數字電網的概念、特征與架構

汪際峰，吳小辰，林火華，梁錦照，宋禹飛

（1. 中國南方電網有限責任公司，廣州 510663；2. 南方電網數字電網集團有限公司，廣州 510670）

0 引言

隨著科學技術的發展，數字技術已成為驅動人類文明進步的主要力量。數字化作為當今世界最顯著的特征之一，對社會產生極其廣泛而深遠的影響［1-2］。數字技術推動社會生產力發生了質的飛躍，生產資料、生產對象及生產者三位一體的數字化變革深刻影響著經濟社會的各個層面，對人們的生產方式、生活方式乃至思維方式帶來顛覆性的影響，各行業紛紛加速推動數字化轉型，發展數字經濟，數字化的新模式和新業態層出不窮。

電網系統是典型的社會信息物理系統［3］，由物理系統、業務系統、信息系統構成，信息系統作為物理系統與業務系統的橋梁，對電網全環節及生產經營活動全過程產生深刻影響。隨著數字技術的發展進步及其與電網融合程度的加深，信息系統信息處理能力不斷躍升，全面促進物理系統與業務系統的聯系，形成更為有機的整體，賦能電網發生了根本性變化，電網整體的功能和效率達到了新高度、新水平，實現由量變到質變的飛躍，電網呈現出顯著的數字化特征，電網發展進入數字電網時代［4-6］。數字電網將以“算力+電力”支撐電網安全、可靠、綠色、高效運行，促進電網企業數字化運營，帶動電網產業鏈升級，并逐步形成連接政府、電力產業上下游、用戶等相關方的能源產業新形態［7］。

本文深入研究物理系統、業務系統、信息系統相互作用的機理，研究提出“人的活動π 模型”，并分析了電網數字化演進過程，構建了數字電網理論模型，進而提出數字電網概念、主要特征及總體架構，為數字電網研究奠定了堅實的理論基礎。

1 數字電網理論基礎

1.1 人的活動π模型

人的活動涉及三大基本要素：人、活動對象、信息。如圖1 所示，人的活動過程可抽象為人的活動π 模型。人是活動主體，人與活動對象之間的交互需要以信息作為橋梁，信息成為人與活動對象之間的關鍵媒介［8-10］。頻繁的信息交互促進人對活動對象的認知程度持續加深，作為客體的活動對象逐漸由不確定狀態轉化為確定狀態，信息在人們認識并改造世界中發揮至關重要的作用。

圖1 人的活動π模型Fig. 1 π model of human activities

1.2 社會活動擴展π模型

社會活動是人的活動的擴展。人作為活動主體，在社會活動中結成社會群體，隨著其活動范圍的不斷拓寬，活動對象逐步組合形成復雜的物理系統，社會系統與物理系統的交互的信息量逐步增大，形成越來越復雜的信息系統［11］。信息系統搭建了社會系統與物理系統的橋梁，成為社會活動過程中不可或缺的組成部分［12-13］。如圖2 所示，社會活動擴展π模型由3個系統組成。

圖2 社會活動擴展π模型Fig. 2 Extended π model of social activities

隨著物理系統及社會系統規模的不斷擴大，其復雜程度不斷提高，客觀上要求信息系統對物理系統、社會系統的信息處理能力大幅提升。隨著數字技術的發展進步，信息處理能力不斷躍升，3 個系統發展成為具有復雜結構、綜合性和集成性更強的有機整體［14］。

1.3 電網擴展π模型

電網作為當今世界上規模最大的社會物理信息系統之一，是經濟社會發展的重要基礎。電網生產經營活動是社會活動在電網領域的投射，其活動過程與特征符合社會活動擴展π 模型［3］，可應用電網擴展π 模型對其基本構成及發展過程進行分析，如圖3所示。

圖3 電網擴展π模型Fig. 3 Extended π model of the grid

其中，電網的物理系統由電網設備及設備間的連接構成，包括發電、輸電、變電、配電、用電等環節，其作用是實現電能傳輸與配送［15-21］。電網業務系統由支撐電網物理系統運營的各類業務構成，包括電網規劃、設計、建設、調度、運行、營銷、人財物管理等業務環節；在經濟社會層面，業務系統將拓展為電網企業與政府、能源價值鏈上下游、能源生態系統的廣泛聯系和協作。電網信息系統在電網的物理系統、業務系統的運行與發展中形成，通過連接物理系統與業務系統，實現對信息的采集、傳輸、存儲和計算，實現電網全環節及生產經營全過程在數字空間的孿生映射。隨著數字技術的規模化應用，信息系統逐步發展為具備大規模算力的信息大機器，在電網系統的發展中發揮越來越關鍵的作用。

