UPIoT的主要作用和價值體現(xiàn)

0 引言

互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與新能源技術(shù)將推動新一輪能源革命［1］，智能電網(wǎng)［2］與“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)相結(jié)合成為當(dāng)前電氣工程領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)［3-5］，興起了能源互聯(lián)網(wǎng)［6-7］和泛在電力物聯(lián)網(wǎng)（ubiquitous power Internetof Things，UPIoT）［4，8-9］的概念，為智能電網(wǎng)建設(shè)拓展了更開闊的發(fā)展空間。其中，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為當(dāng)前科技領(lǐng)域的熱點(diǎn)技術(shù)，在電力領(lǐng)域中的應(yīng)用展示了充滿想象力的前景［9-12］。

根據(jù)國際電信聯(lián)盟（ITU）的定義，物聯(lián)網(wǎng)是通過二維碼識讀設(shè)備、射頻識別（RFID）裝置、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)和激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和 管 理 的 一 種 網(wǎng) 絡(luò)［13］。 國 家 電 網(wǎng) 有 限 公 司 提 出UPIoT 理念，圍繞電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)，充分應(yīng)用移動互聯(lián)、人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)、先進(jìn)通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)萬物互聯(lián)、人機(jī)交互，形成具有狀態(tài)全面感知、信息高效處理、應(yīng)用便捷靈活特征的智慧服務(wù)系統(tǒng)［8］。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，特別是智能 傳 感 器 、低 功 率 廣 域 通 信（low-power wide-areanetwork，LPWAN）、5G 以及云/邊緣計算等技術(shù)的成熟，如何建設(shè) UPIoT 引起了廣泛的關(guān)注。作為構(gòu)建透明電網(wǎng)的關(guān)鍵支撐技術(shù)［14］，小微智能傳感器是傳統(tǒng)傳感器與微處理機(jī)相結(jié)合的產(chǎn)物，具有采集、處理、交換信息的能力，因其特低功率、便于安裝、抗干擾、價格低等特點(diǎn)使智能電網(wǎng)透明化運(yùn)行成為可能。以寬帶載波、5G、LPWAN 為代表的通信技術(shù)，將引領(lǐng) UPIoT 的數(shù)據(jù)傳輸向高傳輸速率、低功耗、遠(yuǎn)距離、高可靠性等方向發(fā)展。云/邊緣計算技術(shù)有望解決高效處理海量數(shù)據(jù)的難題［15］，適應(yīng)電網(wǎng)數(shù)字化、信息化、智能化的數(shù)據(jù)處理需求。

基于此，本文探討了 UPIoT 的主要作用和價值體現(xiàn)，分析了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在發(fā)電、輸電、變電、配電和用電 5 個環(huán)節(jié)中的已有基礎(chǔ)，闡述了未來透明電網(wǎng)和零邊際成本電網(wǎng)的概念、內(nèi)涵和發(fā)展趨勢。最后，本文提出了 UPIoT 的若干技術(shù)挑戰(zhàn)。

1 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的主要作用和價值體現(xiàn)

電網(wǎng)聯(lián)系到千家萬戶的每一臺設(shè)備和電器，非常具備物聯(lián)網(wǎng)萬物互聯(lián)的物質(zhì)基礎(chǔ)?，F(xiàn)有電網(wǎng)上增加傳感測量技術(shù)、集成通信技術(shù)和高級計算控制方法，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)和智能電網(wǎng)的高度融合。

UPIoT 以信息獲取為基礎(chǔ)，注重用戶之間以及用戶與電網(wǎng)之間進(jìn)行實(shí)時連接和互動，并對海量數(shù)據(jù)信息進(jìn)行收集分析和實(shí)時高速傳輸，從而加強(qiáng)電網(wǎng)智能處理和決策支持功能。

UPIoT 的主要特征表現(xiàn)在：①無時不在、無處不在：除了電力設(shè)備外，成千上萬的電器，甚至是用戶的穿戴設(shè)備，都將通過傳感器連接到物聯(lián)網(wǎng)中，支持終端即插即用，用戶本身也是物聯(lián)網(wǎng)連接的對象之一［4］；②多種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)貫通：電網(wǎng)多種業(yè)務(wù)打破數(shù)據(jù)壁壘，各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)統(tǒng)一在大數(shù)據(jù)平臺進(jìn)行管理，為高級應(yīng)用提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)平臺支撐［16］；③高級應(yīng)用功能完善：隨著人工智能算法、大數(shù)據(jù)分析方法的成熟，應(yīng)用層將會逐漸完善功能，及時處理多種數(shù)據(jù)形成分析結(jié)果和優(yōu)化方案反饋回電網(wǎng)，保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定可靠經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；④數(shù)據(jù)呈現(xiàn)巨大效益：電網(wǎng)數(shù)據(jù)價值得到充分挖掘，既能實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)企業(yè)業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)型升級和盈利模式創(chuàng)新，又能為各種創(chuàng)新型機(jī)構(gòu)提供共享數(shù)據(jù)，促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

