智能电力物联网功能架构体系设计及创新模式讨论

　　电力物联网是实现能源互联网建设和发展的核心纽带。电力物联网实质上是物联网在电力系统及能源互联网领域的具体应用形态，利用“大云物移智链”等先进信息通信技术，实现电力系统发、输、变、配、用等各环节的广泛互联及人机交互，促进电网信息物理系统深度融合。

　　电力物联网作为智能电网和能源互联网的重要基础建设工作，成为学术界、科研界和工业界广泛关注的重点。部分学者对电力物联网传感器信息模型开展研究，为网络通信和业务应用奠定了基础。学者从通信网络、边缘计算、深度感知3个维度，研究了电力物联网智能感知技术的创新思路与技术发展方向。也探讨了5G技术与电力物联网的深度融合模式、应用场景、关键技术，对重塑“物理信息-社会”深度耦合的电力与能源系统提供参考。电力物联网背景下，研究了虚拟电厂运营机制、“批发–零售”两级市场交易体系，建立了聚合、经济、运营3个维度的协调优化机理，为虚拟电厂的发展提供指导。从支撑电力物联网新型业务应用角度，研究了电力通信网的新架构、通信需求、关键技术以及发展趋势，为电力通信网的规划、运维和研究提供参考。

　　综上可以看出，现有电力物联网研究从不同信息化建设层面和某种应用场景角度开展工作。但从电力物联网全业务和全链条的系统级层面，尤其从信息物理融合角度，电力物联网系统功能架构、技术体系及协同创新模式方面鲜有研究。

　　因此，为了更好地指导人工智能与万物互联形态下的电力物联网智能化、规范化建设，研究在信息物理融合和智能全景系统理念指导下，提出了智能电力物联网基本概念和建设目标，设计了6层功能架构，部署了关键技术体系。促进信息通信、大数据、人工智能技术与电力系统深度融合，为建设智慧型能源互联网和新型电力物联网提供技术体系支撑。

　　智能电力物联网，是指在智能全景系统概念指导下，融合信息物理系统思想，充分利用传感、通信、物联网、数字孪生、大数据、云计算、人工智能等先进信息技术，实现电力系统一次物理设备的万物互联互通、全息状态感知、智能分析控制、自然人机交互和智慧综合服务，为实现能量流、信息流、业务流、价值流深度融合的智慧能源互联网提供重要技术支撑。

　　电力物联网是链接电力系统和能源互联网的重要纽带。智能电力物联网的核心是从系统级角度，用信息流控制能量流，优化业务流，其基础框架体系如图1所示，是由智能一次电力物理系统叠加智能二次信息系统的深度融合系统，实现电力系统发、输、变、配、用等各个环节的广泛互联、能源供需实时匹配和智能高效服务，支撑能源互联网和智能电网的重要建设工作。

　　智能一次电力物理系统，主要实现“源、网、荷、储”四大环节的物理设备智能化改造，主要包含智能发电、智能输电、智能变电、智能用电和智能储能设施。

　　智能二次信息系统，主要利用先进信息技术，实现从自动化到智能化升级，包括智能终端、信息通信、数字孪生、数据平台、智能应用、智能交互等。

　　在智能电力物联网的概念下，其核心建设目标是利用先进信息技术，实现能源互联网的真实物理空间、数字信息空间和人类社会空间的深度融合与实时交互。智能电力物联网内涵，如图2所示。

　　依托智能电力物联网，实现“源网荷储”之间的灵活接入、多能协同、安全自治、友好互动、智慧服务，确保能源互联网以更加安全、经济、可靠、高效的方式运行。

　　智能电力物联网涵盖能源互联网、电力系统的全信息流和全业务流，具有海量的“源网荷储”物理装备和“端边云大物移智”信息系统上下游全生态、全产业链体系，建立以企业为主体、以市场为导向、通过技术创新推动创新，打造能源互联网生态圈。

