泛在電力物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展與展望

趙萌萌， 唐平舟， 孫 堃,2， 成潤坤,2， 陳廣娟

(1.華北電力大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，北京 102206； 2.華北電力大學(xué) 智慧能源研究所，北京 102206； 3.山西電力交易中心，山西 太原 030021)

0 引 言

近年來，煤炭、石油等非清潔能源所引發(fā)的環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，可再生能源高比例接入電網(wǎng)，對電網(wǎng)安全運行提出了巨大的挑戰(zhàn)[1]。同時，海量的電力數(shù)據(jù)尚未被挖掘利用，未發(fā)揮出其潛在的價值[2]。因此，在電力系統(tǒng)中引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可有效整合電力系統(tǒng)中海量的數(shù)據(jù)信息，提高電網(wǎng)信息化水平、保證其安全運行。

針對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電力領(lǐng)域的應(yīng)用，各國均開展了一系列的研究，但研究的側(cè)重點各不相同。其中，我國重點研究物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與智能電網(wǎng)的深度融合。于是在2019年，國家電網(wǎng)提出建設(shè)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的新構(gòu)想。與此同時，國內(nèi)外學(xué)者對泛在電力物聯(lián)網(wǎng)也進(jìn)行了初步的探索。文獻(xiàn)[3]探索了5G通信技術(shù)在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用。文獻(xiàn)[4]介紹了基于低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)及性能。文獻(xiàn)[5]對泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討。文獻(xiàn)[6]為泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的實施方案提出了建議。

此外，為清晰了解泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展?fàn)顩r，利用Web of Science和中國知網(wǎng)兩大數(shù)據(jù)庫對泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行檢索。在Web of Science上以“Internet of thing”和“Grid”為主題進(jìn)行精確檢索。檢索結(jié)果顯示，國內(nèi)外在電力物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的研究逐年增加，如圖1所示。研究最多的國家為中國，其次為美國，然后為印度、意大利、韓國、英國等國家，主要的研究方向為計算機科學(xué)、工程、電信、能源燃料、數(shù)學(xué)、通信、自動控制系統(tǒng)、儀器儀表等，如圖2所示。

圖1 國內(nèi)外相關(guān)論文發(fā)表數(shù)量Fig.1 Number of papers published at home and abroad

圖2 國內(nèi)外電力物聯(lián)網(wǎng)的研究現(xiàn)狀Fig.2 Research status of Power Internet of Things at home and abroad

在中國知網(wǎng)上以“泛在電力物聯(lián)網(wǎng)”為主題進(jìn)行精確檢索。檢索結(jié)果顯示，國內(nèi)學(xué)者對泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的研究主要集中在電力物聯(lián)網(wǎng)、能源互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、堅強智能電網(wǎng)、能源服務(wù)、智能電網(wǎng)、電力系統(tǒng)和數(shù)據(jù)共享等領(lǐng)域，如圖3所示。自泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的概念提出以來，相關(guān)論文數(shù)量急速增加，如圖4所示。

圖3 國內(nèi)對泛在電力物聯(lián)網(wǎng)主要集中領(lǐng)域 Fig.3 Major areas of Power Internet of Things in China

圖4 國內(nèi)有關(guān)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的論文發(fā)表數(shù)量Fig.4 Number of papers published on Ubiquitous Power Internet of Things in China

綜上可知，有關(guān)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的研究呈逐年增長的態(tài)勢。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)受到了廣泛的關(guān)注，已成為當(dāng)下社會各界聚焦的熱點。總體而言，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)對能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)具有重要的支撐作用。一方面，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)可提高新能源發(fā)電占比，促進(jìn)我國能源結(jié)構(gòu)變革。另一方面，可保障能源安全，實現(xiàn)源網(wǎng)荷儲的智能優(yōu)化與協(xié)同。此外，還能實現(xiàn)用戶與電網(wǎng)的實時互動，提升用戶的用能體驗與獲得感。而目前有關(guān)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的研究成果較為匱乏。為向后續(xù)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的深入研究提供有益的參考，本文側(cè)重對國內(nèi)現(xiàn)階段泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的研究狀況進(jìn)行總結(jié)，歸納其基本概念和體系架構(gòu)，討論其中涉及的關(guān)鍵技術(shù)，介紹泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場景，分析商業(yè)模式，總結(jié)建設(shè)過程中的問題并展望其今后的發(fā)展方向。

