；关键技术；云计算；行业生态

引言

能源转型背景下，电力生产与消费关系由垂直式的发-输-配-用一体化体系转型为横向涉及电、气、热、可再生能源等各种能源系统，纵向贯穿能源生产、传输、存储、消费、交易等各个环节的分布式多源互动体系，用户与电网互动增强，催生了面向用户侧的各种新兴能源服务[1]。近年来，互联网技术在能源行业不断融合渗透[2]，“云大物移智”技术继续发展突破，传统电力自动化技术体系逐渐迈向智能化，电力能源系统正逐步朝着全方位态势感知及智能决策调度的方向演变。然而，目前电力系统终端采集覆盖不足，通信接入网覆盖广度不够，数据不贯通[3]，难以支撑复杂能源运行控制等新兴业务的数据需求。当前数据采集、传输、存储及处理仍依赖于传统模式：依据事先制定的“白名单”识别信源，按照固定的传输路径选择信道，由割裂部署的服务器承载固定业务，业务之间以及数据之间缺乏交互协作。随着信息泛在接入以及业务联动的转变，传统模式必将成为瓶颈。此外，当前硬件制造商紧紧扼住了业务应用开发的主导权，硬件部署周期长，业务应用开发效率低下，灵活性差，难以形成良性竞争的商业模式和行业生态，不利于推动能源服务的价值整合和创造。为了提升电网建设、运维、管理水平，挖掘新的效益增长点，重构能源转型背景下的电力自动化技术体系，培育新的行业生态模式势在必行。为此，我国电力行业提出建设“泛在电力物联网”的工作目标[4]，国家电网在2019年3月了《泛在电力物联网建设大纲》，明确了泛在电力物联网的概念，提出了包括“打造智慧能源综合服务平台（下文称“支撑平台”）”、“构建能源生态体系”在内的11个重点建设内容[3]。文献[5]主要从物理实体组成的角度提出了基于“云、管、边、端”4个部分的配电物联网架构，为泛在电力物联网的建设提供了技术方案支撑。随着泛在电力物联网建设的推进，电力系统必将成为多能耦合网络的核心和纽带，而支撑平台将起到关键的业务承载联结与效益增值作用。本文旨在对泛在电力物联网的架构、主要特点，以及支撑平台的关键技术进行分析和说明，并探究以支撑平台为核心的泛在电力物联网生态构建思路，为相关研究的推进挖掘提供一些有益的参考。

1泛在电力物联网体系架构

1.1架构

从技术视角看，泛在电力物联网包括感知层、网络层、平台层和应用层4个层次，如图1所示。（1）感知层:利用各种智能测量装置，对电力能源相关各个环节的业务对象进行实时感知和信息采集，有时还需要对信息进行本地初步处理。（2）网络层：对下利用物联网技术、无线通信技术等泛在接入感知层的信息，对上利用光线专网、互联网等向平台层标准化传输信息。（3）平台层：负责对网络层传输的信息进行存储、筛选清洗和数据挖掘等处理，为各类应用提供数据基础。通过打造支撑平台，可实现网络、计算和存储资源的统一优化分配。（4）应用层：承载泛在电力物联网的各类业务，能源服务商可实现应用开发，用户可便捷获取服务。

1.2特点

泛在电力物联网体系架构具有如下特点。（1）感知层——全面感知“全面感知”一方面指的是感知的对象广：横向涉及电、气、热、可再生能源等各种能源系统，纵向贯穿能源生产、传输、存储、消费、交易等各个环节；另一方面指的是感知的实时性强：利用状态监测技术，设备状态的感知频率提高，即设备的状态信息能够被实时感知。（2）网络层——信息贯通利用强大且灵活的通信方式，如物联网、电力载波线、无线通信、光纤专网等，感知层获取的信息能够被高效快速地传输到平台层，实现不同信息采集系统之间的互联贯通[6]。（3）平台层——集约建设、统一调控、软硬件解耦面向泛在电力物联网的支撑平台可以是一个或多个统一建设和管理的数据中心，并依托云计算技术实现数据中心资源的优化调度。此外，支撑平台的软件部分与硬件部分解耦，可降低对硬件研发厂家的依赖，创建开放式的软件开发环境。（4）应用层——快速迭代、开放共享、协作共生基于平台层软硬件解耦的特点，支撑平台可以向众多第三方厂家开放，实现应用服务的快速开发迭代。基于共享的信息，各个应用服务可以进一步挖掘信息价值并创造效益，有利于构建开放共享、协作共生的能源行业生态，具体阐述见下文。

