泛在電力物聯網下電網公司未來發展模式研究

李 洋 陳 潔 高 強

1.國網浙江省電力有限公司

2.中國能源建設集團浙江省電力設計院有限公司

3.國網浙江省電力有限公司臺州供電公司

關鍵字：三型兩網；泛在電力物聯網；電力大數據；綜合能源服務

隨著能源互聯網和電力市場的深入發展，區域電網公司的職能與經營模式正在悄然轉變[1]。一方面，分布式可再生能源和儲能技術的進步、大云物移智等互聯網技術的應用促使電力系統逐步向以“橫向多能源互補、縱向源網荷儲協調”為主要特征的綜合能源系統發展；另一方面，電力零售市場放開、社會資本進入配售環節、用戶選擇性增強，使電網公司將以產品為中心的傳統能源供給模式逐步轉變為以客戶為中心的新型能源服務模式。對此，國家電網有限公司提出“三型兩網”發展目標，依托堅強智能電網與泛在電力物聯網(Electrical Internet of Things,EIoT)，著力打造樞紐型、平臺型、共享型的能源互聯網企業。其中，樞紐型體現電網公司的產業屬性，電網公司作為電力系統運營者，應發揮電網在能源匯集傳輸和轉換利用中的樞紐作用，促進清潔低碳、安全高效的能源體系建設；平臺型體現電網公司的網絡屬性，電網公司要以能源互聯網為支撐，打造能源配置和綜合服務平臺，使平臺價值成為電網公司的市場核心競爭優勢；共享型體現電網公司的社會屬性，要求電網公司樹立開放、合作、共贏的理念，吸引更多社會資本參與能源互聯網建設和價值挖掘，帶動產業鏈上下游共同發展。

泛在電力物聯網是物聯網技術在智能電網中的應用，通過將發電企業、電網公司、售電公司、電力用戶及其設備連接起來，發揮電網公司的樞紐和平臺作用，產生覆蓋能源生產、傳輸、交易、消費各個環節共享的電力大數據，充分運用云計算、人工智能等互聯網技術，實現電力系統各環節互聯、人機交互。EIoT具有狀態全面感知、信息高效處理、應用便捷靈活等特征，主要分為感知層、網絡層、平臺層和應用層等四層架構。其中：感知層是EIoT的物理基礎，通過智能電表等一系列數據采集裝置對電力系統的各個環節進行數據采集；網絡層通過5G等新技術實現電力大數據的高效傳遞；平臺層將數據進行統一匯集管理，打破各環節的數據壁壘；應用層則協同綜合能源服務體系的建設，向系統主體提供更加智能化、人性化的電力普遍服務，體現數據價值。

電力大數據的采集與利用是泛在電力物聯網的核心。對此，文獻[2]提出了電力大數據的概念并闡釋了其關鍵特征。文獻[3]在分析大數據、云計算、智能電網三者邏輯關系的基礎上，提出了具有通用性的電力大數據平臺總體架構。文獻[4]總結了大數據技術在配電網運行、檢修、規劃和資產管理等方面的指導作用。文獻[5]研究了大數據技術在電網運行監控中的應用并提出了監控運行大數據分析系統的整體架構和功能體系。文獻[6]提出了一種基于大數據平臺的電網故障追蹤方法，將故障針對數據源延展至變電站層，解決了電力系統監控數據的管理問題。文獻[7]基于多功能大數據服務平臺制定了電動汽車充放電管理策略，以解決大量EV分散接入時難以統一控制和管理的問題。然而上述文獻多是對大數據技術在電力系統單一環節的應用研究，缺乏對能源互聯網及其技術體系的系統梳理；另一方面，建設泛在電力物聯網的目的是為了實現電網公司向能源互聯網企業轉型，因而研究該背景下區域電網公司的綜合能源服務模式更符合其實際需求。

本文基于大云物移智等互聯網技術在國內外電力系統的應用現狀，討論泛在電力物聯網的發展趨勢及區域電網公司的綜合能源服務模式。首先提出泛在電力物聯網下能源互聯網的整體架構，從可再生能源消納與多能互補、配電網規劃與運營、負荷預測和需求響應等方面梳理了電力大數據技術在電力系統源網荷儲環節的應用；在此基礎上從綜合能源供給與綜合服務兩方面構建未來區域電網公司的綜合能源服務體系；討論未來區域電網公司向能源互聯網企業轉型的演化路徑并提出需要進一步深入研究的問題，以期為電網公司在泛在電力物聯網建設與綜合能源服務轉型兩方面提供理論參考。