1 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)概述

1.1 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的概念

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)是充分利用一系列現(xiàn)代信息技術(shù)和先進(jìn)通信技術(shù)，實現(xiàn)電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)萬物互聯(lián)、人機交互的智慧服務(wù)系統(tǒng)[7]，如圖5所示。通俗地說，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)是將所有與電力相關(guān)的實物相連而形成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，是物聯(lián)網(wǎng)在電力行業(yè)的應(yīng)用落地。

圖5 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)Fig.5 Ubiquitous Power Internet of Things

1.2 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如同其他形式的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層和應(yīng)用層4層，其中平臺層為整個系統(tǒng)的核心[8],如圖6所示。

圖6 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)Fig.6 Architecture of Ubiquitous Power Internet of Things

2 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的信息技術(shù)

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)是對海量的電力信息進(jìn)行挖掘，以滿足用戶對能源的多種需求。故建設(shè)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)需要多項信息技術(shù)做支撐。信息技術(shù)主要包括信息感知、傳輸、處理分析與安全技術(shù)[9]，如圖7所示。

圖7 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的信息技術(shù)Fig.7 Information technology of Ubiquitous Power Internet of Things

2.1 信息感知技術(shù)

實現(xiàn)信息感知是構(gòu)建泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的首要任務(wù)，需將各種傳感設(shè)備部署于電力系統(tǒng)中的指定區(qū)域，以對不同的人或物進(jìn)行實時感知。

由于電力系統(tǒng)規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故安裝的傳感設(shè)備需要具備低成本、低功耗和高度集成化的特性[10]。目前，應(yīng)用于電力系統(tǒng)的傳感設(shè)備多種多樣，輸電方面主要有環(huán)境微氣象傳感器[11]、導(dǎo)線溫度傳感器[12]等。環(huán)境微氣象傳感器可監(jiān)測輸電架空線路周圍的天氣情況，并可將監(jiān)測到的氣象數(shù)據(jù)以及變化情況通過網(wǎng)絡(luò)實時傳送到中心監(jiān)控分析系統(tǒng)，幫助管理人員及時應(yīng)對異常情況。導(dǎo)線溫度傳感器可在線測量輸電線路導(dǎo)線的溫度，傳感器終端運用微功耗技術(shù)，電池采用鋰亞電池。鋰亞電池自消耗低、壽命長且耐高溫，與微功耗技術(shù)相結(jié)合，可有效解決終端單元取電問題。配電方面主要有電壓測量傳感器[13]。電壓測量傳感器不僅可以測量低壓配電線路的電能質(zhì)量信號，還可以對低壓電力設(shè)備進(jìn)行防盜預(yù)警。

此外，傳感設(shè)備數(shù)量之多且應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜，其電池不便頻繁更換，因此在傳感設(shè)備的研發(fā)中，需考慮高效的電源管理技術(shù)[14]。而一般主要通過提高電池能效和優(yōu)化供電方式兩個方面對電源進(jìn)行有效的管理。一方面，可通過優(yōu)化傳感設(shè)備網(wǎng)絡(luò)的路由來提升電池能效。例如文獻(xiàn)[15]提出的配電無線傳感網(wǎng)絡(luò)的能量均衡路由算法，可解決傳輸節(jié)點能量消耗不均而導(dǎo)致的低能效問題。文獻(xiàn)[16]提出的基于LEACH的改進(jìn)路由算法，可有助于選擇更合理的簇頭節(jié)點，從而提高電池能耗。另一方面，可通過無線充電技術(shù)和無線電能傳輸技術(shù)來優(yōu)化供電方式。在一定距離內(nèi)，利用無線充電技術(shù)和無線電能傳輸技術(shù)可直接或間接地完成電能供應(yīng)和傳輸。其中，無線電能傳輸技術(shù)還包括電感耦合技術(shù)、電磁輻射技術(shù)以及磁耦合諧振技術(shù)等。

2.2 信息傳輸技術(shù)

信息的傳遞是泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)功能，如圖8所示。當(dāng)前泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的信息傳輸技術(shù)可分為有線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。有線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)主要包括電力載波通信等，無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)包括5G[17]、低功耗廣域網(wǎng)(LPMA)[18,19]和紫峰無線網(wǎng)絡(luò)(Zig-Bee)[20]等。