UPIoT 的 作 用 和 價 值 主 要 體 現(xiàn) 在 以 下 4 個方面。

1. 1 全面支撐電網(wǎng)運(yùn)行性能提升

隨著智能電網(wǎng)不斷發(fā)展，系統(tǒng)每天都在產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，對電網(wǎng)的監(jiān)控、調(diào)度和管理帶來了巨大的作用和挑戰(zhàn)。如何對電力系統(tǒng)中多種類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效分析和管理成了急需解決的問題［17］。包含每一個用戶、每一個用電設(shè)備的細(xì)顆粒度數(shù)據(jù)將使得智能電網(wǎng)完全透明化，通過大數(shù)據(jù)計算分析和可視化展示，非常便于電網(wǎng)相關(guān)人員及時洞察異常和潛在的風(fēng)險，實(shí)時準(zhǔn)確掌握電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，快速精細(xì)預(yù)測電網(wǎng)的變化趨勢；多環(huán)節(jié)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)貫通，可打通不同專業(yè)部門的數(shù)據(jù)壁壘，提高對電網(wǎng)認(rèn)知的全面性，促進(jìn)多環(huán)節(jié)業(yè)務(wù)協(xié)同進(jìn)行?？傊琔PIoT 可全方位提高電網(wǎng)運(yùn)行的安全性、可靠性、優(yōu)質(zhì)性和經(jīng)濟(jì)性。

值得一提的是，傳統(tǒng)的集中式控制模式難以滿足海量數(shù)據(jù)的傳輸處理的要求，而利用邊緣計算可降低對主站系統(tǒng)的壓力，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時性、準(zhǔn)確性和安全性，在中低壓配電網(wǎng)、微電網(wǎng)等分布式控制中具有巨大的競爭力，為電網(wǎng)企業(yè)面向內(nèi)部的管理決策提供了全新的技術(shù)手段。

1. 2 促進(jìn)與用戶互動化的智能用電

隨著中國人民生活質(zhì)量的提高，人民對供電質(zhì)量要求也越來越高，用戶側(cè)的光伏、儲能、充電樁等元素越來越多，對智能家居和智能用電的體驗(yàn)感受越來越重視［18-19］。在此背景下，傳統(tǒng)的配網(wǎng)運(yùn)行管理因缺乏必要和充分的用戶數(shù)據(jù)獲取及交互手段，難以對用戶準(zhǔn)確建模并將用戶資源納入電網(wǎng)的協(xié)同柔性控制，也無法為用戶提供更優(yōu)質(zhì)和個性化服務(wù)。

通過物聯(lián)網(wǎng)可以對用戶及配電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確的測量和態(tài)勢感知［20］，打通電網(wǎng)與用戶雙向通信的通道，引導(dǎo)用戶有序用電，提高用戶參與電網(wǎng)運(yùn)行的體驗(yàn)和收益，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與用戶的共贏。如何基于物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與用戶數(shù)據(jù)交互、資源共享，促進(jìn)智能用電服務(wù)是目前用電側(cè)需要解決的問題。

1. 3 提升分布式可再生能源消納能力

隨著分布式可再生能源在電網(wǎng)中滲透率的不斷提高，其出力的隨機(jī)性、間歇性和波動性經(jīng)過和傳統(tǒng)負(fù)荷特性的疊加，容易造成配電網(wǎng)功率和電壓的顯著波動，形成階段性過載或者過電壓風(fēng)險，對配網(wǎng)運(yùn)行控制和保護(hù)帶來了挑戰(zhàn)［21］。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，利用智能化的小微傳感器對分布式電源（distributed generation，DG）進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和態(tài)勢預(yù)測，基于配調(diào)系統(tǒng)或者臺區(qū)邊緣端對區(qū)域配電網(wǎng)或臺區(qū)以及 DG 及時進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)源網(wǎng)荷儲協(xié)作運(yùn)行，從而降低系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險，提高可再生能源分布式消納水平，促進(jìn)能源轉(zhuǎn)型升級。

1. 4 挖掘用電大數(shù)據(jù)的增量價值

隨著近兩年國家對一般工商業(yè)電價的調(diào)控到位，電網(wǎng)公司從傳統(tǒng)的售電商業(yè)模式中獲得利潤的空間和增量已經(jīng)相當(dāng)有限，挖掘用電大數(shù)據(jù)的價值成為電網(wǎng)公司業(yè)務(wù)和利潤的增長點(diǎn)。另一方面，用電大數(shù)據(jù)的商業(yè)價值一直為社會各界所關(guān)注［22］，有望為智慧城市、智能交通、智能家居、傳統(tǒng)商業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)、新能源與節(jié)能行業(yè)、互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)、咨詢行業(yè)、制 造 業(yè) 等 各 行 各 業(yè) 帶 來 重 要 的 信 息 來 源 和 決 策依據(jù)。

