未來(lái)電網(wǎng)建設的主要任務(wù)與挑戰是哪些？

前言：近年來(lái)，隨著(zhù)電力負荷的快速增長(cháng)，間歇性電源的高比例接入，全球極端天氣加劇等問(wèn)題的增多，傳統電網(wǎng)的安全穩定運行已受到巨大挑戰。面對如此情況，發(fā)展更加智能的電網(wǎng)，將先進(jìn)的通信、信息和控制技術(shù)應用于傳統電網(wǎng)，解決源側、網(wǎng)側和荷側三方面的重難點(diǎn)問(wèn)題將成為未來(lái)電網(wǎng)建設的主要任務(wù)與挑戰。

智能電網(wǎng)由美國首先提出，美國電科院于 2000年前后提出了 Intelli-Grid 的概念，認為這是未來(lái)電網(wǎng)發(fā)展的態(tài)勢和解決 21 世紀電網(wǎng)面臨的各種問(wèn)題的途徑。智能電網(wǎng)具有自愈、互動(dòng)、優(yōu)化、兼容、集成的特征。智能電網(wǎng)建設涉及面廣，面臨的問(wèn)題較多，完全依靠傳統技術(shù)很難滿(mǎn)足其需求，因此更需要云、大、物、移、智等新興技術(shù)支撐。由此能源互聯(lián)網(wǎng)的概念應運而生，成為智能電網(wǎng)更開(kāi)闊的發(fā)展空間。

國家電網(wǎng)公司早前發(fā)布的《泛在電力物聯(lián)網(wǎng)白皮書(shū) 2019》，將泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設分為兩個(gè)階段，重點(diǎn)構建能源生態(tài)、迭代打造企業(yè)中臺、協(xié)同推進(jìn)智慧物聯(lián)、同步推進(jìn)管理優(yōu)化，最終實(shí)現到 2024 年建成泛在電力物聯(lián)網(wǎng)。并提出了《配電物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展白皮書(shū)》，實(shí)現了物聯(lián)網(wǎng)和配電網(wǎng)的融合，對配電物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的規?；こ虘煤蛨?chǎng)景進(jìn)行推廣。

目前，在眾多實(shí)施的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)應用項目中，嘉興烏鎮電力物聯(lián)網(wǎng)作為重點(diǎn)園區級綜合示范項目，實(shí)現了智慧路燈、電動(dòng)汽車(chē)智慧車(chē)聯(lián)網(wǎng)、全感知配電房等多種場(chǎng)景的應用，建立了全景智慧用電平臺，實(shí)現數據共享。江蘇無(wú)錫作為國內唯一的國家級物聯(lián)網(wǎng)示范城市，系統規劃了物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，促進(jìn)以物聯(lián)網(wǎng)為龍頭的新一代信息技術(shù)與工業(yè)、經(jīng)濟、城市治理深度融合，形成一系列“讓城市生活更美好”的智慧解決方案和運營(yíng)管理模式。

當前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電網(wǎng)中的應用

目前電網(wǎng)經(jīng)過(guò)多年的建設已經(jīng)聯(lián)系到千家萬(wàn)戶(hù)的每一臺電器，實(shí)現物聯(lián)網(wǎng)的物質(zhì)基礎已然非常具備。建設智能電網(wǎng)需要在現有電網(wǎng)上增加傳感測量技術(shù)、集成通信技術(shù)和高級控制方法，而物聯(lián)網(wǎng)本身就是這三者的有機結合，因此物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以和智能電網(wǎng)高度融合，二者相輔相成。物聯(lián)網(wǎng)通過(guò)傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、云/邊緣計算技術(shù)等的支持在電網(wǎng)運行中的不同應用。

源-網(wǎng)-荷通信方式

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電源側的應用主要體現在傳感器應用及對發(fā)電機實(shí)時(shí)狀態(tài)監測。對于傳統電源方面，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以應用于對 發(fā)電設備進(jìn)行遠程故障診斷，設計發(fā)電設備遠程監測系統，能夠檢測發(fā)電機組的實(shí)時(shí)情況， 并根據機組的異常情況查找故障原因。

