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深度 | 电网改革箭在弦上 泛在电力何去何从

2020-02-14 11:41:27 工银投行 作者:王道翔

泛在电力物联网运用新一代信息通信技术,将电力用户、电网企业、发电企业、电工装备等多方设备连接起来,通过信息广泛交互和充分共享,以数字化管理的方式,大幅提高能源生产、电力消费和相关领域安全、质量和效益效率水平。

本文来源:微信公众号 工银投行 ID:icbcibd

电力系统具有自然垄断的属性,但是拆分到发电、输配电和售电等子环节,又可以适当引入竞争。另一方面,要提升电网的信息化水平,泛在电力物联网的建设也非常重要。电网企业体制的改革和技术水平的升级是一对辩证统一的关系。

在大力推进电改,坚定贯彻党中央国企改革整体思路的同时,我们判断,电网企业也会依托自身经验优势和数据沉淀,向多样化、全方位能源解决服务提供商的方向转型,依托大数据、云计算、物联网等新技术,发掘新的利润增长点。待电力改革有所突破,行业格局得到重塑之后,泛在电力物联网将重新回归高速发展。

正文

泛在电力物联网围绕电力系统各环节,充分利用移动互联、人工智能等现代信息通信技术,实现信息的高效处理和应用的灵活安排。

2019年初,国家电网提出打造“三型两网”,将泛在物联网上升到与坚强智能电网相同的高度,并提出了明确的时间表。

短期来看,电力系统改革是国家电网的工作重点,泛在电力物联网的建设进度可能趋缓。长期来看,在信息化浪潮之下,电网建设势必会向智能化发展。而泛在电力物联网结合了云计算、大数据、人工智能等技术,将为智能电网建设提供有力支撑。

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走进泛在电力物联网

1.1何为泛在电力物联网

根据国家电网的定义,所谓泛在电力物联网,是指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、电网企业、发电企业、电工装备等多方设备连接起来,通过信息广泛交互和充分共享,以数字化管理的方式,大幅提高能源生产、电力消费和相关领域安全、质量和效益效率水平。

从架构上看,泛在电力物联网包含感知层、网络层、平台层和应用层四层结构。其中感知层主要负责数据的采集、网络层主要负责数据传输,平台层负责数据管理,应用层主要负责数据创造。下节将围绕这一维度深入分析。

从技术上看,泛在电力物联网广泛应用大数据、云计算、物联网、移动互联、人工智能、区块链、边缘计算等信息技术和智能技术,属于工业互联网的范畴,是数字革命在能源电力领域迅猛发展的产物。

从作用上来看,泛在电力物联网通过汇集各方面资源,为规划建设、生产运营、经营管理、综合服务、新业务新模式发展、企业生态环境构建等各方面提供充足有效的信息和技术支撑。

泛在电力物联网和坚强智能电网是国网在2019年初提出的两个工作重点,二者相辅相成、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“多流合一”的能源互联网。

综合来看,泛在电力物联网的建设是一项系统工程,前期需要大量投入。未来,在系统逐步完善之后,我国电力系统将极大受益,安全、效率指标将有很大提升。

1.2泛在电力物联网架构

如前文所述,从架构来看,电力物联网可以分为感知层、网络层、平台层和应用层。

感知层是信息采集环节,包含电网各个环节的智能终端、传感器、摄像头等。其功能是读取、检测终端设备的各种数据,并通过各类通信网络将数据向上传导。

网络层包含核心网和接入网,其主要功能是通过电力无线专网、电力通信专网、互联网等通信网络实现信息传送。

平台层和应用层的功能是信息的处理,通过模拟识别、云计算、大数据分析处理等方式,实现对电网信息的分析预处理,从而实现智能化控制、决策和服务,比如电网可视化监控平台、变电站智能管控、智能热点监测、能源交易和电力营销等。

长期以来,我国电网领域的投资呈现出“重输电,轻配电”的特点。输电侧,无论是光纤通信网的建设,还是变压器等核心设备的在线监测,都已经有相对较好的基础。而在配网侧,通信网络的接入和覆盖深度都比较薄弱,采集终端虽有大量数据沉淀,但是尚无统一有效的物联管理。

配电网是电网数据的主要来源,也是泛在电力物联网建设的最基础环节,预计也将是泛在电力物联网建设第一阶段的重心,具体包括各类具有物联网属性的数据采集设施密集排布,以及解决配电网终端最后一公里通信的电力无线专网的建设等。

