摘要：泛在電力物聯(lián)網(wǎng)是當(dāng)前智能電網(wǎng)發(fā)展的一個(gè)重點(diǎn)方向,。首先,，總結(jié)了泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的主要作用和價(jià)值體現(xiàn),；其次,，從智能電網(wǎng)各個(gè)環(huán)節(jié)概述了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電力領(lǐng)域的已有研究和應(yīng)用基礎(chǔ),；進(jìn)而,，構(gòu)思并提出了泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展形態(tài),，包含現(xiàn)階段智能電網(wǎng),、透明電網(wǎng)和零邊際成本電網(wǎng) 3 個(gè)階段的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì),，為泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的深化提供一些思路,；最后，提出泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的若干技術(shù)挑戰(zhàn),，為泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的未來(lái)研究提供參考,。
引言
互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與新能源技術(shù)將推動(dòng)新一輪能源革命［1］,，智能電網(wǎng)［2］與“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)相結(jié)合成為當(dāng)前電氣工程領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)［3-5］，興起了能源互聯(lián)網(wǎng)［6-7］和泛在電力物聯(lián)網(wǎng)（ubiquitous power Internetof Things,，UPIoT）［4,，8-9］的概念，為智能電網(wǎng)建設(shè)拓展了更開闊的發(fā)展空間,。其中,，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為當(dāng)前科技領(lǐng)域的熱點(diǎn)技術(shù)，在電力領(lǐng)域中的應(yīng)用展示了充滿想象力的前景［9-12］,。
根據(jù)國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）的定義,，物聯(lián)網(wǎng)是通過二維碼識(shí)讀設(shè)備、射頻識(shí)別（RFID）裝置,、紅外感應(yīng)器,、全球定位系統(tǒng)和激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議,，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接,，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別,、定位,、跟蹤、監(jiān)控和 管 理 的 一 種 網(wǎng) 絡(luò)［13］,。 國(guó) 家 電 網(wǎng) 有 限 公 司 提 出UPIoT 理念,，圍繞電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)，充分應(yīng)用移動(dòng)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(wàn)物互聯(lián),、人機(jī)交互,，形成具有狀態(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)［8］,。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，特別是智能 傳 感 器 ,、低 功 率 廣 域 通 信（low-power wide-areanetwork,，LPWAN）、5G 以及云/邊緣計(jì)算等技術(shù)的成熟,，如何建設(shè) UPIoT 引起了廣泛的關(guān)注,。作為構(gòu)建透明電網(wǎng)的關(guān)鍵支撐技術(shù)［14］，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，具有采集,、處理,、交換信息的能力，因其特低功率,、便于安裝,、抗干擾、價(jià)格低等特點(diǎn)使智能電網(wǎng)透明化運(yùn)行成為可能,。以寬帶載波,、5G、LPWAN 為代表的通信技術(shù),，將引領(lǐng) UPIoT 的數(shù)據(jù)傳輸向高傳輸速率,、低功耗、遠(yuǎn)距離,、高可靠性等方向發(fā)展,。云/邊緣計(jì)算技術(shù)有望解決高效處理海量數(shù)據(jù)的難題［15］，適應(yīng)電網(wǎng)數(shù)字化,、信息化,、智能化的數(shù)據(jù)處理需求。
