泛在電力物聯網在電力市場應用中的展望

夏超鵬

泛在電力物聯網在電力市場應用中的展望

夏超鵬

（國網江蘇省電力有限公司檢修分公司，江蘇省 南京市 210000）

隨著電力體制改革的不斷深化，電力用戶借助分布式發電、儲能系統和電動汽車等新興技術已經具備了參與電力交易的能力，但傳統電力系統的運行控制方式卻難以適應新時代開放電力市場的需求。國家電網有限公司所提出的泛在電力物聯網(ubiquitous power internet of things，UPIoT)戰略可以實現電力系統各環節互連、狀態全面感知和優化控制，是建設開放電力市場的有效技術支撐。基于此，分析了新時代電力系統發展所面臨的挑戰以及建設泛在電力物聯網的必要性；研究了泛在電力物聯網在開放電力市場中的典型應用；對面向電力市場的泛在電力物聯網關鍵技術進行了討論，為構建現代化開放電力市場提供參考。

泛在電力物聯網(UPIoT)；電力市場；優化控制；可再生能源

0 引言

電力工業市場化改革使得電力交易的方式逐步從計劃模式向市場模式的方向過渡，但是由于可再生能源、分布式發電和需求側響應等新興技術和機制的出現，電力市場的發展將面臨一系列新的挑戰[1-6]。為應對新時代電力系統發展的挑戰，2019年1月，國家電網有限公司工作會議上首次提出“三型兩網、世界一流”的新時代戰略目標[7-8]，打造“樞紐型”、“平臺型”和“共享型”企業，建設運營堅強智能電網和泛在電力物聯網，成為我國現代電力工業發展的“航向標”。

泛在電力物聯網是物聯網技術在電力系統中的高級應用，其充分融合了現代通信、大數據、云計算和人工智能等技術，依托智能電網的基礎，構建一個萬物互聯和人機交互的信息物理融合系統。泛在電力物聯網的建設將極大程度地提高電力系統的智能化程度，實現電力系統運行狀態全面感知，優化配置各類資源，靈活提供多樣化服務，為建立全球能源互聯網邁下堅實的一步。

作為首次提出的現代化電網新興理念，泛在電力物聯網受到了能源、互聯網和設備制造等領域研究人員的廣泛關注。目前已有很多學者對泛在電力物聯網的釋義[9]、實施策略[10-11]和關鍵技術[12-14]等內容進行了研究和展望，討論了泛在電力物聯網在輸變電設備[15-16]和智能配電網[17-19]等領域中的應用。文獻[9]從物聯網和泛在網絡技術層面入手，較為全面地分析了泛在電力物聯網的含義、技術要求和應用場景。文獻[14]從終端層、網絡層和平臺層分別指出，泛在電力物聯網構建過程中的關鍵技術主要包含物聯網設備研發、通信協議、網絡安全和海量數據分析及處理等。文獻[15]根據輸電、變電和配電設備各自的運行特點和檢測需求，分別提出了泛在電力物聯網在對應領域的建設方案和應用場景，分析了泛在電力物聯網技術應用之后對電網運行管理和技術發展等方面帶來的影響。目前，針對泛在電力物聯網在電力市場中應用的研究還比較少，文 獻[20]提出了一種基于泛在電力物聯網技術的電力市場主動服務感知共享平臺的架構和設想，但對于共享平臺具體運行模式和主要功能研究 較少。

本文在前人研究的基礎上，討論了新時代電力系統結構的變化和存在的問題，分析了電力企業角色的轉變和面臨的挑戰。針對泛在電力物聯網在電力市場中的應用，提出了一種綜合能源服務及交易平臺，并討論了該平臺具備的功能和帶來的經濟、社會效益。最后，對面向電力市場的泛在電力物聯網關鍵技術進行了討論。

