基于云模型和突變理論的電力物聯網創新技術識別及影響分析

皮一晨，張瑋亞，賈雪楓，李存斌

(1. 國網江蘇省電力有限公司南京供電分公司，南京210008; 2. 華北電力大學 經濟與管理學院，北京102206)

0 引 言

為應對環境污染和全球資源日趨減少等問題，社會對節能減排、發展環境友好型的新能源以及建立可持續發展體系的需求日益提高?？紤]新能源發電的清潔特性，我國應將其作為能源轉換的中轉媒介，推進能源清潔化。同時，隨著電力市場化進程的不斷推進，用戶對電能可靠性和電能質量的要求也在不斷提升。安全、可靠、優質的電源供給已成為未來電網開展社會服務必備的特性。但是，由于自然資源稟賦、新能源并網和直流電網等新能源電力系統的技術問題，新能源的消納及其可靠性始終不容樂觀。因此，生態環境與可持續發展的需要與電力市場的用戶需求已經成為制約新能源電力系統發展的主要矛盾。為使電網能夠適應多種能源類型發電方式的需要和客戶的選擇需求，進一步提高電網資產利用效率和效益，大力發展智能電網已經成為國內外電力工業未來發展的共識。我國也將建設堅強智能電網與電力物聯網作為未來能源互聯網建設的基石[1]。

“電力物聯網”的建設主要實現促進非化石能源的高效轉化利用，尤其是分布式可再生能源發電資源以及儲能技術的整合[2-3]。此外，當前已經進入經濟轉型與結構調整的關鍵期，數字經濟時代的到來引導著電力產業革命的逐步推進，大數據與智能化應用將成為新一代電力產業升級的重點。智能電網應依托電力物聯網技術，利用大數據、云計算和人工智能等新興信息技術提高電網的互動性，增加用戶需求響應[4-5]?？梢灶A見，在“電力物聯網”環境下，極有可能會出現具有顛覆性影響的創新技術，從而改變電網公司的商業運營模式。

顛覆性創新技術是指由于新技術給公司帶來的新的消費范式的變化，從而逐漸蠶食已有市場，并最終取代傳統運營模式地位的技術[6]。未來“電力物聯網”環境下，該類創新技術的應用將逐漸改變智能電網的商務運營模式。該文認為，電網公司應采取積極的風險措施應對可預見的創新技術，避免企業由于該類創新技術帶來的顛覆性影響導致戰略決策失誤。未來環境下，電網企業需要對可預見的顛覆性創新技術采取積極的應對措施，定制相應的對策，逐漸改變自身的服務流程及目標，及時轉換企業的商務模式。因此，電網企業亟需一套科學性強、解釋度高、推導嚴謹的顛覆性創新技術識別算法，并對算法所得結果進行影響分析，從而使自身在智能化時代的“電力物聯網”建設中取得先機。為解決這一問題，采用云模型和突變理論識別了電網企業的顛覆性創新技術，著重分析了該類技術對電網企業商業模式的影響，最終提出了應對政策和建議，以期使電網企業能夠加速推進智能化發展的進程。

1 基礎理論

1.1 云模型

1.1.1 云模型定義

云模型能夠依靠結構算法實現指標的定量與定性間相互轉換。云模型能夠反映事物的不確定性和模糊隨機性[7-8]。一個典型的正態云模型如圖1所示。

圖1 云C(50,3.93，0.1)Fig.1 Cloud C(50,3.93，0.1)

定義1 設論域U=U{x}由精確數組成，T為語義值組成的集合，與U相對應。UT(X)是U中元素X是T中定性概念的隸屬度，它具有較為穩定的傾向。隸屬云為隸屬度在論域上的分布，簡稱為云[9]。

u∶U→[0,1],?x∈Ux→u(x)

(1)

云模型的期望值Ex、熵En、超熵He，(Ex,En,He)，可以反映云模型的數字特征。Ex是最能表示定性概念的數值，是論域的中心。En既能反映論域中能被語義值接收的范圍(模糊性)，也可以表示語義值的概率(隨機性)。He為熵的熵，反映了論域空間中所有點的不確定度的凝聚性，反映了云的厚度[10]。云模型生成方法如表1所示。

表1 云模型生成方法Table 1 Generation methods of cloud model

1.1.2 語義評價值轉化為云模型

專家的有效論域為[Xmin,Xmax]，專家的語義標度為n，可以形成n朵云來表示語義評價值。根據實際評估識別情況，將語義標度設為7，采用黃金分割法生成相對應的5朵云，設中間云為C0(Ex0,En0,He0)，其中左右相鄰的云分別為C+1(Ex+1,En+1,He+1)，C+2(Ex+2,En+2,He+2)，C+3(Ex+3,En+3,He+3)，C-1(Ex-1,En-1,He-1)，C-2(Ex-2,En-2,He-2)，C-3(Ex-3,En-3,He-3)。根據公式(2)～(4)可求得7朵云的特征，如表1所示[8]。