1.3政策梳理

国网在其2019年“两会”首次提出“泛在电力物联网”,并将其上升到与“坚强智能电网”相当的高度。而后,根据国家电网报道,2019年3月8日,国网公司召开泛在电力物联网建设工作部署会议。会议中,国家电网指出,当前国网公司最紧迫、最重要的任务就是加快推进泛在电力物联网建设。

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。

对于泛在电力物联网的建设,国网公司做出两阶段战略安排:

2021年,将初步建成泛在电力物联网,基本实现业务协同和数据贯通,初步实现统一物联管理,各级智慧能源综合服务平台具备基本功能,支撑电网业务与新兴业务发展。

2024年,将建成泛在电力物联网,全面实现业务协同、数据贯通和统一物联管理,公司级智慧能源综合服务平台具备强大功能,全面形成共建共治共享的能源互联网生态圈。

国网提出“泛在电力物联网”建设,其含义是在当前智能电网的基础上,继续加强电网信息化的建设,利用电力信息通信网络,实现电网各个环节上的智能终端、设备信息的高效传输、分析、处理,从而进一步提高智能电网各个环节的信息感知深度和广度、电力系统分析、预警、自愈及防范灾害的能力以及电网安全运行水平,实现电力从生产到消费各环节的精细化管理,达到节能降耗、经济高效的目的,其本质是智能电网建设的进一步深化,而电力信息通信网络,以及数据平台,处理及运用是核心。

除了国网集团层面,国网各省的子公司,也在推进电力物联网工作部署,部分地区已推出重点工作计划、专项建设任务等。

目前看,各网省公司提出的重点建设方向,主要在电力无线专网建设、信息采集终端推广、虚拟电厂、数据资产管理、智慧能源服务等领域,我们预计未来还会不断有新的方向、业务形态出现,比如精益运检、网络信息安全、人工智能的运用等。

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泛在电力物联网市场潜力

泛在电力物联网的建设是一项系统工程,涉及多个高新技术领域。本章将从技术和市场的角度,分析泛在电力物联网未来的市场空间。

2.1泛在电力物联网所涉及的新技术领域

根据国网下属电科院提出的ACNET信息通信系统,我们可以看到泛在电力物联网在未来电网中起的作用。具体而言,通过数以亿计的传感器,进行物理量、电气量和状态量等信息的感知;信息传输系统以5G通信技术为起点,结合高密度的卫星系统,形成空天地一体化通信平台;存储和运算设备基于大数据/人工智能平台,采用先进芯片技术、协同计算技术等,极大提升计算力,形成以人工智能为核心的“超级计算机”。所涉及的新技术领域如下:

2.1.1 边缘计算

数以亿计的传感器接入,带来了超大规模数据处理的要求,而当前集中式数据处理是难以实现的。边缘计算是指在网络中设置不同层次的计算节点,接入的数据在就近节点进行计算,而无需逐级上传下载,大大提升了整个网络的运算效率。

在当前的技术水平下,边缘计算是万物互联的必要前提。根据IDC数据统计,到2022年,将有超过500亿终端和设备联网,而其中超过75%的数据需要在网络边缘侧进行分析、处理和存储。

2.1.2 通信网络

电力系统通信网络主要有三个部分:骨干通信网、配电通信网和终端接入网。

骨干通信网:传统骨干通信网定制化能力不足,难以满足长距离输电、大范围消纳、远距离互动等大带宽、高可靠、低时延等要求。需要基于M-POTN构建极简架构、长距离大容量、低时延高可靠、带宽按需调整、全网同步(纳秒级别)的新一代骨干通信网,实现网络即服务(NaaS)。

配电通信网:传统光纤通信覆盖范围受限,新型配电网业务要求网络灵活接入并满足不同的需求,因此配电通信网仍需在覆盖范围、传输容量和网络灵活性方面进一步提升。引入5G通信技术将是未来发展的方向。

终端接入网:此前终端接入网建设较为分散,技术制式、接口协议不统一。未来终端接入将趋于实时互动、双向传输、即插即用、开放互联、标准高度统一。目前来看,5G通信技术是最佳解决方案。