　　由智能电力物联网概念可见，智能电力物联网是涵盖了一次物理系统、二次信息系统与综合智能应用的信息物理融合系统，其功能框架如图3所示。该功能框架包括物理层、感知层、网络层、平台层、应用层及交互层，6个层级之间通过高性能信息通信和大数据平台技术进行信息及业务交互，实现能源互联网各环节信息物理系统的深度融合及实时智能响应。

　　物理层：指能源互联网和电力系统的一次物理设备，主要包括电源侧、电网侧、用户侧、储能侧等各类实际物理设施对象。

　　感知层：利用信息采集和边缘计算等智能终端装置，提供数据治理、通信协议适配、虚拟交换、安全防护、边缘数据存储与计算等功能，实现物理对象的全面感知。

　　网络层：利用4G/5G移动网络、卫星通信和电力LTE无线网络等多种通信手段，在云–端之间提供高可靠、低延迟的数据传输，进而提供更广泛的互连功能。

　　平台层：利用时空大数据与云计算架构，构建支撑信息接入、数字孪生、智能分析与智能交互的统一数据管理与业务中台，实现多时空尺度海量异构电力数据的存储、集成、融合、分析与管理，并为智能业务应用提供数据与模型支撑。

　　应用层：利用先进人工智能和机器学习技术，面向电网全生命周期生产以及管理各个环节的多维度业务需求，实现以量化评估与精准控制为核心的大脑级智能业务应用，进而实现能量流、信息流、业务流和价值流的深度融合。

　　交互层：利用智能交互技术，实现电力物联网海量信息、运行态势和优化控制的直观可视化展示，降低用户工作负荷，支持用户与系统间的高效协同与灵活互动。

　　电力供应系统主要包含“源网荷储”四大环节要素，如图4所示。智能一次物理系统主要利用智能传感、物联网、边缘计算、数字孪生、人工智能等技术，实现能源从生产到消费的全链式物理设施的智能化升级改造。

　　智能发电，以传感器、软测量、模拟化、信息化的深度融合为技术支撑，以发电过程自动化、信息化、标准化为生产指导，以管控一体化、大数据、云平台、物联网为平台基础，实现发电过程的智能感知、智能决策、管控一体化与全生命周期管理。

　　智能输电线，利用先进的工艺制造、电力电子、测量、遥感等技术，实现交流输电线和直流输电线的智能化响应与精细化控制。

　　智能变压器，在变压器内嵌新型传感器、执行器和智能管理单元，实时收集设备参数，自动分析工作状态，主动与系统信息交互，精准执行系统指令，保持设备自身的最优运行状态。

　　智能路由器，融合先进信息通信、组态建模技术，实现分布式电源、无功补偿、储能等元件的灵活主动化管理，提高区域电网内部动态电能的协同互动、智能决策和主动响应能力，保证电能质量。

　　智能断路器，采用新型传感器与数字化控制装置相配合，独立采集运行数据，实时检测设备缺陷和故障，并发出预警信号，根据开断时刻和系统状态自动调节分闸速度。以用电环境为基础，实现设备自动化和智能化管控。

　　智能隔离开关，采用新型传感器与数字化控制装置相配合，实现隔离开关的智能分合、弱电操作、远程遥视、现场遥控等功能，提高隔离开关实时智能控制的安全性、可靠性。

　　智能变电站，采用先进信息、大数据、人工智能、机器人等技术或设备，实现变电站各类设备和环境的信息采集、网络通信、平台建设、智能分析、智能预警、智能巡检和协同互动等重要功能，进而提高变电站的智能化安全可靠运行水平。

　　智能用电，采用先进信息、大数据、人工智能、机器人等技术或设备，实现各类用电设施、工业企业、产业园区、城市社区等电能信息采集、网络通信、平台建设，进而实现聚合建模、智能分析、集成互补、协同调控和综合管理等智慧服务。

　　智能插座，面向家庭、工业、企业等用电设施和单位，采用先进技术，研制具有高性能信息采集、智能分析、安全预警、精细控制、共享服务的智能插座装置，提高安全节能、绿色环保、智慧用电统一控制水平。