1 能源互聯網的功能架構

能源互聯網以泛在電力物聯網與堅強智能電網為物理基礎，兼容傳統電網，充分利用分布式可再生能源發電、微電網、儲能等技術，融合大數據、云計算、人工智能等互聯網技術，滿足用戶多樣化的綜合能源消費需求，并為其提供一個公共的能源市場交易與信息共享平臺。能源互聯網的整體功能架構見圖1。

圖1 能源互聯網的功能架構

1.1 分布式可再生能源

可再生能源是能源互聯網的主要能量供應來源。分布式可再生電源數量龐大、單個體量小、布局分散，發電具有間歇性和波動性，其大規模并網將打破相對靜態的傳統電力生產，使電力生產的管理和計量變得日趨復雜。

依托泛在電力物聯網，構建分布式可再生能源預測框架，采用云計算、大數據等技術，可預估區域分布式可再生能源發電容量；結合深度學習等具有處理海量數據能力的算法，充分利用泛在電力物聯網采集的廣泛、實時、高密度數據，挖掘可再生能源發電的波動特性和關鍵影響因素，提高預測精度[8]。在此基礎上，電網公司可優化火電、燃氣發電、風電、光伏、儲能等各類能源資源的時空互補配置，保障電力系統經濟穩定運行。

1.2 配電網規劃運營

在傳統的配電網規劃中，由于數據源或數據分析不足，網架優化面臨許多不確定性，理論上優化的結果往往與實際之間存在較大差異[9]。基于大數據的配電網規劃方法利用豐富的數據信息，如歷史電力數據、工業數據、經濟數據、市政數據和環境數據等，將用電預測結果、城市綜合體發展趨勢以及用戶用電行為特征等與網架結構數據綜合分析，降低網架優化的不確定性，提高優化效率。

基于對泛在電力物聯網的智能終端設備采集得到的配電網運行數據的處理和分析，電網公司可構建信息共享平臺，打破公司內部各部門的數據壁壘，實現配電網運行的實時監控；結合大數據分析與電力系統模型，可對配電網進行故障診斷和預測，為電網安全、可靠、經濟、高效地運行提供保障。

1.3負荷預測與需求響應

通過智能終端設備對用戶或企業用電數據進行采集，對用戶用能習慣、行為模式等個性化特點進行分析，建立基于大數據的用戶用電預測模型，得到更高精度、更時間細粒度的預測結果，有利于源荷協同調度的實現。在此基礎上，區域電網公司可結合用戶能效水平和用電行為特征等數據為用戶訂制智能化用電方案，挖掘節電潛力，降低用戶購電成本；與終端用戶互動，提高負荷需求響應與配電網削峰填谷的能力。

電動汽車以及儲能等新型設備的廣泛接入也促進了大數據技術的應用。以電動汽車為例，通過大數據技術深度挖掘其充放電特性，優化電動汽車充電站的規劃建設[10]，設計兼顧充電地點、充電時間、交通流量及用戶滿意度的充放電優化策略，從而能最大程度地挖掘電動汽車的靈活性和儲能潛力。

2 未來電網公司的綜合能源服務體系

能源互聯網下的綜合能源服務是一種新型的為滿足客戶多元化能源生產與消費的服務方式，能夠極大地促進一、二次能源的聯動、轉化，實現能源資源的合理優化配置，是實現能源轉型的必由之路[11]。綜合能源服務包含兩層含義，即綜合能源供給和綜合能源服務。對于電網公司而言，由單一售電模式轉為電、氣、冷、熱等的多元化能源供應和多樣化增值服務模式。

2.1 綜合能源供給

綜合能源供給以綜合能源系統為基礎。綜合能源系統(Integrated Energy System,IES)即在傳統供能，包括電力、燃氣、熱、冷供給的基礎上，整合可再生能源、氫能和儲能設備等，通過天然氣冷熱電聯供、分布式能源和智能微網等方式，實現多能協同供應和能源綜合梯級利用，從而提高能源系統效率的一種新型的能源供給系統。IES的能量耦合和流動特性見圖2。