圖8 信息傳輸技術(shù)Fig.8 Information transmission technology

電力載波通信作為泛在電力物聯(lián)網(wǎng)今后研究的工作重點，是一種以電力線為傳輸媒介的通信方式[21]。為保證傳輸過程的可靠性，提高電力載波通信的線路覆蓋率，文獻(xiàn)[22]提出一種基于正交頻分復(fù)用技術(shù)的多頻帶自適應(yīng)技術(shù)，可在一定跨頻帶范圍內(nèi)，自適應(yīng)地選擇合適的工作頻率和通信帶寬。此外，電力載波通信的接收端通路存在噪聲也是影響傳輸質(zhì)量的一大因素，文獻(xiàn)[23]提出基于分?jǐn)?shù)階傅里葉變換限波的噪聲干擾規(guī)避設(shè)計，有效地避免了載波通信接收端的噪聲信號影響。

而在現(xiàn)實情況下，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中的信息具有分布廣，分散性強的特點，傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)難以適用。因此泛在電力物聯(lián)網(wǎng)通信的主要手段將是以無線為主的現(xiàn)代通信技術(shù)[4]。其中，5G被視為泛在電力物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的基礎(chǔ)，將廣泛應(yīng)用于萬物互聯(lián)、精準(zhǔn)控制、海量量測、寬帶通信、高效計算等方面[3]。而依托5G和衛(wèi)星形成的信息傳輸系統(tǒng)也將是實現(xiàn)泛在網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵力量。LPWA 以其覆蓋范圍廣、傳輸速度低等優(yōu)點，主要適用于高度分散的小數(shù)據(jù)[24]。而ZigBee因其功耗低、成本低、易于組網(wǎng)等特點，成為短距離電力物聯(lián)網(wǎng)傳輸技術(shù)發(fā)展的主線[25]。此外，一些人工智能技術(shù)也為提高通信傳輸效率，保證傳輸質(zhì)量做出了巨大貢獻(xiàn)[26]。

海量電力信息的傳遞不僅需要先進(jìn)的傳輸方式，還需要一體化的通信網(wǎng)絡(luò)，故需解決差異化信息的互操作性問題。針對此問題，研究學(xué)者展開了相關(guān)研究。其中一些學(xué)者通過創(chuàng)新算法解決差異化信息的傳輸問題。文獻(xiàn)[27]設(shè)計了一種新型多模式節(jié)點，可進(jìn)行專網(wǎng)與公網(wǎng)技術(shù)的多模式通信，實現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)類型的多模式切換。文獻(xiàn)[28]提出了一種針對電力物聯(lián)網(wǎng)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)接入場景的統(tǒng)一化服務(wù)質(zhì)量保障方法。與此同時，部分學(xué)者則通過構(gòu)建統(tǒng)一的信息模型，實現(xiàn)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)平臺的信息交互。文獻(xiàn)[29]指出為使平臺外部接口保持一致，保證信息傳輸?shù)暮唵窝杆?，?yīng)在平臺層建立標(biāo)準(zhǔn)的信息模型，通過統(tǒng)一的通信協(xié)議向應(yīng)用層提供統(tǒng)一的服務(wù)。文獻(xiàn)[30]建立了一種通過對接入的傳感層設(shè)備信息進(jìn)行規(guī)范化處理的信息接入規(guī)范，可使接入信息在網(wǎng)絡(luò)層中以統(tǒng)一的信息模型進(jìn)行交互。

2.3 信息處理分析技術(shù)

有效的信息處理技術(shù)可將泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為有價值的信息。有效的信息處理分析技術(shù)包括大數(shù)據(jù)處理、云端計算和人工智能技術(shù)等。而這些信息分析技術(shù)也被應(yīng)用于輸變電、配用電和智能電網(wǎng)等領(lǐng)域。

