1.3 電力物聯網的背景

1.3.1 物聯網在智能電網領域發展迅速

智能電網正處于快速發展階段，但在全球范圍內沒有統一的精確定義。我國電力行業對智能電網的定義為：智能電網是在傳統電力系統的基礎上，通過集成新能源、新材料、新設備和先進傳感技術、信息技術、控制技術、儲能技術等新技術，形成新一代電力系統，具有高度信息化、自動化、互動化等特征，可以更好地實現電網安全、可靠、經濟、高效運行。智能電網的核心內涵是實現電網的信息化、數字化和智能化。

我國電網運營企業早在2009年就明確了到2020年智能電網的建設規劃主要分為3個階段。

① 2009—2010年為規劃試點階段，開展對技術管理標準的制定，對電網的關鍵技術和設備進行研發和應用試驗工作，主要對特高壓與智能變電站進行測試。

② 2011—2015年對全國電網進行升級，建成智能控制互動服務體系的框架，對關鍵技術、設備進行推廣試驗。

③ 2016—2020年的工作重點是智能電網體系的建設，其設施配備達到發達國家水平。

2015年7月，國務院頒布了《國務院關于積極推進“互聯網+”行動的指導意見》，明確提出通過互聯網促進能源系統扁平化，推進能源生產與消費模式革命，提高能源利用效率，推動節能減排；同時，加強分布式能源網絡建設，提高可再生能源占比，促進能源利用結構優化；加快發電設施、用電設施和電網智能化改造，提高電力系統的安全性、穩定性和可靠性。同月，國家發展和改革委員會、國家能源局聯合頒布了《關于促進智能電網發展的指導意見》，明確指出發展智能電網是實現我國能源生產、消費、技術和體制革命的重要手段，是發展能源互聯網的重要基礎；要求電網運營企業編制智能電網戰略規劃，提高輸電網智能化水平；與此同時，加強發展智能配電網，鼓勵分布式電源和微網建設，促進能源就地消納；到2020年，初步建成智能電網體系。

電網運營企業順應電力行業發展方向，積極建設智能電網，提升電網安全水平，通過實施“互聯網+”戰略，全面提升電網信息化、智能化水平，充分利用物聯網等信息技術實現電網安全、清潔、協調和智能發展，為經濟社會發展提供可靠的電力保障。經過多年的發展，物聯網技術已被廣泛應用于發電、輸電、變電、配電、用電等環節，具體業務主要有發電環節的分布式電源監控，智慧發電視頻監控；輸變電環節的狀態監測，移動巡檢；配電環節的配電自動化，配電所/開閉所監測，差動保護；用電環節的精準負荷控制，用電信息采集，電動汽車充電站/樁，電能質量監測等。

雖然物聯網技術在智能電網中已得到大量應用，但電力物聯網還處在發展初期，存在諸多不足，主要體現在以下3個方面。

① 部分場景監測數據較少，對裝置及系統狀態、環境沒有形成全面感知，傳感器標準化、實用化水平有待提升。

② 已有應用系統通信方式及標準不統一，難以實現數據的規范化匯集、傳輸，建設模式不經濟；終端接入通信網絡未達到電力物聯網對通信能力及可靠性的要求。

③ 已有應用系統按專業各自獨立建設，支撐數據分散，尚未形成統一的數據服務和應用平臺。

1.3.2 全球能源互聯網發展戰略的實施

全球能源互聯網是以特高壓電網為骨干網架、全球互聯的智能電網，是在全球范圍內大規模開發、輸送、使用清潔能源的基礎平臺，其實質就是“智能電網＋特高壓電網＋清潔能源”。智能電網是基礎，特高壓電網是關鍵，清潔能源是根本。

2015年9月，中國在聯合國發展峰會上提出，“中國倡議探討構建全球能源互聯網，推動以清潔和綠色方式滿足全球電力需求”。這是中國在全球范圍內推動能源革命、促進清潔發展、應對氣候變化的重大倡議，開啟了世界能源可持續發展的新征程，得到了國際社會的普遍贊譽和積極響應。

2016年3月，全球能源互聯網發展合作組織一屆一次理事會在北京市召開。在這次大會上，全球能源互聯網發展合作組織揭牌成立。該合作組織以“推動構建全球能源互聯網，以清潔和綠色方式滿足全球電力需求”為宗旨，由中國國家電網有限公司發起成立，是中國在能源領域發起成立的，在民政部登記的首個國際組織，也是全球能源互聯網的首個合作和協調組織。

