1.1 电力物联网发展背景

本节将从社会发展、电力企业经营和技术发展三个方面的需求来阐述电力物联网建设的重要性。

1.1.1 社会发展的需求

我国电力系统发展处于世界前列，电网建设规模已跃居世界首位，在具体技术的研发与应用方面已同步世界先进水平甚至领先，特别是特高压技术为世界电力发展提供了宝贵经验。如图1-1所示，截至2019年底，全国35 kV及以上输电线路长度达到194万km，全社会用电量达到72486亿kW·h，人均用电量达到5186 kW·h。我国已经在电力装机、电力消费和新能源装机等方面成为世界第一大国。顺应社会发展的需求，建设能源互联网势在必行。能源互联网由坚强智能电网与电力物联网共同构成。目前，智能电网经过十年左右的发展已经取得巨大成就，因此加强电力物联网建设是未来发展的主要方向。为提升电网的感知能力和运行效率，电力物联网将通过各种手段突破电力系统各环节的数字化壁垒，支撑各种能源接入和综合利用。

随着电网复杂程度的不断提升，越来越多的设备接入电力系统，系统每天产生的海量数据给电网的监控、调度和管理带来了巨大的挑战。同时，我国电力系统还存在能源分布不均、网架结构不合理、电网调节能力不足等问题。通过结合电力物联网技术，可以快速提升电网的感知、互动和调节能力，促进电力系统各个环节的安全稳定运行，真正实现电力行业的可持续发展。

2019年，国家电网提出“三型两网、世界一流” 的新时代战略目标，在推进智能电网建设运营模式的同时，逐步向电力物联网建设运营模式转换。中国南方电网则提出定位“五者”、转型“三商” 的发展战略，目标是成为具有全球竞争力的世界一流企业。电力物联网与智能电网相互融合，充分利用“大、云、物、移、智” 等现代信息技术和先进通信技术，构建一个万物互联、人机交互的物联网，实现电力系统运行状态全面感知和数据信息的高速传递，提供灵活的多样化服务，保障电力系统故障的快速应急响应以及电力能源的安全、稳定、可持续供给，从而建立标准化、智能化、规范化的电力系统，为电力企业创造新的经济增长点，并进一步推动我国能源革命和世界经济转型。

未来，国家电网将继续构建以特高压为骨干网架、各级电网协调发展的坚强智能电网；同时打造具有全息感知、泛在连接、开放共享、融合创新四个特点的电力物联网，并在现有基础上，大力提升数据自动采集、自动获取、灵活应用的能力，适应社会形态、打造行业生态、培育新兴业态，支撑“三型两网” 世界一流能源互联网企业建设。中国南方电网也正在加快推进特高压等新型基础设施项目的建设，进一步攻克特高压技术壁垒，积极推动清洁能源调度，全力打造安全、可靠、绿色、高效的智能电网；同时，在电网上安装小微智能传感器，使电力系统的各个环节可见、可知、可控，形成透明电网。

1.1.2 电力企业经营的需求

随着物联网技术的不断发展和环境问题的日益突出，电力企业也面临着各种挑战。新时代电力系统的组成和所承载的功能已发生显著变化，主要体现在“发、输、配、用” 这四个环节。目前，发电侧转变为传统能源与可再生能源发电并存，集中式与分布式发电并存的模式；输电侧转变为以特高压电网为骨干网架的交直流混合输电模式；因用户数量、用电负荷种类增多以及需求多样化等原因，配电侧转变为双向能量互动模式；用电侧则逐渐具备了一定的电能供应和调整能力。四大环节中电源形式、网架结构、负荷种类等变化，导致电力系统备用容量不足、频率和电压稳定性差等问题日益凸显。因此，建设电力物联网，提高电力系统的智能化水平，实时感知当前电网的运行状态，优化调整系统的运行方式等，成为电力企业经营的迫切需求。

