以数字技术支撑新型电力系统建设
文／郭晓斌 刘灏 毕天姝
构建以新能源为主体的新型电力系统，是保障能源供应安全的重要战略举措，是实现碳达峰、碳中和目标的重要手段，具有重大的历史意义和现实意义。
构建以新能源为主体的新型电力系统面临诸多挑战。首先，风光等为代表的清洁能源发电的随机性、波动性和间歇性以及电动汽车负荷时空随机分布等特点，导致系统面临的不确定性进一步增加，电力、电量平衡压力大，电网运行控制更加复杂和多变；其次，新能源对极端天气的耐受能力脆弱，保障高比例新能源并网消纳、系统安全和可靠供电的难度更大；最后，传统电力系统中千兆瓦级的煤电机组将被数量庞大的兆瓦级风电机组甚至更低容量的光伏发电所取代，特别是配网侧电网形态发生变化，分布式特征更加明显，新型电力系统中发电设备的数量将达到千万台级，系统需要处理的数据将呈现爆炸式增长。
新问题的解决需要与之相适应的新技术应用，新型电力系统的特征必定催生新技术。为了应对新型电力系统建设带来的挑战，需要在“可观、可测、可控”的基础上进一步深化，需要以云计算、大数据、物联网、移动互联网、人工智能、区块链等新一代数字技术为核心驱动力，不断提高电网数字化、网络化、智能化水平，加快推动传统电力系统从刚性向灵活韧性的新型电力系统转变，需要运用数字系统理论推动运行控制体系优化、重构，需要基于数字技术特性提升电网的全域互联、高效感知能力。
面向新型电力系统建设，应聚焦于电网数字化、智能化，以数据流引领和优化电网能量流、业务流，支撑业务创新，基于全域物联网“云-管-边-端”架构，围绕新型电力系统“源网荷储用”业务场景，采用“系列传感+边缘技术+多类型通信+统一平台+数据融合+业务智能”技术路线，形成终端到系统应用的整体解决方案，打造“状态全感知、设备全连接、数据全融合、业务全智能”的全域物联网，提升新能源、柔性负荷等主体的广泛互联、全面感知。
在端侧，终端设备的功能和性能将更多由软件定义，朝着智能化处理、多功能融合的方向发展。芯片算力和集成度的快速提升以及轻量化物联网操作系统逐步成熟，解决了边端算力不足的问题，“多专业功能融合、智能分层”技术架构以及“智能化处理”边端设备成为新型电力系统的重要形态。在配网侧，实现多类型的传感终端与智能网关间的即插即用、远程维护。
在边侧，智能AI应用将逐步深化。结合新型电力系统“源网荷储用”的需求，未来需要大量的边缘物联网计算节点实现对各类现场智能传感器、智能业务终端进行统一接入、数据解析和实时计算的装置或组件，与物联网平台双向互联，实现跨专业数据就地集成共享、区域自治和云边协同业务处理。边缘物联网计算节点结合业务场景的差异，将逐步呈现边端分离、边端融合和边缘节点三种功能形态，具备硬件平台化、软件容器化的特点，实现软硬件解耦、架构统一通用、个性化定制应用、开放共享的终端应用生态等功能。
在管侧，多类型通信的场景将进一步丰富。负荷侧资源日益多元分散，数亿传感设备需要信息联网。电力通信网的业务需求已向大连接、低时延、高可靠、大带宽方向发展。5G作为新一代无线通信系统的发展方向，将为数字电网建设提供重要支撑，为电力通信网“最后一公里”无线通信接入提供更优的解决方案。5G网络以其超高带宽、超低时延、超大规模连接的特性及优势，以及网络切片、边缘计算两大核心能力，可更好地满足数字电网业务的安全性、可靠性和灵活性需求，推动电力通信网络的智能化升级发展。
