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曹军威:能源互联网中泛在电力物联网的作用分析

发表时间:2019-09-12 08:00:49

       能源互联网中泛在电力物联网的作用分析曹军威(清华大学信息技术研究院、北京信息科学与技术国家研究中心)  能源互联网的发展已经成为主流趋势,是我国能源生产和消费革命以及国际第三次工业革命的重要组成部分。2017年6月,国家能源局公布首批55个“互联网+”智慧能源(能源互联网)示范项目,如今部分已经进入落地实施阶段。当前,电能是应用最为广泛的二次能源,电网已实现电能的远距离配送,并具备了相当规模。

       随着越来越多电动设备的成熟,电能将成为未来人们直接使用的主要能源形式,电力网络将是未来能源互联网的主要载体。然而,当前电网运营在生产、配送与消费等环节相互割裂,个性化消费需求和分布式能源供给还不能被很好地支持;生产、配送过分依赖预测,缺乏高效的通信通道实现实时反馈和信息共享,能源利用率还处于较低层次。此外,太阳能、风能、潮汐能及生物质能等可再生能源都具有较大的利用潜力,但是,环境因素和生产效率使得间歇性和不稳定性成为他们的共同特点,高效利用存在诸多挑战。随着现代通信、计算、网络和控制技术的发展,信息技术运用领域的不断开拓,信息与能源技术的结合已然成为一种发展的必然趋势。能源互联网的最新实践希望融合先进的信息技术,提升能源管理水平,实现能源进一步的精细化调控。国家电网公司在2019年初提出建设泛在电力物联网,希望打造状态全面感知、信息高效处理、应用便捷灵活的泛在电力物联网,最终实现承载电力流的坚强智能电网与承载数据流的泛在电力物联网相辅相成,融合发展,形成强大的价值创造平台,共同构成能源流、业务流、数据流“三流合一”的能源互联网。本文在介绍信息技术从互联网到物联网的基本发展、描述电力物联网到泛在电力物联网的基本概念的基础上,重点分析泛在电力物联网在能源互联网建设中的作用,并指出未来能源互联网发展的前沿方向。

        一、从互联网、物联网到泛在电力物联网人类社会的进步往往体现在新基础设施的形成。互联网是继交通、电力等基础设施之后所形成的信息基础设施。电子和计算机网络的发展由来已久,最初的电子网络(如电话网、电报网、广播网等等)和后来发展的计算机局域网(如以太网等)都是垂直集成的网络,而直到互联网的出现才真正实现了水平互联,这也是互联网Internet一词的由来。互联网仅仅是信息网络的一种。互联网应用是在互联网基础设施之上,将众多节点连接起来(这些节点指网络参与者,包括人、物、机构、平台、行业、系统等),进而衍生出层出不穷的新应用模式。互联网已经超越了技术范畴,成为了一种具有超强融合能力的生态环境,正以巨大的力量逐步颠覆多个传统产业的生产和经营方式。其天然具备的开放、平等、透明等特性使得信息(数据)在工业社会中的巨大潜力爆发出来。1995年,比尔•盖茨在《未来之路》一书中首次提到物物互联。美国麻省理工学院于1998年提出首个物联网构想,1999年,基于RFID技术,美国Auto-ID中心提出了物联网的概念。2005年,国际电信联盟发布《ITU互联网报告2005:物联网》,物联网概念被正式提出。物联网在中国大体经历了两个发展阶段。从2009年开始主要起源于传感网,出现了特定应用的物联网系统,比如著名的无锡太湖蓝藻环境治理、智能交通系统等。垂直小网式的物联网虽然可以在特定领域发挥作用,却无法像水平互联的那样进行生态聚合。近年来,随着技术的进步,水平互联的物联网逐渐引起重视。5G等通信手段的提升和数据中心等计算能力的提升使得无所不在的物联接入成为可能,万物互联的时代前景可期。电力行业对物联网的理解是:物联网是一个实现电网基础设施、人员及所在环境识别、感知、互联与控制的网络系统。其实质是实现各种信息传感设备与通信信息资源的(互联网、电信网甚至电力通信专网)结合,从而形成具有自我标识、感知和智能处理的物理实体。实体之间的协同和互动,使得有关物体相互感知和反馈控制,形成一个更加智能的电力生产、生活体系。电力物联网一直被认为是物联网的典型应用,尤其在经济效益方面,通过信息通信和控制,实现电网信息透明,进而明确边界、降低冗余,提高电力系统的设备利用率,可以获得极大的经济效益。2008年开始,我国建设智能电网,在主网的感知、决策和控制等技术方面达到世界先进水平,但在能源互联网所侧重的区域或园区配网级的建设有待加强,因此泛在电力物联网恰恰可以在这方面补足,更好地支撑能源互联网的建设。