(2)

(3)

(4)

1.2 突變理論

突變理論是1972年針對自然界中突變不連續現象，結合拓撲學、奇點理論和穩定性數學理論提出的一種理論模型，該模型主要研究某個系統從一種穩定狀態躍遷到另一種穩定狀態的現象和規律，其中系統所處的每個狀態都是用一組參數進行描述的，且當某個狀態下函數的取值唯一，則標志著系統處于穩定狀態[11]。當函數值不唯一，其中的參數必在某個范圍內進行變化，則說明系統處于不穩定狀態，且這種不穩定狀態必然會隨著參數的變化進入一種穩定的狀態，從而引發出系統的突變[12]。因此，該理論也曾被視為是混沌理論的一部分。

在突變理論中，系統中各狀態臨界點是通過勢函數V(x)進行分類的，每一個勢函數V(x)表征狀態變量和控制變量的關系。對勢函數求導所得V′(x)是平衡曲面方程。V′(x)為零的點的集合稱為平衡曲面M，它能夠全面描述系統突變的全過程。繼續求導得V″(x)為分歧集。V″(x)能夠反映狀態變量和控制變量間的分解形式。由V′(x)=0,V″(x)=0消去x可得突變系統的分歧方程。根據結果可將奇點突變類型分為其中7種：折疊突變、尖點突變、燕尾突變、蝴蝶突變、橢圓臍突變、雙曲臍點突變、拋物臍點突變等。該文對常用的前5種突變模型的特征進行簡介，其具體內容如表2所示[12-13]。

表2 狀態變量為1的前5種突變模型Table 2 The first five mutation models when state variable is 1

在表2中：x為狀態變量，表示系統行為狀態；系數a,b,c,d,…分別為各狀態變量的控制變量，表示系統內部相互作用、相互影響的各種因素，且4個控制變量的重要性是依次遞減；勢函數V(x)是表示系統中各狀態變量和控制變量之間的關系；歸一化公式是用來求解各控制變量的突變值，又稱作突變級數。

2 基于云模型和突變理論的智能電網環境下重點創新技術識別過程

按照2014年版的國家電網公司提出的15類技術領域的新技術中[14]，聘請相關專家從商業模式影響的角度上進行具體分析，取專家意見最多的語義值作為相應結果，如表3所示。

表3 國家電網公司總結的新技術種類分析表Table 3 Analysis table of new technology types summarized by State Grid Corporation of China

為了從上述的15類技術中篩選出具有重點創新技術特征的相關技術，對上述的15類技術首先進行歸類，形成如下的層次分類表，并且聘請5位專家(E1，E2，E3，E4，E5)按照對電網企業運營模式的影響程度對相關技術進行評價，評價取值為{“非常高”，“高”，“較高”，“一般”，“較低”，“低”，“非常低”}，對應的符號為{EH,H,VH,M,VL,L,EL}，評價結果如表4所示。

表4 電網中新技術的層次分類表Table 4 Hierarchical classification of new technologies in power grid

2.1 評價數據處理

設有效論域為[1,7]，應用云模型將每個專家評價的語義值分別轉化為精確數值。根據表2中的方法生成7朵云模型{C+3,C+2,C+1,C0,C-1,C-2,C-3}與語義值一一對應。取最能反映云朵特征的期望值Ex作為評價結果[15]。5位專家的評價結果的云朵特征如表5所示，由于篇幅限制僅給出R1的5項技術。

表5 專家評價的云朵特征(R1)Table 5 Cloud characteristics evaluated by experts (R1)

2.2 語義值歸一化

若為成本型指標利用公式(5)將專家評價的數據進行歸一化處理，若為利潤型指標則引用公式(6)。歸一化結果如表6所示。

表6 歸一化后的云朵特征(R1)Table 6 Cloud characteristics after normalization(R1)

x′=(xmax-x)/(xmax-xmin)

(5)

x′=(x-xmin)/(xmax-xmin)

(6)

2.3 重點創新技術篩選

經過計算后可以得出每層指標的突變值，結合各層的突變值進行計算，可得最終的每個指標突變值的計算結果，具體計算結果如表7所示。取最終計算結果超過0.8的作為顛覆性創新技術，可以得到：新能源發電及并網技術、電力系統自動化技術、電力企業信息集成技術,屬于顛覆性創新技術。

