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泛在电力物联网2021大有可为 美日经验先来看一看

日期:2021-01-14    来源:通信世界  作者:梁张华

国际电力网

2021
01/14
14:21
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关键词: 电力物联网 国家电网 信息通信

2019年初,国家电网有限公司提出建设“三型两网、世界一流”的战略目标,其中的“两网”即指坚强智能电网和泛在电力物联网。泛在电力物联网是围绕电力系统各环节,充分应用移动互联、人工智能等现代信息技术、先进通信技术,实现电力系统各个环节万物互联、人机交互,具有状态全面感知、信息高效处理、应用便捷灵活特征的智慧服务系统。通俗地说,就是运用新一代信息通信技术,将电力用户及其设备、电网企业及其设备、发电企业及其设备、电工装备企业及其设备连接起来,通过信息广泛交互和充分共享,以数字化管理大幅提高能源生产、能源消费和相关领域安全、质量和效益效率水平。泛在电力物联网将和坚强智能电网相辅相成、融合发展,形成强大的价值创造平台。

随着国家电网加快推进“三型两网、世界一流”战略的落地实施,预计在2024年之前有望全面建成泛在电力物联网,在此期间,基于泛在电力物联网建设的相关信息通信投资额度将大幅上升。泛在电力物联网建设将成为未来几年加快推进“新基建”和助力建成网络强国、数字中国的重要组成部分。如何更好、更高效地建设泛在电力物联网成为接下来几年亟待深入研究的重要课题之一。本文将在论述深入研究更好地建设泛在电力物联网的必要性的基础上,对美、日等发达国家建设电力物联网的经验举措进行分析,为我国提供有益借鉴。

泛在电力物联网投入规模巨大,将对经济社会产生重大积极作用

2016—2018年,国家电网在信息通信类方面的投资额分别为111亿元、123亿元和118亿元,在公司总投资额中的占比为2.5%左右。在这3年中,国家电网投资的重心仍集中在输配电线路工程及一次设备上。2019年后,随着我国电网骨干网建设基本成型,同时国家电网提出建设“三型两网、世界一流”的战略目标,未来电力行业的投资将出现结构性变化。实际上,我国电力行业的投资重点随着经济社会发展的需要和电力系统架构的调整,基本上经历了3个阶段:一是电源优先阶段;二是输电优先阶段;三是均衡发展,倾斜配电网阶段。目前,我国电力投资正处于第二阶段向第三阶段转变的时期,电力行业在配用电端的投资占比将持续上升,投资重点开始逐渐向配电物联网、智能电网、能源互联网领域倾斜,基于泛在电力物联网建设相关的智能化以及信息通信领域的投资占比将会大幅提升。

参照安信证券对泛在电力物联网投资规模的测算:假设国家电网的电网投资规模每年保持3%~5%的增幅;2020年前后特高压网架结构基本成形,配网投资占比开始快速提升,从2020年的55%增至2024年的70%;配网端的泛在电力物联网相关投资占配网投资的比例也同步开始大幅增加,从2020年的25%增至2024年的60%;发电端和输电端每年的泛在电力物联网投资将约为配网端的20%。基于上述假设,测算得出国家电网2019—2024年在泛在电力物联网领域的投资规模合计将达8646.8亿元,具体各年情况见表1。

此外,南方电网在其《公司数字化转型和数字南网建设行动方案》中提出建设“电网状态全感知、企业管理全在线、运营数据全管控、客户服务全新体验、能源发展合作共赢”的数字南网新目标,预计未来几年,南方电网也将大规模投入建设电力物联网。从过往南方电网的经营数据来看,其经营体量约为国家电网的20%,每年电网的投资额也约为国家电网的20%。因此,对南方电网未来5年的数字化建设投资额也以国家电网的20%的水平进行估算。总体而言,两家电网公司2019—2024年间在泛在电力物联网领域的投资额合计将达10376.2亿元。

泛在电力物联网的投入规模巨大,将对经济社会产生重大积极作用。在经济价值方面,以数字技术为传统电网赋能,一是将有利于提升电网的感知能力、互动水平、运行效率和自愈能力,实现对内提质增效,使设备管理更高效,调度控制更灵活,供电质量更优越,电网运行更安全;能更好地促进源网荷储协同互动,实现削峰填谷,推动“源随荷动”模式向“源荷互动”模式转变。二是将有利于构建合作共赢的能源新生态,实现以电为中心向电力生产和消费两端延伸价值链,促进产业链上下游企业之间供需精准对接和优势互补,高质量开发新产品、新技术,培育新业务、新模式,为上下游企业创造更大发展机遇、挖掘更广阔市场空间,构建共建共享共赢的生态圈。