　　智能储能，采用先进信息、大数据、人工智能、自动控制等技术或设备，提高分布式储能设施或储能集群的信息采集、网络通信、平台建设，进而实现聚合建模、智能分析、集成互补、协同调控和综合管理等智慧服务。

　　智能二次信息系统技术体系主要侧重信息化、数字化、网络化、平台化、智能化平台建设，如图5所示。该体系主要包括：智能终端、智能通信、数字孪生、数据平台、智能认知、智能交互、智能机器人等上下游全信息技术产业链，与智能一次物理系统中的有关信息产业技术存在一定融合。

　　智能终端，利用新型体系结构的智能芯片、信息融合与校正、边缘计算等一系列关键技术，研制具有信息采集、处理、分析、交互功能的智能传感器，即电力物联网的“神经末梢”，实现电网物理系统的全息状态感知。

　　信息通信，采用先进的卫星、5G、光纤等通信技术和设施，构建高速率，低延迟、高可靠、全覆盖的信息通信网络，使电力物联网全环节、全要素、多源状态信息的实时、准确、可靠地传输到数据平台，为实现智能电力物联网提供通信保障。

　　数字孪生，通过突破适应复杂网络形态的平行数字镜像与全景仿真技术，建立智能电力物联网的镜像感知系统，实现虚拟同步映射和超实时虚拟推演，在真实物理空间和虚拟数字空间搭建“信息–物理–人”交互的系统，为智能电力物联网的复杂控制决策提供参考。

　　数据平台，针对电网广域时空信息，突破不同时间尺度海量多源异构信息的实时高性能分析与管理技术，并基于云计算架构，形成集数据管控和平台管控为一体的时空大数据平台，为电力物联网各类业务应用提供高效的智能分析与计算支撑。同时，引入区块链技术，提升智能电力物联网海量数据的可靠性。

　　智能认知，针对智能电力物联网时空动力学特性，采用时空序列分析与挖掘技术，结合深度学习、强化学习方法，建立量化评估模型与协同控制模型，实现多运行场景下的智能分析与精准控制。

　　智能交互，利用人机协同、多通道融合、多屏交互、大屏可视化、虚拟现实等一系列交互技术，实现融合语音、手势、眼动、触控的多模态自然交互，使人机物之间的信息流、数据流变得更加通畅，降低人员认知负荷，提高工作效率。

　　智能机器人，面向智能电力物联网不同应用场景，综合利用自动控制、数据采集、图像识别、智能规划、智能决策等技术，研制服务类、巡检类与运维类机器人，降低电网生产与管理各环节的人工成本，提升生产效率。

　　智能电力物联网的智能业务应用，涉及整个智能电网全部生命周期的生产管理各个环节。在电力物联网已有的系统运行管理平台、综合能源服务平台、能源交易服务平台和企业管理经营平台四大业务平台的基础上，人工智能使其对内、对外业务分析处理的深度、广度、速度与精度都大幅提升，达到大脑级智能控制水平。

　　智能电力物联网的典型大脑级智能业务应用，其核心是多场景量化评估与精准控制，包括运行监控、态势评估、趋势预测等类型的在线智能分析、智能学习、智能控制、智能交互等综合智能业务应用。

　　在线运行监控：利用知识图谱技术，构建电网运行监控知识库，采用高性能推理引擎，实现电网与设备运行状态的实时监控。典型应用场景包括：潮流越界监控、设备运行监控等。

　　态势评估：面向电网与设备安全评估需求，建立电网稳定态势智能评估模型与设备实时评价模型。利用广域时空序列分析与挖掘，构建电网稳定量化评估指标，实现其安全稳定智能评估。利用关联规则、聚类分析、概率预测等大数据挖掘技术，实现“输电、变电、配电”健康状态的快速、准确、全面评估。