全球能源互聯網發展合作組織在做了大量研究的基礎上，編制了“全球能源互聯網發展戰略白皮書”，提出了戰略體系、戰略思路、路線圖，明確了戰略重點，為下一步落實全球能源互聯網中國倡議、引領全球能源互聯網創新發展提供戰略指引和行動指南。全球能源互聯網戰略體系如圖1-2所示，全球能源互聯網戰略推進路線如圖1-3所示。

全球能源互聯網戰略的發展目標是構建全球能源互聯網，推動三（特）網融合發展，打造能源共同體，促進人類命運共同體建設。其中，三（特）網融合就是以世界能源轉型和信息技術革命為契機，以全球基礎設施互聯互通為保障，發揮網絡經濟和規模經濟優勢，加快形成全球能源、信息、交通，即“瓦特（Watts）、比特（Bits）、米特（Meters）”融合發展的新格局，推動實現高度電氣化、高度智能化、高度全球化、高度人本化的發展目標。

相比智能電網，能源互聯網更關注新能源的占比和影響。在能源層面，能源互聯網試圖把各種能源組合成一個包含智能通信、智能電網、智能交通等眾多智能與綠色概念的超級網絡。

1.3.3 能源互聯網生態體系的構建

能源互聯網正在逐漸改變能源行業的運行模式，給整個產業鏈上的企業帶來新的發展機遇，更要求這些企業具備抓住機遇的能力。構建開放包容、互利互贏的能源互聯網生態體系，主要從分布式光伏服務、綜合能效服務、電動汽車服務、能源電商服務、數據商業化服務、電工裝備服務6個方向作為切入點，服務政府部門、能源供應者、能源消費者等對象，促進全環節、全要素供需對接和資源優化配置，拉動產業聚合成長，帶動產業鏈上下游共同發展。能源互聯網產業鏈如圖1-4所示。

1.分布式光伏生態

分布式光伏生態體系通過匯集電站側、電網側相關的設備運行、氣象氣候、負荷能耗等數據，共享分布式光伏全產業、全服務、全價值鏈資源，實現“數據全面接入、狀態全息感知、服務全新周到、開放合作共享”。

① 數據全面接入：提供集數據、模型、應用、安全為一體的數據增值服務。

② 狀態全息感知：應用電力物聯網技術，對電站側、電網側的設備狀態進行監控、管理。

③ 服務全新周到：提供咨詢、建站、并網、結算、運維等全流程“一站式”服務。

④ 開放合作共享：引入本領域優質合作伙伴，形成健康持續生態，其目標是實現設備共享、渠道共享、客戶共享和收益共享。

2.綜合能效服務生態

綜合能效服務生態要求聚集綜合能源服務商、產業鏈上下游供應商、終端用戶、政府及行業機構、金融及投資機構、科研機構及高等院校、小微企業和創客等產業相關方，整合綜合能源服務全產業、全服務、全價值鏈資源，形成共建共贏、開放共享、有序競爭、協同進化的商業共同體。

綜合能效服務生態涉及的產業鏈上下游成員主要有產業鏈上下游供應商、其他能源服務主體和終端用戶等。

3.電動汽車服務生態

電動汽車服務生態以優質充電服務為基石和入口，利用物聯網技術與人、車、船、樁、網、電、儲等資源互聯，全面聚合政府部門、行業協會、電動汽車整車企業、電池等零部件企業、設備制造商、充電運營商、出行運營商、停車運營商、通信服務商、互聯網企業、電力企業、金融投資機構等各方資源，共同推動跨行業信息融合與業務貫通，服務電動汽車行業健康發展。

電動汽車服務生態涉及的產業鏈上下游成員主要有充電設施運營商、電動汽車用戶和其他相關方。

4.能源電商服務生態

能源電商服務生態通過廣泛聚集客戶、數據、生態資源，建設能源電商新零售全域物聯網樞紐，構建全域物聯、全景服務、全鏈增值、全面降本、全民電氣的“五全”新零售發展路徑，打造“共建、共治、共享、共贏”的能源電商新零售服務生態圈。

能源電商服務生態涉及的產業鏈上下游成員主要有電工裝備行業用戶、用電客戶和內外部創新主體等。

5.數據商業化服務生態

數據商業化服務生態對外以提供專業化能源大數據分析與咨詢的方式，服務政府科學決策，服務企業智慧運營，以提供個性化、趣味化互動服務的方式，提升電力用戶獲得感；對內以提質增效、精益管理、風險防范等為目的，充分挖掘數據價值，研發數據增值產品，探索數據增值變現商業模式，構建電力數據商業化服務生態。