2支撑平台关键技术

泛在电力物联网支撑平台，上下分别与网络层和应用层紧密耦合，因此以下将从网络层、平台层和应用层出发，介绍泛在电力物联网支撑平台的关键支撑技术。

2.1网络层关键技术

（1）信息通信技术目前电力自动化技术体系充分利用光纤专网等介质和先进信息通信技术有效实现了部分信息的快速高效传输。随着泛在电力物联网建设的推进，需要进一步研究物联网技术、网络切片技术等信息通信技术。物联网通过传感器网络等信息传感手段，把任何物品与互联网相连接，低功耗地实现物品的智能化识别、定位、监控和管理[7]，是拓展感知层信息广度和感知频度的有效手段。网络切片技术是5G网络的一个关键技术，利用虚拟化技术将网络资源根据场景需求虚拟化为多个专用虚拟网络，并独立按需进行网络功能的定制剪裁和编排管理[8]。利用网络切片技术可以进一步实现信息高效传输以及网络资源的优化调度。（2）源端维护由于感知层涉及到的对象海量、协议复杂，泛在接入的信息给其他各层功能的实现带来了严峻挑战。受IEC61850统一协议的启发，泛在电力物联网的网络层可利用源端维护技术，对感知层的异构信息进行协议辨识，标准转换，并统一建模。这个过程就像码头集装箱的“装箱”过程，箱子装载的信息“货物”形状尺度各异，但经统一封装后，对外呈现标准化的箱体，极大提高了后续处理的效率。（3）软件定义技术软件定义网络(SDN，soft-definednetwork)将传统网络中的数据平台和控制平面分离，具有网络全局视角的控制器统一调度整个网络信息流的传输路径[9]，可实现信息的快速高效传输，优化网络性能。将SDN技术的思想推广到泛在电力物联网的全部硬件资源，则为软件定义技术，其本质就是打破一体化硬件设施的模式，将软硬件解耦，即基础硬件及其虚拟化提供标准化的基本功能，然后通过管控软件控制这些基本功能，从而提供更开放、灵活、智能的管控服务[10]。

2.2平台层关键技术

（1）资源调度技术在云计算中，云基础设施提供商可以对支撑平台的网络、计算和存储资源实现统一调控，调控的目标包括：资源利用率最大化，运行成本最低，能耗最低，服务水平协议（SLA，servicelevelagreement）违背率最低等[11]。具体来说，是依据应用服务的SLA等，根据上述优化目标调整完成该应用服务所需的网络、计算和存储资源，调整内容包括这些资源的大小、映射关系等，调整手段包括信息流路径的动态调整，虚拟机的实时迁移等[12]。（2）大数据应用技术支撑平台在数据服务方面主要可以利用大数据应用技术实现数据的进一步处理以及信息价值的挖掘。关键技术包括：数据存储与检索，在线数据处理，交互式统计与数据挖掘，数据安全治理等[13]。

2.3应用层关键技术

软件定义技术为应用服务的开发提供了新的解决思路。支撑平台可以通过开放的应用程序接口（API，appli⁃cationprogramminginterface）允许不同能源服务商的开发人员低成本、高效率地完成应用服务的开发与迭代，而这一过程不需要硬件厂家的参与，部署周期也大幅降低，因此更为灵活开放。

3泛在电力物联网行业生态构建

泛在电力物联网支撑平台贯穿于能源生产、传输、存储、消费、交易等各个环节，打破各专业时间和空间的限制，完成了各种资源（信息、资金、能源等）的全方位整合与统一调度管理，极大促进了电力物联网参与主体之间的横向联合，增强发挥泛在电力物联网生态的整合效应，可以有效实现电力行业的价值创造、信息增值、业务革新与效益挖掘。根据产能、运能、储能、用能、测能、护能、易能等各环节及当前互联网生态结构，梳理出泛在电力物联网行业的生态模式如图2所示。按照能源全生命周期的发展动向来划分，将泛在电力物联网行业的参与主体分为八大部分，即电能生产、电网运营、储能服务、电能消费侧服务、数据资产运营、平台运维管理、能源及衍生品交易和能源产业金融服务。上述各参与主体均具有独立的计算及应用服务需求，且随着主体间交互程度的加深，参与主体将不断开拓新的业务功能领域，促进自身企业的内部扩张，与此同时，生态圈不断并向外催生出新型企业，进而实现物联网支撑平台生态圈的永续发展[14-15]。下面对8大泛在电力物联网行业的参与主体展开描述。

（1）电能生产借助支撑平台，相关企业或组织通过给定电能生产设备及辅助设施的身份位移编码，获取电力生产环节特定空间的定位、位移、振动、温湿度等多维度、多时间尺度的传感数据，实现企业资产状态全面感知及电能生产环节运行状态在线估计，及时调整设备运维方案和人员工作计划。同时，通过该支撑平台，掌握其他参与主体多时间尺度的运行信息（如网络运行方式、负荷需求特性曲线、市场交易情况等），从而提前制定适宜的发电计划、检修方案及扩建计划，及实时控制电能生产设备及辅助设施的运行状态。

（2）电网运营支撑平台“连接”和“聚合”电能生产端和消费端两端实时信息，作为中间枢纽的电网络借助两端信息，以平台丰富的计算资源为基础，运用精度高的运算模型甚至是云计算、人工智能、大数据等新型技术，实现网络设备运行状态的在线感知、运行方式的安全校核、网络最优潮流的在线计算及虚拟电厂的实时服务等。