從 商 業(yè) 模 式 來 看 ，國 家 電 網(wǎng) 有 限 公 司 提 出 的UPIoT 的建設(shè)將搭建一個以電力供需為核心的泛在電力生態(tài)平臺。電網(wǎng)企業(yè)將在服務(wù)過程中構(gòu)建起多條服務(wù)價值鏈，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)企業(yè)與相關(guān)方的共創(chuàng)共享共贏［23］。而用電大數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)必然是配用電物聯(lián)網(wǎng)。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電網(wǎng)中的已有基礎(chǔ)

UPIoT 的概念，是基于目前電力系統(tǒng)信息化、智能化的技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢提出來的。本節(jié)從發(fā)電、輸電、變電、配電、用電 5 個方面，闡述電網(wǎng)中物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究和應(yīng)用基礎(chǔ)。

2. 1 發(fā)電領(lǐng)域

“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源的重點(diǎn)任務(wù)之一就是推動能源生產(chǎn)智慧化，提升大規(guī)模新能源的消納能力。作為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的技術(shù)基礎(chǔ)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用主要體現(xiàn)在傳感器應(yīng)用及對發(fā)電機(jī)實(shí)時狀態(tài)監(jiān)測。文獻(xiàn)［24-27］基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，構(gòu)建了發(fā)電機(jī)組遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組狀態(tài)遠(yuǎn)程在線專家診斷、故障預(yù)報、科學(xué)維護(hù)，保障機(jī)組安全運(yùn)行；文獻(xiàn)［28］設(shè)計了基于視頻監(jiān)控、RFID、GPRS 等技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控平臺，實(shí)現(xiàn)發(fā)電系統(tǒng)各類動態(tài)數(shù)據(jù)的可視化。文獻(xiàn)［29］利用 ZigBee 和嵌入式系統(tǒng)搭建微網(wǎng)分布式電源的控制系統(tǒng)，其中，ZigBee 用于短距離通信，嵌入式系統(tǒng)用于數(shù)據(jù)格式處理和通信協(xié)議轉(zhuǎn)化，控制命令由遠(yuǎn)程服務(wù)器生成并下達(dá)。

2. 2 輸電領(lǐng)域

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在輸電領(lǐng)域的應(yīng)用主要體現(xiàn)在對輸電線路狀態(tài)的監(jiān)測及線路安全檢修管控。目前，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的輸電線路監(jiān)測系統(tǒng)，根據(jù)應(yīng)用場合的不同，數(shù)據(jù)采集的方式或傳輸層的通信方式也可能不一樣。現(xiàn)有監(jiān)測系統(tǒng)往往存在運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用高、數(shù)據(jù)傳輸率低等問題。文獻(xiàn)［30］組建了基于級聯(lián)拓?fù)錈o線 Mesh 與光纖復(fù)合架空地線光傳輸耦合網(wǎng)絡(luò)，滿足輸電線路設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)帶寬、時延、可靠性和安全性要求。文獻(xiàn)［31］則采用接入網(wǎng)和匯聚網(wǎng)兩級通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行變電站和輸電線路的通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。文獻(xiàn)［32］提出扁平式通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和有線/無線雙通道異構(gòu)組網(wǎng)技術(shù)，比傳統(tǒng)方法更有效地保障了重負(fù)載網(wǎng)絡(luò)性能和網(wǎng)絡(luò)容錯能力。文獻(xiàn)［33］借鑒產(chǎn)品電子代碼設(shè)計了輸變電設(shè)備標(biāo)識碼，提高了設(shè)備之間的信息聯(lián)系交互能力和共享能力；文獻(xiàn)［34］結(jié)合 ZigBee 和GPRS 組成混合網(wǎng)絡(luò)，用來傳輸桿塔傾角、人員攀爬、導(dǎo)線拉力、桿塔振動等監(jiān)測數(shù)據(jù)，減少人工巡檢的工作量。文獻(xiàn)［35］和文獻(xiàn)［36］基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，分別針對輸電線路的弧垂、電參數(shù)與溫度構(gòu)建監(jiān)測系統(tǒng)。