數據商業化服務生態涉及的產業鏈上下游成員主要有商業企業和設備供應商、社會公眾和居民家庭、政府和社會機構等。

6.電工裝備服務生態

電工裝備服務生態通過采集供應商產品生產、質量控制、成品試驗，以及需求單位產品交換、抽檢驗收、履約結算、運行質量等信息，將電工裝備企業及其設備有機連接，打造智慧物聯平臺；同時，將電表檢測數據、設備運行缺陷數據反饋到生產制造環節，從源頭提升設備生產質量，構建電工裝備互利共贏生態。

電工裝備服務生態涉及的產業鏈上下游成員主要有電工裝備設備制造商和其他相關各方。設備制造商通過推進制造企業智能化應用，實現協同設計、訂單生產和智能制造，打造電工裝備遠程智能運維和工廠檢修平臺，實現用戶側能效設備管理。設備制造商與其他各方需要強化實時交互的協同能力，形成差異化優勢互補的綜合能力。

1.3.4 4G電力無線專網建設取得成效

我國電網運營企業對4G電力無線專網的研究和部署可以追溯到10年前。4G電力無線專網的發展總體上可以分為以下3個階段。

1.技術研究及試驗階段

從2009年開始，電網運營相關單位與企業就已經開始著手探索4G電力無線專網。2010年南方電網公司啟動開展“智能電網電力通信綜合解決方案”重大科技項目研究。隨后在2011年，由國家電網公司牽頭，普天信息技術有限公司等多家單位參與的國家863計劃課題“智能配用電信息及通信支撐技術研究與開發”項目啟動。2012年，國家科技重大專項課題“廣域覆蓋低成本寬帶接入組網技術與應用示范網絡開發”和“基于離散窄帶頻譜的寬帶無線接入技術研發”正式立項。國家電網公司等多家單位聯合推動LTE230的產業化進程。2014年，國家發展和改革委員會產業化專項資金項目“TD-LTE 230MHz電力無線寬帶通信系統產業化及應用示范項目”，在開展無線專網技術研究的基礎上，正式開展長期演進（Long Time Evolution,LTE）無線專網示范建設，初期試點城市主要在溧水、洪澤、冀北等8個城市或區域。在同一時期內，南方電網公司在廣州、深圳、珠海等地開展試點。

2.國家政策和企業戰略雙驅動下的規模試驗階段

2015年2月，國家電網公司提出全球能源互聯網計劃，隨后成立全球能源互聯網集團有限公司，這是探索新能源與互聯網相結合的一個重要的里程碑。2015年3月，工業和信息化部《關于重新發布1785—1805MHz頻段無線接入系統頻率使用事宜的通知》提出將1785—1805MHz頻段規劃用于交通、電力、石油等行業專用通信網和公眾通信網。2015年7月，《國務院關于積極推進“互聯網+”行動的指導意見》頒布，國家發展和改革委員會與國家能源局聯合頒布了《關于促進智能電網發展的指導意見》。正是因為國家政策對4G電力無線專網的支持和企業戰略對4G電力無線專網的需求，4G電力無線專網正式進入規模試驗階段。2016年，國家電網公司確定在江蘇省、天津市、福建省等的9個城市開展規模試驗。在技術體制的選擇上有兩個方向：一是以江蘇省南京市為代表的采用基于公網技術的LTE1.8G無線專網，二是以浙江省海鹽縣為代表的采用國家電網公司與普天信息技術有限公司合作研發的LTE230無線專網。

3.引入新標準，加速推進建設電力無線專網

2018年4月，國家電網公司和華為公司達成共識，雙方全面合作共同建設世界領先的電力物聯網IoT230，并成立聯合創新實驗室開展無線專網技術創新。此后，4G電力無線專網建設領域出現了3種可供選擇的技術：LTE230、LTE1.8G和IoT230。

2018年以來，在部分省市進行了擴大電力無線專網建設后，全國共有將近20個?。ㄗ灾螀^、直轄市）采用LTE230或IoT230技術建設4G電力無線專網，比較典型的有湖南省長沙市和浙江省嘉興市，而江蘇等省市同時采用LTE1.8G技術建設4G電力無線專網。其中，南京市電力無線專網為全球首個投運的1.8GHz專網，基站規模超過500個。

實踐證明，4G電力無線專網能夠實現數據、語音、圖像、視頻等業務的泛在接入和可靠承載，在支撐配電自動化、用電信息采集、多媒體調度和巡檢等業務方面已經展現出卓越的功能、性能等技術優勢，從而滿足電力系統發電、輸電、變電、配電、用電環節的業務通信需求。