基于此,，本文探討了 UPIoT 的主要作用和價(jià)值體現(xiàn),，分析了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在發(fā)電、輸電,、變電,、配電和用電 5 個(gè)環(huán)節(jié)中的已有基礎(chǔ)，闡述了未來(lái)透明電網(wǎng)和零邊際成本電網(wǎng)的概念,、內(nèi)涵和發(fā)展趨勢(shì),。最后，本文提出了 UPIoT 的若干技術(shù)挑戰(zhàn),。
泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的主要作用和價(jià)值體現(xiàn)
電網(wǎng)聯(lián)系到千家萬(wàn)戶的每一臺(tái)設(shè)備和電器,，非常具備物聯(lián)網(wǎng)萬(wàn)物互聯(lián)的物質(zhì)基礎(chǔ)。現(xiàn)有電網(wǎng)上增加傳感測(cè)量技術(shù),、集成通信技術(shù)和高級(jí)計(jì)算控制方法,，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)和智能電網(wǎng)的高度融合。
UPIoT 以信息獲取為基礎(chǔ),，注重用戶之間以及用戶與電網(wǎng)之間進(jìn)行實(shí)時(shí)連接和互動(dòng),，并對(duì)海量數(shù)據(jù)信息進(jìn)行收集分析和實(shí)時(shí)高速傳輸，從而加強(qiáng)電網(wǎng)智能處理和決策支持功能,。
UPIoT 的主要特征表現(xiàn)在：①無(wú)時(shí)不在、無(wú)處不在：除了電力設(shè)備外，成千上萬(wàn)的電器,，甚至是用戶的穿戴設(shè)備,，都將通過傳感器連接到物聯(lián)網(wǎng)中，支持終端即插即用,，用戶本身也是物聯(lián)網(wǎng)連接的對(duì)象之一［4］,；②多種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)貫通：電網(wǎng)多種業(yè)務(wù)打破數(shù)據(jù)壁壘，各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)統(tǒng)一在大數(shù)據(jù)平臺(tái)進(jìn)行管理,，為高級(jí)應(yīng)用提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)平臺(tái)支撐［16］,；③高級(jí)應(yīng)用功能完善：隨著人工智能算法、大數(shù)據(jù)分析方法的成熟,，應(yīng)用層將會(huì)逐漸完善功能,，及時(shí)處理多種數(shù)據(jù)形成分析結(jié)果和優(yōu)化方案反饋回電網(wǎng)，保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定可靠經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,；④數(shù)據(jù)呈現(xiàn)巨大效益：電網(wǎng)數(shù)據(jù)價(jià)值得到充分挖掘,，既能實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)企業(yè)業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)型升級(jí)和盈利模式創(chuàng)新，又能為各種創(chuàng)新型機(jī)構(gòu)提供共享數(shù)據(jù),，促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,。
UPIoT 的 作 用 和 價(jià) 值 主 要 體 現(xiàn) 在 以 下 4 個(gè)方面。
1. 1 全面支撐電網(wǎng)運(yùn)行性能提升
隨著智能電網(wǎng)不斷發(fā)展,，系統(tǒng)每天都在產(chǎn)生海量數(shù)據(jù),，對(duì)電網(wǎng)的監(jiān)控、調(diào)度和管理帶來(lái)了巨大的作用和挑戰(zhàn),。如何對(duì)電力系統(tǒng)中多種類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效分析和管理成了急需解決的問題［17］,。包含每一個(gè)用戶、每一個(gè)用電設(shè)備的細(xì)顆粒度數(shù)據(jù)將使得智能電網(wǎng)完全透明化,，通過大數(shù)據(jù)計(jì)算分析和可視化展示,，非常便于電網(wǎng)相關(guān)人員及時(shí)洞察異常和潛在的風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確掌握電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài),，快速精細(xì)預(yù)測(cè)電網(wǎng)的變化趨勢(shì),；多環(huán)節(jié)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)貫通，可打通不同專業(yè)部門的數(shù)據(jù)壁壘,，提高對(duì)電網(wǎng)認(rèn)知的全面性,，促進(jìn)多環(huán)節(jié)業(yè)務(wù)協(xié)同進(jìn)行?？傊?，UPIoT 可全方位提高電網(wǎng)運(yùn)行的安全性、可靠性,、優(yōu)質(zhì)性和經(jīng)濟(jì)性,。