表7 指標的突變值計算結果Table 7 Calculation results of abrupt change value for indexes

3 重點創新技術的影響分析和成果轉化策略

3.1 影響分析

3.1.1 新能源發電及并網技術

大規模新能源發電及并網將使得發電單元由集中式向分布式和集群式的微網發展。在“三型兩網”環境下，電網將作為終端能源利用的有效載體，承擔著多種能源，尤其是可再生能源的轉化、利用、傳輸和儲存的職能。新能源發電及并網技術將向著規?；?、高效化、靈活化、成熟化的方向發展。該技術勢必會促進微網的進一步發展，然而微網自身優勢也會對電網運營模式產生一定的影響。首先，由于發電資源與電力需求之間的資源分布稟賦，分布式新能源電站既需要存在具有小范圍自給自足的模式，也需要在供大于求時能夠并網向其他需求側供電，作為潛在的供應商出現[16]。其次，微網具有一定的自控制特性，可以自主決定與主網的并網或解離。微網能夠借助此特性選擇恰當的運行模式，提升自身的運營收益。第三，微網能夠通過需求響應機制改變區域用電的傳統模式，更改負荷曲線的趨勢[17-18]，從而增加新能源發電的消納量。但是，一旦微網運行策略決斷出現失誤，則會造成棄風棄光現象的產生，大幅削減微網運營收益。因此，以上三點決定了新能源發電及并網催生的微網是電網運營模式的一個挑戰。

成熟的新能源發電及并網技術會促進電力市場信息化與智能化的構建。隨著新能源發電技術的不斷發展，新能源電站將逐步具備調壓、調頻、阻尼控制等主動調節功能，具有與常規電源類似的并網特性。新能源并網過程中勢必會產生跨省區的新能源電力傳輸，催生新能源電力交易，擴展原有電力市場的交易模式。為實現該類交易的自動化進行，電力市場應借助信息化的手段構建適宜的交易規則、輔助服務和新能源調度等內容。區域化、網格化的用電負荷與新能源出力預測將成為輔助服務中負荷預測的發展方向。集群電站和送受端協調控制發展將成為新能源的調度運行的重點難點。因此，由新能源發電及并網技術所完善的電力市場將是電網運營模式的一個挑戰。

新能源發電及并網技術會加速儲能技術的發展。雖然需求響應能夠增加新能源消納量，但是依然不能解決自然資源過剩時的棄風棄光現象。而儲能技術的廣泛使用，將會為供給和高峰需求提供一定的延時可能，改變“電能無法儲存”這一固有思路。儲能系統可對新能源的發電起到緩沖作用[19]，例如風力資源往往在用電低谷時最為豐富，導致風電資源不能很好地被消納，而儲能系統的特點可以將風電延時到用電高峰時使用。根據該特性，未來的發電側將儲能系統以“虛擬電廠”作為電力市場交易實體，根據經濟性考慮儲能系統的充放電過程[20]。因此，由新能源并網及發電技術所促進的儲能系統將會是電網運營模式的另一個挑戰。

3.1.2 電力系統自動化技術

電力系統自動化技術將促進智能調度的發展。在智能調度的環境下，當前的單電源、輻射式的壟斷電網配送結構將會向多電源、網格狀、能源路徑可選擇的能源互聯網方向發展[21]。未來的電力系統自動化將實現實時電力市場以及電能、輔助服務、輸電權等多商品的靈活交易，用戶可以通過調度自動化技術以及變電站自動化技術實現設備選網的即插即用和需求相關的輔助決策策略。電網的運營模式將更加靈活，潛在的競爭商將會出現。因此，電力系統自動化所催生的靈活的運營模式與潛在競爭力會挑戰電網目前的在位優勢地位。

電力系統自動化技術將實現電力物聯網的建設。電力系統的實時智能化調度需要在無故障風險的基礎上進行，依賴于電力物聯網中智能感知網絡的支持。智能感知網絡能夠實時監測電力系統各個節點的數據，并能預警潛在風險。物聯網協議與多模混合組網技術融合可確保數據傳輸的可靠性、時效性和準確性，實現智能感知網絡[22]。因此，如何轉化與應用電力物聯網的成果會是電網運營模式的一個挑戰。

3.1.3 電力企業信息集成技術

電力企業信息集成將通過大數據或云計算等技術引領配用電一體化和智能化發展。通過信息技術的集成以及電力市場化改革逐步深入，電網將改變自身的營銷模式，由被動滿足電力客戶需求轉變為主動關注客戶需求并提供服務方面發展。通過與大數據、云計算等計算機通信技術充分結合，電網企業服務逐步向智能化、網絡化、個性化、定制化的方向發展。未來的電網企業營銷模式將以大數據深度挖掘為基礎，實現信息的采集、互動、監控、運營和維護等功能高效集成的一體化運營。如何構建一套支持數據共享、算法科學和計算快速的大數據分析平臺將成為電網企業信息集成的新挑戰。