1 新時代電力工業發展所面臨的挑戰

1.1 電力系統結構的轉變

隨著技術的不斷發展和環境問題的日益突出，當今電力系統在“發、輸、配、用”等各個方面都發生了顯著的變化[21-22]。其表現為：發電側逐漸從過去的傳統能源集中發電方式轉變為集中式發電與分布式發電、傳統能源發電與可再生能源發電并存的方式，由于發電側出現了大量的風力和光伏等可再生能源，導致系統電源側的隨機性和可調整性受到極大的影響[23]。輸電側逐漸從過去的以超高壓電網為主網架的局部互聯方式轉變為以特高壓電網為骨干網架的廣泛互聯方式，大容量、遠距離的特高壓交直流混合輸電的出現，導致系統的運行特性和穩定特性發生重大變化[24]。配電側用戶數量以及用電負荷種類的增多，導致配電網的網架結構和承載的功能正在發生改變，由于用戶多樣性的用能需求，配電網的角色已經由傳統的單向電能提供逐漸轉變為雙向能量互動。隨著智能終端、分布式發電和電動汽車的普及，用電側已經具備了一定程度的參與電網動態調整和電能供應的能力[25]，用電客戶的角色界定也越來越模糊。

新時代電力系統的組成和所承載的功能已經發生了顯著的轉變，因電源、網架和負荷的變化而導致的系統備用容量不足、頻率/電壓穩定性差和諧波含量高等問題日益凸顯[26]。傳統電力系統調控往往采用棄風、棄光和增加備用容量等措施維持系統穩定，但這種方式會導致新能源利用率不高、投資成本過大和輸電通道傳輸容量無法充分利用等問題，無法從根本上保證系統的安全和經濟運行。因此，建設泛在電力物聯網，提高電力系統全網絡的智能化水平，實時感知當前電網的運行狀態，優化調整系統的運行方式和精細控制各方面現有的調節容量，是適應新時代電網調控的可行方案。

1.2 電網公司角色的轉變

伴隨著電力體制改革和供給側結構性改革的不斷深化，電網公司和傳統的電信運營商一樣，面臨著被“管道化”的可能[27-28]。過去的20年，互聯網和移動通信飛速發展，然而在這個發展的風口上，不斷崛起的是各大互聯網公司，而提供基礎服務的三大電信運營商不僅沒有從中獲得太多的紅利，反而逐步失去了市場中的主動權。這是由于在移動通信發展初期，運營商是典型的內容提供商，其直接與客戶群體聯系，為客戶群體提供通話和短信等業務并收取費用。然而隨著互聯網時代的到來，移動數據流量成為了移動通信的主角，各大運營商所能提供的服務幾乎沒有差異。客戶對于運營商提供短信和通話服務的黏性逐漸轉變為對互聯網內容的黏性，導致過去運營商直接面向客戶的場景轉變為互聯網公司直接面向客戶，而運營商只提供通信“管道”的現狀，如圖1所示。互聯網公司通過自身推出的各項服務吸引了大批客戶之后，其所提供的服務將不僅僅限于這些基礎業務，還可以利用大量的客戶群體提供各類增值業務(如廣告和理財服務等)[29-31]，并從中獲得更大的利潤。比較有代表性的例子包括，現在越來越多的人開始使用社交軟件的音頻或者視頻通話取代傳統的電話和短信業務，而社交平臺的作用也不僅限于社交，其還提供了公眾號的推廣服務、內嵌其他小程序的廣告服務和電子貨幣的理財服務等。在這個過程中，運營商已經完全失去了市場的主動權，不僅無法獲得互聯網帶來的紅利，還需要承擔基礎設施建設和維護的龐大費用，因此導致運營商的利潤逐年下滑。

圖1 電信運營商的角色轉變

從電信運營商被“管道化”的現象中不難發現，電力作為一種類似于移動數據的無差別商品，隨著開放的電力市場逐步完善，如果電網公司繼續堅持傳統的電網建設和運營業務，就會逐步失去客戶，逐漸變成為新型能源服務提供基礎支撐的“管道化”企業。因此在新時代電網公司必須改變傳統的業務模式和商業模式，加快推動電網向智能化和物聯網化的新階段轉型，打破傳統通過購銷價差獲得盈利的單一模式，在萬物互聯的新時代積極開辟新的經營方式和發展理念。