值得一提的是,，傳統(tǒng)的集中式控制模式難以滿足海量數(shù)據(jù)的傳輸處理的要求，而利用邊緣計(jì)算可降低對(duì)主站系統(tǒng)的壓力,，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性,、準(zhǔn)確性和安全性，在中低壓配電網(wǎng),、微電網(wǎng)等分布式控制中具有巨大的競(jìng)爭(zhēng)力,，為電網(wǎng)企業(yè)面向內(nèi)部的管理決策提供了全新的技術(shù)手段。
1. 2 促進(jìn)與用戶互動(dòng)化的智能用電
隨著中國(guó)人民生活質(zhì)量的提高,，人民對(duì)供電質(zhì)量要求也越來(lái)越高,，用戶側(cè)的光伏、儲(chǔ)能,、充電樁等元素越來(lái)越多,，對(duì)智能家居和智能用電的體驗(yàn)感受越來(lái)越重視［18-19］。在此背景下,，傳統(tǒng)的配網(wǎng)運(yùn)行管理因缺乏必要和充分的用戶數(shù)據(jù)獲取及交互手段,，難以對(duì)用戶準(zhǔn)確建模并將用戶資源納入電網(wǎng)的協(xié)同柔性控制，也無(wú)法為用戶提供更優(yōu)質(zhì)和個(gè)性化服務(wù),。
通過物聯(lián)網(wǎng)可以對(duì)用戶及配電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量和態(tài)勢(shì)感知［20］,，打通電網(wǎng)與用戶雙向通信的通道，引導(dǎo)用戶有序用電,，提高用戶參與電網(wǎng)運(yùn)行的體驗(yàn)和收益,，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與用戶的共贏。如何基于物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與用戶數(shù)據(jù)交互,、資源共享,，促進(jìn)智能用電服務(wù)是目前用電側(cè)需要解決的問題。
1. 3 提升分布式可再生能源消納能力
隨著分布式可再生能源在電網(wǎng)中滲透率的不斷提高,，其出力的隨機(jī)性,、間歇性和波動(dòng)性經(jīng)過和傳統(tǒng)負(fù)荷特性的疊加，容易造成配電網(wǎng)功率和電壓的顯著波動(dòng),，形成階段性過載或者過電壓風(fēng)險(xiǎn),，對(duì)配網(wǎng)運(yùn)行控制和保護(hù)帶來(lái)了挑戰(zhàn)［21］。
基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),，利用智能化的小微傳感器對(duì)分布式電源（distributed generation,，DG）進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和態(tài)勢(shì)預(yù)測(cè)，基于配調(diào)系統(tǒng)或者臺(tái)區(qū)邊緣端對(duì)區(qū)域配電網(wǎng)或臺(tái)區(qū)以及 DG 及時(shí)進(jìn)行調(diào)整,，實(shí)現(xiàn)源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)作運(yùn)行,，從而降低系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，提高可再生能源分布式消納水平,，促進(jìn)能源轉(zhuǎn)型升級(jí),。
1. 4 挖掘用電大數(shù)據(jù)的增量?jī)r(jià)值
隨著近兩年國(guó)家對(duì)一般工商業(yè)電價(jià)的調(diào)控到位,，電網(wǎng)公司從傳統(tǒng)的售電商業(yè)模式中獲得利潤(rùn)的空間和增量已經(jīng)相當(dāng)有限，挖掘用電大數(shù)據(jù)的價(jià)值成為電網(wǎng)公司業(yè)務(wù)和利潤(rùn)的增長(zhǎng)點(diǎn),。另一方面,，用電大數(shù)據(jù)的商業(yè)價(jià)值一直為社會(huì)各界所關(guān)注［22］,，有望為智慧城市,、智能交通、智能家居,、傳統(tǒng)商業(yè)和第三產(chǎn)業(yè),、新能源與節(jié)能行業(yè)、互聯(lián)網(wǎng)行業(yè),、咨詢行業(yè),、制 造 業(yè) 等 各 行 各 業(yè) 帶 來(lái) 重 要 的 信 息 來(lái) 源 和 決 策依據(jù)。