圖2 綜合能源系統能量耦合和流動特性

綜合能源系統具有下述特點[12]：

1)多能優勢互補。通過冷、熱、電聯產的方式，降低能源供給損耗。

2)促進可再生能源消納。可再生能源發電接入電力系統遭遇系統運行約束問題時，相對于棄風、棄光，可通過熱、氣儲能的方式實現電力存儲，從而最大限度地利用可再生資源。

3)提高能源供給效率、降低終端用戶能源費用。多能源系統間的協調控制，可以提高系統的靈活性和適應性，使系統元件運行于技術和經濟的優化狀態，提高能源利用效率，同時降低用戶能源費用。

綜合能源系統是能源互聯網的主要承載形式，既為多元能源耦合利用提供了平臺，又使用戶多樣化的能源需求成為可能[13]。

2.2 綜合能源服務模式

自我國開放售電業務以來，售電公司數量和市場交易電量快速增加，用戶選擇性不斷提高，市場主體更為多元、市場競爭也更為激烈。這要求電網企業轉變服務理念與經營方式，發展綜合能源服務，以應對越來越大的市場份額流失壓力。

綜合能源服務模式主要包括：

1)能源銷售服務。包括以購售差價為主要收益來源的電、氣、熱、冷等能源銷售服務，以及用戶側管網運維、綠色能源采購、智慧用能管理、信貸金融服務等深度能源服務。綜合能源服務商可依據用戶負荷特性和用能理念的差異性，為其量身訂制經濟合理的套餐式用能方案或折扣模式，以提高自身的市場競爭力。

2)分布式能源服務。利用區域內的風、光等一次能源，建設運營分布式風電、光伏電源；根據區域內用戶電、熱等多能源需求，以及天然氣、煤炭等一次能源價格與利用條件，建設、運營分布式熱電聯產能源站；深入分析區域內用戶能源生產與消納特點，建設、運營余熱發電、余壓發電、余氣發電等能源回收利用項目，節約能源，創造價值。

3)節能減排及需求響應服務。指工業和建筑的節能改造及需求響應服務等。典型業務包括照明節能、屋頂光伏改造以及代理簽訂需求響應協議等基礎服務，以及調控空調、電動汽車等柔性負荷參與容量市場、輔助服務市場、可中斷負荷項目等深度服務[14]。

綜合能源服務商應根據自身能力、當地政策、市場競爭環境等因素，分階段、有選擇地開發和實施各類綜合能源服務模式。

3 未來電網公司的發展路徑與關鍵問題

3.1 發展路徑

電網公司由傳統電網企業向能源互聯網企業轉型，需要完成泛在電力物聯網及綜合能源服務模式兩方面的建設，具體可劃分為探索期、發展期、成熟期三個階段。

1)探索期。該階段需要初步建成泛在電力物聯網，實現基礎電力業務的協同和數據互通；打造電力業務綜合服務平臺，發揮電網公司的平臺作用，提供多樣化的電力增值服務。

2)發展期。該階段需要強化云、大、物、移等互聯網技術與電網的融合，建成泛在電力物聯網；選取典型區域，開展綜合能源系統仿真，建設綜合能源服務示范工程，形成可推廣的綜合能源服務模式。

3)成熟期。該階段電網公司應結合泛在電力物聯網等相關技術應用，開拓綜合能源服務市場，打造能源流與信息流融合的綜合能源系統，實現向能源互聯網企業轉型。

3.2 關鍵問題

當前泛在電力物聯網研究和綜合能源服務正處于起步階段，在建設發展過程中可能會面臨以下問題：

1)數據接口標準。電力大數據的互聯互通是泛在電力物聯網的核心。為了實現電力系統源、網、荷以及服務平臺的信息交互，標準化的數據互聯接口必不可少[15]。不同種類裝置的通信協議需要相互兼容，避免造成信息交互壁壘。

2)市場交易規則。電力市場是綜合能源服務市場的重要組成部分。通過建立完善的電力市場交易機制，可充分發揮市場調節的作用，合理引導資本投資泛在電力物聯網、可再生能源以及增量配網項目；省間電力交易機制的制定，可打破區域交易壁壘，促進信息互通；輔助服務市場的制定，可將電力輔助服務市場化、商品化，方便其納入綜合能源服務體系。

3)商業服務模式。電網公司作為保底供電企業，掌握著大量的電力數據及相關客戶數據、設備數據，擁有龐大的電網專業人員團隊以及雄厚的財務資本，是未來業務發展的核心競爭資源。隨著電力零售市場競爭的不斷深化，電網公司應充分發揮自身技術、資源和品牌優勢，轉變原有的經營理念，探索綜合能源服務商業模式，提高自身的市場競爭力。