建设电力物联网能给电力企业带来多方位的优势，主要体现在以下几个方面。

（1）建设电力物联网可以全面优化电力系统功能

我国传统的电力系统建设过程中存在着能源分配不均匀、电力调配能力弱等突出问题，在电力运营中存在着极大的浪费现象。电力物联网运用智能化技术增强了传感器对信息的感知能力，并进一步完善了数据的智能化判断与处理功能。电力物联网可利用信息传输和大数据技术，实现电力系统检测与维修的智能化，提升电力系统维护检修的效率与质量。

（2）建设电力物联网可以提升分布式可再生能源的消纳能力

电力物联网通过将物联网的信息感知技术与人工智能等技术结合，实现对分布式可再生能源的实时监测与预测，通过采取有效的激励机制激发用户主动参与到清洁能源的利用中，既可以减少弃风、弃光等现象，也可以推动可再生能源的大规模开发。同时，采用模拟智能电厂技术，对可再生能源进行调配与存储，打造互通的电力贸易平台，缓解分布式可再生能源的并网冲击，实现可再生能源的有效存储与利用。

（3）建设电力物联网可以推动综合能源智慧服务平台的搭建

综合能源智慧服务平台以用户为中心，具有综合性、专业化、开放式等特点，可实现对状态信息的分析与处理，从而获得当前电力系统的运行状态等深层次信息，并为电能交易、需求侧响应和智能购售电等高级应用提供支撑。对内支撑综合能源服务业务管理与市场开拓，对外则为能源供应商等生态主体提供服务窗口，助力综合能源产业生态发展。

（4）建设电力物联网可以促进与用户互动化的智能用电

传统的电网运营管理模式缺乏与用户之间的数据交互，无法为用户提供更优质的服务。电力物联网可采用智能量测和智能控制等手段，实现电网与用户之间能量流、信息流和业务流的高度融合，从而建立用户广泛参与的新型供用电模式。电网可基于用户用电的大数据来引导用户智能用电，提升用户的体验质量；同时，用户也可有偿地为电网提供分布式电源，增加收益。

（5）建设电力物联网可以有力推进电力市场的开放

电力物联网将推动电力市场由传统的行政审批、计划经济的配置模式转化为与社会主义市场经济体制相适应的电力市场模式，促进电力市场的全面开放。电力物联网可以实现对新能源信息的实时预测，聚合分布式新能源和负荷作为电力交易现货的主体，并通过建立完善的电力现货市场交易机制，进一步发挥市场的作用，提高电力交易的市场化程度。

目前，物联网技术已开始广泛应用于电力系统的“发、输、变、配、用” 五大环节，推动电力物联网的整体发展与进步。其中，物联网技术在不同的环节承载着不同的应用。在发电环节，体现在传感器应用及对设备实时状态监测等；在输电环节，体现在对输电线路的监测及检修管控等；在变电环节，体现在变电站电气设备的状态信息监控与诊断等；在配电环节，体现在对配电设备的状态监测和资产管理等；在用电环节，体现在低压抄表、智能充电、智能家居等。

1.1.3 技术发展的需求

随着电网接入设备数量的增长，电力市场的进一步开放，以及社会经济形态向数字化转变，传统电力系统技术已难以满足各类业务的差异化需求，电力物联网的建设需要先进信息通信技术的支持。本节从电力物联网的技术体系架构、关键技术与技术建设难点三个方面进行简要阐述。

1. 电力物联网的技术体系架构

如图1-2所示，电力物联网的技术架构分为感知层、网络层、平台层和应用层。感知层的作用是实现各环节数据的深度采集，同时利用边缘计算来提升终端设备的智能性；网络层利用多种现代通信技术，完成感知层与平台层之间的数据传输，实现电力系统各环节的全面覆盖；平台层作为物联网管理中心和全业务统一数据中心，用于提升数据的综合处理能力与计算能力；应用层是数据中心提供用户服务的窗口，通过对数据库中的信息进行筛选和分析，实现数据的合理管控，为保障电网安全稳定运行等对内业务以及推动智慧能源服务平台建设等对外业务提供支撑。

