1.3 电力物联网的背景

1.3.1 物联网在智能电网领域发展迅速

智能电网正处于快速发展阶段，但在全球范围内没有统一的精确定义。我国电力行业对智能电网的定义为：智能电网是在传统电力系统的基础上，通过集成新能源、新材料、新设备和先进传感技术、信息技术、控制技术、储能技术等新技术，形成新一代电力系统，具有高度信息化、自动化、互动化等特征，可以更好地实现电网安全、可靠、经济、高效运行。智能电网的核心内涵是实现电网的信息化、数字化和智能化。

我国电网运营企业早在2009年就明确了到2020年智能电网的建设规划主要分为3个阶段。

① 2009—2010年为规划试点阶段，开展对技术管理标准的制定，对电网的关键技术和设备进行研发和应用试验工作，主要对特高压与智能变电站进行测试。

② 2011—2015年对全国电网进行升级，建成智能控制互动服务体系的框架，对关键技术、设备进行推广试验。

③ 2016—2020年的工作重点是智能电网体系的建设，其设施配备达到发达国家水平。

2015年7月，国务院颁布了《国务院关于积极推进“互联网+”行动的指导意见》，明确提出通过互联网促进能源系统扁平化，推进能源生产与消费模式革命，提高能源利用效率，推动节能减排；同时，加强分布式能源网络建设，提高可再生能源占比，促进能源利用结构优化；加快发电设施、用电设施和电网智能化改造，提高电力系统的安全性、稳定性和可靠性。同月，国家发展和改革委员会、国家能源局联合颁布了《关于促进智能电网发展的指导意见》，明确指出发展智能电网是实现我国能源生产、消费、技术和体制革命的重要手段，是发展能源互联网的重要基础；要求电网运营企业编制智能电网战略规划，提高输电网智能化水平；与此同时，加强发展智能配电网，鼓励分布式电源和微网建设，促进能源就地消纳；到2020年，初步建成智能电网体系。

电网运营企业顺应电力行业发展方向，积极建设智能电网，提升电网安全水平，通过实施“互联网+”战略，全面提升电网信息化、智能化水平，充分利用物联网等信息技术实现电网安全、清洁、协调和智能发展，为经济社会发展提供可靠的电力保障。经过多年的发展，物联网技术已被广泛应用于发电、输电、变电、配电、用电等环节，具体业务主要有发电环节的分布式电源监控，智慧发电视频监控；输变电环节的状态监测，移动巡检；配电环节的配电自动化，配电所/开闭所监测，差动保护；用电环节的精准负荷控制，用电信息采集，电动汽车充电站/桩，电能质量监测等。

虽然物联网技术在智能电网中已得到大量应用，但电力物联网还处在发展初期，存在诸多不足，主要体现在以下3个方面。

① 部分场景监测数据较少，对装置及系统状态、环境没有形成全面感知，传感器标准化、实用化水平有待提升。

② 已有应用系统通信方式及标准不统一，难以实现数据的规范化汇集、传输，建设模式不经济；终端接入通信网络未达到电力物联网对通信能力及可靠性的要求。

③ 已有应用系统按专业各自独立建设，支撑数据分散，尚未形成统一的数据服务和应用平台。

1.3.2 全球能源互联网发展战略的实施

全球能源互联网是以特高压电网为骨干网架、全球互联的智能电网，是在全球范围内大规模开发、输送、使用清洁能源的基础平台，其实质就是“智能电网＋特高压电网＋清洁能源”。智能电网是基础，特高压电网是关键，清洁能源是根本。

2015年9月，中国在联合国发展峰会上提出，“中国倡议探讨构建全球能源互联网，推动以清洁和绿色方式满足全球电力需求”。这是中国在全球范围内推动能源革命、促进清洁发展、应对气候变化的重大倡议，开启了世界能源可持续发展的新征程，得到了国际社会的普遍赞誉和积极响应。

2016年3月，全球能源互联网发展合作组织一届一次理事会在北京市召开。在这次大会上，全球能源互联网发展合作组织揭牌成立。该合作组织以“推动构建全球能源互联网，以清洁和绿色方式满足全球电力需求”为宗旨，由中国国家电网有限公司发起成立，是中国在能源领域发起成立的，在民政部登记的首个国际组织，也是全球能源互联网的首个合作和协调组织。