在輸變電方面，利用大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù)，對各類輸變電設(shè)備的生產(chǎn)信息進(jìn)行處理，以實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)的智能監(jiān)測和實時診斷。文獻(xiàn)[31]基于隨機矩陣?yán)碚?，處理分析與交直流輸電通道線損率相關(guān)的信息，從而找出線損率與狀態(tài)量及不同通道的線損率三者之間的關(guān)聯(lián)特性，為降低線損率提供建議。在配用電方面，利用配用電大數(shù)據(jù)處理分析，可對配電網(wǎng)進(jìn)行精益化管理。文獻(xiàn)[32]基于大量的配用電數(shù)據(jù)，提出了一種隨機矩陣相關(guān)性算法，此方法可分析用戶用電的行為，幫助電網(wǎng)企業(yè)引導(dǎo)用戶用電行為。文獻(xiàn)[33]基于云計算平臺和并行k-means聚類算法對智能小區(qū)的居民用電行為進(jìn)行分析。在智能電網(wǎng)方面，依托海量的電網(wǎng)運維和管理數(shù)據(jù)，對有關(guān)電網(wǎng)設(shè)備狀態(tài)的信息集成與分析進(jìn)行研究，可促進(jìn)電網(wǎng)智能化。文獻(xiàn)[34-36]構(gòu)建了智能電網(wǎng)監(jiān)控運行大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，實現(xiàn)電網(wǎng)監(jiān)控運行全過程信息的處理分析。文獻(xiàn)[37]介紹了對電力系統(tǒng)進(jìn)行高性能在線分析計算的現(xiàn)狀，并探討了協(xié)同計算的關(guān)鍵技術(shù)，如分配映射機制、分解協(xié)調(diào)計算服務(wù)、模塊服務(wù)接口化以及數(shù)據(jù)交互規(guī)范等。

2.4 信息安全技術(shù)

眾所周知，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)涉及海量的數(shù)據(jù)信息，而信息的安全問題與人民利益和國家安全緊密相關(guān)[6]。故在這些海量信息的復(fù)雜流動下，研發(fā)有效的可保障信息安全的技術(shù)至關(guān)重要。文獻(xiàn)[38]采用面向攻擊的配電網(wǎng)區(qū)域業(yè)務(wù)恢復(fù)方法保證配電網(wǎng)安全運行。文獻(xiàn)[39]深入分析了電力物聯(lián)網(wǎng)各個層次的安全隱患，提出相應(yīng)的安全防護(hù)措施，并提出將來可引入量子安全傳輸技術(shù)以保障電網(wǎng)的安全運行。文獻(xiàn)[40]從加密技術(shù)、認(rèn)證技術(shù)、入侵檢測與保護(hù)技術(shù)3個方面提出了電力物聯(lián)網(wǎng)的安全防護(hù)技術(shù)。在電力物聯(lián)網(wǎng)加密技術(shù)方面，建議電力企業(yè)應(yīng)采用分布式RFID詢問-應(yīng)答認(rèn)證協(xié)議作為RFID的安全協(xié)議；在認(rèn)證技術(shù)方面，認(rèn)為電力大型物聯(lián)網(wǎng)更適合分布式的、點對點的域認(rèn)證方式；在入侵檢測與保護(hù)技術(shù)方面，建議使用分布式入侵檢測和保護(hù)手段來防護(hù)電力系統(tǒng)。文獻(xiàn)[41]基于NB-IoT技術(shù)研究了感知層、傳輸層、應(yīng)用層的安全問題及應(yīng)對策略。同時提出了面向電力業(yè)務(wù)的跨層安全框架。

未來泛在電力物聯(lián)網(wǎng)將不斷接入大量的新設(shè)備，而這些設(shè)備具有多樣性、異構(gòu)性及動態(tài)變化的特點，導(dǎo)致設(shè)備信息在采集、傳輸、處理過程中的安全隱患日益突出[42]。為保證泛在網(wǎng)絡(luò)的安全，對精準(zhǔn)的信息安全技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新研發(fā)刻不容緩。

3 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場景

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)具有廣闊的應(yīng)用場景。本文重點探索其在發(fā)電、輸電、用電等領(lǐng)域的應(yīng)用。以發(fā)電領(lǐng)域的虛擬電廠，輸電領(lǐng)域的輸電巡檢系統(tǒng)，用電領(lǐng)域的新型智能電表計量體系為例。