1.3 發電企業角色的轉變

與電網公司不同，在開放的電力市場環境下，發電企業可以成立售電公司，直接與用電客戶進行交易，并具備了一定程度上的自主定價權。發電企業進入電力市場，一方面能促進企業降本增效，提高企業的經濟效益；另一方面也使得企業面臨市場化的挑戰，增加了企業的經營風險。由于受傳統壟斷式的運營方式所限，發電企業對于電力市場的了解很少，在電力營銷和用戶側服務方面的經驗非常欠缺。如何打開售電渠道、提高企業的市場占用率是發電企業立足開放電力市場必須解決的問題。

為應對市場化所帶來的機遇與挑戰，首先，發電企業必須加強電力營銷與宣傳的力度，不斷擴大自身的用戶群體，充分利用信息化網絡技術，簡化售電的流程，構建一條開放、便捷和實時的售電渠道。其次，為增強電力用戶與發電企業產品之間的黏性，企業必須準確獲取用戶的用能信息和習慣，針對不同的用戶群體推出精細化、個性化的服務，合理安排各種類型的優惠政策，突出企業的特點，增強核心競爭力。

2 泛在電力物聯網在電力市場中的創新應用場景

2.1 綜合能源服務及交易平臺架構

在一個技術條件齊備和市場管理機制成熟的開放電力市場下，電力系統中的發電側和購電側完全市場化，人們可以靈活地參與到電力的交易中來。其中：發電側既包含了傳統的發電集團，也包含了個人的小水電、分布式新能源以及電動汽車等；而購電側則包含了工廠等大客戶以及居民等個人客戶。需要注意的是，除了專門的發電集團以外，其他客戶可以根據自己當前的電能需求、個人電源當前能發出的電量以及上網的實時電價，決定是從電網購電還是向電網售電。

在上述開放的電力市場下，依托泛在電力物聯網構建一個綜合能源服務及交易平臺(以下簡稱“綜合能源服務平臺”)，并開發相應的電腦和手機客戶端。所有參與電力交易的企業和個人可以通過實名制賬戶進入綜合能源服務平臺，進行實時靈活的電力交易。該綜合能源服務平臺的主要功能如圖2所示。

圖2 綜合能源服務及交易平臺的主要功能

2.2 電力能源交易

電力能源交易是綜合能源服務平臺的核心業務和基礎功能。所有需要參與電力能源交易的企業和個人需向有關部門及運營的電網公司提出開戶申請，獲得審核批準之后，可以登錄綜合能源服務平臺。電力能源交易業務結構如圖3所示。

圖3 電力能源交易業務結構

發電企業是典型的售電側客戶，其根據發電調度計劃和電力需求的情況，決定當前該企業的售電電價并將這部分電能像商品一樣在綜合能源服務平臺上“上架”。待用電客戶通過綜合能源服務平臺買走該部分電能之后，發電企業將對應容量的電能輸送上網。

大型的企業及工廠是典型的購電側客戶，其根據企業的電能需求和自身的用能特點，在綜合能源服務平臺上選擇價格合適的售電商。與對應的售電商簽訂購買協議并支付費用之后，購電企業獲得對應容量電能的使用權限。

個人用戶在不同的場景下既可能是售電側客戶，也可能是購電側客戶。考慮當用戶家庭安裝有分布式小型發電及儲能系統時，用戶在滿足自身電能需求的情況下就具備了對外售電的能力。當個人的分布式發電系統所供電能超出了目前個人所需的電能時，用戶可以將這部分多余的電能定價后在綜合能源服務平臺上“上架”；而當分布式發電不能滿足自身需求時，用戶則可以在平臺上向發電企業或其他個人賣家購買電能。