1.3.5 5G新技術已成熟和商用

1.5G技術的先進性

傳統的移動通信技術升級換代都是以多址接入技術為主線，而5G技術創新將更加豐富。除了多種新型多址技術，大規模天線、超密集組網、全頻譜接入、基于服務化架構（Service-Based Architecture,SBA）、網絡切片等都是5G的關鍵技術。5G系統將會建立在以這些關鍵技術為核心的技術體系之上，滿足面向2020年之后的移動通信需求。

受4G技術框架的約束，大規模天線等增強技術難以充分發揮優勢，全頻譜接入、新型多址技術等難以在現有技術框架下實現。因此5G技術框架設計了全新的空口，以滿足5G性能和效能的要求。綜合考慮國際頻譜規劃和頻率傳播特性，5G NR包含在6GHz以下頻段工作的低頻新空口和在6GHz以上頻段工作的高頻新空口。5G低頻新空口引入大規模天線、新型多址等先進技術，支持更短的幀結構、更精簡的信令流程、更靈活的雙工方式，有效滿足5G的要求，通過靈活配置技術模塊及參數來滿足不同場景差異化的技術需求。5G高頻新空口考慮高頻信道和射頻器件的影響，并針對波形、天線等進行相應的優化。

基于獨立組網的5G核心網（5G Core,5GC）采用SBA設計和虛擬化方式實現。5G核心網控制平面功能采用基于服務的設計理念來完成控制面網絡功能和接口交互，并實現網絡功能的服務注冊、發現和認證等功能。服務化設計可以提高功能的重用性，簡化業務流程設計，優化參數傳遞效率，提高網絡控制功能的整體靈活性，實現整網功能的按需定制，支持不同的業務場景和需求。

2.5G三大業務應用場景

5G網絡將支持多種業務和應用場景，例如，具有更大帶寬、更低時延的eMBB業務，支持海量用戶連接、低功耗的mMTC業務，以及超高可靠低時延的uRLLC業務。

eMBB業務的目標是更大帶寬，它面臨著成本和功耗的挑戰，包括帶寬成本、站址成本和運維成本。在4G用戶數接近飽和，每用戶平均收入（Average Revenue Per User,ARPU）值沒有按照預期增加的情況下，低成本、低功耗、易部署、易運維的網絡架構是面向eMBB應用場景最核心的要求。

mMTC業務主要面向環境監測、智能抄表、智能農業等以傳感和數據采集為目標的應用場景，具有小數據包、低功耗、低成本、海量連接的特點，要求支持每平方千米百萬連接數密度。

uRLLC業務面向車聯網、工業控制、智能制造、智能交通、物流及垂直行業的特殊應用需求，為用戶提供毫秒級的端到端時延和接近100%的業務可靠性保證。其最大的挑戰來自網絡技術能力，當前的網絡架構和網絡技術在時延的保證方面存在不足，需要突破一些技術瓶頸，不斷改善網絡體驗。

3.標準化進展及商用情況

2017年巴塞羅那世界移動通信大會以來，5G標準化進程開始加速。3GPP關于5G的規范制定是從R15版本開始的。R15是5G的基礎版本，分為非獨立組網（Non-Stand Alone,NSA）、獨立組網（Stand Alone,SA）、Late Drop3個階段，于2019年6月全部凍結。該版本主要定義的是eMBB，奠定了5G商用的基礎。R16是eMBB、uRLLC、mMTC的完整版本，于2018年下半年提交關于R16版本的提案，R16于2020年7月全部凍結。2019年12月，3GPP在無線接入網（Wireless Access Network,RAN）#86會議上批準了R17的提案，確定了R17研究的方向和內容，其主要目標是對R16的物理層、無線協議及無線架構進行增強，預計在2022年完成凍結。

全球移動供應商協會（Global Mobile Suppliers Association,GSA）的數據顯示，截至2020年3月，全球已經有40個國家部署了70張5G商用網絡。我國共有4家運營商獲得5G牌照。其中，中國移動、中國電信、中國聯通從2019年已經開始大規模部署5G商用網絡，中國廣電也已經開始進行5G試點。各大運營商都在積極開展垂直行業應用研究、探索5G商業模式、打造5G業務生態圈。目前，5G業務主要聚焦于政務、醫療健康、教育、交通、物流、工業、公共事業、旅游、環保、娛樂等行業中部署虛擬現實/增強現實（Virtual Reality / Augmented Reality,VR/AR）、高清視頻、無人機應用開發、無人機運營、車聯網及無人駕駛、智能制造、智慧生活、智慧會展、智慧政務、智慧交通、智慧旅游、智慧生態、智慧物流、移動執法、智能電網、視頻監控、應急通信、遠程教育、遠程醫療等應用。