2. 3 變電領(lǐng)域

物聯(lián)網(wǎng)在變電領(lǐng)域的應(yīng)用包括了變電站電氣信息、設(shè)備溫度等狀態(tài)信息和運(yùn)行操作信息的監(jiān)控預(yù)警與故障診斷等方面［37］，著力于解決變電設(shè)備狀態(tài)實(shí)時監(jiān)測、監(jiān)測裝置孤島運(yùn)行、故障診斷功能不足等問題。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)變電站監(jiān)控數(shù)據(jù)實(shí)時采集、通信和處理的有效手段［38-39］。文獻(xiàn)［40］設(shè)計了變電設(shè)備智能監(jiān)測傳感網(wǎng)絡(luò)，并基于一體化智能監(jiān)測裝置實(shí)現(xiàn)收發(fā)數(shù)據(jù)、分布式計算以及設(shè)備故障診斷和預(yù)警功能。文獻(xiàn)［41］基于視覺傳感器、信息傳輸和智能視覺分析組成智能視覺物聯(lián)網(wǎng)，將紅外圖像與可見光圖像智能識別相結(jié)合，準(zhǔn)確、實(shí)時地檢測和定位變電站設(shè)備溫度異常區(qū)域。文獻(xiàn)［42］采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研發(fā)了一套可移動、免安裝、無線化的變電設(shè)備局部放電檢測系統(tǒng)，使現(xiàn)場設(shè)備可以在不停電下進(jìn)行帶電檢測與在線監(jiān)測。此外，針對變電站避雷器 故 障 診 斷［43］和 安 全 操 作［44］的 監(jiān) 控 也 取 得 不 少成果。

2. 4 配電領(lǐng)域

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在配電領(lǐng)域的應(yīng)用包括對配電設(shè)備及其運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測、故障定位、資產(chǎn)管理。文獻(xiàn)［45］采用無線傳感器反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)（WSANs）構(gòu)建了智能電網(wǎng)的信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的可視可控。文獻(xiàn)［46］采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)建立了配網(wǎng)故障定位系統(tǒng)，相比于傳統(tǒng)故障定位系統(tǒng)，故障定位更準(zhǔn)確，性價比更高。文獻(xiàn)［47-48］將 RFID 應(yīng)用到資產(chǎn)管理工作中，提高資產(chǎn)管理水平和效率。主動地對并網(wǎng)分布式發(fā)電（DG）、儲能、充電樁、有載調(diào)壓變壓器、無功補(bǔ)償?shù)扰潆娋W(wǎng)設(shè)備的運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化與控制是主動配電網(wǎng)的主要功能［49］，而這些功能的實(shí)現(xiàn)往往依賴于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)［50］。兩者的深度融合將形成配電物聯(lián)網(wǎng)［51-53］，成為能源轉(zhuǎn)型“再電氣化”發(fā)展的新思路、新模式、新焦點(diǎn)。文獻(xiàn)［51］論述了配電物聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)涵構(gòu)想和應(yīng)用特征，提出由“云、管、邊、端”構(gòu)成的配電物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)；文獻(xiàn)［52］針對配電臺區(qū)管理存在設(shè)備多、通信基礎(chǔ)薄弱等困難，提出一種新型配電臺區(qū)應(yīng)用實(shí)踐方式、設(shè)計理念、關(guān)鍵技術(shù)節(jié)點(diǎn)和協(xié)同機(jī)制；文獻(xiàn)［53］總結(jié)了配電物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)背景下的智能終端的內(nèi)涵及基本特征，給出了智能終端硬件的基本結(jié)構(gòu)和軟件的重要組成，分析了智能終端在計算、存儲、通信等方面為配電網(wǎng)向能源互聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)型發(fā)展所帶來的變化。

2. 5 用電領(lǐng)域

物 聯(lián) 網(wǎng) 在 用 電 領(lǐng) 域 的 應(yīng) 用 主 要 涉 及 低 壓 抄表［54］、用電安全［55］、工廠智能用電［56］、智能家居［57］、智能充電［58］、智能樓宇［59］等。智能用電服務(wù)系統(tǒng)是智能電網(wǎng)建設(shè)在用戶側(cè)的重要組成部分，文獻(xiàn)［60］分別從組成架構(gòu)和信息架構(gòu)兩方面介紹了用電設(shè)備智聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)，并分析了用電設(shè)備智聯(lián)網(wǎng)這個“電力物聯(lián)網(wǎng)”的功能，異構(gòu)了電力光纖、雙絞線、現(xiàn)場總線和無線網(wǎng)絡(luò)等大容量傳輸技術(shù)，可以全方位支撐 DG、電動汽車和智能家居的應(yīng)用。中國已經(jīng)全面推廣應(yīng)用了智能電表，結(jié)合 UPIoT 的建設(shè)推進(jìn)，智能電表的超計量功能價值凸顯，智能用電的各種場景都將變得清晰。總體上看，UPIoT 是電力網(wǎng)-信息網(wǎng)-社會網(wǎng)的融合。在此階段，需要加強(qiáng) 4 個方面的研究：大范圍多設(shè)備感知能力強(qiáng)化；多業(yè)務(wù)異構(gòu)數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理平臺建設(shè)［61］，包括數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)與模型統(tǒng)一、系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)統(tǒng)一、平臺入口統(tǒng)一等；電力大數(shù)據(jù)快速分析與應(yīng)用；用電大數(shù)據(jù)安全與隱私保護(hù)及分級授權(quán)方法。

3 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展形態(tài)

