未來電網(wǎng)建設(shè)的主要任務(wù)與挑戰(zhàn)是哪些？
前言：近年來，隨著電力負(fù)荷的快速增長，間歇性電源的高比例接入，全球極端天氣加劇等問題的增多，傳統(tǒng)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行已受到巨大挑戰(zhàn)。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(yīng)用于傳統(tǒng)電網(wǎng)，解決源側(cè)、網(wǎng)側(cè)和荷側(cè)三方面的重難點(diǎn)問題將成為未來電網(wǎng)建設(shè)的主要任務(wù)與挑戰(zhàn)。
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(rèn)為這是未來電網(wǎng)發(fā)展的態(tài)勢和解決 21 世紀(jì)電網(wǎng)面臨的各種問題的途徑。智能電網(wǎng)具有自愈、互動、優(yōu)化、兼容、集成的特征。智能電網(wǎng)建設(shè)涉及面廣，面臨的問題較多，完全依靠傳統(tǒng)技術(shù)很難滿足其需求，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(yīng)運(yùn)而生，成為智能電網(wǎng)更開闊的發(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 2019》，將泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)分為兩個階段，重點(diǎn)構(gòu)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(xiàn)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》，實(shí)現(xiàn)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(guī)?；こ虘?yīng)用和場景進(jìn)行推廣。
目前，在眾多實(shí)施的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用項(xiàng)目中，嘉興烏鎮(zhèn)電力物聯(lián)網(wǎng)作為重點(diǎn)園區(qū)級綜合示范項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)了智慧路燈、電動汽車智慧車聯(lián)網(wǎng)、全感知配電房等多種場景的應(yīng)用，建立了全景智慧用電平臺，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。江蘇無錫作為國內(nèi)唯一的國家級物聯(lián)網(wǎng)示范城市，系統(tǒng)規(guī)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(jì)、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(yùn)營管理模式。
當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電網(wǎng)中的應(yīng)用
目前電網(wǎng)經(jīng)過多年的建設(shè)已經(jīng)聯(lián)系到千家萬戶的每一臺電器，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的物質(zhì)基礎(chǔ)已然非常具備。建設(shè)智能電網(wǎng)需要在現(xiàn)有電網(wǎng)上增加傳感測量技術(shù)、集成通信技術(shù)和高級控制方法，而物聯(lián)網(wǎng)本身就是這三者的有機(jī)結(jié)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)通過傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、云/邊緣計(jì)算技術(shù)等的支持在電網(wǎng)運(yùn)行中的不同應(yīng)用。
源-網(wǎng)-荷通信方式
物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電源側(cè)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。對于傳統(tǒng)電源方面，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以應(yīng)用于對 發(fā)電設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程故障診斷，設(shè)計(jì)發(fā)電設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，能夠檢測發(fā)電機(jī)組的實(shí)時情況， 并根據(jù)機(jī)組的異常情況查找故障原因。
源側(cè)：對于分布式電源方面，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以對風(fēng)能、太陽能等新能源發(fā)電進(jìn)行監(jiān)測和調(diào)節(jié)，從而使新能源更好的并網(wǎng)接入和運(yùn)行。在光伏發(fā)電方面可以實(shí)現(xiàn)對偏遠(yuǎn)地區(qū)的光伏系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測和控制。除了可以實(shí)現(xiàn)光伏系統(tǒng)的監(jiān)測，還可以實(shí)現(xiàn)對光伏系統(tǒng)中最大功率點(diǎn)的跟蹤。在風(fēng)能發(fā)電方面，由于風(fēng)電場具有單機(jī)數(shù)目大、分布地區(qū)廣且大的特點(diǎn)，因此需要長時間頻繁維護(hù)。若將物聯(lián) 網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)電場組網(wǎng)，則可以大大降低其運(yùn)營維護(hù)的成本。
網(wǎng)側(cè)：傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在輸電側(cè)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，其中通信一般依靠專用通信網(wǎng)(光纖網(wǎng)絡(luò))或通用分組無線服務(wù)(General Packet Radio Service, GPRS)網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)在輸電側(cè)的應(yīng)用可以解決目前監(jiān)測系統(tǒng)存在的 運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用高、數(shù)據(jù)傳輸率低等問題，從而提高輸電效率。
荷側(cè)：物聯(lián)網(wǎng)在負(fù)荷側(cè)的應(yīng)用最顯著是低壓抄表方式 的轉(zhuǎn)變，除此之外，物聯(lián)網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)在用電安全管理、用電安全方面的應(yīng)用，進(jìn)一步推動了智能家居、 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)三個關(guān)鍵技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)整體架構(gòu)的重要組成部分，三者是各類應(yīng)用環(huán)節(jié)的技術(shù)基礎(chǔ)，為物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)的傳輸作了重要支持。傳感器作為數(shù)據(jù)獲取的源頭，通信技術(shù)組成了數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，邊緣計(jì)算提高了數(shù)據(jù)的傳輸速度，云計(jì)算是數(shù)據(jù)處理和管理的平臺，從而使海量的電力數(shù)據(jù)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(xiàn)電力數(shù)據(jù)的綜合應(yīng)用。在此我們重點(diǎn)分析一下傳感技術(shù)。
傳統(tǒng)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(guī)律變換后輸出，典型的器件有電阻應(yīng)變式傳感器、電荷耦合器件、霍爾傳感器等。隨著傳感器不斷發(fā)展，具有信息處理功能的智能傳感器占據(jù)較大的應(yīng)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(tǒng)傳感器的發(fā)展方向，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，也稱為巨磁阻傳感器(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(yùn)行成為可能。例如將小微智能傳感器應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)的感知層，實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的大數(shù)據(jù)測量和收集，進(jìn)一步拓展傳感器在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)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、功率較大等問題，其未來將要突破的瓶頸是自行實(shí)現(xiàn)能量的補(bǔ)給以及電壓測量的問題。