源側：對于分布式電源方面，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以對風(fēng)能、太陽(yáng)能等新能源發(fā)電進(jìn)行監測和調節，從而使新能源更好的并網(wǎng)接入和運行。在光伏發(fā)電方面可以實(shí)現對偏遠地區的光伏系統進(jìn)行監測和控制。除了可以實(shí)現光伏系統的監測，還可以實(shí)現對光伏系統中最大功率點(diǎn)的跟蹤。在風(fēng)能發(fā)電方面，由于風(fēng)電場(chǎng)具有單機數目大、分布地區廣且大的特點(diǎn)，因此需要長(cháng)時(shí)間頻繁維護。若將物聯(lián) 網(wǎng)技術(shù)應用于風(fēng)電場(chǎng)組網(wǎng)，則可以大大降低其運營(yíng)維護的成本。

網(wǎng)側：傳統物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在輸電側的應用主要體現在對輸電線(xiàn)路狀態(tài)的監測及線(xiàn)路安全檢修管控，其中通信一般依靠專(zhuān)用通信網(wǎng)(光纖網(wǎng)絡(luò ))或通用分組無(wú)線(xiàn)服務(wù)(General Packet Radio Service, GPRS)網(wǎng)絡(luò )。物聯(lián)網(wǎng)在輸電側的應用可以解決目前監測系統存在的 運行維護費用高、數據傳輸率低等問(wèn)題，從而提高輸電效率。

荷側：物聯(lián)網(wǎng)在負荷側的應用最顯著(zhù)是低壓抄表方式 的轉變，除此之外，物聯(lián)網(wǎng)可以實(shí)現在用電安全管理、用電安全方面的應用，進(jìn)一步推動(dòng)了智能家居、 智能建筑方面的發(fā)展。

電力物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)整體架構的重要組成部分，三者是各類(lèi)應用環(huán)節的技術(shù)基礎，為物聯(lián)網(wǎng)中數據的傳輸作了重要支持。傳感器作為數據獲取的源頭，通信技術(shù)組成了數據傳輸網(wǎng)絡(luò )，邊緣計算提高了數據的傳輸速度，云計算是數據處理和管理的平臺，從而使海量的電力數據在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中變得更加可靠、更加高效，最終實(shí)現電力數據的綜合應用。在此我們重點(diǎn)分析一下傳感技術(shù)。

傳統傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并按一定規律變換后輸出，典型的器件有電阻應變式傳感器、電荷耦合器件、霍爾傳感器等。隨著(zhù)傳感器不斷發(fā)展，具有信息處理功能的智能傳感器占據較大的應用空間，智能傳感器也是物聯(lián)網(wǎng)獲取外界信息的重要途徑。目前，小微智能傳感器是傳統傳感器的發(fā)展方向，小微智能傳感器是傳統傳感器與微處理機相結合的產(chǎn)物，也稱(chēng)為巨磁阻傳感器(Giant MagnetoResistance, GMR)，具有采集、處理、交換信息的能力，因其具有的特低功率、便于安裝、抗干擾等特點(diǎn)使智能電網(wǎng)透明化運行成為可能。例如將小微智能傳感器應用于物聯(lián)網(wǎng)的感知層，實(shí)現智能電網(wǎng)的大數據測量和收集，進(jìn)一步拓展傳感器在物聯(lián)網(wǎng)中的應用范圍。小微智能傳感器作為透明電網(wǎng)最重要的單元，仍存在電壓測量、功率較大等問(wèn)題，其未來(lái)將要突破的瓶頸是自行實(shí)現能量的補給以及電壓測量的問(wèn)題。

除此之外，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應用還有無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )，它通過(guò)節點(diǎn)內置傳感器進(jìn)行采集和處理網(wǎng)絡(luò )覆蓋區域中的目標信息。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )具有自組織性、抗干擾能力強等特點(diǎn)，它能為物聯(lián)網(wǎng)帶來(lái)傳感、互通和驅動(dòng)的高性能。但無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )也存在一定的缺陷，首先不同應用場(chǎng)合下無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的結構和協(xié)議不同，需要設計相同的標準接入到電力通信網(wǎng)；其次無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )在電網(wǎng)中會(huì )受到電磁干擾，可能會(huì )導致數據采集和傳輸過(guò)程中出現失誤，需要完成電磁兼容的可行性設計；最后無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)需要持續的能量供應，若將小微智能傳感器與無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )相結合，從中可以挖掘小微智能傳感器在智能電網(wǎng)中可能的應用點(diǎn)。目前，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )已經(jīng)開(kāi)始逐步應用于智能電網(wǎng)的數據收集的場(chǎng)景中，如無(wú)線(xiàn)自動(dòng)抄表、遠程系統監控、設備故障診斷等。

智能電網(wǎng)的發(fā)展愿景——透明配電網(wǎng)和泛在電力物聯(lián)網(wǎng)