全球能源互联网发展合作组织在做了大量研究的基础上，编制了“全球能源互联网发展战略白皮书”，提出了战略体系、战略思路、路线图，明确了战略重点，为下一步落实全球能源互联网中国倡议、引领全球能源互联网创新发展提供战略指引和行动指南。全球能源互联网战略体系如图1-2所示，全球能源互联网战略推进路线如图1-3所示。

全球能源互联网战略的发展目标是构建全球能源互联网，推动三（特）网融合发展，打造能源共同体，促进人类命运共同体建设。其中，三（特）网融合就是以世界能源转型和信息技术革命为契机，以全球基础设施互联互通为保障，发挥网络经济和规模经济优势，加快形成全球能源、信息、交通，即“瓦特（Watts）、比特（Bits）、米特（Meters）”融合发展的新格局，推动实现高度电气化、高度智能化、高度全球化、高度人本化的发展目标。

相比智能电网，能源互联网更关注新能源的占比和影响。在能源层面，能源互联网试图把各种能源组合成一个包含智能通信、智能电网、智能交通等众多智能与绿色概念的超级网络。

1.3.3 能源互联网生态体系的构建

能源互联网正在逐渐改变能源行业的运行模式，给整个产业链上的企业带来新的发展机遇，更要求这些企业具备抓住机遇的能力。构建开放包容、互利互赢的能源互联网生态体系，主要从分布式光伏服务、综合能效服务、电动汽车服务、能源电商服务、数据商业化服务、电工装备服务6个方向作为切入点，服务政府部门、能源供应者、能源消费者等对象，促进全环节、全要素供需对接和资源优化配置，拉动产业聚合成长，带动产业链上下游共同发展。能源互联网产业链如图1-4所示。

1.分布式光伏生态

分布式光伏生态体系通过汇集电站侧、电网侧相关的设备运行、气象气候、负荷能耗等数据，共享分布式光伏全产业、全服务、全价值链资源，实现“数据全面接入、状态全息感知、服务全新周到、开放合作共享”。

① 数据全面接入：提供集数据、模型、应用、安全为一体的数据增值服务。

② 状态全息感知：应用电力物联网技术，对电站侧、电网侧的设备状态进行监控、管理。

③ 服务全新周到：提供咨询、建站、并网、结算、运维等全流程“一站式”服务。

④ 开放合作共享：引入本领域优质合作伙伴，形成健康持续生态，其目标是实现设备共享、渠道共享、客户共享和收益共享。

2.综合能效服务生态

综合能效服务生态要求聚集综合能源服务商、产业链上下游供应商、终端用户、政府及行业机构、金融及投资机构、科研机构及高等院校、小微企业和创客等产业相关方，整合综合能源服务全产业、全服务、全价值链资源，形成共建共赢、开放共享、有序竞争、协同进化的商业共同体。

综合能效服务生态涉及的产业链上下游成员主要有产业链上下游供应商、其他能源服务主体和终端用户等。

3.电动汽车服务生态

电动汽车服务生态以优质充电服务为基石和入口，利用物联网技术与人、车、船、桩、网、电、储等资源互联，全面聚合政府部门、行业协会、电动汽车整车企业、电池等零部件企业、设备制造商、充电运营商、出行运营商、停车运营商、通信服务商、互联网企业、电力企业、金融投资机构等各方资源，共同推动跨行业信息融合与业务贯通，服务电动汽车行业健康发展。

电动汽车服务生态涉及的产业链上下游成员主要有充电设施运营商、电动汽车用户和其他相关方。

4.能源电商服务生态

能源电商服务生态通过广泛聚集客户、数据、生态资源，建设能源电商新零售全域物联网枢纽，构建全域物联、全景服务、全链增值、全面降本、全民电气的“五全”新零售发展路径，打造“共建、共治、共享、共赢”的能源电商新零售服务生态圈。

能源电商服务生态涉及的产业链上下游成员主要有电工装备行业用户、用电客户和内外部创新主体等。

5.数据商业化服务生态

数据商业化服务生态对外以提供专业化能源大数据分析与咨询的方式，服务政府科学决策，服务企业智慧运营，以提供个性化、趣味化互动服务的方式，提升电力用户获得感；对内以提质增效、精益管理、风险防范等为目的，充分挖掘数据价值，研发数据增值产品，探索数据增值变现商业模式，构建电力数据商业化服务生态。