(1)虛擬電廠

如何高效調(diào)節(jié)各臺調(diào)峰機組、各類儲能設(shè)備以及各種用電設(shè)備的負(fù)荷一直是電力行業(yè)關(guān)注的焦點。而虛擬電廠概念的提出使問題的解決有了眉目，如圖9所示。虛擬電廠通過先進(jìn)的控制、計量、通信等技術(shù)聚合不同類型的分布式能源，并通過先進(jìn)的調(diào)度算法實現(xiàn)各種分布式能源的協(xié)調(diào)優(yōu)化運行，從而實現(xiàn)對分布式能源并網(wǎng)的監(jiān)管[43]。虛擬電廠不僅能促進(jìn)發(fā)電量和用電量的平衡，還有助于保障未來電力市場交易的穩(wěn)定運行。

圖9 虛擬電廠Fig.9 Virtual power plant

隨著虛擬電廠參與主體的數(shù)據(jù)信息的大幅增長，主站存儲能力不足、信息處理堵塞等問題接踵而來。為解決此問題，可基于邊緣計算技術(shù)，充分利用用戶側(cè)智能終端，實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理邊緣化，減輕虛擬電廠中央節(jié)點的壓力，并有效提高虛擬電廠的可擴(kuò)展性和響應(yīng)速度。例如，可運用機器學(xué)習(xí)相關(guān)算法實現(xiàn)數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)本地化，在虛擬電廠進(jìn)行決策時，無需上傳全部原始數(shù)據(jù)，只需選擇性地傳輸學(xué)習(xí)結(jié)果的特征即可，從而降低通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸壓力。隨著售電側(cè)的放開，在保證數(shù)據(jù)安全隱私防護(hù)的前提下，可結(jié)合邊緣計算與區(qū)塊鏈，實現(xiàn)虛擬電廠交易邊緣化。

此外，區(qū)塊鏈技術(shù)也可在虛擬電廠中發(fā)揮重要作用。區(qū)塊鏈可為虛擬電廠提供公開透明、高效安全的交易平臺。區(qū)塊鏈具有時序存儲特性，可存儲每筆交易記錄的交易方和傳遞路徑等信息，以至于存儲在平臺上的數(shù)據(jù)均可追溯及可驗證，從而降低了數(shù)據(jù)丟失及被攻擊的風(fēng)險。而區(qū)塊鏈的去中心化特性可幫助虛擬電廠實現(xiàn)新的商業(yè)模式。虛擬電廠中的每個節(jié)點都可充當(dāng)能源生產(chǎn)者和消費者，無需通過第三方組織或中央管理機構(gòu)，直接通過對等網(wǎng)絡(luò)參與能源交易。交易完成后，可自動生成智能合約，以實現(xiàn)資源更為主動高效的利用。此外，運用非對稱密碼學(xué)的加密算法，可使數(shù)據(jù)不被篡改和偽造，保證交易數(shù)據(jù)的安全可靠，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互過程中的去信任化。

(2)輸電巡檢系統(tǒng)

隨著電網(wǎng)規(guī)模越來越大，輸電線路越來越復(fù)雜，輸電巡檢工作量猛增，傳統(tǒng)的人工巡檢方式已難以滿足輸電巡檢的要求[44]。無人機巡檢和巡檢機器人巡檢應(yīng)運而生，可替代巡檢人員完成輸電線路的巡檢工作。

在無人機巡檢方面，基于載波相位差分定位技術(shù)，制定輸電線路多旋翼無人機智能巡檢方法。此方法首先由巡檢人員操控?zé)o人機進(jìn)行線路巡檢和線路記憶，再從記憶的巡檢航跡中提取重要的地理信息，以此制定巡檢線路的無人機巡檢方案。最后沿設(shè)定的軌跡進(jìn)行無人機巡航，并在規(guī)定的軌跡控制點以預(yù)設(shè)角度進(jìn)行航拍，實現(xiàn)流程化和標(biāo)準(zhǔn)化的無人機巡航。此方法不受強電磁場環(huán)境的干擾，可快速準(zhǔn)確地完成巡檢任務(wù)[45，46]。與此同時，冀北電力已自主研發(fā)并應(yīng)用了無人機巡檢技術(shù)，其構(gòu)建了一個智能巡檢管控平臺，由無人機進(jìn)行指揮、控制和維護(hù)。同時，引入人工智能技術(shù)，實現(xiàn)了工作全程無人機化，最大程度地優(yōu)化了現(xiàn)場作業(yè)效能，為實現(xiàn)智能巡檢奠定了基礎(chǔ)。