　　趋势预测：利用长短期记忆网络、图神经网络、卷积神经网络等先进人工智能技术，实现电网稳定性预测与设备故障预测。

　　智能挖掘：利用异常模式检测、关联规则、聚类分析等数据挖掘技术，对电网运行数据、用电数据等海量数据进行智能分析，实现异常工况挖掘、用电行为分析以及用户画像等典型智慧应用场景。

　　决策优化：针对电网与设备的安全防控需求，融合建模仿真与人工智能技术，建立电网协同优化模型，采用模糊控制与鲁棒优化方法，实现电网多场景下的精准协同控制。利用海量数据的多维分析方法，实现数据–机理融合驱动的协同分析。典型应用场景包括：机组组合、源网荷储智能分析与协同调控、智能巡检等。

　　智能学习：以深度学习、强化学习、对抗学习、集成学习等机器学习手段，结合发输变配用以及经营等多维度业务需求，实现能源电力生产转化、传输控制、存储消费等各个环节业务应用的智能升级。

　　为支撑新型数字基础设施建设，发挥电网平台及用户规模基础优势，打造集“政府+产业+学术+科研+用户+金融”于一体的协同创新综合服务平台，如图6所示。

　　建立常态合作机制，提供资源、信息共享与对接服务，积极培育新模式、新机制、新平台、新业务、新业态，搭建全链式、生态化、系统化、聚合化、规模化的综合协同创新体系，促进新兴智能生态产业孵化、成果转化、市场推广等运营模式建设。

　　大力培育和发展能源大数据智能服务、能源互联网金融、电力大数据征信、虚拟电厂、智能芯片、工业操作系统、综合能源服务等新兴业务和数据价值服务模式。通过培育和发展新兴业务，打造和谐共生的生态圈，助推智能工业物联网领域的新型基础设施建设(新基建)，促进多行业、多学科、多产业的深度跨界融合及成果转化工作，助力数字经济建设和产业结构转型。

　　采取互联网思维模式，为源网荷储赋能、构建新兴产业，面向源侧，利用电网枢纽和技术优势，提供专业技术输出和大数据服务。面向负荷侧，提供交易平台、物联网平台和各行业的数据变现服务。探索面向用户从提供单一产品电力流向电力多种能量流和数据流的能源互联网企业转型。积极引入芯片、5G技术、边缘计算、大数据、人工智能、机器人等新一代信息产业技术，打造带有能源禀赋的源网荷储智能型公共产品。

　　整合上下游产业链、重构外部生态，赋能合作伙伴，积极制定标准，发布负荷芯片，建立全社会共同消纳的长效机制和生态。积极参与智慧能源、智慧城市的顶层设计，有序规划和建设城市供暖、供热、充电桩等柔性负荷。通过培育和发展新兴业务，打造电网、地方政府、金融、社会资本、发电厂商、装备企业、用户等和谐共生的生态圈和产业集群。

　　智能电力物联网创新生态圈及综合服务平台，覆盖电力系统发、输、变、配、用、储等各环节的全过程管理周期，其架构如图7所示。

　　平台建设，主要包括数据中心和业务中心建设，数据中心主要数据处理任务。业务中心，主要负责实现对电力能源的全过程管理和应用。

　　能源生态，智能电力物联网的建设将促进新能源云服务生态、数据商业化服务生态、综合能效服务生态、线上产业链金融生态、电动汽车服务生态、电工装备服务生态及能源电商服务生态的发展和建设，构建以电力为核心的能源生态圈。

　　保障体系，为了更好地实现智能电力物联网的建设应用，需要建立与之相匹配的保障体系。

　　合作伙伴，在万物互联的时代，智能电力物联网建设可广泛建立与监督/行业机构、上下游企业、金融/互联网企业、高校/科研机构、配售电企业等合作关系，建设开放、共享、合作、互联的智能电力物联网协同创新平台。

　　研究以先进大数据和人工智能技术为支撑，给出了智能电力物联网功能架构，有效促进能源互联网的能量流、信息流、业务流、价值流的深度融合。