從 商 業(yè) 模 式 來(lái) 看 ,，國(guó) 家 電 網(wǎng) 有 限 公 司 提 出 的UPIoT 的建設(shè)將搭建一個(gè)以電力供需為核心的泛在電力生態(tài)平臺(tái),。電網(wǎng)企業(yè)將在服務(wù)過程中構(gòu)建起多條服務(wù)價(jià)值鏈，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)企業(yè)與相關(guān)方的共創(chuàng)共享共贏［23］,。而用電大數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)必然是配用電物聯(lián)網(wǎng),。
物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電網(wǎng)中的已有基礎(chǔ)
UPIoT 的概念，是基于目前電力系統(tǒng)信息化,、智能化的技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)提出來(lái)的,。本節(jié)從發(fā)電、輸電,、變電,、配電、用電 5 個(gè)方面,，闡述電網(wǎng)中物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究和應(yīng)用基礎(chǔ),。
2. 1 發(fā)電領(lǐng)域
“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源的重點(diǎn)任務(wù)之一就是推動(dòng)能源生產(chǎn)智慧化，提升大規(guī)模新能源的消納能力,。作為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的技術(shù)基礎(chǔ),，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用主要體現(xiàn)在傳感器應(yīng)用及對(duì)發(fā)電機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)。文獻(xiàn)［24-27］基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu),，構(gòu)建了發(fā)電機(jī)組遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組狀態(tài)遠(yuǎn)程在線專家診斷、故障預(yù)報(bào),、科學(xué)維護(hù),，保障機(jī)組安全運(yùn)行；文獻(xiàn)［28］設(shè)計(jì)了基于視頻監(jiān)控,、RFID,、GPRS 等技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控平臺(tái),，實(shí)現(xiàn)發(fā)電系統(tǒng)各類動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的可視化。文獻(xiàn)［29］利用 ZigBee 和嵌入式系統(tǒng)搭建微網(wǎng)分布式電源的控制系統(tǒng),，其中,，ZigBee 用于短距離通信，嵌入式系統(tǒng)用于數(shù)據(jù)格式處理和通信協(xié)議轉(zhuǎn)化,，控制命令由遠(yuǎn)程服務(wù)器生成并下達(dá),。
2. 2 輸電領(lǐng)域
物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在輸電領(lǐng)域的應(yīng)用主要體現(xiàn)在對(duì)輸電線路狀態(tài)的監(jiān)測(cè)及線路安全檢修管控。目前,，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的輸電線路監(jiān)測(cè)系統(tǒng),，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同，數(shù)據(jù)采集的方式或傳輸層的通信方式也可能不一樣?，F(xiàn)有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)往往存在運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用高,、數(shù)據(jù)傳輸率低等問題。文獻(xiàn)［30］組建了基于級(jí)聯(lián)拓?fù)錈o(wú)線 Mesh 與光纖復(fù)合架空地線光傳輸耦合網(wǎng)絡(luò),，滿足輸電線路設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)帶寬,、時(shí)延、可靠性和安全性要求,。文獻(xiàn)［31］則采用接入網(wǎng)和匯聚網(wǎng)兩級(jí)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行變電站和輸電線路的通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì),，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。