2 數字電網的概念與特征

2.1 電網數字化演進歷程

縱觀電網發展歷程，從信息系統發展的角度看，大致可分為3個階段。

1） 傳統信息系統支撐電網發展階段。在電網發展早期，信息處理方式主要以手工工具為主，信息主要為模擬信號，如電力系統早期的繼電保護功能，實現了初步的自動化，這一階段的主要特點是信息處理效率低、速度慢、精度差、能力弱。

2） 數字系統支撐電網發展階段。20 世紀70 年代，單體軟件開始在電力系統得到應用，電網開始應用計算機作為信息處理工具，信息逐步數字化，但數字信息普遍具有分散、局部、離線等特征。隨著數字技術從單機應用逐步向計算機網絡應用發展，電網企業信息系統從離線系統向在線系統發展，信息系統與物理系統、業務系統的互動不斷增強，電力系統自動化水平和生產運營效率大幅提升［3］。

3） 以信息大機器支撐的電網發展階段。隨著數字技術發展進步，信息系統與電力系統的深度融合，逐步形成以電網為基礎的具備特大規模數字化服務能力的融合型基礎設施，電網信息處理進入大機器時代［3］，信息大機器的特征是具備大范圍信息感知能力、高速傳輸能力、巨量數據存儲能力、強大的信息交換共享能力、快速的計算分析能力和實時精準的調控能力。

2.2 數字電網的概念

與單體軟件應用階段的電網比較，數字電網在電網局部數字化基礎上基于互聯網拓展電網數字信息在物理系統、業務系統以及信息系統之間的交換、共享、處理能力［22-23］。信息系統、物理系統與業務系統在互聯網上結合成信息處理、信息交換以及信息共享的有機整體，使數字電網應用打破區域性的瓶頸，得到大范圍規模化的拓展，賦能電網信息處理水平跨越式提升［24-26］。

總的來說，數字電網在物理系統信息、業務系統信息全面數字化的基礎上充分發揮信息大機器的作用，支撐電網安全、可靠、綠色、高效運行，推動電網企業生產經營管理效率與質量提升，并成為能源互聯網、工業互聯網的關鍵紐帶，有力推動電網技術革新、電網企業轉型升級和能源產業變革，優化全社會能源配置，促進能源可持續發展，助力國家治理體系和治理能力現代化建設，成為數字經濟和數字中國建設的重要組成部分。

2.3 數字電網主要特征

如圖4 所示，數字電網是電網發展的新階段，對比單體軟件應用階段的電網，數字電網具備如下4個主要特征。

圖4 數字電網的主要特征Fig. 4 The main features of the digital grid

1） 物理系統信息全面數字化。物理系統包括發電、輸電、變電、配電、用電等環節，物理系統信息的數字化是應用傳感器等裝置，通過物聯網實現對物理系統各環節設備數字信息的全面采集。

2） 業務系統信息全面數字化。業務系統包括電網規劃、工程建設、調度交易、電網運維、安全生產、市場營銷等業務信息，業務信息逐步延伸至電網企業與政府、能源價值鏈上下游等相關方產生的跨界業務聯系和協作。業務系統數字化是對電網業務活動產生的數字信息進行全面采集。

3） 物理系統和業務系統數字信息全面在線。在物理系統及業務系統信息數字化的基礎上，以信息系統實現信息全面實時動態處理，促進物理系統和業務系統建立更緊密的聯系，支撐物理系統、業務系統數字化信息的交互融合。電力數據全面反映了電網物理系統的形態與運行特征，提升電網企業生產經營活動全過程的可測、可觀及可控水平，促進電網業務創新，繁榮電力數字經濟與生態。

4） 數字信息賦能。以先進數字技術提升信息分析處理效率與質量以及信息交換與共享能力。一方面，促進物理系統優化重構，賦能電網安全、可靠、綠色、高效運行；另一方面，促進業務系統創新重塑，賦能企業業務流程再造和組織架構優化，科學提升電網企業生產、經營、管理的效率與質量。通過數字信息賦能，物理系統、業務系統更為強大，涵蓋物理系統、業務系統、信息系統三部分的電網整體功能更為完備，電網效率和質量大幅提升。

3 數字電網的架構

如圖5 所示，數字電網體系架構遵循電網π 擴展模型，由物理系統、業務系統和信息系統構成。

圖5 數字電網體系架構示意圖Fig. 5 Schematic diagram of digital grid architecture

物理系統由數字化電力設備及其聯系構成，包括設備本體信息、實時信息和環境信息等；業務系統由各類業務及其流程構成，包括業務組織、業務對象、業務流程、業務規則等各類信息；信息系統是聯系物理系統和業務系統的紐帶，其利用數字技術對終端感知的數據進行采集、傳輸，存儲、分析計算及仿真優化，并賦能物理系統及業務系統優化重構。