（3）储能服务储能是微网系统提高灵活性、优化调度和能量管理策略的重要载体。在规划阶段，通过平台内描述的电网现有资源（网络、能源、已有储能）及负荷特性等信息，建立考虑线路网架约束的电网潮流优化模型，合理选择储能的容量和选址，提高资金利用效率；在运行阶段，企业可借助平台内微网系统及大电网的运行状态信息、实时负荷信息、电源出力信息，动态控制储能设备运行，保证系统可靠性和稳定性。期间的功能计算任务可选择借助于平台计算资源，提高储能系统的动作准确性。

（4）电能消费侧服务电能消费侧用户需求复杂多样化，用户行为对市场电价影响进一步加深，且电力市场内电能交易周期、交易方式、竞争格局等发生了显著变化，这对综合能源服务公司、公司、售电公司等电能消费侧服务企业的能力提出更高的要求。电能消费侧服务商通过物联网支撑平台掌握政策、市场机制发展动向，并根据区域用户群体的负荷数据及数据挖掘技术刻画不同类型、不同响应负荷的特性，提供不同管理周期下的负荷管理服务方案，以及调频、提高电能质量等辅助服务，降低用户综合电费，并将负荷信息借由平台反馈给电源和电网端，最终达到供需匹配灵活的目标。

（5）数据资产运营所谓“数据资产运营”，是企业或组织采用各种表计、测量工具获取数据，并通过管理手段保证数据资产的安全、质量与完整性、合理配置和有效利用的方式，从而保障和促进各项功能的进行和发展，提高企业的经济效益增长。在泛在电力物联网环境下，数据资产运营既可作为解决平台统一管理、透明分配、共享开放数据的有效方法，也可以作为企业内部合理评估、规范和治理企业信息资产，挖掘发挥数据资产价值并促进其增值的重要功能部分。

（6）平台运维管理平台自身构建、管理、运维及更新直接影响参与者赖以生存的组织环境。平台型企业（如云服务提供商、部分互联网公司等）是平台供应者，一方面需要搭建坚韧灵活的平台，建立恰当的定价结构吸引用户，并对用户进行一定的管理与指导，构建公平、健康、活跃的生态环境；另一方面需要促进平台更新迭展，跟紧时代科技的步伐，持续不断向用户输送高质产品及服务，适应能源生态圈不断发展的需求。由于平台实现软硬件解耦、第三厂家开放、网络共享，平台的日常运维与管理（如软件更新、硬件维护、系统迭代等）可交由更具专业特色及卓越能力的企业操作。在这种情况下，支撑平台市场不会任由“一家独大”，而是打破了传统垄断化的垂直结构，自由、开放的平台环境促进企业之间的良性竞争，整体运维管理服务质量大幅提升，从而打造更为顽强的支撑平台，实现良性循环。

（7）能源及衍生品交易随着绿色可再生能源不断渗透，绿色能源的环保效益得以发挥，随之衍生出绿色电力证书、排污权、用能权、碳排放权等能源衍生品，这些衍生品促使电能生产、传输、消费趋于低碳、节能、环保的新特点。在多方参与的开放平台环境下，市场参与主体根据开放的系统信息参与到能源及衍生品交易，交易过程透明公开，交易结果（如成交量、成交时刻、交易方等）通过平台及时，有助于市场参与主体动态调整自身行为，实现市场均衡。

（8）能源产业金融服务能源产业的迅猛发展产生了多元化的新型金融服务需求，因此金融机构需要聚焦于能源产业发展支持力度、服务方式、金融产品等各方面，促进能源产业新发展。泛在电力物联网行业参与主体通过注册等方式登记于平台之中，对应由独立公正的第三方记录各企业信用情况、发展现状和发展前景等准确信息，以便金融机构进行信贷融资审核，缩短项目融资风险及周期，企业或组织需求能够得到快速有效满足。此外，互联网平台为构建多元化金融服务通道奠定基础，银行、担保、租赁、保险、信托等金融组织均可为电能生产者、消费者和产消者服务。

4结束语

能源转型背景下，电力生产与消费关系由垂直式的发-输-配-用一体化体系转型为自由交易的分布式多源互动体系。泛在电力物联网是该体系下集成各方主体，充分挖掘价值的有益探索。支撑平台是泛在电力物联网建设的核心环节，基于以上背景和思考，有必要开展对泛在电力物联网的体系架构及主要特点，支撑平台的关键技术进行研究分析，解决泛在电力物联网实施及推广过程中关键性技术要素和难点，为重构现有自动化体系提供有益思路。另一方面，在建设泛在电力物联网，培育发展新型业务的背景下，必将催生出全新的行业生态模式，通过获取改革红利挖掘出新的市场契机，是IT行业、电力自动化行业和能源行业的绝佳机遇。

作者：蔡泽祥 孙宇嫣 郭采珊 单位：华南理工大学