数据商业化服务生态涉及的产业链上下游成员主要有商业企业和设备供应商、社会公众和居民家庭、政府和社会机构等。

6.电工装备服务生态

电工装备服务生态通过采集供应商产品生产、质量控制、成品试验，以及需求单位产品交换、抽检验收、履约结算、运行质量等信息，将电工装备企业及其设备有机连接，打造智慧物联平台；同时，将电表检测数据、设备运行缺陷数据反馈到生产制造环节，从源头提升设备生产质量，构建电工装备互利共赢生态。

电工装备服务生态涉及的产业链上下游成员主要有电工装备设备制造商和其他相关各方。设备制造商通过推进制造企业智能化应用，实现协同设计、订单生产和智能制造，打造电工装备远程智能运维和工厂检修平台，实现用户侧能效设备管理。设备制造商与其他各方需要强化实时交互的协同能力，形成差异化优势互补的综合能力。

1.3.4 4G电力无线专网建设取得成效

我国电网运营企业对4G电力无线专网的研究和部署可以追溯到10年前。4G电力无线专网的发展总体上可以分为以下3个阶段。

1.技术研究及试验阶段

从2009年开始，电网运营相关单位与企业就已经开始着手探索4G电力无线专网。2010年南方电网公司启动开展“智能电网电力通信综合解决方案”重大科技项目研究。随后在2011年，由国家电网公司牵头，普天信息技术有限公司等多家单位参与的国家863计划课题“智能配用电信息及通信支撑技术研究与开发”项目启动。2012年，国家科技重大专项课题“广域覆盖低成本宽带接入组网技术与应用示范网络开发”和“基于离散窄带频谱的宽带无线接入技术研发”正式立项。国家电网公司等多家单位联合推动LTE230的产业化进程。2014年，国家发展和改革委员会产业化专项资金项目“TD-LTE 230MHz电力无线宽带通信系统产业化及应用示范项目”，在开展无线专网技术研究的基础上，正式开展长期演进（Long Time Evolution,LTE）无线专网示范建设，初期试点城市主要在溧水、洪泽、冀北等8个城市或区域。在同一时期内，南方电网公司在广州、深圳、珠海等地开展试点。

2.国家政策和企业战略双驱动下的规模试验阶段

2015年2月，国家电网公司提出全球能源互联网计划，随后成立全球能源互联网集团有限公司，这是探索新能源与互联网相结合的一个重要的里程碑。2015年3月，工业和信息化部《关于重新发布1785—1805MHz频段无线接入系统频率使用事宜的通知》提出将1785—1805MHz频段规划用于交通、电力、石油等行业专用通信网和公众通信网。2015年7月，《国务院关于积极推进“互联网+”行动的指导意见》颁布，国家发展和改革委员会与国家能源局联合颁布了《关于促进智能电网发展的指导意见》。正是因为国家政策对4G电力无线专网的支持和企业战略对4G电力无线专网的需求，4G电力无线专网正式进入规模试验阶段。2016年，国家电网公司确定在江苏省、天津市、福建省等的9个城市开展规模试验。在技术体制的选择上有两个方向：一是以江苏省南京市为代表的采用基于公网技术的LTE1.8G无线专网，二是以浙江省海盐县为代表的采用国家电网公司与普天信息技术有限公司合作研发的LTE230无线专网。

3.引入新标准，加速推进建设电力无线专网

2018年4月，国家电网公司和华为公司达成共识，双方全面合作共同建设世界领先的电力物联网IoT230，并成立联合创新实验室开展无线专网技术创新。此后，4G电力无线专网建设领域出现了3种可供选择的技术：LTE230、LTE1.8G和IoT230。

2018年以来，在部分省市进行了扩大电力无线专网建设后，全国共有将近20个省（自治区、直辖市）采用LTE230或IoT230技术建设4G电力无线专网，比较典型的有湖南省长沙市和浙江省嘉兴市，而江苏等省市同时采用LTE1.8G技术建设4G电力无线专网。其中，南京市电力无线专网为全球首个投运的1.8GHz专网，基站规模超过500个。

实践证明，4G电力无线专网能够实现数据、语音、图像、视频等业务的泛在接入和可靠承载，在支撑配电自动化、用电信息采集、多媒体调度和巡检等业务方面已经展现出卓越的功能、性能等技术优势，从而满足电力系统发电、输电、变电、配电、用电环节的业务通信需求。