在此過程中，綜合能源服務平臺相當于為售電和購電的客戶提供了一個實時交易的平臺。售電側和購電側客戶只需要在平臺上完成交易，負責運營的電網公司作為中間層負責電能的傳輸、調度和功率平衡，并從中收取一定比例的過網費和手續費。對于發電企業，綜合能源服務平臺為其提供了廣大的客戶群體，解決了企業的售電渠道問題并降低了市場化運營的風險。對于用電客戶，綜合能源服務平臺為其提供了更多的選擇，可以根據自身用能的特點選擇最佳的售電商，從而降低自身的用電成本。另外，對于具備發電能力的用電客戶，綜合能源服務平臺為其提供了良好的電力交易環境，有利于分布式電源廣泛接入和各類能源綜合利用。對于電網公司，其依托傳輸通道和調度管理的核心地位，擁有了綜合能源服務平臺的運營權，后續可在平臺上繼續開發高級應用，為企業發展注入新的動力。

2.3 電力需求側響應

傳統電力系統的頻率和電壓調節主要通過供給側改變有功和無功出力的方式實現，這種傳統的調節方法增大了系統的備用容量和投資成本。利用綜合能源服務平臺上靈活的電力交易機制，可以通過市場化的調節手段鼓勵用電客戶主動參與到電網的調節中，從而實現電力的需求側響應。

在電力使用的高峰期，由于電力需求緊張，各個售電商會提高電價。此時為了降低用電成本，企業和工廠會將部分耗能或者不緊急的業務推遲到用電低谷時期，而個人客戶也會將部分可轉移負荷(洗衣機、洗碗機和電動汽車充電等)推遲到用電低谷時期。此外，為了賺取更多的售電收益，具備發電能力的個人用戶還會將儲能系統和電動汽車中多余的電能反送上網進行售賣，也能在一定程度上緩解高峰時期電力緊張的程度。

而在電力使用的低谷時期，由于電價便宜，工廠和企業可進行大規模的生產。個人客戶此時可以開始可轉移負荷的用電，同時給自己的儲能系統和電動汽車進行充電。

通過電價激勵的手段，電力客戶會逐漸轉變自己的用電習慣，主動參與到電力系統的調節中。這不僅可以提高電力系統的穩定性，減少電力基礎設施的投資，還可以在保證用戶生活質量的同時，使用戶從中獲得一部分經濟利益。

2.4 增值業務

2.4.1 增值業務模式

增值業務是綜合能源服務平臺一大新的經濟增長極，也是平臺型業務的特有優勢，其結構如圖4所示。現代社會每個人都需要參與到電力交易中來，因此綜合能源服務平臺將會成為擁有最大客戶占有率的企業平臺。利用如此龐大的客戶群體，可以通過提供相關的高級應用和增值服務進一步挖掘綜合能源服務平臺的潛在價值。

圖4 增值業務結構

2.4.2 能源服務一站化解決

隨著分布式發電和電動汽車等技術的快速發展，出于降低能源消費和提高生活質量等原因，未來有條件的客戶都可以在自己的家中安裝分布式發電系統以及電動汽車充放電裝置，綜合能源服務平臺可以為客戶提供從方案設計到產品選型再到施工安裝的一站式綜合能源解決方案。對于有相關需求的客戶，可在綜合能源服務平臺上填報自己的需求和安裝地址，之后會由專人對現場情況進行查看并出具設計方案和設備清單。客戶可以在綜合能源服務平臺的電力商城中選購安裝所需要的各類部件，付款后再由專人配送到家并負責安裝。

2.4.3 電力商城

以能源服務為契機，推進綜合能源服務平臺中電力商城業務的進一步拓寬，打造專業電力領域的網上商場。所有經過認證的國內外電力設計及設備制造的廠家，都可以在電力商場中銷售電力設備及技術服務。通過在產品安裝和售后服務等方面的專業優勢，提高電力商城相比于其他平臺的競爭力。