在智能巡檢機器人方面，文獻(xiàn)[47]研制了一種軌道式智能巡檢機器人系統(tǒng)，系統(tǒng)由機器人本體、通信配電系統(tǒng)、軌道系統(tǒng)、綜合監(jiān)控平臺系統(tǒng)四部分構(gòu)成。機器人本體包括行走機構(gòu)、升降機構(gòu)及檢測單元。該智能巡檢機器人可實現(xiàn)視頻圖像監(jiān)控、儀表讀數(shù)識別、紅外熱成像溫度檢測、局部放電檢測定位、管廊內(nèi)環(huán)境監(jiān)測等功能。而巡檢人員可通過多種客戶端軟件對其進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。

(3)新型智能電表計量體系

電能計量裝置的準(zhǔn)確性始終是社會關(guān)注的熱門話題。隨著泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的深入推進(jìn)，國網(wǎng)探索構(gòu)建了面向用戶側(cè)的新型智能計量體系。新型智能計量體系可統(tǒng)一終端標(biāo)準(zhǔn)，采集不同結(jié)構(gòu)的同源數(shù)據(jù)，深度覆蓋配、用電側(cè)的采集監(jiān)控，提升終端智能化和邊緣計算水平。

在實際應(yīng)用中，智能電能表需要采集大量用戶側(cè)的數(shù)據(jù)，其中不可避免地會存在異常數(shù)據(jù)[48]。如何找到并剔除這些數(shù)據(jù)，獲得準(zhǔn)確的用戶負(fù)荷信息對新型智能電表計量體系落地應(yīng)用至關(guān)重要[49]。基于機器學(xué)習(xí)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)異常數(shù)據(jù)檢測方法可提高智能電能表測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。另外，新型智能電表計量體系需要保證計量信息的安全性。文獻(xiàn)[50]提出采用智能小區(qū)結(jié)合區(qū)域管理中心的計量模式來保證計量信息的安全。文獻(xiàn)[51]從模式保護(hù)的角度出發(fā)，對原始用戶的消費數(shù)據(jù)進(jìn)行延時重組，以破壞電表記錄的功耗數(shù)據(jù)波形，從而模糊用戶行為模式，提高智能電表信息的隱私安全性。

未來智能電能表將采用模組化設(shè)計，擁有相對獨立的兩種芯片，即計量芯和管理芯，包括通信模塊和業(yè)務(wù)應(yīng)用模塊，具有較強的兼容性和擴(kuò)展性。

4 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的商業(yè)模式

隨著新一輪電力體制改革的深入推進(jìn)，電力企業(yè)對電力供應(yīng)的壟斷地位被打破。傳統(tǒng)電網(wǎng)的商業(yè)模式即通過買電和賣電賺取電費價差，已經(jīng)不能適應(yīng)電力市場新環(huán)境的要求。同時，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及人民生活水平的提高，用戶的用電需求越來越多樣，用戶對電力服務(wù)的要求也越來越高，傳統(tǒng)電網(wǎng)的商業(yè)模式已難以為繼。電網(wǎng)企業(yè)亟需積極致力于創(chuàng)新發(fā)展，建立適應(yīng)售電市場競爭環(huán)境和泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的創(chuàng)新商業(yè)模式。