2. 电力物联网的关键技术

（1）传感技术

随着电力系统的不断发展，越来越多的计量、保护、变换、控制、监测和用电等设备接入电力系统，并产生了大量数据。目前，多数现场数据采集设备仍然基于传统的工业采集装置，其数据采集可靠性差、精度低。应用传感技术检测电力系统中各设备的运行状态，实现广域、实时、高精度的设备监测。另外，传感技术可以很好地适应环境的变换，对电力系统的数据监管提供持续稳定的支持。

（2）5G通信技术

5G从万物互联、精准控制、海量量测等方面加速电力物联网的建设步伐，例如，5G切片网络通信技术可以解决电力系统中多种场景的感知和连接问题。其中，高可靠低时延通信（Ultra-Reliable and Low Latency Communications，URLLC）切片，适用于电网中智能配电的精确性控制操作等业务；大规模机器通信 （massive Machine-Type Communications，mMTC）切片，可解决用电信息或者智能汽车所产生的海量数据采集问题；增强型移动宽带（enhanced Mobile BroadBand，eMBB）切片，可用于涉及高清视频回传的业务，例如输电线路监控、无人机巡检等业务。

（3）一体化数据平台

电力物联网的一体化数据平台可以借助大数据、云计算、人工智能等技术来搭建，将电力系统中的海量数据接入平台中，可以实现对数据的有效挖掘和合理分析。一体化数据平台能实时监测设备的运行状态，精准诊断故障，并具备调度管理功能。常见的一体化平台包括阿里Link物联网平台、移动OneNET物联网平台等。其中，阿里的物联网小镇已实现交通方式、能源配给、环境监测的智能化。

3. 电力物联网的技术建设难点

目前，电力物联网仍面临一系列建设难点，主要体现在信息安全、业务壁垒、商业模式和数据分析四个方面。

（1）信息安全

海量数据的有效利用是建设电力物联网的重点，这些数据必须传输至物联网平台上进行挖掘、分析和处理。因此，保障物联网平台的安全至关重要。一方面，要保证采集的数据能够可靠、快速、安全地传输到平台；另一方面，要防止数据泄露、抵抗网络攻击。因此，如何设计数据平台保护机制，实现各主体之间数据的安全传输和信息的互联互通是电力物联网建设的难点之一。

（2）业务壁垒

在我国电力企业中，每个部门都有自己独立的系统和业务，如何建立高效的数据分析及信息共享机制，减少冗余信息的传输，打破业务壁垒，实现运营、调度、计量和财务等不同部门间业务的贯通也是电力物联网建设的难点。

（3）商业模式

目前，我国电力系统仍然以电网为主体进行统一的电力服务，这种单一的商业运行模式无法适应快速增长的多样化业务需求，难以保障用户的体验质量。为推动电网企业发展和转型升级，我国出台了电价补偿和税收优惠等政策，在这些法律政策的支持下，基于现有电力服务和传统互联网，电网企业如何实现向多部门、多行业的新兴商业模式的转变，是电力物联网建设的另一个难点。

（4）数据分析

电力系统的数据具有来源广、类型多、时间尺度差异大等特点，而数据分析技术要求数据具有统一性，导致电力系统采集的初始数据无法直接应用于电力物联网中。一方面，由于电力系统建设的阶段性以及数据的时效性，海量实时监测数据、计量数据将会被保存到电力物联网数据平台；另一方面，在准入门槛较低的市场环境下，由于类型、生产厂家、生产批次的不同，用电侧设备在数据格式、逻辑规则等方面也存在较大差异，因此形成了多源异构数据源。如何对海量多源异构数据进行深度挖掘、高效利用，同样也是电力物联网建设的难点。