隨著傳感器技術(shù)、通信技術(shù)與云/邊緣計算技術(shù)等 物 聯(lián) 網(wǎng) 關(guān) 鍵 技 術(shù) 在 智 能 電 網(wǎng) 中 的 應(yīng) 用 深 化 ，UPIoT 的形態(tài)也會逐漸演化。第 1 階段，UPIoT 基本實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的信息化和自動化，建成一系列通信信息平臺和自動化系統(tǒng)，對應(yīng)當(dāng)前智能電網(wǎng)的發(fā)展水平；第 2 階段：UPIoT 連接對象更加豐富，數(shù)據(jù)的應(yīng)用水平明顯提高，數(shù)據(jù)采集、通信與計算處理分析的效率與質(zhì)量提升，提高電力系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的可觀可測性，通過貫通不同業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，逐漸實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)透明化運(yùn)行；第 3 階段：UPIoT 加強(qiáng)用戶與電網(wǎng)交互，萬千主體在開放式平臺上參與電力生產(chǎn)與消費(fèi)，促進(jìn)電力供應(yīng)的邊際成本趨近于零，從而可能形成零邊際成本電網(wǎng)形態(tài)。

3. 1 初級形態(tài)：現(xiàn)階段智能電網(wǎng)

自 2000 年美國提出智能電網(wǎng)概念以來，多個國家興起了智能電網(wǎng)的研究和建設(shè)工作，并取得了突出的成果。中國的智能電網(wǎng)建設(shè)涵蓋了電網(wǎng)的各個環(huán)節(jié)，推廣應(yīng)用了一系列通信信息平臺和自動化系統(tǒng)［62］，電網(wǎng)的信息化和自動化水平得到了顯著的提升。盡管中國大力推進(jìn)智能電網(wǎng)建設(shè)，但仍存在著數(shù)據(jù)不貫通、終端覆蓋不足、通信不暢通、資源利用率不高等問題［63-64］。

電力和信息的雙向流動性是智能電網(wǎng)的本質(zhì)特征之一［64］，這與 UPIoT 的理念是一致的。UPIoT 的概念是基于現(xiàn)階段智能電網(wǎng)的技術(shù)背景和需求提出的。UPIoT 的工作任務(wù)是銜接智能電網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀，進(jìn)一步促進(jìn)電力網(wǎng)-信息網(wǎng)-社會網(wǎng)的融合貫通。因此，可以將現(xiàn)階段智能電網(wǎng)視為 UPIoT 的初級階段。

3. 2 高級形態(tài)：透明電網(wǎng)

李立浧院士在“2018 鹽城綠色智慧能源大會”上提出的“透明電網(wǎng)”方向，通過信息技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、電子控制技術(shù)、自動控制理論、運(yùn)籌學(xué)、人工智能、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的綜合運(yùn)用，使電網(wǎng)運(yùn)行透明、可觀可測［65］。區(qū)別于運(yùn)行數(shù)據(jù)不全和狀態(tài)難以準(zhǔn)確評估預(yù)測的傳統(tǒng)電網(wǎng)，透明電網(wǎng)是基于 UPIoT 的一種新的電網(wǎng)形態(tài)：通過對并網(wǎng)的設(shè)備及關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時采集、上傳、識別和監(jiān)控，并在配電網(wǎng)可視化平臺上集中反映，從而實(shí)現(xiàn)全數(shù)據(jù)采集、全狀態(tài)可見、全態(tài)勢預(yù)測以及全網(wǎng)絡(luò)可控的一種透明化電網(wǎng)模式。透明電網(wǎng)與 UPIoT 的概念不謀而合，其區(qū)別在于 UPIoT 強(qiáng)調(diào)的是技術(shù)路線（即泛在物聯(lián)），而透明電網(wǎng)則是強(qiáng)調(diào)最終效果（即透明）。透明電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了對電網(wǎng)數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)蘊(yùn)含意義、規(guī)律、價值的高度掌控，是 UPIoT充分發(fā)展后的結(jié)果。在透明電網(wǎng)中，每個點(diǎn)每條線的數(shù)據(jù)都可以采集，所有的電網(wǎng)狀態(tài)和設(shè)備狀態(tài)都可以獲取，整個電網(wǎng)的趨勢和任意操作的結(jié)果都可以預(yù)見。因此，本文將透明電網(wǎng)視為 UPIoT 的高級形態(tài)。

透明電網(wǎng)的主要特征表現(xiàn)在：①數(shù)據(jù)透明：電網(wǎng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)可以通過在電網(wǎng)中密集分布的傳感器廣泛收集，電網(wǎng)的資產(chǎn)信息可以通過實(shí)時更新的臺賬準(zhǔn)確獲?。虎跔顟B(tài)透明：設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)可以通過采集到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確評估，電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以清晰辨識；③態(tài)勢透明：電網(wǎng)未來的發(fā)展態(tài)勢可以準(zhǔn)確預(yù)測［66］，這為高效率解決包含源網(wǎng)荷儲充多維不確定性的智能電網(wǎng)運(yùn)行維護(hù)的安全性、可靠性具有至關(guān)重要的意義。