2.4.4 智能購售電

在開放的電力市場下，電價隨著時間和需求不斷波動。為了提高客戶用電的經濟性，可以利用大數據和優化算法為客戶實時尋找最佳的購電和售電方案。當用戶需要購電或者售電時，其通過在綜合能源服務平臺上設定某段時間之內所需交易的電量之后，智能購售電程序將在這段時間內不斷尋找和預測價格最優惠的售電商進行購買，或尋找最佳的售電時間和電價進行出售。此外，在用戶配備有儲能系統的情況下，智能購售電業務還可以利用波動的電價，通過低價買入和高價賣出的方式獲得部分利潤。

2.4.5 貨幣金融業務

為了實現綜合能源服務平臺上能源交易的功能，貨幣交易是該平臺必不可少的環節。用戶將自己的銀行卡與個人賬戶綁定，并將真實貨幣與平臺上的虛擬貨幣進行兌換后方可進行能源交易。由于在綜合能源服務平臺上任何時間都可以將虛擬貨幣兌換為等價的電能，實現了該平臺上虛擬貨幣的“實體化”，保證了此虛擬貨幣的價值。為了鼓勵用戶將貨幣存入平臺內，綜合能源服務平臺可以進一步開發貨幣基金、理財產品和股票等金融業務，將能源的平臺進一步轉變為金融的平臺。

3 面向電力市場的泛在電力物聯網關鍵技術

為構建本文所提出的綜合能源服務平臺的體系架構和相關功能，實現全系統能源流、信息流、業務流的一體化融合，應當在狀態感知、信息交互和數據處理等各環節著重發展以下關鍵技術。

3.1 電力物聯網終端設備

智能化采集終端和用戶終端是綜合能源服務平臺的“神經末梢”，一方面，其可以采集電力設備的狀態信息和用戶的用能信息等原始數據，從而準確判斷當前系統的運行狀態，優化系統的運行方式和潮流大小，提前發現故障隱患并評估運行的安全風險。另一方面，基于優化的運行方式，終端設備可以實時發布當前的電能需求，調整電網的拓撲結構，準確控制各電源的出力，優化調整用戶的用電模式。

若要發展電力物聯網智能終端設備，首先，應在當前系統已有的電壓電流互感器、各類傳感器和用戶側智能電表的基礎上，解決數據種類單一和信息交互能力不強的問題。其次，針對系統中新型的分布式發電單元、用戶側智能家電和電動汽車等設備，開發對應的智能傳感接口設備，實現不同場景、不同設備的即插即用及能源信息雙向流通的功能[32-35]。最后，由于電力設備長期運行在復雜多變的環境中，電磁場、溫濕度和壓力大小都會對傳感器的運行產生影響。因此，電力物聯網終端設備在面對復雜運行工況的情況下，應當保證多維度信息采集的精度，具備數據的初步處理和可靠性評估的能力[36]。

3.2 綜合通信網絡及信息安全

綜合通信網絡是綜合能源服務平臺的“傳輸媒介”，其可為設備狀態信息、電力交易信息和調度控制命令等多種類型的業務提供可靠、安全的信息交互通道。

綜合能源服務平臺不僅涉及電力系統中設備運行的狀態信息，還需要處理海量的電力客戶用能信息，通信網絡所覆蓋的范圍更廣、程度更深且形式更加復雜。傳統電力系統中采用的電力線載波和專用光纖通信等“點對點”的有線通信方式，存在施工復雜、投資成本高且使用環境受限的弊端，因此泛在電力物聯網的通信網絡應根據實際工況和經濟成本等因素，靈活選擇局域網、Zigbee和5G等新興的各類有線和無線通信方式進行組網[37-38]。另外，針對不同對象所使用的不同通信方式，為了保證各類設備的高效接入，需要制定泛在電力物聯網專用的通信標準[39-40]，構建具備設備自識別、自動注冊和跨平臺信息交互的通信協議。