在云侧，海量数据的处理能力将进一步提升。随着新型电力系统的建设，海量设备接入配电网，配网侧需要及时获得分布式电源、低压配电台区现场设备的电气量和状态量数据，对采集存在请求优先级划分、协议多样化、规模间歇性并推等问题。应增加平台请求优先级划分、规约动态扩展、动态节点管理能力，强化平台连接能力、设备管理能力与云边协同能力，平台侧应延伸分布式光伏、新能源站点、风能、新型储能、智能充电桩等新型应用。应基于统一电网数据模型，以地图为入口，承载全类型电网设备图形、拓扑、台账的编辑、分析和管理，实现地理、物理、管理数据融合，以灵活开放、全面兼容的方式支撑新型电力系统相关业务应用。
数字技术结合电力业务场景将激发出更大价值。在数字调度方面，基于云边协同的数字电网技术架构，以虚拟电厂、微网等为聚合载体，基于人工智能的多能互补、自治优化的分布式控制、边缘集群计算、主配一体协同控制技术，实现云边协同、泛在接入、灵活定制和就地决策，满足不同类型电源、微网的海量接入和大规模协同优化，支撑大电网自主巡航及园区微网智慧化管理。
在数字输电方面，基于物联网平台，应用WAPI、北斗定位、智能纠偏和任务航线等新技术，升级机巡系统，打造云巢巡检新模式，实现航线智能规划、无人机远程自动驾驶。研制简易无人机巢、输电感知终端、通信终端和输电智能网关，实现架空、电缆线路的全面监测与数据采集，实现输电全景信息融合、全域智能决策，提高输电网安全运行和防灾抗灾能力。
在数字变电方面，依托数字技术，优化升级变电智能网关，实现变电站二、三区数据全采集；依托南网云和全域物联网平台建设变电运行支持系统，强化人工智能算法研究，提升对表计、设备缺陷的识别准确率，开发巡视点位优化配置功能，做实智能巡视；围绕程序化操作，优化智能操作功能，最终构建全景感知、风险可视、操作可达的数字孪生变电站。
在数字配电方面，以配网生产一线需求为导向，以配电智能网关、智能传感器、智能一二次融合设备为核心，基于全域物联网平台、南网智瞰等支撑平台，打造配网生产运行支持系统，实现配电网设备状态透明、运行状态透明，支撑配电网智能运维、智能服务、智能作业，全面提升供电可靠性和客户服务水平。
在数字用电方面，围绕“双碳”目标和新型电力系统要求建设需求侧管理平台，包括资源管理、有序用电、需求响应、电能替代、节能服务等功能，支撑智能用电业务开展；部署自动需求响应控制器、低压负控开关等终端设备，做实需求侧负荷调节能力；客户侧推广电能替代设备、微网和储能产品，实现绿色低碳、科学有序用能。
以“数字技术+电力业务”推动新型电力系统建设是一个漫长且艰难的过程，各领域应共同探索，不断提升新型电力系统服务能力，促进我国能源产业转型升级，构建清洁低碳安全高效能源体系。
（郭晓斌系南方电网数字电网研究院有限公司数字电网分公司总经理；刘灏系华北电力大学电气与电子工程学院副教授；毕天姝系华北电力大学副校长）
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未来四十年，碳中和将让中国经济社会将迎来系统性变革，社会财富也将随之发生大规模转移。我们将见证一个伟大的时代，见证一个变革的时代。在“顺势者昌，逆势者亡”的历史规律下，创业英雄将层出不穷；紧抓机遇、纵横捭阖的企业也将借势而进，成为产业翘楚；前瞻布局、运筹帷幄的国家也将乘势而上，走向世界舞台中央。
那么该如何理解这一系统性变革？由中国工程院院士、英国皇家工程院院士陈清泉，国家应对气候变化战略研究和国际合作中心首任主任李俊峰做序并推荐的《碳中和革命：未来40年中国经济社会大变局》著作，以通俗易通的语言为读者呈现出一幅波澜壮阔的碳中和画面。