透明電網(wǎng)是在 UPIoT 賦能下的電網(wǎng)運(yùn)行高級形態(tài)。利用物聯(lián)網(wǎng)小微傳感器、先進(jìn)通信技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，電網(wǎng)從業(yè)人員可以理解電網(wǎng)量測數(shù)據(jù)、調(diào)控行為、市場信息等多類型數(shù)據(jù)蘊(yùn)含的意義、規(guī)律、價值，掌握從微網(wǎng)到復(fù)雜大電網(wǎng)運(yùn)行的特征與策略。

小微智能傳感器是組成透明電網(wǎng)的重要元素，其未來將要突破的瓶頸是自行實(shí)現(xiàn)能量補(bǔ)給的問題。通過節(jié)點(diǎn)內(nèi)置傳感器進(jìn)行采集和處理目標(biāo)信息的無線傳感網(wǎng)絡(luò)［67］因其具有自組織性、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，與小微智能傳感器相結(jié)合，將為物聯(lián)網(wǎng)帶來傳感、互通和驅(qū)動的高性能［68］。

5G 通信系統(tǒng)具有超高傳輸速率、超大容量帶寬、低延時、低功耗、點(diǎn)對點(diǎn)傳輸?shù)忍攸c(diǎn)［69］，使得視頻等海量數(shù)據(jù)高效傳輸成為可能，更能支撐透明電網(wǎng)的全景實(shí)現(xiàn)。但應(yīng)該重視的是，因?yàn)閿?shù)據(jù)來源急劇增加，需要特別關(guān)注信息的加密和安全防控，防范不法分子竊取重要數(shù)據(jù)、通過網(wǎng)絡(luò)攻擊惡意引發(fā)電網(wǎng)事故。

在 5G 通信技術(shù)支撐下，電力大數(shù)據(jù)［70-72］的智能分析是電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)透明化運(yùn)行的必要手段。電力系統(tǒng)發(fā)展至今，產(chǎn)生的運(yùn)行數(shù)據(jù)數(shù)量已經(jīng)超過傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方法的能力范圍，必須依靠大數(shù)據(jù)分析方法才能滿足當(dāng)前和未來電力系統(tǒng)獲取信息的需求。人工智能在電力大數(shù)據(jù)的價值挖掘中的作用不可替代，特別是大量視頻圖像數(shù)據(jù)［44，73］，離開人工智能技術(shù)應(yīng)用將只會成為電網(wǎng)運(yùn)行的負(fù)擔(dān)。此外，若將海量數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)皆贫颂幚恚瑤砭薮蟮木W(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)、存儲負(fù)擔(dān)和計算負(fù)擔(dān)。邊緣計算在業(yè)務(wù)來源就近處理數(shù)據(jù)，只將必要的少量數(shù)據(jù)上傳到云端，是一種更具有效率的計算方式。當(dāng)然，過度配置邊緣計算資源對整個系統(tǒng)而言也會造成不必要的浪費(fèi)。在整個數(shù)據(jù)處理周期內(nèi)，邊緣計算和云計算如何協(xié)同，需要深入研究資源、任務(wù)在云端和邊緣節(jié)點(diǎn)的平衡。

3. 3 遠(yuǎn)景形態(tài)：零邊際成本電網(wǎng)

《零邊際成本社會》［74］中描述：“在未來的時代，每個人都會變成產(chǎn)消者，可以更直接地在物聯(lián)網(wǎng)上生產(chǎn)并相互分享能源和實(shí)物，這種方式的邊際成本接近于零，近乎免費(fèi)”。

邊際成本可表達(dá)為：

式中：ΔC V 為可變成本的變化量；ΔQ 為產(chǎn)出的變化量?！傲氵呺H成本電網(wǎng)”的概念也是針對增量電能造成的可變成本而言的；此處的“零”，嚴(yán)格來說是指趨零，即電網(wǎng)的邊際成本趨近于零。本文為了表達(dá)簡練，采用了“零邊際成本電網(wǎng)”的寫法。綜上，零邊際成本電網(wǎng)的含義是：多生產(chǎn)、傳輸、消費(fèi)額外 1 個單位電能，引起的成本的增加趨近于零，滿足這個條件，電網(wǎng)就是“零邊際成本電網(wǎng)”。

在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的長遠(yuǎn)作用下，能源生產(chǎn)力將會有巨大的飛躍，未來智能電網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)能源的隨時接入與使用，實(shí)現(xiàn)分布式能源就近獲取和多種能源網(wǎng)融合，使用戶逐漸成為產(chǎn)消者，互聯(lián)網(wǎng)交易和共享促進(jìn)能源交易和增值服務(wù)，最終發(fā)展成為零邊際成本電網(wǎng)。