        二、泛在电力物联网使信息能源基础设施一体化成为可能纵观人类经济生活的发展过程,基础设施是不可缺少的部分。基础设施为工业经济的发展起到了支撑作用,技术的创新与发展最终归结为基础设施的提升。清华大学2014年提出能源互联网的主要特征就是信息能源基础设施一体化。国家发展改革委、国家能源局2015年7月6日正式公布了促进智能电网发展的指导意见,其中明确指出要加快“能源与信息基础设施一体化”设备等关键技术研发,例如能量路由器。相比能源电力基础设施的形成,目前信息技术还处于基础设施形成的过程中,通信(尤其是无线移动通信)和网络(尤其是互联网)的发展使得计算、存储、软件、应用的集中管理和按需使用逐渐成为可能,信息基础设施逐渐形成了以数据中心为核心,高速网络互联,并支持人(通过移动终端)和物(通过物联网)的随时随地接入的架构格局。既然未来能源互联网与信息基础设施有着类似的互联结构,我们提出将信息基础设施整体嵌入能源互联网,实现信息能源基础设施一体化。虽然国内外从电力电子技术、储能、信息采集决策支持、多种能源形式转换、直流输电等角度出发分别提出了能源互联网和能量路由器的概念和模型,我们提出的能源互联网着重借鉴互联网理念将信息基础设施(如数据中心、云计算平台等)和能源基础设施(如储能、电力电子控制、电网等)彻底做一体化设计。融合需要数据中心和能量路由器融合、输电线路和光纤通信融合、传感器和局域、广域网融合等。可以通过能量路由器甚至整个能源互联网为数据中心供电,降低数据中心静默成本。由于通信基础设施和电力基础设施的一体化,可以节省数据中心的电缆铺设成本。理论上可以通过通信网络和数据中心设施更好地监控电力设备运行状态,通过电力网络拓扑和通信网络拓扑的结合,可以更好地定位故障位置和及时采取修复工作,提高系统安全性和运行效率。每个能量路由器会配备一定容量的储能设备,可用于数据中心备用电力,平滑能量的传输。通信链路可以采用电力线通信或光纤通信,二者均可以与输电线路一体化建设,极大减少了安装成本。融合的过程是一个信息化的过程,同时融合的过程也是一个立足现有设施进行过渡的过程,是一个将互联网嵌入能源网的过程。

       三、泛在电力物联网支撑能源互联网实现平台效应互联网的平台思维就是开放、共享、共赢的思维。平台模式最有可能成就产业巨头。全球最大的100家企业里,有60家企业的主要收入来自平台商业模式,包括苹果、谷歌等。平台模式的精髓,在于打造一个多主体共赢互利的生态圈。能源互联网的发展也需要发挥平台效应,而这方面主要靠泛在电力物联网来支撑。以能源互联网为具体实现形式之一的综合能源服务为例,这种区域化的多能互补模式进一步增强了能源电力系统的碎片化,其中区域不同、专业领域不同、多种能源的匹配程度不同等,都使得利益的碎片化明显,难以收集长尾效益。这方面的问题不可能从能量层得到解决,只能通过泛在电力物联网,形成多个区域多个项目的信息服务平台,在信息层做到透明并进一步优化共享,降低规模化的边际成本,形成平台效应。以泛在电力物联网支撑的能源互联网平台为基础,可以开放第三方高级应用,例如大数据分析、智能调度、态势感知、安全稳定分析等。比如在区域综合能源的管理中,泛在电力物联网可以通过低成本、高可靠的终端量测装置采集不同能源形式的在线实时信息,通过边缘控制器的本地处理,进而上传云数据中心,支撑在线实时数据的分级分析和处理。