通信网络是电力系统安全平稳运行的重要保障,整体而言,通信网络的建设重点将向终端下沉,5G通信技术将为多等级、多样化的数据传输提供技术支撑。

2.1.3 云计算平台

海量数据接入与实施相应的要求,终端计算能力难以满足,需要引入云计算。云计算是一种基于互联网的计算平台,共享的软件、硬件资源和信息可以按需求提供给计算机各终端和其他设备,提供算力支撑、应用开发和数据融合。

电网应用方面,国网已经推出“国网云”作为泛在电力物联网的计算平台,包括企业管理云、公共服务云和生产控制云(三朵云),分别覆盖不同区域的资源和服务范围,由一体化“国网云”平台(云平台)和各类业务应用组成。

2.1.4 人工智能

所谓人工智能,是指通过模拟、延伸、扩展人类智能,利用机器感知、机器学习、机器思维和智能行为等技术,使计算机在一定程度上代替人类做出分析、判断和决策。同时,人工智能还具备自我学习能力,应对和处理随机事件与突发情况的能力也在不断提升。

将人工智能的理论、技术和方法,与电力系统的物理规律、技术和知识融合创新,形成专用的电力人工智能将是大势所趋。

2.1.5 5G通信技术

5G即第五代移动通信技术,理论传输速度可达1-10Gb/s,远远高于4G网络传输速度,具有多连接、低时延、高扩展性等优势,可以广泛应用在低功耗广覆盖物联网市场,与泛在电力物联网的通信要求非常契合。

和4G相比,一个5G基站可以接入更多的终端,但是单个基站覆盖范围更小,因此需要在特定场景下密集部署。其应用场景非常广泛,例如,一个社区可以通过NB-IoT(移动物联网)管理所有的水表、电表、燃气表、路灯、井盖等终端;一个工厂可以通过NB-IoT管理所有生产设备运行、监控、空调和效仿等。工信部2017年发布的《关于全面推进移动物联网(NB-IoT)建设发展的通知》中指出,到2020年,NB-IoT基站部署将达到150万个,终端连接数将达到6亿个。

5G通信技术在电力系统的应用将是丰富多样的,基于其性能特点可以实现四种最具典型代表意义的业务需求。一是满足智能分布式配电自动化、毫秒级精准负荷控制、主动配电网差动保护等工业控制类下行业务所需的超高可靠超低延时需求;二是低压用电信息采集、智能汽车充电桩、分布式电源接入等信息采集类上行业务所需的海量物联终端接入需求;三是输变电线路状态监控、无人机远程巡检、变电站机器人巡检、AR远程监护等所需要的高清视频回传需求;四是调度电话、管理电话、远程巡检、应急通信等需要高安全、高可靠、高接通率和高清通话质量保障的高清语音通信需求。

2.2泛在电力物联网潜在的市场空间

泛在电力物联网有巨大的应用潜力,未来还将持续升级。目前,国网系统接入的终端设备约为5亿个(4.5亿个智能电表,以及各类保护、采集、控制设备数千万台)。根据国网规划,到2030年,接入泛在电力物联网的设备数量将达到20亿个,届时整个泛在电力物联网将是接入设备规模最大的物联网生态圈,潜在市场空间值得期待。

电网端,配电自动化和智能电表覆盖率将大幅提升。根据发改委和能源局的规划,到2020年,我国将初步建成安全可靠、开放兼容、双向互动、高效经济和清洁环保的智能电网体系。在《国家能源局关于印发配电网建设改造行动计划(2015-2020)年的通知》中,要求全国配电自动化覆盖率从2014年的20%,到2020需要提升至90%;智能电表覆盖率要从2014年的60%,提升至2020年的90%。

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产业链整理

3.1产业链概览

正如前文所介绍的,电力物联网可以分为感知层、网络层、平台层、应用层等四层架构,基于此,对产业链主要参与者如下。

感知层的建设重点在于统一终端标准,推动跨专业数据同源采集,实现配电侧、用电侧采集监控深度覆盖并向客户侧和发电侧延伸,提升终端智能化和边缘计算水平,对应产品包括:数据采集器、各类传感器等采集;配网终端设备,包括主站、子站、FTU、DTU、TTU;用户侧的智能电表、充电桩等。

网络层的建设重点是构建“空天地”协同一体化电力通信网,增强网络带宽,实现网络深度全覆盖,提升网络资源灵活调配能力,主要产品包括通信网络相关的软硬件以及信息安全相关产品,参与的企业较少,主要是国网两大信通业务主体国电南瑞、国网信产集团以及中兴通讯、华为等。