零邊際成本電網(wǎng)是在物聯(lián)網(wǎng)平臺支撐下對傳統(tǒng)垂直電力價值鏈的顛覆，它可以使電力供應(yīng)的邊際成本趨近于零，是最具生態(tài)效益的 UPIoT 形態(tài)。需要指出的是，零邊際成本電網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)，不僅需要物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對生產(chǎn)力的推動，同時也需要經(jīng)濟(jì)主體觀念的轉(zhuǎn)變——從追求利益到按需生產(chǎn)和消費(fèi)，這兩者都需要長遠(yuǎn)的過程。因此，不妨將零邊際成本電網(wǎng)視為 UPIoT 的遠(yuǎn)景形態(tài)。

在未來物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支撐下，電能由即插即用的分布式可再生能源發(fā)電提供，不需要消耗常規(guī)能源，生產(chǎn)邊際成本趨近于零；電網(wǎng)的自動化控制系統(tǒng)按最優(yōu)化的路徑傳輸、分配電能，同時高溫超導(dǎo)的應(yīng)用使輸送損耗顯著降低，輸送邊際成本趨近于零；用戶以低廉的價格獲得電力，而且，用戶同時也是電能的生產(chǎn)者，在一段時間內(nèi)，電能買賣基本實(shí)現(xiàn)平衡，消費(fèi)邊際成本趨近于零。電能供應(yīng)全鏈條的邊際成本趨近于零。

零邊際成本電網(wǎng)的主要特征表現(xiàn)在：①電力供應(yīng)邊際成本趨近于零：電力生產(chǎn)采用綠色能源，大大減少高成本化石能源的使用；電網(wǎng)接入大量 DG，電力需求自給自足、就近滿足，無須遠(yuǎn)距離輸送電能；小微能源采集器無處不在，未來可以隨時隨地使用能源；種種轉(zhuǎn)變使電力生產(chǎn)、傳輸、消費(fèi)等各個環(huán)節(jié)成本不斷降低。②電力市場迎來協(xié)同共享模式：每個用戶同時也是電力的生產(chǎn)者，眾多產(chǎn)消者參與到電力協(xié)同共享中，形成橫向規(guī)模經(jīng)濟(jì)。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以極力釋放潛藏在各處的電力生產(chǎn)力，降低電力供應(yīng)邊際成本。同時，開放的物聯(lián)網(wǎng)平臺提供了大量產(chǎn)消者進(jìn)行電力共享的條件。毫無疑問，零邊際成本電網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)需要依靠物聯(lián)網(wǎng)的大力支撐推動能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命。零邊際成本電網(wǎng)的目標(biāo)對 UPIoT 提出更高的要求，包括：建立多主體開放平臺，滿足大量分散產(chǎn)消者參與電力分享的平臺需求，主動適應(yīng)社會、經(jīng)濟(jì)的新發(fā)展；實(shí)現(xiàn)共享經(jīng)濟(jì)下的信用管理，保障協(xié)同共享經(jīng)濟(jì)模式的可持續(xù)發(fā)展。

4 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)挑戰(zhàn)

為 達(dá) 到 透 明 電 網(wǎng) 乃 至 零 邊 際 成 本 電 網(wǎng) 形 態(tài) ，UPIoT 的建設(shè)還需要克服多項(xiàng)技術(shù)難題。本節(jié)從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)處理 3 個方面，提出泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)挑戰(zhàn)。

4. 1 傳感器的覆蓋不充分，電網(wǎng)仍存在監(jiān)測盲區(qū)

當(dāng)前，電網(wǎng)仍存在著許多監(jiān)測盲區(qū)：輸電線路跨越的距離長，架設(shè)的環(huán)境復(fù)雜多變，天然具有分布式特性，而現(xiàn)階段對輸電線的監(jiān)測只是選取了部分重要的節(jié)點(diǎn)和分段，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到廣域監(jiān)測的水平；配電網(wǎng)點(diǎn)多面廣，傳統(tǒng)的測量裝置存在體積大、成本高、功耗大、運(yùn)維困難等不足，無法全面鋪開安裝；低壓用電信息沒有全面打通，物人互聯(lián)的技術(shù)尚未突破，用戶參與程度較低。

為消除監(jiān)測盲區(qū)，傳感器技術(shù)的提升是一大挑戰(zhàn)。對于輸電線監(jiān)測，采用分布式的傳感器（例如光纖測溫），準(zhǔn)實(shí)時獲取沿線的微氣象、微地形、微圖像，輔以大數(shù)據(jù)分析和人工智能識別技術(shù)，全面提高線路監(jiān)測效果，實(shí)現(xiàn)輸電線的廣域監(jiān)測；對于配電網(wǎng)監(jiān)測，加強(qiáng)小微傳感器的開發(fā)與實(shí)用化，以體積小、成本低、功耗小、運(yùn)維方便等優(yōu)異特性適應(yīng)配電網(wǎng)點(diǎn)多面廣的監(jiān)測需求；對于用電監(jiān)測，通過傳感器連接各種用電終端，或者采用非侵入式負(fù)荷監(jiān)測［75］的方式，與用電終端、用戶產(chǎn)生連接。