3.1 物理系統架構

物理系統具備全面感知電力設備狀態的能力，可實時獲取設備數據并實現設備間數據的高速傳輸。電網物理系統感知范圍包括電網設備及設備所處的外部環境，主要依靠兩類傳感器完成，分別是設備類傳感器和環境類傳感器。設備類傳感器覆蓋電網生產各環節，包括電壓電流傳感器、紅外傳感器、攝像機、遙感衛星、智能用電設備等；環境類傳感器主要對電網運行的外部環境進行監測，包括溫度、濕度、覆冰監測、綜合氣象監測等傳感器。終端采集的運行數據可通過邊緣計算設備就地完成快速處理，并將重要信息上傳至云端，形成電力設備大數據，通過對物理系統數據的分析、挖掘，支撐電網各類生產、運營決策［27-28］，物理系統架構如圖6所示。

圖6 物理系統架構Fig. 6 Physical system architecture

3.2 業務系統架構

數字電網業務系統主要由業務層、業務信息層構成，如圖7所示。

圖7 業務系統架構Fig. 7 Business system architecture

數字電網業務系統涵蓋電力企業生產經營活動全過程，包括電網規劃、電網建設、調度交易、電網運維、安全生產、市場營銷、人財物管理、黨政工團管理等部分。業務信息包括業務主體、業務對象、業務狀態、業務環境、業務規則等各類信息。多源異構、海量的信息在信息系統進行存儲與交互，可利用人工智能等先進數字技術提升對內、對外業務信息分析處理的深度、廣度、速度與精度［29］。

3.3 信息系統架構

信息系統通過對物理系統與業務系統的連接，以信息作為橋梁，實現電網活動主體與活動對象的交互。信息系統由數據傳輸層、數據處理層、數據應用層構成，如圖8所示。

圖8 信息系統架構Fig. 8 Information system architecture

數據傳輸層由通信網絡、邊緣計算等設備等構成，光纖、WLAN、蜂窩無線、NB-IoT 等異構、融合的通信網絡架構，承擔著數據采集、傳輸等任務。傳輸層從云端集中向“云管邊端”一體化發展，從集中式、功能單一、高耗能的信息基礎設施向分布式、功能完善、節能環保的新型融合型基礎設施演進［30］。

數據處理層對來自物理系統和業務系統的數據進行匯集，開展數據的檢測、清洗、辯識、修復、集成與融合，基于統一數據模型打通各系統數據壁壘，并對集成數據和融合數據進行進一步分析和挖掘，實現數據增值［31-33］。同時，實現對生產控制、經營管理、安全監控和公共服務等業務的全面支撐，以算力為基礎上承業務下連算元和算法，充分發揮運營管理、服務支撐、生態賦能等優勢［34-35］。

數據應用層負責向用戶提供各類系統應用功能，通過對服務進行封裝，形成最終用戶所使用的功能。根據業務領域，應用層可分為電網規劃、工程建設、調度交易、電網運維、安全生產、市場營銷、人財物管理、黨政工團管理等。

總的來說，數字電網的信息系統連接物理系統和業務系統，通過電網物理系統的數字化，電網的“神經末梢”傳感器采集海量的設備與環境數據，同時，通過業務系統數字化實現業務系統海量數據的統一歸集。信息系統連接著物理系統與業務系統，利用通信網絡將不同業務域的信息相互關聯，形成電網大數據，以數據驅動各業務域的智能高效協同，成為數字電網的“神經中樞”。

4 結語

數字技術推動了信息社會進入“大機器”信息處理時代，數字電網是以先進數字技術在電網中規模化應用后形成的電網新形態。本文提出電網擴展π模型，并分析了數字電網的總體架構，為數字電網技術研究及標準研制打下堅實的基礎。

數字電網是一項復雜的系統工程。在物理系統數字化方面，首先，應全面實現數字技術對發、輸、變、配、用全環節的覆蓋，實現數字化的規模效益；其次，在設備外特性數字化的基礎上逐步實現設備結構與元件的數字化，實現設備精確畫像，推動設備研制、設備安裝、設備運行水平的全面提升。業務系統數字化方面以數字技術賦能業務系統，促進業務流程再造與組織結構優化，推動電網企業生產經營效率與質量提升，并以數字電網為核心紐帶，促進能源系統生產、傳輸、分配、消費過程的泛化互動，支撐能源系統深度互聯和協同優化；利用數字技術拓展信息獲取范圍，提升信息處理能力，強化各利益相關方的銜接紐帶和運轉鏈條，促進跨界生態合作，構建能源生態系統。在信息系統方面，在先進的數字技術支持下，充分利用電網地理空間分布優勢，以電網設施與信息設施共建等方式，促進電力系統各環節基礎設施的高效利用，并充分利用電網企業在網絡、數據資源、算法、算力等方面的優勢，構筑具備特大規模數字化服務能力的融合型信息基礎設施，不斷提升對數字經濟和數字中國建設的基礎支撐能力。