除此之外，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用還有無線傳感網(wǎng)絡(luò)，它通過節(jié)點(diǎn)內(nèi)置傳感器進(jìn)行采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中的目標(biāo)信息。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有自組織性、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，它能為物聯(lián)網(wǎng)帶來傳感、互通和驅(qū)動的高性能。但無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也存在一定的缺陷，首先不同應(yīng)用場合下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和協(xié)議不同，需要設(shè)計(jì)相同的標(biāo)準(zhǔn)接入到電力通信網(wǎng)；其次無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在電網(wǎng)中會受到電磁干擾，可能會導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集和傳輸過程中出現(xiàn)失誤，需要完成電磁兼容的可行性設(shè)計(jì)；最后無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)需要持續(xù)的能量供應(yīng)，若將小微智能傳感器與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相結(jié)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(yīng)用點(diǎn)。目前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)開始逐步應(yīng)用于智能電網(wǎng)的數(shù)據(jù)收集的場景中，如無線自動抄表、遠(yuǎn)程系統(tǒng)監(jiān)控、設(shè)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)通過各種“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)的綜合運(yùn)用，使電網(wǎng)運(yùn)行透明可觀可測。區(qū)別于運(yùn)行數(shù)據(jù)少和設(shè)備狀態(tài)不可見的傳統(tǒng)配電網(wǎng)，透明配電網(wǎng)是近年來伴隨著數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸及數(shù)據(jù)分析技術(shù)在配電網(wǎng)深度應(yīng)用而出現(xiàn)的一種新的配電網(wǎng)形態(tài)。
物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是構(gòu)成透明配電網(wǎng)的重要基礎(chǔ)，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(shù)據(jù)監(jiān)測為基礎(chǔ)，為了實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的透明化，要求數(shù)據(jù)全面且數(shù)量足夠多，而傳統(tǒng)的測量裝置無法實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的測量和實(shí)時傳送，此時物聯(lián)網(wǎng)便可以發(fā)揮其獨(dú)有的優(yōu)勢。傳感器技術(shù)可以解決透明配電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集的需求，實(shí)時采集海量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的數(shù)據(jù)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)時傳輸可靠的數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的狀態(tài)透明。云/邊緣計(jì)算可以解決透明配電網(wǎng)海量數(shù)據(jù)處理的需求，快速處理上傳海量數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)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(nèi)涵高度吻合，即圍繞電力系統(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，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)。傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)采用的是分層體系，分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層三層，對應(yīng)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(yīng)用的體現(xiàn)，可以分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層、應(yīng)用層這四層結(jié)構(gòu)。
感知層通過傳感器技術(shù)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和處理，利用邊緣計(jì)算處理一些區(qū)域化的計(jì)算任務(wù)，從而減輕平臺層服務(wù)器的計(jì)算壓力，提升實(shí)時性和建立統(tǒng)一的終端操作系統(tǒng)是未來感知層的發(fā)展方向。網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)對感知層和平臺層之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，利用多種通信方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸與靈活調(diào)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)是未來網(wǎng)絡(luò)層的發(fā)展方向。平臺層通過云計(jì)算技術(shù)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)高效處理和物聯(lián)管理，是實(shí)現(xiàn)高級應(yīng)用的基礎(chǔ)，提高協(xié)同計(jì)算與實(shí)時響應(yīng)能力是未來平臺層的發(fā)展方向。應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的生產(chǎn)運(yùn)營、經(jīng)營管理和相關(guān)的用能服務(wù)，如微網(wǎng)運(yùn)行管理、電動汽車的運(yùn)營管理、園區(qū)能源管理等，跨專業(yè)的物聯(lián)管理是未來應(yīng)用層的發(fā)展方向。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)為大數(shù)據(jù)與人工智能在能源互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。
總之，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將電力系統(tǒng)的各個元素緊密地、有機(jī)地聯(lián)系起來，不斷促進(jìn)電力系統(tǒng)的自動化、信息化和智能化。傳感器技術(shù)、通信技術(shù)與云/邊緣計(jì)算技術(shù)等物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)在電力系統(tǒng)源側(cè)、網(wǎng)側(cè)和荷側(cè)三方面的深化應(yīng)用和擴(kuò)大影響，推動了電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全面可觀可測、可調(diào)可控。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和突破，未來物聯(lián)網(wǎng)在智能電網(wǎng)具有巨大的應(yīng)用空間。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支撐下，智能電網(wǎng)將會朝著透明運(yùn)行和泛在物聯(lián)的形態(tài)發(fā)展。
