参选论文 | 电力物联网：数据科学视角及商业模式（一）

当前电力(能源)系统朝着数字化方向转型，电 力改革进程不断加快。智能电网、电力物联网、电 力市场改革、新能源革命以及“互联网+”智慧能 源等改革在各项政策的支持下继续推进。文献[1] 阐述了智能电网研究方向，提出要以赛博安全为标 准建立具有足够韧性的坚强智能电网，强调了智能 电网建设的紧迫性和长期性。2019 年，国家电网 公司系统地阐述了电力物联网的发展方向、目标和 应用场景，南方电网公司开始探索数字电网概念和 技术[3]。

在加快建设世界一流能源互联网和数字电网的背景下，海量电力设备和用户智能终端需要接入电 力系统，带来了大量的碎片化、零散化的信息[4]， 传统的传输和处理技术已经不能满足当前需要，亟 需寻求满足海量信息传输的网络通信技术以及更高 效的数据处理方法。文献[5]较为系统地阐述电力物 联网的关键技术，如终端智能化、通信技术、数据 的处理与价值挖掘，以及业内应用场景。

为适应电力(能源)行业的数字化转型，需从数 字化的要求出发，运用云计算、人工智能、大数据 分析等先进手段对数据进行挖掘，推动数据业务发 展和商业模式转变。文献[6]以电力通信网为切入 点，对电力物联网的新业务场景进行需求分析，指 出适应当前电力物联网发展背景的通信网关键技 术。文献[7]通过小微智能传感器收集电网数据，引 出高效处理海量数据的难题，并挖掘用电大数据潜在值，促进用户智慧用电。文献[8]以电力电缆井 盖为切入点，通过云服务低成本实现井盖智能化。 文献[9]利用末端节点采集、大数据分析、云平台等 方法搭建电力物联网的可再生能源政策评估系统模 型，为可再生能源政策提供决策支持。

电力信息中具有海量的小数据，虽然单数据价 值密度低、收集困难，但通过当前多样的感知和通 信技术进行收集和传输，并进行整合处理后，将呈 现出大数据特征，蕴含的潜在价值高，对其分析处 理后可满足不同行业需求。文献[10]在大数据分析 的同时考虑用户隐私安全，提出打破系统内部数据 孤岛的联邦学习框架，建立用于电力计量的训练模 型。文献[11]以智能测量终端处理数据时拥堵、延 迟等问题为研究对象，提出了基于边缘计算与 MapReduce 的数据处理方法。文献[12]以荷兰智能 家庭用户为数据源，通过云计算和雾计算处理大量 零散数据，并挖掘它们的价值。文献[13]对电力物 联网收集到的实时数据和历史数据进行数据分析， 从大数据角度挖掘出电力系统灾变因子，以求实现 “孕灾-传灾-报灾-防灾”的防控手段。

目前，相关行业对电力数据有着极大需求，电 力物联网可为用户提供数据相关服务，满足用户业 务的需求，实现数据变现，促进相关行业的不断发 展。文献[14]以内部、外部数据总结电力大数据的 主要来源，并引用哈佛商学院Michael E.Porter 教授 的价值链观点，建立了电力大数据价值链的模型， 更好地进行电力大数据的利用与价值挖掘。文献[15] 研究分析了虚拟电厂的商业模式，指出电力物联网 背景下未来虚拟电厂商业模式的运行发展方向。文 献[16]以智能小区为例，从投资建设、运营管理、 盈利模式等方面进行商业分析。文献[17]指出电力 物联网的发展需要引入商业模式利益驱动。在良性 循环的商业模式中，为数据科学注入动力，促进电 力物联网数据处理研究的发展。

本文探讨了当前电力物联网的架构及其含义， 并介绍了关键的通信方式。重点阐述了在电力物联 网中所获取的电力数据及其背后的社会经济信息， 指出了信息/数据的融合方式。最后总结了数据驱动 下电力物联网商业模式的关键业务，并分析了其所 面临的挑战。

1.1 电力物联网的概念

1991 年美国麻省理工学院(MIT) 的KevinAsh-ton 教授首次提出物联网的概念，目的是在任何时间将物品和物品、物品和人、人和人相互来连接起来。物联网以传感网络为基础[18]，采集任何需要的信息，通过网络接入技术，实现大范围、全覆盖的连接，为平台管理和应用奠定基础。