文獻(xiàn)［32］提出扁平式通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和有線/無(wú)線雙通道異構(gòu)組網(wǎng)技術(shù),，比傳統(tǒng)方法更有效地保障了重負(fù)載網(wǎng)絡(luò)性能和網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)能力,。文獻(xiàn)［33］借鑒產(chǎn)品電子代碼設(shè)計(jì)了輸變電設(shè)備標(biāo)識(shí)碼，提高了設(shè)備之間的信息聯(lián)系交互能力和共享能力,；文獻(xiàn)［34］結(jié)合 ZigBee 和GPRS 組成混合網(wǎng)絡(luò),，用來(lái)傳輸桿塔傾角、人員攀爬,、導(dǎo)線拉力,、桿塔振動(dòng)等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，減少人工巡檢的工作量,。文獻(xiàn)［35］和文獻(xiàn)［36］基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),，分別針對(duì)輸電線路的弧垂、電參數(shù)與溫度構(gòu)建監(jiān)測(cè)系統(tǒng),。
2. 3 變電領(lǐng)域
物聯(lián)網(wǎng)在變電領(lǐng)域的應(yīng)用包括了變電站電氣信息,、設(shè)備溫度等狀態(tài)信息和運(yùn)行操作信息的監(jiān)控預(yù)警與故障診斷等方面［37］，著力于解決變電設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),、監(jiān)測(cè)裝置孤島運(yùn)行,、故障診斷功能不足等問題。
工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)變電站監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集,、通信和處理的有效手段［38-39］,。文獻(xiàn)［40］設(shè)計(jì)了變電設(shè)備智能監(jiān)測(cè)傳感網(wǎng)絡(luò),，并基于一體化智能監(jiān)測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)收發(fā)數(shù)據(jù)、分布式計(jì)算以及設(shè)備故障診斷和預(yù)警功能,。文獻(xiàn)［41］基于視覺傳感器,、信息傳輸和智能視覺分析組成智能視覺物聯(lián)網(wǎng)，將紅外圖像與可見光圖像智能識(shí)別相結(jié)合,，準(zhǔn)確,、實(shí)時(shí)地檢測(cè)和定位變電站設(shè)備溫度異常區(qū)域。文獻(xiàn)［42］采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研發(fā)了一套可移動(dòng),、免安裝,、無(wú)線化的變電設(shè)備局部放電檢測(cè)系統(tǒng),，使現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可以在不停電下進(jìn)行帶電檢測(cè)與在線監(jiān)測(cè),。此外，針對(duì)變電站避雷器 故 障 診 斷［43］和 安 全 操 作［44］的 監(jiān) 控 也 取 得 不 少成果,。
2. 4 配電領(lǐng)域
物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在配電領(lǐng)域的應(yīng)用包括對(duì)配電設(shè)備及其運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè),、故障定位、資產(chǎn)管理,。文獻(xiàn)［45］采用無(wú)線傳感器反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)（WSANs）構(gòu)建了智能電網(wǎng)的信息系統(tǒng),，實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的可視可控。文獻(xiàn)［46］采用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)建立了配網(wǎng)故障定位系統(tǒng),，相比于傳統(tǒng)故障定位系統(tǒng),，故障定位更準(zhǔn)確，性價(jià)比更高,。文獻(xiàn)［47-48］將 RFID 應(yīng)用到資產(chǎn)管理工作中,，提高資產(chǎn)管理水平和效率。