平台层的建设重点是提升统一平台支撑能力,实现数据高效处理和云雾协同,全面提升精细化物联管控水平,实现超大规模终端的物联管理,包括国网“三朵云”、企业云平台等,业务涵盖数据库、数据存储、数据分析等领域。

应用层的建设重点是全面提升核心业务智慧化运营能力,积极打造能源互联网生态,促进管理提升和业务转型,业务涵盖ERP、智慧能源服务平台、虚拟电厂、面向政府和企业的各类数据应用等。


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产业发展瓶颈

长期来看,建设泛在电力物联网是大势所趋。但是,短期来看,还有几方面的制约因素。

一是某些细分领域技术水平尚待提升。作为一项系统工程,泛在电力物联网需要包括大数据、云计算、先进装备制造、5G通信等多个高新技术提供支撑,缺一不可。目前来看,符合物联网运行要求的数据采集装置和开关设备发展尚在初期阶段;支撑大数据、云计算的存储与处理的数据中心仍存在较大的供需缺口;5G基站的建设尚未完全铺开……这些前期基础设施的不足,导致了泛在电力物联网短期内难以成型,产业发展需要电网建设主体和应用主体先期的大量投入。

二是国家电网和南方电网工作重心的原因。当前,在国企改革的大背景下,电力系统的改革将逐步进入快车道。2015年以来,围绕电改9号文,电网改革徐徐展开,完成了包括输配电价厘定、电力交易中心、售电主体培育、增量配网项目和国网公司制改革等任务。接下来,按照国务院管住中间,放开两头的思路,电网改革将逐步进入深水区,实现输配分离与电价改革,国网和南网将进一步向电网通道管理人的角色转变。可以预见的是,2020年电力系统改革将是电网企业的工作重点,泛在电力物联网的建设短期可能会有所减缓。但是我们认为,长期来看,泛在电力物联网向好发展的趋势不会改变。原因有两方面,一是技术角度来看,要使电网运行安全高效,引入物联网的技术实现精准控制、集约调整是必由之路;二是电改之后的国网和南网,由于职责的转变,其收入势必受到压缩,依托泛在电力物联网,将业务从电网向下游应用端延伸,有利于其寻找新的利润增长点。

三是下游应用市场尚待进一步培育。泛在电力物联网的建设可以拆分成输电侧、配电侧和应用端。长期来看,包括智能电表、智能家居、电动汽车、智能楼宇和移动办公等各类终端将会构成泛在电力物联网规模最为庞大的一环。可以预见的是,在输电侧和配电侧物联网基础设施建成的很长一段时间内,由于下游应用的缺失,电网运营企业将会面临非常大的收入压力。针对这一情况,一方面,电网企业应当先期布局,合理安排投入,统筹好短期建设投资与长期赢利的关系;另一方面,由于物联网对社会生产效率的巨大推动,政策层面也应当适时对泛在物联网基础设施的建设提供一定的支持。

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电力改革背景下泛在电力物联网建设的展望

电力系统具有自然垄断的属性,但是拆分到发电、输配电和售电等子环节,又可以适当引入竞争。另一方面,出于提升电网的信息化水平的考虑,泛在电力物联网的建设非常重要。对于电网行业而言,企业体制的改革和技术水平的升级是一对辩证统一的关系。

当前,在国企改革的大背景下,新一轮电改已是箭在弦上,电网的工作重点将会有所侧重。但是长期来看,我们认为,包括泛在电力物联网在内的物联网技术在电网广泛应用的趋势不会改变。本文最后一章将在描述和分析电力系统改革现状与趋势的基础上,详细分析泛在电力物联网的发展前景。

5.1电力系统改革:现状与趋势

我国电力体制的改革,可以追溯到2002年国务院颁布的《电力体制改革方案》(电改5号文)。按照5号文的规划,我国电力体制改革分为厂网分开、主辅分离、输配分开和竞价上网4个部分,指明了我国电力市场化的中长期路线。

从实施情况来看,厂网分开基本实现,至2002年底,原国家电力公司拆分为5大发电集团、2家电网公司和4家辅业集团;主辅分开则是通过重组形成了中国能源建设集团和中国电力建设集团。