4 未來電網發展的管理

4.1 增強配電網的風險管控意識，提高配電網的資產管理水平

風險評估和資產管理已成為世界各地配電公司進行各項業務的基本指導原則。配電公司的一系列投資決策，需能夠恰到好處地平衡成本和性能之間的關系，以便提高資產管理水平。配電公司在決策過程中，需充分考慮風險因素，即需要逐漸增強風險管控意識。

應從全局、方向、戰略高度制定風險管控的規章制度，針對未來可再生能源高滲透率的發展背景，開展風險管理與控制機制、能源管理與調度策略、數據與信息管理系統的重點研究，改變傳統確定性N-1實用安全導則的過于保守、嚴苛的風險管控策略，采用協調成本與可靠性的不確定風險管控策略，不僅考慮用戶停電、設備損壞的風險，更要考慮相關事件對安全、環境以及公司的聲譽等無形的風險。應結合不同地區的可再生能源種類與特點和具體的負荷情況，采用不確定的風險管控手段，合理分析開發集中式或分布式可再生能源的極限容量，并配置部分提高運行控制靈活性的可控資源；超前引導、部署分布式能源的發展策略和發展規模，并在過程中提高風險的管控水平，形成穩定可靠且控制手段靈活的配電網結構。

健全配網資產管理體制，采用概率性風險分析的資產管理決策手段，采用大數據技術對歷史數據進行深度挖掘和分析，考慮所有可能的配網系統狀態及其相關概率，評估配網系統約束越限的風險。根據情況的嚴重程度計算系統約束越限時的后果，采用自定義“風險對策”或是專家庫指導資產管理措施的實施。針對配網規劃及運行過程中的薄弱環節采取一定的預防措施，尋找成本、性能和風險之間的平衡點，促進電網投資精益化水平提升。

4.2 提高設備智能化水平，推進直流配電和微網的建設

在自主技術創新和提升核心競爭力方面下大力氣，開發同等容量占地面積更小、成本更低的設備裝置，降低配網設備對土地的需求，滿足快速增長的負荷需求和電能質量要求。

在可再生能源并網、主動配電網技術、適應可再生能源接入的智能調度運行等方面，圍繞分布式可再生能源滲透率的逐步提高，大力推進控制設備的智能化，增加配電網中大規模儲能裝置和靜態無功補償器的優化配置，提高控制設備對潮流的控制能力和對電壓的穩定能力，爭取做到控制設備對分布式電源的智能解列和并網，減小由于集成大量可再生能源引起的電壓、頻率波動。

開展新一代大容量、高電壓電力電子器件的材料研發和關鍵工藝技術研究，提高直流斷路器和直流保護設備的質量并降低其成本，大力推進柔性直流配電技術的國產化。在部分供電可靠性較低的地區，大力推進分布式交直流微電網建設，推動可再生能源就近高效利用。

4.3 開展大數據背景下配電網的不確定規劃，提高規劃的成本效益

圍繞智能配電網和主動配電網的發展，開發新型配電網仿真和規劃輔助工具，以配電系統運行的安全性、可靠性以及供電質量為依據，對負荷和分布式電源出力的建模從確定性建模轉變為更精確的不確定性建模，在評估傳統電網建設方案和智能電網建設方案優缺點的同時，為形成主動配網管理運行策略和在電網規劃決策中考慮主動配網要素提供有價值的參考依據。

開發統一的云平臺和統一的數據庫，提出統一的開發框架、公共服務化及微應用的技術路線，大力發展大數據平臺，形成產研用一體化的運作體系，承擔“大云物移”新技術研究應用和大數據分析一體化輔助服務的職責，針對配電網可靠性投資的敏感性進行定量分析，定量計算網架結構優化、設備水平提升、配電自動化水平提升、不停電作業水平提升等四類措施實施前后縮短單位停電時間的投資需求。積極開展基于大數據的配網規劃，考慮可能出現的風險、量測和控制手段變化以及規劃模型的經濟性，采用負荷和DG出力的概率模型來模擬風險，通過合適的概率密度函數來描述未來發電和需求的不確定性，另外采用概率潮流計算方法，在模型中用由期望值及其概率分布組成的潮流計算結果來計算概率風險的切負荷代價，考慮大概率事件以及小概率大損失事件對規劃不同程度的影響，通過靈活性資源的合理配置可以顯著改善電力系統的運行效率，提高智能配電網規劃的成本效益。