物联网的技术架构大致分为四个层级：感知层、网络层、平台层、应用层。如图1 所示，感知层是物联网的基础，包括现场采集部件和智能终端等，对物联网的基础设备和环境进行感知，并接入网络层；网络层包括接入网、骨干网、业务网、支撑网，将感知层测得的信息传送给平台层作下一步的处理；平台层通过一体化的云平台，建立全业务统一的数据中心和物联管理中心，提高数据的处理效率，建设企业中台，实现统一管理；应用层通过平台层，实现对内和对外业务的承接和办理，提供最终的服务。而电力物联网就是围绕电力系统的各个环节，如发输配电网络、家用电器、电力设备等，通过不同连接方式，实现全面感知和数据的高效处理。

图1 电力物联网技术架构

Fig. 1 Technology architecture of power IoT

电力物联网作为物联网的一种具体形态，从不 同学科视角，具有以下3 方面的涵义。

1) “物联网+”电力(自动化科学视角)，即物联 网技术，如低功耗广域网络(LPWAN)[19]、5G[20]等 在电力行业的应用，作为传统电力信息化、自动化 的延伸，其主要作用是获取传统信息化、自动化系 统未覆盖的边缘数据，并应用于电力系统规划、运 行与控制。

2) “电力+”物联网(数据科学视角)，即以用电 数据为中心，基于数据科学方法对各类电力用户的 用电行为进行分析。由于电力用户几乎涵盖全社会 的所有行业，通过数据科学方法可以处理用电数据 中所包含的大量有价值的社会经济信息，并为各行 各业提供决策支撑。

3) “电网即物联网”(通信科学视角)，即基于 电力线通信的物联网技术。利用电力线作为通信介 质(如宽带电力线载波HPLC)，网随电通，可传输其 他非电气量数据(如水、电、气、热四表合一集抄)。

1.2 电力物联网的主要通信技术

电 力 物联网有主要的三大类通信技术： LPWAN、5G、电力线载波通信。

文献[19]对LPWAN 进行了大致的概述，并给 出了其在电力物联网的组网方案。LPWAN 有着覆 盖面广、能耗小、寿命长、连接量大的优点，一台 LPWAN 设备可以连接很多台传感器，加上价格低 廉的优点，LPWAN 可以应用在传感器量多且分散 的环境。电力物联网目前基础小数据众多，分布面 广，LPWAN 的特点正好可以连接这些状态变化慢、 采集频率低、高度分散分布的基础小数据[21]，为之 后的数据挖掘奠定基础。

5G 技术拥有着高宽带、海量连接、低时延、高 可靠性的特点[22]，5G 技术的峰值速率、区域速率、 边缘速率都比4G 有了极大提高[23]，每平方公里还 可以连接100 万个终端。5G 凭借其特点可以在电力 物联网中的配电网差动保护、PMU、精准控制、虚 拟电厂、智能巡检、网络精准授时有着广阔的应用 前景[20]，进行大量的实时数据分析。

电力线载波通信(Power Line Communication, PLC)是目前电力系统广泛采用的通信技术，即利用 已有的输配电线路作为通信介质，实现数据、话音、 图像等信号的传输。电力线有着极其庞大的覆盖率， 无需重新建设即可实现用户接入。从使用带宽来看， 电力线载波可以分为在1 Mbit/s 以下且带宽在 3~500 kHz之间的窄带电力线载波[24]和宽带电力 线载波。窄带电力线载波通信多采用普通的FSK 技 术、PSK 技术、直接序列扩频技术和线性调频Chirp 等技术，通信速率比较小；宽带电力线载波，也称 为高速电力线载波(HPLC)，目前主要应用于电息采 集系统中。它利用电力线作为数据通信载体，多采 用正交频分复用OFDM 等技术，免布线、低成本地 实现用电信息的自动采集和计量、异常监测、电能 质量分析、相关信息发布、分布式能源监控、智能 用电设备的信息交互等功能，可应用于配网自动化、 多表采集、智能家居、楼宇通信管理、城市照明控 制。由于靠近用户侧，用户可以通过电力线很方便 地组网，如智能家居网络，无需架设新线节省成本， 以插座为基本单元点，实现家居平台的搭建，可扩 展性强，可实现较低成本的永久在线。将家电通过