       四、泛在电力物联网支撑能源互联网实现价值创造互联网和新科技的发展使物理世界与虚拟世界开始融合,行业的边界变得模糊,互联网的触角已经无孔不入,零售、图书、金融、电信、娱乐、媒体等等行业早已互联网化,而制造、公用事业、环保、能源等传统行业也正在迅速被互联网融合。互联网的跨界颠覆,本质是高效率整合低效率,包括结构效率和运营效率,对于能源行业也是如此。能源互联网不是为了互联而互联、为了接入而接入,能源互联网要提供价值和增值服务,必须形成价值闭环并且创造新的价值。但最终的核心价值在哪里,如何形成价值闭环,如何成为市场上站得住脚的独立业务运营,可能还要能源互联网的不同环节协调配合。例如分布式光伏是发端的重要组成,还要考虑与其他能源形式相互补,以及与储能、用户侧需求管理与响应等相结合,例如光储充就是未来的一个发展方向。而最终的目标必然是发展成为一个综合能源服务平台,提供无法替代的能源服务价值。价值创造的最终来源是用户,尽最大可能为用户提供好的服务。用户中心是互联网思维的核心,用户入口就意味着最终的价值导入,从用户到流量到不断迭代到平台思维,互联网在用户服务方面一直追求极致体验,而在这些方面能源服务的道理也一样,应该从终端用能用户拓展到全产业链的用户服务,并与综合能源服务平台进一步整合,真正实现能源互联网从能量、信息、业务到价值的透明和统一。泛在电力物联网的价值不应该局限于能源电力行业,还应该跨界拓展到其他领域。电力由于可以无处不在,再有5G无线通信网或电力无线专网的支持,因此泛在电力物联网可以被利用构建水平互联意义上的物联网。也就是说任何其他领域的物联网应用都有可能借助泛在电力物联网的平台,进行传感器的接入和应用的接入,而不用考虑通信、计算资源方面的构建以及实时性、安全性等方面的要求。泛在电力物联网对外业务的拓展使得其价值创造的空间巨大,也将成为电力行业通过基础设施和平台建设带动其他行业发展的典范。

       五、未来发展方向泛在电力物联网要在能源互联网建设中发挥更大作用,必须秉持能源互联网开放互联、对等分享的理念,坚持创新驱动。首先,发展能量路由器、边缘控制器等关键装备,促进信息能源基础设施一体化。例如国家电网公司提出“三站合一”的构想,将能源站、储能站、数据中心进行一体化设计,某种程度上就反映了信息能源基础设施一体化的大趋势,进而实现能源流、业务流、数据流的“三流合一”。其次,发展能源互联网能量管理和用户服务平台,形成人、物、信息、价值的聚合,发挥平台效应。例如综合能源服务要进一步高效发展,必须有泛在电力物联网的平台支撑,否则很难收集碎片化利益,形成规模效益。最后,对内对外实现开放共享,最大限度地创造新价值。能源互联网的价值链不仅仅存在于能源的交易中,还有绿色、低碳、环保等其他价值链的存在,可以借助区块链等技术手段最大限度进行信息透明和价值梳理,同时与智能交通、智能家居等其他领域跨界结合,创造出新的价值。

原文首发于《电力决策与舆情参考》2019年5月31日第20期

审核:齐正平

编辑:李丹丹