透明配電網(wǎng)：透明電網(wǎng)通過(guò)各種“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)的綜合運用，使電網(wǎng)運行透明可觀(guān)可測。區別于運行數據少和設備狀態(tài)不可見(jiàn)的傳統配電網(wǎng)，透明配電網(wǎng)是近年來(lái)伴隨著(zhù)數據采集、數據傳輸及數據分析技術(shù)在配電網(wǎng)深度應用而出現的一種新的配電網(wǎng)形態(tài)。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是構成透明配電網(wǎng)的重要基礎，能為透明配電網(wǎng)提供有力的技術(shù)支持。透明配電網(wǎng)以全面的數據監測為基礎，為了實(shí)現配電網(wǎng)的透明化，要求數據全面且數量足夠多，而傳統的測量裝置無(wú)法實(shí)現大量數據的測量和實(shí)時(shí)傳送，此時(shí)物聯(lián)網(wǎng)便可以發(fā)揮其獨有的優(yōu)勢。傳感器技術(shù)可以解決透明配電網(wǎng)數據采集的需求，實(shí)時(shí)采集海量數據，實(shí)現配電網(wǎng)的數據透明。通信技術(shù)例如 LORA、NB-IOT可以解決透明配電網(wǎng)的通信需求，可以實(shí)時(shí)傳輸可靠的數據，從而實(shí)現配電網(wǎng)的狀態(tài)透明。云/邊緣計算可以解決透明配電網(wǎng)海量數據處理的需求，快速處理上傳海量數據，從而實(shí)現配電網(wǎng)的態(tài)勢透明。因此，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展將使配電網(wǎng)透明化成為可能。

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)：其實(shí)質(zhì)與透明電網(wǎng)特別是透明配電網(wǎng)的內涵高度吻合，即圍繞電力系統各環(huán)節，充分應用移動(dòng)互聯(lián)、人工智能等現代信息技術(shù)、先進(jìn)通信技術(shù)，實(shí)現電力系統各環(huán)節萬(wàn)物互聯(lián)、人機交互，具有狀態(tài)全面感知、信息高效處理、應用便捷靈活特征的智慧服務(wù)系統。傳統物聯(lián)網(wǎng)架構采用的是分層體系，分為感知層、網(wǎng)絡(luò )層、應用層三層，對應的層次特征分別是全面感知、可靠傳遞、智能處理。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)在智能電網(wǎng)高級應用的體現，可以分為感知層、網(wǎng)絡(luò )層、平臺層、應用層這四層結構。

感知層通過(guò)傳感器技術(shù)負責數據采集和處理，利用邊緣計算處理一些區域化的計算任務(wù)，從而減輕平臺層服務(wù)器的計算壓力，提升實(shí)時(shí)性和建立統一的終端操作系統是未來(lái)感知層的發(fā)展方向。網(wǎng)絡(luò )層負責對感知層和平臺層之間的數據進(jìn)行傳輸，利用多種通信方式實(shí)現數據的可靠傳輸與靈活調度，提高信息的傳輸速度和流量，電力載波通信技術(shù)和 5G 技術(shù)是未來(lái)網(wǎng)絡(luò )層的發(fā)展方向。平臺層通過(guò)云計算技術(shù)負責數據高效處理和物聯(lián)管理，是實(shí)現高級應用的基礎，提高協(xié)同計算與實(shí)時(shí)響應能力是未來(lái)平臺層的發(fā)展方向。應用層實(shí)現電網(wǎng)的生產(chǎn)運營(yíng)、經(jīng)營(yíng)管理和相關(guān)的用能服務(wù)，如微網(wǎng)運行管理、電動(dòng)汽車(chē)的運營(yíng)管理、園區能源管理等，跨專(zhuān)業(yè)的物聯(lián)管理是未來(lái)應用層的發(fā)展方向。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設為大數據與人工智能在能源互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應用打下了基礎。

總之，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將電力系統的各個(gè)元素緊密地、有機地聯(lián)系起來(lái)，不斷促進(jìn)電力系統的自動(dòng)化、信息化和智能化。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)在電力系統源側、網(wǎng)側和荷側三方面的深化應用和擴大影響，推動(dòng)了電力系統實(shí)現全面可觀(guān)可測、可調可控。隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和突破，未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)在智能電網(wǎng)具有巨大的應用空間。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支撐下，智能電網(wǎng)將會(huì )朝著(zhù)透明運行和泛在物聯(lián)的形態(tài)發(fā)展。