4.1 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建參考

國外電力公司的商業(yè)模式可為泛在電力物聯(lián)網(wǎng)商業(yè)模式的構(gòu)建提供一定的參考。美國AutoGrid公司通過基于電力大數(shù)據(jù)建立的能源數(shù)據(jù)云平臺采集和處理客戶接入智能電網(wǎng)的數(shù)據(jù)；通過建立的需求響應(yīng)優(yōu)化及管理系統(tǒng)獲取用電客戶的能量消耗情況，以此預(yù)測用電量，最后結(jié)合電價實現(xiàn)需求側(cè)響應(yīng)并生成相應(yīng)的分析報告[52]。同時，需求響應(yīng)優(yōu)化及管理系統(tǒng)也可為電網(wǎng)運營者提供需求響應(yīng)應(yīng)對策略[53]。AutoGrid公司通過向采用其設(shè)計的用戶收費盈利。其收費模式有三種，一是根據(jù)公司為客戶處理的數(shù)據(jù)量收費；二是與采用公司提供的需求側(cè)響應(yīng)分析報告的客戶共享收益；三是向使用公司軟件的設(shè)備商收費。此外，AutoGrid公司建立的能源數(shù)據(jù)平臺的運營維護(hù)以及報告分析所需的費用隨數(shù)據(jù)的增多而增長。美國OPower公司基于大數(shù)據(jù)與云平臺為用戶提供節(jié)能方案和個性化的賬單服務(wù)。其盈利模式本質(zhì)上與AutoGrid公司其中一種盈利模式一致，即依靠向電力企業(yè)提供付費軟件盈利[54]。日本東京電力公司采取根據(jù)客戶類型制定差異化服務(wù)的策略。公司將客戶分為工商業(yè)客戶和居民客戶，針對工商業(yè)客戶，公司會根據(jù)其不同的需求提供多樣的電力服務(wù)。而針對居民客戶，公司主要考慮其舒適、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的需求，提供一系列節(jié)能服務(wù)，大力推廣高效電器產(chǎn)品。另外，東京電力公司比較注重技術(shù)的研發(fā)，設(shè)有專門的技術(shù)研發(fā)研究所。

國內(nèi)研究學(xué)者對電力企業(yè)營銷模式的研究對泛在電力物聯(lián)網(wǎng)商業(yè)模式的構(gòu)建同樣具有一定的參考價值。電力企業(yè)營銷模式的核心要素是電價，文獻(xiàn)[55]提出電網(wǎng)企業(yè)可將現(xiàn)有的主流類型的電價同時呈現(xiàn)給用戶，用戶可根據(jù)自身特點自由選擇電價模式。文獻(xiàn)[56]提出國家電網(wǎng)可利用微網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行發(fā)電，以降低成本。文獻(xiàn)[57]構(gòu)建了以社會福利最大化為目標(biāo)的電力交易模型，利用雙向拍賣機制確定電價和電量。與電力消費相關(guān)聯(lián)的各種增值服務(wù)同樣是電力企業(yè)商業(yè)模式的關(guān)鍵部分。文獻(xiàn)[58]認(rèn)為適合售電企業(yè)的創(chuàng)新增值服務(wù)主要有綜合節(jié)能增值服務(wù)、智能家居增值服務(wù)、分布式新能源服務(wù)項目等模式。文獻(xiàn)[59]提出可根據(jù)用戶的用電情況創(chuàng)建用戶畫像，然后基于用戶畫像，利用智能互動創(chuàng)新平臺對客戶進(jìn)行個性化收費服務(wù)。

4.2 未來泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的商業(yè)模式

未來泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的商業(yè)模式為關(guān)注成本的同時獲得合理收益，如圖10所示。

圖10 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的商業(yè)模式Fig.10 Business model of Ubiquitous Power Internet of Things

以共享儲能、金融服務(wù)、數(shù)據(jù)加工變現(xiàn)為例。在共享儲能方面，青海新能源企業(yè)進(jìn)行了共享儲能市場化交易。在此次交易中，儲能電站首次作為電網(wǎng)側(cè)儲能電站，納入電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)度，統(tǒng)一由電網(wǎng)側(cè)進(jìn)行調(diào)控，實施精準(zhǔn)的充放電控制，賦予電力系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)的能力。此次交易既提升了儲能電站自身利用率，還將儲能資源共享至其他參與交易的新能源企業(yè)，實現(xiàn)了新能源消納的最大化。同時，參與主體也通過市場化收益分配達(dá)到了共贏。

在金融服務(wù)方面，電力企業(yè)可充分利用自身擁有的海量電力數(shù)據(jù)，與金融機構(gòu)和融資企業(yè)展開合作，開發(fā)融合智能電力大數(shù)據(jù)和金融的服務(wù)產(chǎn)品，將電力數(shù)據(jù)商品化。在金融機構(gòu)獲得融資企業(yè)的授權(quán)下，電力企業(yè)對融資企業(yè)的用電情況進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，量化企業(yè)的運營狀態(tài)，幫助金融機構(gòu)做出正確的貸款決策。同時，電力企業(yè)通過對融資企業(yè)用電情況進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，篩選出用電誠信企業(yè)和正常運營企業(yè)，推動金融機構(gòu)加大對這些企業(yè)的支持額度，以及簡化企業(yè)的授信流程。

