透明電網(wǎng)理論框架與關(guān)鍵技術(shù)

一、前言當(dāng)前，世界能源行業(yè)順應(yīng)數(shù)字化時(shí)代趨勢(shì)演進(jìn)發(fā)展，我國電力體制改革深入推進(jìn)，加快能源轉(zhuǎn)型成為國內(nèi)外共識(shí)。我國積極實(shí)施碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)計(jì)劃，體現(xiàn)了推動(dòng)世界綠色低碳轉(zhuǎn)型的決心與擔(dān)當(dāng)。構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，是國家重大部署、電力工業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)引領(lǐng)電力企業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展、拓展新型電力理論研究具有重要意義。在我國，電網(wǎng)數(shù)字化建設(shè)仍處于起步階段，新一代信息通信技術(shù)在電網(wǎng)中的技術(shù)拓展、應(yīng)用場景等研究仍不充分，相應(yīng)系統(tǒng)的研究框架有待形成。李立浧研究團(tuán)隊(duì)率先提出的“透明電網(wǎng)”理念，側(cè)重信息通信技術(shù)與電網(wǎng)應(yīng)用的結(jié)合，可為新型電力系統(tǒng)數(shù)字化建設(shè)、未來電網(wǎng)發(fā)展提供基礎(chǔ)參考。本文旨在系統(tǒng)論述透明電網(wǎng)的理論框架與關(guān)鍵技術(shù)，及時(shí)反映新的宏觀態(tài)勢(shì)，為我國透明電網(wǎng)建設(shè)筑牢理論基礎(chǔ)。具體來說，梳理透明電網(wǎng)的能源生態(tài)圈概念、業(yè)務(wù)需求、愿景及特征、發(fā)展藍(lán)圖，剖析透明電網(wǎng)關(guān)鍵科學(xué)與技術(shù)體系，分析技術(shù)體系與基礎(chǔ)裝備涉及的多層次關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)而提出我國透明電網(wǎng)發(fā)展建議。二、透明電網(wǎng)的能源生態(tài)圈與業(yè)務(wù)需求（一）透明電網(wǎng)能源生態(tài)圈概念透明電網(wǎng)是在能源轉(zhuǎn)型趨勢(shì)下，電網(wǎng)與以互聯(lián)網(wǎng)為代表的新一代信息通信技術(shù)相融合的新型發(fā)展形態(tài)，整合了當(dāng)前的主要技術(shù)進(jìn)步與行業(yè)發(fā)展需求。通過應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)理念、“大云物移智鏈”等先進(jìn)技術(shù)，對(duì)現(xiàn)有分散的系統(tǒng)及平臺(tái)進(jìn)行整合和創(chuàng)新，加強(qiáng)“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”全鏈條感知與控制能力，實(shí)質(zhì)性提升電網(wǎng)的建設(shè)、運(yùn)維、管理水平；打破運(yùn)行控制、運(yùn)營管理的業(yè)務(wù)壁壘，掌握海量終端用戶和運(yùn)行大數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)能量流、業(yè)務(wù)流、數(shù)據(jù)流的透明化管控，進(jìn)而充分發(fā)揮資源優(yōu)化配置作用，形成電力市場驅(qū)動(dòng)的電力能源生態(tài)圈（見圖1）。