在泛在電力物聯網的背景下，電力系統所承載的功能全且業務廣，除了傳統的電力流以外，大量的業務流、資金流和各類用戶的私人信息都需要在通信網絡中進行交互，因此信息安全對于電網安全運行的重要性不言而喻[41-42]。但由于開放性終端設備和雙向數據流通的出現，以及數據通信外網與電力專用內網的并存，泛在電力物聯網的信息安全問題也受到了嚴重的挑戰。針對信息安全問題，一方面，需要建立終端設備安全防護體系，加強對接入終端設備的身份認證和訪問權限的控制[43]，過濾并攔截部分可信度較低的信息以及可能的惡意操作等。另一方面，需要對通信網絡上的數據進行安全管控，通信雙方可以采用數據加密技術或者安全路由技術等手段，保證數據傳輸過程中的安全性和完整性，確定每一條信息的合法性和真實性。

3.3 智能化物聯網管控平臺

智能化物聯網管控平臺是綜合能源服務平臺的“控制中心”，其通過對海量的狀態信息進行分析和處理，從而對目前系統的運行狀態做出整體的判斷，并為系統的運行控制和各類用戶的電力交易提供指導。

綜合能源服務平臺中產生的數據來源多樣、格式復雜且冗余度高，雖然各類信息中所隱含的信息價值很大，但各類信息之間的關聯性不直觀，因此物聯網管控平臺必須具備數據的分類匯總、分析處理和信息挖掘的功能[44-45]。對于系統中的原始數據，首先，應對各類型的數據進行分類匯總，解決當前電力系統信息碎片化存儲的問題，打破信息的孤島，實現大數據的互聯共享。其次，應用數據融合技術在冗余的數據中對同類型的數據進行分類，對有用的數據進行篩選，從而減小通信和數據存儲的壓力，提高數據分析的可信度。最后，針對篩選后的有效數據，應用大數據挖掘分析技術，從數據中分析得出當前電力系統的運行狀態等深層次信息，并為綜合能源服務平臺中的電能交易、需求側響應和智能購售電等高級應用提供支撐。

4 結論

對泛在電力物聯網在電力市場中的具體應用進行了展望，并對關鍵技術的研究進行歸納總結，得出如下結論：

1）電力系統結構和電力市場環境的變化，使得傳統的運行控制方法無法保證電網的安全經濟運行，繼續采用傳統運營模式的電力企業無法適應開放電力市場下的角色轉變。大力建設泛在電力物聯網是突破傳統運行方式瓶頸、轉變電力工業發展方向和理念的重大戰略舉措，也是建設全球能源互聯網的必經之路。

2）基于泛在電力物聯網技術所提出的綜合能源服務平臺是連接電力工業各個環節的關鍵，實現了開放電力市場下的能源交易、綜合能源服務以及增值業務等多項功能，充分體現了新時代電力系統“樞紐、平臺和共享”的作用，為電力工業各環節的發展提供了良好的基礎。

3）為實現綜合能源服務平臺的體系架構和相關功能，還需要在電力物聯網終端設備、綜合通信網絡及信息安全和智能化物聯網管控平臺等關鍵技術領域加強研究。

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Prospect of Ubiquitous Power Internet of Things in Electricity Market

XIA Chaopeng

(Maintenance Branch Company, State Grid Jiangsu Electric Power Co., Ltd., Nanjing 210000, Jiangsu Province, China)

With the deepening of power system reform, power customers have acquired the ability to participate in power trading with emerging technologies such as distributed generation, energy storage systems and electric vehicles. However, the operation and control methods of traditional power systems are difficult to adapt to the demand of open electricity market in the new era. The strategy of ubiquitous power internet of things (UPIoT) proposed by State Grid Co., Ltd. can realize the interconnection of all aspects in power system, overall state perception and optimal control, which is an effective technical support for building an open electricity market. The challenges faced by the development of power systems in the new era and the necessity of constructing UPIoTwere analyzed. The typical application of UPIoT in the open electricity market was researched. Finally, the key technologies of UPIoT for the electricity market were discussed, which provide reference for constructing modern open electricity market.

ubiquitous power internet of things (UPIoT); electricity market; optimal control; renewable energy

10.12096/j.2096-4528.pgt.19163

TM 73

2019-11-05。

(責任編輯 尚彩娟)