主動(dòng)地對(duì)并網(wǎng)分布式發(fā)電（DG）,、儲(chǔ)能,、充電樁、有載調(diào)壓變壓器,、無(wú)功補(bǔ)償?shù)扰潆娋W(wǎng)設(shè)備的運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化與控制是主動(dòng)配電網(wǎng)的主要功能［49］,，而這些功能的實(shí)現(xiàn)往往依賴于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)［50］。兩者的深度融合將形成配電物聯(lián)網(wǎng)［51-53］,，成為能源轉(zhuǎn)型“再電氣化”發(fā)展的新思路,、新模式、新焦點(diǎn),。文獻(xiàn)［51］論述了配電物聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)涵構(gòu)想和應(yīng)用特征,，提出由“云、管,、邊,、端”構(gòu)成的配電物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu),；文獻(xiàn)［52］針對(duì)配電臺(tái)區(qū)管理存在設(shè)備多、通信基礎(chǔ)薄弱等困難,，提出一種新型配電臺(tái)區(qū)應(yīng)用實(shí)踐方式,、設(shè)計(jì)理念、關(guān)鍵技術(shù)節(jié)點(diǎn)和協(xié)同機(jī)制,；文獻(xiàn)［53］總結(jié)了配電物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)背景下的智能終端的內(nèi)涵及基本特征,，給出了智能終端硬件的基本結(jié)構(gòu)和軟件的重要組成，分析了智能終端在計(jì)算,、存儲(chǔ),、通信等方面為配電網(wǎng)向能源互聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)型發(fā)展所帶來(lái)的變化。
2. 5 用電領(lǐng)域
物 聯(lián) 網(wǎng) 在 用 電 領(lǐng) 域 的 應(yīng) 用 主 要 涉 及 低 壓 抄表［54］,、用電安全［55］,、工廠智能用電［56］、智能家居［57］,、智能充電［58］,、智能樓宇［59］等。智能用電服務(wù)系統(tǒng)是智能電網(wǎng)建設(shè)在用戶側(cè)的重要組成部分,，文獻(xiàn)［60］分別從組成架構(gòu)和信息架構(gòu)兩方面介紹了用電設(shè)備智聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu),，并分析了用電設(shè)備智聯(lián)網(wǎng)這個(gè)“電力物聯(lián)網(wǎng)”的功能，異構(gòu)了電力光纖,、雙絞線,、現(xiàn)場(chǎng)總線和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等大容量傳輸技術(shù)，可以全方位支撐 DG,、電動(dòng)汽車和智能家居的應(yīng)用,。中國(guó)已經(jīng)全面推廣應(yīng)用了智能電表，結(jié)合 UPIoT 的建設(shè)推進(jìn),，智能電表的超計(jì)量功能價(jià)值凸顯,，智能用電的各種場(chǎng)景都將變得清晰?？傮w上看,，UPIoT 是電力網(wǎng)-信息網(wǎng)-社會(huì)網(wǎng)的融合。在此階段,，需要加強(qiáng) 4 個(gè)方面的研究：大范圍多設(shè)備感知能力強(qiáng)化,；多業(yè)務(wù)異構(gòu)數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理平臺(tái)建設(shè)［61］，包括數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)與模型統(tǒng)一,、系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)統(tǒng)一,、平臺(tái)入口統(tǒng)一等；電力大數(shù)據(jù)快速分析與應(yīng)用；用電大數(shù)據(jù)安全與隱私保護(hù)及分級(jí)授權(quán)方法,。
泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展形態(tài)
隨著傳感器技術(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 智 能 電 網(wǎng) 中 的 應(yīng) 用 深 化 ，UPIoT 的形態(tài)也會(huì)逐漸演化,。第 1 階段,，UPIoT 基本實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的信息化和自動(dòng)化，建成一系列通信信息平臺(tái)和自動(dòng)化系統(tǒng),，對(duì)應(yīng)當(dāng)前智能電網(wǎng)的發(fā)展水平,；第 2 階段：UPIoT 連接對(duì)象更加豐富，數(shù)據(jù)的應(yīng)用水平明顯提高,，數(shù)據(jù)采集,、通信與計(jì)算處理分析的效率與質(zhì)量提升，提高電力系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的可觀可測(cè)性,，通過貫通不同業(yè)務(wù)數(shù)據(jù),，逐漸實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)透明化運(yùn)行；第 3 階段：UPIoT 加強(qiáng)用戶與電網(wǎng)交互,，萬(wàn)千主體在開放式平臺(tái)上參與電力生產(chǎn)與消費(fèi),，促進(jìn)電力供應(yīng)的邊際成本趨近于零，從而可能形成零邊際成本電網(wǎng)形態(tài),。