電力企業信息集成能夠將物理層的實時數據與信息層的數據挖掘算法融合。電網的信息物理融合是電力企業信息集成技術的發展基礎，大數據和云計算均依托于電網信息物理融合系統所提供的數據與信息。它要求多元設備、異構網絡和實時共享的可靠性與時效性[23]，應實現多源數據融合功能，是電力企業信息集成技術的重中之重。因此電網信息物理融合系統中的算法設計將會對電力企業信息集成技術帶來強大的挑戰。

3.2 應對策略建議

針對上述的重點創新技術的影響分析，電網公司應對上述技術的策略建議如下：

1)進行以技術為主導的業務管制改革，支持非電網直屬科研機構創新，開展科研機構和電網企業聯合創新技術合作模式。對于新技術相關的業務，精心進行業務選擇，發揮非管制業務對管制業務的支持作用。非管制業務發展的目的是克服管制業務的政策局限性，以及國網現有體制運轉的慣性。主要有以下三點：

一是推進公司產業鏈延伸。牢牢把握智能電網發展機遇，利用公司技術和市場優勢向上游設備制造業、新能源開發、下游用戶普遍服務等領域延伸，為電網發展提供技術和服務支撐。

二是實施“產學研”結合戰略。扶植具有前瞻性的創新技術第三方非直屬科研機構或生產機構研發，進行科技研發聯盟，發展多元化的實體業務，打造新的利潤增長點，實現“產學研”的科學合理融合。

三是依托科技創新，實施藍海戰略。加大科研投入力度，關注清潔能源發展方向，圍繞特高壓電網建設和智能電網發展趨勢，超前謀劃、跨越現有競爭邊界，通過價值創造開創新的市場領域。

2)借助企業優勢，扶持科研成果落地。借助企業科研成果成功轉化的經驗，建立孵化專家組參與指導成果轉化的全過程。由于產品市場的局限性，市場只會關注投資少、見效快的產品與技術，而科研成果的孵化與市場目標相悖。因此，市場對科研成果的理解具有片面性與局限性。只有把科研成果產品化與規模化，做出有實體、可應用、能盈利的商品，才可以有效跟市場對接。產品化的過程是科技成果轉化中風險最大的環節，由于無法確定市場的接受程度，極有可能造成資金浪費。孵化專家組具有以往成功轉化的經驗，可以對產品化涉及的技術、工藝、設備、市場、法務等各環節進行專業性指導，有效地提升產品化效率，控制成本，減少風險。

借助企業資金優勢，支持高校與科研院所的研發后續工作。部分高校與科研院所的科研課題僅為了初步實驗結果而訂立，項目資金無法支持實驗結果的后續研究，這一現象導致了項目的終止與夭折。因此，針對孵化專家組認可的科研項目，電網企業應扶持該類項目成果，進行以市場與用戶體驗為導向的后續研究，包括提供生產設備、市場調研和相關服務的資金與人力等方面的支持。因此，電網企業可以借助資金優勢，將科研成果與市場緊密相連，加速項目研究進程，提高成果轉化的效率。

3)堅持電網發展與體制機制創新協調推進。積極推進公司體制機制創新。從變革組織架構、轉變管理模式、再造業務流程入手，加快消除制約“兩個轉變”的深層次體制機制障礙。在穩步推進試點的基礎上，積極調整電網企業的組織流程，推動組織架構向扁平化、專業化方向發展；研究互聯網+下的企業靈活特性，積極研究智能電網條件下業務管理體制的變革與完善，最終實現國網公司改革與發展的協調、有序推進。

4 結 論

1)根據云模型和突變理論，識別分析了電網企業的重點創新技術，指出了可能對電網公司運營模式影響的重點創新技術為：新能源發電及并網技術、電力系統自動化技術和電力企業信息集成技術。

2)針對該類技術，分別從微網并網、海上風電與儲能設備參與電力市場交易三方面探討了新能源發電并網技術對電網公司運營模式的影響；從智能調度與電力物聯網兩方面探討了電力系統自動化技術的影響；從配電網分析決策與信息物理融合兩方面探討了電力企業信息集成技術的影響。

3)綜合多方影響，分別從成果共享、轉化扶持和企業機制創新三方面，提供了以成果轉化為核心，從多維度促進技術落地的重點創新技術應對策略，以期企業能應對創新技術帶來的挑戰與機遇。