在社会价值方面,发展泛在电力物联网将有利于助力国家治理现代化、推动能源低碳转型和满足人民美好生活的用能需求。一是通过对全社会能源电力生产消费信息的全息感知和汇聚整合,可支撑服务政府高效监管、精准施策、科学调控;并且还可促进能源电力系统更好地与政务、交通、电信等领域实现互联互通,提升整个城市的统筹管理和协同控制能力,助力智慧城市建设。二是通过泛在电力物联网建设,将推动清洁能源发电全息感知、智能分析、精准预测,提高清洁能源与电网协同规划、灵活调度、市场交易能力,有力支撑各类清洁能源接入,提升清洁能源消纳水平,促进清洁能源科学发展。三是将有利于主动通知停电信息,及时抢修线路故障,实现办电、交费等全过程在线透明,能为客户提供用电提醒、节能分析、能效诊断、远程控制、撮合交易、能源金融等个性化、多元化增值服务,持续提升客户体验。

美日等发达国家已形成较为成熟的电力物联网建设发展经验

1.美国基于“战略规划研究—立法保障—政府主导推进”模式推进智能电网建设

(1)战略研究与规划阶段(2001—2010年)

在美国前总统布什以及能源部的大力推动下,2002—2007年,美国依次形成了“国家输电网研究(2002)”“Grid2030,美国电力系统下一个百年的国家愿景(2003)”“国家电力传输技术路线图(2004)”“电力输送系统升级战略规划(2007)”和“智能电网互操作标准框架和技术路线图(2010)”等具有连续性和承接性的系列战略研究/规划报告,为后续立法和政府主导实施奠定了良好基础。

基于相关研究,美国能源部于2003年提出了未来美国电力系统的愿景:通过发电厂和用电设备任意两点的电力流和信息流双向联通,实现对每个用户和节点的自动监测与控制;到2030年,美国电网将提高现有系统的可靠性、电能质量、安全性和电力传输效率。官方首次明确把“信息流”作为未来电力系统建设的重要内容之一。

至2010年,美国进一步明确了智能电网的建设标准,提出了16个智能电网互操作性标准框架,包含计量基础设施、变电站和馈线装置自动化、变电站自动化和保护、电力公司和分布式发电之间的物理和电气互联、智能电子装置的安全性、价格支持和直接负载控制等;以及4项智能电网关键技术,比如可再生能源和分布式能源并网技术、广域监控技术和先进输电技术在内的智能输电技术、高级配电自动化技术和配电管理在内的智能配电技术、电动汽车充放电技术和自动需求侧响应在内的智能用电技术以及高级测量体系和信息通信技术在内的自动化技术等。电力物联网成为智能电网建设的关键核心组成部分。

(2)立法保障阶段(2007—2009年)

2007年,美国国会颁布《能源独立与安全法案》,规定美国政府必须支持美国现有电网的现代化改造,并确立了智能电网的国策地位,就提交国会的定期报告、组织形式、技术研究、开发和示范工程建设、配套资金支持、协调工作框架、各州的职责、私有线路法案影响的研究以及智能电网对于安全性的贡献研究等问题进行了详细和明确的规定。

2009年,美国国会进一步颁布《美国恢复和再投资法》,明确将投资45亿美元用于发展智能电网;批准了65亿美元财政贷款权用于建设电网基础设施;此外,还对《能源独立与安全法案》进行了修订,包括把智能电网投资的政府补贴由20%提高至50%,把补贴对象范围拓宽至电力公司以外的参与方,并要求加强智能电网建设过程中的开放透明度等。

(3)政府主导推进阶段(2008年至今)

在系列战略研究/规划报告以及2份法案的指导下,美国能源部牵头其他相关部门,从2008年起采取了一系列行动推动智能电网建设,主要可以归纳为4个方面:一是建立跨部门的组织机构和工作体系;二是落实激励政策与资金安排,加大对电网基础设施规划与建设的支持力度,特别是加大智能电网投资补助力度和加快智能电网示范推广;三是加快智能电网标准体系研究,专门由美国国家标准与技术研究院牵头协调相关部门推动智能电网标准制定工作;四是构建智能电网信息交流平台和启动人力资源培训,完善智能电网相关配套设施和辅助举措。

与此同时,地方政府也开始推动智能电网建设落地。2008年,美国科罗拉多州波尔德市建设全美第一个“智能电网”城市,开始构建配电网实时高速双向通信网络;建设具备远程监控、准实时数据采集通信以及优化性能的“智能”变电站;安装可编程家居控制装置和自动控制家居用能的管理系统;整合基础设施,支持小型风电和太阳能发电、混合动力汽车、电池系统等分布式能源和储能设施的建设。

2.日本实行“政府主导+官产学结合”的发展模式,各主体结合自身优势情况推进技术和业务突破

(1)实行“政府主导+官产学结合”的模式

日本智能电网同样由政府(经济产业省)主导,实行官产学结合的模式。2009年,经产省内设“智能电表制度研究会”“下一代送配电系统制度研究会”“蓄电池系统产业战略研究会”“下一代汽车战略研究会”“下一代送配电网络研究会”“下一代能源系统国际标准化研究会”“智能社区论坛”等12个相关研究会,对智能电网的相关问题在经产省内进行广泛的研究和讨论。