1.3.5 5G新技术已成熟和商用

1.5G技术的先进性

传统的移动通信技术升级换代都是以多址接入技术为主线，而5G技术创新将更加丰富。除了多种新型多址技术，大规模天线、超密集组网、全频谱接入、基于服务化架构（Service-Based Architecture,SBA）、网络切片等都是5G的关键技术。5G系统将会建立在以这些关键技术为核心的技术体系之上，满足面向2020年之后的移动通信需求。

受4G技术框架的约束，大规模天线等增强技术难以充分发挥优势，全频谱接入、新型多址技术等难以在现有技术框架下实现。因此5G技术框架设计了全新的空口，以满足5G性能和效能的要求。综合考虑国际频谱规划和频率传播特性，5G NR包含在6GHz以下频段工作的低频新空口和在6GHz以上频段工作的高频新空口。5G低频新空口引入大规模天线、新型多址等先进技术，支持更短的帧结构、更精简的信令流程、更灵活的双工方式，有效满足5G的要求，通过灵活配置技术模块及参数来满足不同场景差异化的技术需求。5G高频新空口考虑高频信道和射频器件的影响，并针对波形、天线等进行相应的优化。

基于独立组网的5G核心网（5G Core,5GC）采用SBA设计和虚拟化方式实现。5G核心网控制平面功能采用基于服务的设计理念来完成控制面网络功能和接口交互，并实现网络功能的服务注册、发现和认证等功能。服务化设计可以提高功能的重用性，简化业务流程设计，优化参数传递效率，提高网络控制功能的整体灵活性，实现整网功能的按需定制，支持不同的业务场景和需求。

2.5G三大业务应用场景

5G网络将支持多种业务和应用场景，例如，具有更大带宽、更低时延的eMBB业务，支持海量用户连接、低功耗的mMTC业务，以及超高可靠低时延的uRLLC业务。

eMBB业务的目标是更大带宽，它面临着成本和功耗的挑战，包括带宽成本、站址成本和运维成本。在4G用户数接近饱和，每用户平均收入（Average Revenue Per User,ARPU）值没有按照预期增加的情况下，低成本、低功耗、易部署、易运维的网络架构是面向eMBB应用场景最核心的要求。

mMTC业务主要面向环境监测、智能抄表、智能农业等以传感和数据采集为目标的应用场景，具有小数据包、低功耗、低成本、海量连接的特点，要求支持每平方千米百万连接数密度。

uRLLC业务面向车联网、工业控制、智能制造、智能交通、物流及垂直行业的特殊应用需求，为用户提供毫秒级的端到端时延和接近100%的业务可靠性保证。其最大的挑战来自网络技术能力，当前的网络架构和网络技术在时延的保证方面存在不足，需要突破一些技术瓶颈，不断改善网络体验。

3.标准化进展及商用情况

2017年巴塞罗那世界移动通信大会以来，5G标准化进程开始加速。3GPP关于5G的规范制定是从R15版本开始的。R15是5G的基础版本，分为非独立组网（Non-Stand Alone,NSA）、独立组网（Stand Alone,SA）、Late Drop3个阶段，于2019年6月全部冻结。该版本主要定义的是eMBB，奠定了5G商用的基础。R16是eMBB、uRLLC、mMTC的完整版本，于2018年下半年提交关于R16版本的提案，R16于2020年7月全部冻结。2019年12月，3GPP在无线接入网（Wireless Access Network,RAN）#86会议上批准了R17的提案，确定了R17研究的方向和内容，其主要目标是对R16的物理层、无线协议及无线架构进行增强，预计在2022年完成冻结。

全球移动供应商协会（Global Mobile Suppliers Association,GSA）的数据显示，截至2020年3月，全球已经有40个国家部署了70张5G商用网络。我国共有4家运营商获得5G牌照。其中，中国移动、中国电信、中国联通从2019年已经开始大规模部署5G商用网络，中国广电也已经开始进行5G试点。各大运营商都在积极开展垂直行业应用研究、探索5G商业模式、打造5G业务生态圈。目前，5G业务主要聚焦于政务、医疗健康、教育、交通、物流、工业、公共事业、旅游、环保、娱乐等行业中部署虚拟现实/增强现实（Virtual Reality / Augmented Reality,VR/AR）、高清视频、无人机应用开发、无人机运营、车联网及无人驾驶、智能制造、智慧生活、智慧会展、智慧政务、智慧交通、智慧旅游、智慧生态、智慧物流、移动执法、智能电网、视频监控、应急通信、远程教育、远程医疗等应用。