2015年3月15日,中共中央、国务院发布了电力体制改革纲领性文件《关于进一步深化电力体制改革的若干意见(中发〔2015〕9号)文》,新一轮电改拉开序幕。9号文明确了深化电力体制改革的重点和路径:在进一步完善政企分开,厂网分离,主辅分离的基础上,按照管住中间、放开两头的体制架构,有序放开输配以外的竞争性环节电价,有序向社会资本开放配售电业务,有序放开公益性和调节性以外的发用电计划;推进交易机构相对独立,规范运行;继续深化对区域电网建设和适合我国国情的输配体系体制研究,进一步强化政府监管、电力统筹规划、以及电力安全高效运行和可靠性供应。

2015年以来,围绕9号文,我国在电力系统改革上做了大量工作。一是输配电价厘定。2017年大部分省市的输配电价已经完成了厘定,目前已经开始进行跨省和区域间的输配电价厘定。二是各地电力交易中心陆续建立。其中北京和广州建立了两大国家级区域电力交易中心,北京中心由国网全资组建,广州中心由南网控股,比例66.7%。国网和南网各省成立的交易中心,电网持股比例不一,其中南网的昆明电力交易中心已与南网分离,或许可以看作是未来其他电力交易中心发展的趋势。三是售电主体培育。大量地方售电公司建立,虽然业务量不大,但是都积极介入电力市场。其中广东省的售电市场推进最快。四是增量配网项目。国网和南网分别有电网外的公司开始提供供电服务,分别是背靠水利部的湖南新华供电公司,以及背靠南网的深圳蛇口供电公司。五是国网完成改制。全部央企都在2017年底前完成了改制公司制的任务。实际上为下一步国企进一步市场化打下基础,减员降本增效。六是国网的转型。国网将旗下的节能公司从省电科院下分离,划为省公司直属的二级单位,并且改名为综合能源服务公司,确定为国网与输配电服务并重的第二主业。国网将从综合能源公司作为售电市场的一个切入方向,寻求利润增长点。

此外,电网企业积极推动电力现货市场的建立。2018年底启动电力现货市场试运行,积极推动与电力现货市场相适应的电力中长期交易。结合各地电力供需形势、网源结构和市场化程度等条件,选择南方(以广东起步)、蒙西、浙江、山西、山东、福建、四川、甘肃等8个地区作为第一批试点,加快组织推动电力现货市场建设工作。将逐步构建中长期交易与现货交易相结合的电力市场体系。并计划于2020年全面启动现货市场。

5.2电网企业角色转变之下,泛在电力物联网何去何从

从顶层设计来看,按照当前电力改革的总体思路,国网和南网将会转型成为类似于电信运营商和天然气管网公司类似的“通道公司”,放开两头,管住中间,向上下游用户收取“过网费”。然而从企业经营的角度来讲,这对电网公司的收入势必带来巨大的削减。

角色转变之下,电网企业势必会依托自身优势,寻求新的利润增长点,其中一条路径是实现从业务数据化到数据业务化的转型。几十年来,依托庞大的输配电网络和电力电量交易行为,电网公司已经积累了规模极为庞大的数据。不过,这些数据是在数据池子里“沉睡”的,没有发挥任何价值和作用。云大物移智等新技术新概念的诞生,给了这些数据重见天日的机会。这些数据在数量方面是充足的,足以支撑起安全生产、经营管理、优质服务等各方面的数据挖掘与模型分析。当积累了足够多的业务数据,就能实现泛在电力物联网的另一个意义:数据业务化,即在数据中挖掘新的业务价值,产生新的业务模式。以往纷繁复杂的生产经营业务通过数据的形式,将清晰地、逻辑完整地展现在世人面前。届时,通过大数据分析,可以清晰预判潜在故障与安全风险;通过客户画像,清晰掌握客户的缴费习惯、能源使用情况等基本信息,从而提前防范电费风险;通过数据挖掘,准确预测未来经营管理,甚至是国家经济整体走向。这相较于以往的经营管理方式将会是质的飞跃,也是未来电网企业想象空间最为广阔的一个环节。

因此,在大力推进电改,坚定贯彻党中央国企改革整体思路的同时,我们判断,电网企业也会依托自身经验优势和数据沉淀,向多样化、全方位能源解决服务提供商的方向转型,依托大数据、云计算、物联网等新技术,发掘新的利润增长点。待电力改革有所突破,行业格局得到重塑之后,泛在电力物联网也将重新回归高速发展。


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