4. 2 數(shù)據(jù)模型和通信標(biāo)準(zhǔn)沒有統(tǒng)一，信息孤島難以消除

電網(wǎng)已推廣應(yīng)用多個自動化系統(tǒng)和通信信息平臺，不同系統(tǒng)平臺的建設(shè)規(guī)范不同，數(shù)據(jù)無法有效共享和管理，形成信息孤島；另外，配電網(wǎng)的設(shè)備制造廠商眾多，不同廠商沒有遵循統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型和通信標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致配電網(wǎng)的數(shù)據(jù)管理比較混亂，信息網(wǎng)絡(luò)十分復(fù)雜。

因此，需制定統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型和通信協(xié)議，要求新投運(yùn)的系統(tǒng)平臺和設(shè)備必須遵循標(biāo)準(zhǔn)；同時，對于已投運(yùn)的系統(tǒng)平臺設(shè)備，提出數(shù)據(jù)模型和通信協(xié)議的便捷轉(zhuǎn)換技術(shù)。從增量和存量 2 個方面改進(jìn)，消除信息孤島，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理。配電物聯(lián)網(wǎng)在標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)據(jù)化、業(yè)務(wù)軟件定義等方面將對新的產(chǎn)業(yè)生態(tài)帶來重要的促進(jìn)作用［76］。另外，針對配電網(wǎng)通信條件較差的現(xiàn)狀，利用配電網(wǎng)電線桿塔等基礎(chǔ)設(shè) 施 構(gòu) 建 5G 基 站 ，將 更 加 有 利 于 配 電 物 聯(lián) 網(wǎng) 的發(fā)展。

4. 3 數(shù)據(jù)分析智能化程度低，用電數(shù)據(jù)價值尚未被有效挖掘

電網(wǎng)有上億的用戶，其數(shù)據(jù)是非常有價值的。一方面，海量的用戶數(shù)據(jù)使得電網(wǎng)公司可以充分認(rèn)識用戶的特性，可以為電網(wǎng)公司削峰填谷、提高電網(wǎng)利用率、節(jié)能降耗、防范竊電、低壓運(yùn)維、系統(tǒng)規(guī)劃帶來新的技術(shù)支撐手段；另一方面，基于物聯(lián)網(wǎng)的智能用電可以為用戶提供更好的用電服務(wù)和增量服務(wù)，例如用戶節(jié)能、用電安全、電氣防火、電器控制、共享充電與停車、快速復(fù)電、DG 運(yùn)維管理、需求響應(yīng)等。但是，目前這些數(shù)據(jù)的價值還未得到充分的挖掘，其中一個重要的原因是數(shù)據(jù)分析智能化程度低。只有對用戶的數(shù)據(jù)進(jìn)行多方面的深入挖掘，才能釋放其價值，實(shí)現(xiàn)低壓拓?fù)渥詣幼R別、低壓故障精確診斷、電能質(zhì)量有效控制、線損精益化管理、竊電偵查與管理、細(xì)顆粒度負(fù)荷預(yù)測、光儲一體調(diào)度、車輛到電網(wǎng)（vehicle-to-grid，V2G）、柔性負(fù)荷控制與需求側(cè)響應(yīng)，以及用戶增值服務(wù)（如金融）等目標(biāo)，為各行業(yè)發(fā)展規(guī)劃與決策提供重要支撐。因此，需要加強(qiáng)用電大數(shù)據(jù)應(yīng)用建模與智能算法研究，據(jù)此掌握用戶行為規(guī)律，挖掘用電信息價值。

5 結(jié)語

UPIoT 的提出和發(fā)展給智能電網(wǎng)發(fā)展帶來了新的契機(jī)。傳感器技術(shù)、通信技術(shù)與云/邊緣計算技術(shù)等物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的不斷迭代更新，將會對智能電網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集、通信與計算處理環(huán)節(jié)的效率與質(zhì)量帶來顯著提升，從而提高電力系統(tǒng)發(fā)-輸-變-配-用各個環(huán)節(jié)的可觀可測性，顯著提升電網(wǎng)運(yùn)行水平，充分挖掘電力數(shù)據(jù)價值；物聯(lián)網(wǎng)平臺的開放特性，可以有力地支撐電力供應(yīng)模式的創(chuàng)新變革，釋放電力生產(chǎn)力。泛在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電網(wǎng)中的廣泛應(yīng)用將會推動智能電網(wǎng)向透明電網(wǎng)、零邊際成本電網(wǎng)演化，最終實(shí)現(xiàn)大眾參與、協(xié)同共享的可持續(xù)發(fā)展的電力產(chǎn)業(yè)升級與變革。