3. 1 初級(jí)形態(tài)：現(xiàn)階段智能電網(wǎng)
自 2000 年美國(guó)提出智能電網(wǎng)概念以來(lái)，多個(gè)國(guó)家興起了智能電網(wǎng)的研究和建設(shè)工作,，并取得了突出的成果,。中國(guó)的智能電網(wǎng)建設(shè)涵蓋了電網(wǎng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，推廣應(yīng)用了一系列通信信息平臺(tái)和自動(dòng)化系統(tǒng)［62］,，電網(wǎng)的信息化和自動(dòng)化水平得到了顯著的提升,。盡管中國(guó)大力推進(jìn)智能電網(wǎng)建設(shè)，但仍存在著數(shù)據(jù)不貫通,、終端覆蓋不足,、通信不暢通、資源利用率不高等問題［63-64］,。
電力和信息的雙向流動(dòng)性是智能電網(wǎng)的本質(zhì)特征之一［64］,，這與 UPIoT 的理念是一致的。UPIoT 的概念是基于現(xiàn)階段智能電網(wǎng)的技術(shù)背景和需求提出的,。UPIoT 的工作任務(wù)是銜接智能電網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀,，進(jìn)一步促進(jìn)電力網(wǎng)-信息網(wǎng)-社會(huì)網(wǎng)的融合貫通。因此,，可以將現(xiàn)階段智能電網(wǎng)視為 UPIoT 的初級(jí)階段,。
3. 2 高級(jí)形態(tài)：透明電網(wǎng)
李立浧院士在“2018 鹽城綠色智慧能源大會(huì)”上提出的“透明電網(wǎng)”方向，通過信息技術(shù),、計(jì)算機(jī)技術(shù),、數(shù)據(jù)通信技術(shù),、傳感器技術(shù)、電子控制技術(shù),、自動(dòng)控制理論,、運(yùn)籌學(xué)、人工智能,、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的綜合運(yùn)用,，使電網(wǎng)運(yùn)行透明、可觀可測(cè)［65］,。區(qū)別于運(yùn)行數(shù)據(jù)不全和狀態(tài)難以準(zhǔn)確評(píng)估預(yù)測(cè)的傳統(tǒng)電網(wǎng),，透明電網(wǎng)是基于 UPIoT 的一種新的電網(wǎng)形態(tài)：通過對(duì)并網(wǎng)的設(shè)備及關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、上傳,、識(shí)別和監(jiān)控,，并在配電網(wǎng)可視化平臺(tái)上集中反映，從而實(shí)現(xiàn)全數(shù)據(jù)采集,、全狀態(tài)可見,、全態(tài)勢(shì)預(yù)測(cè)以及全網(wǎng)絡(luò)可控的一種透明化電網(wǎng)模式。透明電網(wǎng)與 UPIoT 的概念不謀而合,，其區(qū)別在于 UPIoT 強(qiáng)調(diào)的是技術(shù)路線（即泛在物聯(lián)）,，而透明電網(wǎng)則是強(qiáng)調(diào)最終效果（即透明）。透明電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)電網(wǎng)數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)蘊(yùn)含意義,、規(guī)律,、價(jià)值的高度掌控，是 UPIoT充分發(fā)展后的結(jié)果,。在透明電網(wǎng)中,，每個(gè)點(diǎn)每條線的數(shù)據(jù)都可以采集，所有的電網(wǎng)狀態(tài)和設(shè)備狀態(tài)都可以獲取,，整個(gè)電網(wǎng)的趨勢(shì)和任意操作的結(jié)果都可以預(yù)見,。因此，本文將透明電網(wǎng)視為 UPIoT 的高級(jí)形態(tài),。