4.4 促進電網物理系統與信息系統相融合，提高電網智能化水平

基于全場景的信息采集與靈活應用，促進電網物理系統與信息系統相融合，提高電網一次系統與二次系統在功能方面的協調度；促進電網連續過程與離散過程相融合，基于連續與離散的內在聯系，在建模、分析、控制等各方面提高自主感知、采集傳輸、計算處理、協同交互等能力。

在多元異構數據的采集部分，提高智能電表的普及率，實現一次設備、控制終端、多級控制器互通，兼容多種通信協議、信息模型，滿足裝置“即插即用”需求，能準確傳遞、識別信息流，依據功能和通信資源優化信息路徑和信息內容，充分考慮電網協調控制與優化分析需要。

在多元異構數據的傳輸部分，采用廣義的信息與通信技術，并基于智能電表的載波通信技術和基于IPV6的快速傳輸技術，避免基于遠程終端單元的雙向通信系統的高成本和通信延遲，及其對完整性和自動化操作序列可靠性所帶來的破破壞，提高多元異構數據的傳輸效率。

在多元異構數據的存儲部分，采用分散和虛擬存儲的方式，構建標準的、可共享的，并可持續更新的數據倉儲，確保存儲網絡的運行狀態、網絡資產狀況，保障相關的所有系統同步訪問到最新信息，實現未來用戶對電網運行控制數據和實時電價信息的了解。

在潮流計算部分，考慮分布式電源出力和負荷的不確定性，采用連續潮流計算替代單個時間斷面的潮流計算，采用分布式潮流計算替代集中式潮流計算，采用隨機潮流計算替代確定性潮流計算，提高電網潮流計算的準確性和對不確定風險的感知能力。

在狀態估計部分，考慮信息系統與物理系統間的交互作用影響，采用連續狀態估計替代單個時間斷面的狀態估計，采用分布式狀態估計替代集中式狀態估計，采用多量測融合的狀態估計替代基于SCADA量測的狀態估計，提高電網態勢感知的敏感度和細致度。

4.5 推進智慧城市的綜合能源規劃與實踐，提高城市能源利用效率

積極開展智慧城市綜合資源規劃的研究與實踐工作，通過能源互聯網將發電設備、電網設備和用戶進行互聯，通過信息互聯網進行設備和裝置的實時信息交換，實現橫向電源互補，縱向源網荷協調，提高系統總體經濟效益，同時保證供需實時平衡，維護系統安全穩定運行。

大力推進多種能源的協調運行和協同優化，發揮不同能源系統在不同規模跨度、不同時間尺度、不同控制手段、不同儲能特性等方面各自的優勢和潛力，豐富可再生能源消納途徑，擴大可再生能源消納空間，促進可再生能源極限消納。

4.6 利用多種科技創新協同攻關，提高電網的彈性和韌性。

利用多種科技創新和多樣管理方式協同攻關技術難題，努力做到四個既要和四個又要，實現電網彈性和韌性的極大提高。

既要投入改造電網的自動化和信息化程度，又要綜合利用有功功率和無功功率協調優化控制、需求側響應、分布式儲能系統調節和網絡重構等技術手段，考慮控制系統和電力系統相互依賴的關系，提高電網實時調控的速度、精度和管理決策的能力，共同確保電網安全、優化運行。

既要優化調整電網的結構和運行方式，又要注重電氣設備的性能改進和功能創新，在大力推進柔性交直流配電網建設的同時，提高電力電子設備的傳輸效率和傳輸容量；在不斷提高電氣設備性能的同時，降低其建設投運成本，不斷革新電氣設備的功能，使其具有更加豐富的功能。

既要積極開展新材料的研發，又要重視具備自適應功能的電力設備、保護設備和其他新技術的研發，在大力研究高效、低成本新材料的同時，提高基于電力電子設備的保護與控制水平，提高電力設備和保護設備的響應速度和精度，共同提高電網的可靠性。

既要加強信息通信技術的應用，又要注重發展電力系統的協調計算分析技術，考慮信息通信網絡和協調計算仿真相互依賴的關系，采用分布式云平臺和集中式云平臺的協同手段以及邊緣計算的方式，利用數據挖掘技術從實時海量多元異構數據中提取有效信息，提升未來電網的準確、快速、靈活的管理決策能力，有效提高供電恢復率、減小停電損失，提升電網運行效益。