在數(shù)據(jù)加工變現(xiàn)方面，電力企業(yè)可與家電企業(yè)聯(lián)合。家電企業(yè)研發(fā)家電傳感器，為電力企業(yè)提供家電傳感技術(shù)幫助，在設(shè)計電器時電力企業(yè)通過用戶使用家電的電力信息分析用戶對家電的使用行為，幫助家電企業(yè)實現(xiàn)產(chǎn)品優(yōu)化，獲得市場競爭力。

此外，在構(gòu)建泛在電力物聯(lián)網(wǎng)商業(yè)模式時，電力企業(yè)可重點關(guān)注區(qū)塊鏈技術(shù)，利用區(qū)塊鏈技術(shù)可追蹤的特性，建立能源交易可信平臺及智能合約，監(jiān)管每一筆參與交易的能量流[60]。建立完整的可追溯的集發(fā)電、儲電、配電和用電于一體的交易體系，實現(xiàn)共享儲能的快速交易、清分結(jié)算。同時，利用區(qū)塊鏈技術(shù)建立包括信息系統(tǒng)、市場機制和定價機制等在內(nèi)的能源交易管理系統(tǒng)，與市場參與者的區(qū)塊鏈賬戶關(guān)聯(lián)，獲知參與者的實時需求和供應(yīng)數(shù)據(jù)。并基于這些數(shù)據(jù)，預(yù)測消費和發(fā)電量，以此制定投標(biāo)策略，使能源市場高效運行[61]。

5 結(jié)論與展望

本文主要對國內(nèi)現(xiàn)階段泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的研究進(jìn)行了全面總結(jié)。歸納了其基本概念和體系架構(gòu)，討論了其中涉及的信息技術(shù)，介紹了泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場景和商業(yè)模式。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)通過一系列物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)賦予電力系統(tǒng)新的動能，將成為國家電網(wǎng)未來發(fā)展的重要方向。但是，就目前而言，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)仍然處于初始階段，還存在很多問題。

(1)電網(wǎng)仍有很多監(jiān)測盲區(qū)。現(xiàn)階段對輸電線路的監(jiān)測只截取了部分重要的節(jié)點，其檢測水平還遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于廣域監(jiān)測；配電網(wǎng)節(jié)點較多，面積較廣，傳統(tǒng)的測量裝置由于功耗大、體積大、成本高等不足，無法全面鋪開安裝；低壓用電信息待全面打通，人物互聯(lián)技術(shù)也尚未突破，用戶參與程度較低。

(2)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)尚未進(jìn)行規(guī)定與統(tǒng)一。例如電力感知信息標(biāo)準(zhǔn)、網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、有線與無線網(wǎng)絡(luò)接入標(biāo)準(zhǔn)、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合標(biāo)準(zhǔn)、跨層數(shù)據(jù)訪問標(biāo)準(zhǔn)、電力行業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)等。

(3)海量的電力用戶數(shù)據(jù)還未得到充分的挖掘。主要原因在于數(shù)據(jù)分析智能化程度較低。而相關(guān)的用電大數(shù)據(jù)應(yīng)用建模與智能算法研究也較為匱乏。

(4)由于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)屬于競爭性業(yè)務(wù)，受到成本、管理制度等因素的制約，故如何對業(yè)務(wù)模式進(jìn)行創(chuàng)新也是今后亟待解決的重點。

未來隨著泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，傳感器技術(shù)、通信技術(shù)與數(shù)據(jù)分析處理技術(shù)等物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)將不斷迭代更新，以上問題與挑戰(zhàn)也勢必要得到解決。其發(fā)展方向也將向智慧城市、數(shù)字農(nóng)村、智慧小區(qū)、智能家居、智慧出行、智慧能源交易、用戶能效分析與管理等方面延伸。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的逐步發(fā)展也將會推動電網(wǎng)向智能電網(wǎng)、零邊際成本電網(wǎng)演化，最終促進(jìn)大眾參與和協(xié)同共享的電力產(chǎn)業(yè)升級變革。