透明電網(wǎng)的主要特征表現(xiàn)在：①數(shù)據(jù)透明：電網(wǎng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)可以通過在電網(wǎng)中密集分布的傳感器廣泛收集,，電網(wǎng)的資產(chǎn)信息可以通過實(shí)時(shí)更新的臺(tái)賬準(zhǔn)確獲取,；②狀態(tài)透明：設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)可以通過采集到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確評(píng)估,，電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以清晰辨識(shí)；③態(tài)勢(shì)透明：電網(wǎng)未來(lái)的發(fā)展態(tài)勢(shì)可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)［66］,，這為高效率解決包含源網(wǎng)荷儲(chǔ)充多維不確定性的智能電網(wǎng)運(yùn)行維護(hù)的安全性,、可靠性具有至關(guān)重要的意義。
透明電網(wǎng)是在 UPIoT 賦能下的電網(wǎng)運(yùn)行高級(jí)形態(tài)。利用物聯(lián)網(wǎng)小微傳感器,、先進(jìn)通信技術(shù),、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，電網(wǎng)從業(yè)人員可以理解電網(wǎng)量測(cè)數(shù)據(jù),、調(diào)控行為,、市場(chǎng)信息等多類型數(shù)據(jù)蘊(yùn)含的意義、規(guī)律,、價(jià)值,，掌握從微網(wǎng)到復(fù)雜大電網(wǎng)運(yùn)行的特征與策略。
小微智能傳感器是組成透明電網(wǎng)的重要元素,，其未來(lái)將要突破的瓶頸是自行實(shí)現(xiàn)能量補(bǔ)給的問題,。通過節(jié)點(diǎn)內(nèi)置傳感器進(jìn)行采集和處理目標(biāo)信息的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)［67］因其具有自組織性、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn),，與小微智能傳感器相結(jié)合,，將為物聯(lián)網(wǎng)帶來(lái)傳感、互通和驅(qū)動(dòng)的高性能［68］,。
5G 通信系統(tǒng)具有超高傳輸速率,、超大容量帶寬、低延時(shí),、低功耗,、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸?shù)忍攸c(diǎn)［69］，使得視頻等海量數(shù)據(jù)高效傳輸成為可能,，更能支撐透明電網(wǎng)的全景實(shí)現(xiàn),。但應(yīng)該重視的是，因?yàn)閿?shù)據(jù)來(lái)源急劇增加,，需要特別關(guān)注信息的加密和安全防控，防范不法分子竊取重要數(shù)據(jù),、通過網(wǎng)絡(luò)攻擊惡意引發(fā)電網(wǎng)事故,。
在 5G 通信技術(shù)支撐下，電力大數(shù)據(jù)［70-72］的智能分析是電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)透明化運(yùn)行的必要手段,。電力系統(tǒng)發(fā)展至今,，產(chǎn)生的運(yùn)行數(shù)據(jù)數(shù)量已經(jīng)超過傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方法的能力范圍，必須依靠大數(shù)據(jù)分析方法才能滿足當(dāng)前和未來(lái)電力系統(tǒng)獲取信息的需求,。人工智能在電力大數(shù)據(jù)的價(jià)值挖掘中的作用不可替代,，特別是大量視頻圖像數(shù)據(jù)［44，73］,，離開人工智能技術(shù)應(yīng)用將只會(huì)成為電網(wǎng)運(yùn)行的負(fù)擔(dān),。此外，若將海量數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)皆贫颂幚恚瑤?lái)巨大的網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān),、存儲(chǔ)負(fù)擔(dān)和計(jì)算負(fù)擔(dān),。邊緣計(jì)算在業(yè)務(wù)來(lái)源就近處理數(shù)據(jù)，只將必要的少量數(shù)據(jù)上傳到云端,，是一種更具有效率的計(jì)算方式,。當(dāng)然，過度配置邊緣計(jì)算資源對(duì)整個(gè)系統(tǒng)而言也會(huì)造成不必要的浪費(fèi),。在整個(gè)數(shù)據(jù)處理周期內(nèi),，邊緣計(jì)算和云計(jì)算如何協(xié)同，需要深入研究資源,、任務(wù)在云端和邊緣節(jié)點(diǎn)的平衡,。
3. 3 遠(yuǎn)景形態(tài)：零邊際成本電網(wǎng)
《零邊際成本社會(huì)》［74］中描述：“在未來(lái)的時(shí)代，每個(gè)人都會(huì)變成產(chǎn)消者,，可以更直接地在物聯(lián)網(wǎng)上生產(chǎn)并相互分享能源和實(shí)物,，這種方式的邊際成本接近于零，近乎免費(fèi)”,。
邊際成本可表達(dá)為：