与此同时,经产省根据日本企业在智能电网的技术先进性,遴选出7个领域的26项重要技术作为发展重点,把包括输电领域的输电系统广域监视控制系统(WASA)、配电领域的配电智能化、储能领域的系统用蓄电池的最优控制、电动汽车领域的快速充电和信息管理以及智能电表领域的广域通信等列入其中。

2010年以后,智能电网进入实证阶段,经产省组织超过500家企业以及团体成立官产学联盟——“智能电网联盟”。联盟的会长单位为东芝公司,干事单位由伊藤忠商事、东京燃气、东京电力、丰田汽车、日挥、松下、日立制作所、三菱电机组成,下设国际战略、国际标准化、发展路线、智能家居等4个工作组,开展智能电网战略研究和技术研发。

(2)产学界推动智能电网向更高技术水平的数字电网持续突破

2011年,日本产学界进一步成立“数字电网联盟”。其研究方向是将能源互联网中的信息交互技术提升到一个新的层次——使电力本身携带信息进行电力调度和电力系统运行优化。数字电网建立在互联网的基础之上,利用数字电网网络路由器和能量信息路由器,以及电网中的发电设施、储能装置、能源转化装置等,使得电网基础设施都可以被分配一个IP地址。依据IP地址,各电力设备就如同互联网的设备一样,可以被网络识别和调配。

数字电网网络路由器和能量信息路由器在数字电网的建设中发挥重要作用,成为持续研发提升的关键核心。一是数字电网网络路由器将实现电网与互联网相连,主要用于系统结算和电力交易信息传递。二是数字电网能量信息路由器将实现云端能源系统各环节的运行优化结果高速下载至每一个相对应环节的能量信息路由器,每一个路由器再对能量信息赋予电力流,由电力携带信息传导至调度机构,调度机构将根据电力所携带的信息自动完成调度操作,并赋予新的能量信息,再传导至系统各设备处完成信息交换,设备根据电力携带的信息自动完成用电行为,并将用电信息大数据通过云技术返回至控制系统(如图3所示)。

日本数字电网的“电力携带信息”技术深度利用了物联网、云计算、大数据等信息通信技术,目前已初具规模,有望推动能源互联网信息交互技术发生革命性突破。

(3)企业率先在发电、产品及用户服务领域应用电力物联网相关技术

作为日本最大的电力公司之一,东京电力公司率先在汽轮机等发电设施安装传感器,通过物联网远程优化平台监控国内外电站相关运行数据,开展运行状态可视化、运行异常检测和热效率管理服务。目前已在4家火电厂投用,预计各电厂每年可节省约420万元人民币燃料成本,减少10%~20%的停机检修成本。同时,还与GE合作,在消化、吸收、再创新的基础上,成立数据监测分析中心,利用GE成熟的资产绩效管理平台开展数据分析,每年产生的价值预计可达5亿元人民币以上。

在产品及用户服务领域,对于商业发展前景较好的业务,东京电力与相关领域具备技术优势的合作方组建合资公司,开展专业化运营,并积极争取控股。例如在家庭住宅领域,与该领域从事设计业务的上市公司EPCO和科技公司Informetis组建合资公司,借助EPCO成熟的物联网平台和智慧家庭技术提供住宅节能诊断、设备交换、储能以及售后等一站式服务;同时,依托Informetis基于能源物联网的大数据分析、非入户式分离技术等,开展家庭用能信息收集、分析、用电方案优化业务,相关数据同时出售给房产、安保、保险、医护服务公司等进行变现,2018年实现销售额约4.86亿元人民币。

对于有一定盈利空间,但业务规模难以支撑专业化公司运营的业务,东京电力大多通过业务捆绑的方式,与合作方联合推出营销套餐开拓市场。例如,与索尼公司开展“家庭安心计划”,在家中安装传感器、由家庭成员佩戴电子标签等,通过智能手机软件掌握家庭成员外出和回家情况,使用费约200元/月;与伊藤忠商事合作推出“光伏+蓄电池储能+AI自控技术”的用电方案,实现高效利用光伏发电,促进用户夜间电费减少约10%。

美日的经验启示

一是政府主管部门有必要深度介入泛在电力物联网及能源互联网的建设和发展,为其提供合理的规划指导、有利的政策环境和充足的资源支持。

二是政府主管部门和两家电网公司应充分调动科研院所、行业协会等组织机构的积极能动性,为泛在电力物联网和能源互联网的发展提供技术和先进经验等方面的智力支持。

三是泛在电力物联网的建设主体,即两家电网公司应结合自身的优势在发、输、配、售、用等领域开展物联网、5G、云计算和大数据应用,尽快创造价值,总结问题经验,为后续进行持续广泛推广夯实基础。

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