圖1與透明電網(wǎng)密切關(guān)聯(lián)的能源生態(tài)圈

（二）透明電網(wǎng)的業(yè)務(wù)需求

1.常規(guī)業(yè)務(wù)升級(jí)與優(yōu)化一是電網(wǎng)狀態(tài)全面感知。透明電網(wǎng)智能運(yùn)維將廣泛應(yīng)用小微智能傳感器、無線傳感器采集的電網(wǎng)數(shù)據(jù)，構(gòu)建大規(guī)模傳感網(wǎng)絡(luò)；基于小微智能傳感控制、新一代通信技術(shù)，開發(fā)邊緣計(jì)算和自適應(yīng)控制算法；結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)等人工智能（AI）算法，快速匯總、分析、處理海量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備健康、環(huán)境狀態(tài)等的在線實(shí)時(shí)智能感知，支持故障診斷和運(yùn)維決策，提高系統(tǒng)供電的可靠性。二是數(shù)字運(yùn)營管控平臺(tái)。為適應(yīng)快速發(fā)展的電網(wǎng)管理需要，基于透明電網(wǎng)云平臺(tái)，以現(xiàn)有資產(chǎn)管理系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)等的逐步云化、微服務(wù)化改造為基礎(chǔ)，建設(shè)企業(yè)級(jí)電網(wǎng)管理平臺(tái)；統(tǒng)一資產(chǎn)實(shí)物管理與價(jià)值管理，整合電網(wǎng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、設(shè)備供應(yīng)等企業(yè)資源，構(gòu)建合作生態(tài)；打破各類信息系統(tǒng)壁壘，推動(dòng)各種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)接入大數(shù)據(jù)共享平臺(tái)，強(qiáng)化電網(wǎng)各業(yè)務(wù)的橫向協(xié)同、各層級(jí)的縱向貫通能力。三是電網(wǎng)運(yùn)行的智慧決策。將領(lǐng)域知識(shí)與機(jī)器學(xué)習(xí)方法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)模型驅(qū)動(dòng)和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的互補(bǔ)，深度挖掘大規(guī)模傳感網(wǎng)絡(luò)所獲取海量數(shù)據(jù)的潛在價(jià)值。以透明電網(wǎng)云平臺(tái)為基礎(chǔ)，以“模型+數(shù)據(jù)”混合驅(qū)動(dòng)方式為支柱，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)數(shù)據(jù)資源的統(tǒng)一管理；發(fā)揮透明電網(wǎng)泛在可見、可知、可控的數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì)，為電網(wǎng)高效經(jīng)濟(jì)、安全穩(wěn)定運(yùn)行提供智慧決策支持。2.新興業(yè)務(wù)拓展與管理一是電力交易和節(jié)電業(yè)務(wù)。《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃（2016—2020年）》提出，建立并健全電力市場體系，建立標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的電力市場交易技術(shù)支持系統(tǒng)。因此，提高交易透明度是電力市場建設(shè)的關(guān)鍵任務(wù)，主要體現(xiàn)在以下兩方面。①在保障信息安全前提下的電力交易信息共享。目前各省份電力交易系統(tǒng)之間面臨銜接統(tǒng)籌不足問題，交易信息共享、數(shù)據(jù)交互存在很大阻礙，導(dǎo)致電力調(diào)度運(yùn)行數(shù)據(jù)、市場信息、市場交易等公開信息的透明性不足。透明電網(wǎng)通過用戶用電行為的透明化，可以預(yù)測用電行為、優(yōu)化電力調(diào)度，“由表及里”實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)數(shù)據(jù)信息的泛在可見與可知；對(duì)時(shí)間、空間、業(yè)務(wù)等產(chǎn)業(yè)鏈的價(jià)值維度進(jìn)行全景展示，驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)交易信息共享與數(shù)據(jù)交互、電力交易業(yè)務(wù)拓展；發(fā)揮資源優(yōu)化配置的應(yīng)有作用，輔助提升電力交易管理能力。②在保障信息安全前提下的節(jié)電業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)集成。節(jié)電業(yè)務(wù)指節(jié)能服務(wù)公司為客戶提供能耗分析、節(jié)能方案設(shè)計(jì)、節(jié)能設(shè)備定制及安裝調(diào)試、節(jié)能效果評(píng)價(jià)等一系列服務(wù)，從客戶獲得的節(jié)能效益中收回投資并取得利潤。對(duì)于透明電網(wǎng)，發(fā)展節(jié)電業(yè)務(wù)將解決用戶節(jié)電面臨的用電數(shù)據(jù)不透明、缺少節(jié)電指導(dǎo)依據(jù)等問題；依據(jù)用戶用電特性細(xì)分用電群體，通過多源數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析形成優(yōu)化節(jié)電策略，驅(qū)動(dòng)節(jié)電過程的可見、可知、可控。二是電力需求側(cè)響應(yīng)，主要包括有序用電、能效管理、負(fù)荷管理等，在電力供需矛盾突出的情況下，以行政、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等手段合理分配電力資源，確保供需平衡，最大程度降低缺電損失。在透明電網(wǎng)中，依靠小微智能傳感器進(jìn)行電力數(shù)據(jù)的廣泛采集與高效處理，顯著提升電力需求側(cè)響應(yīng)的負(fù)荷控制精度及速度，使得需求側(cè)負(fù)荷資源廣泛參與到系統(tǒng)備用、調(diào)峰、調(diào)頻等服務(wù)。三是數(shù)字能源生態(tài)建設(shè)。對(duì)電網(wǎng)狀態(tài)和信息進(jìn)行全面感知與控制，必將產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，因而電網(wǎng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型、數(shù)字能源生態(tài)建設(shè)是實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)安全高效利用的必由之路。①數(shù)字政府和透明電網(wǎng)。數(shù)字政府是一種遵循“業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)化、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)化”的新型政府運(yùn)行模式。透明電網(wǎng)將根據(jù)數(shù)字政府、數(shù)字電網(wǎng)、利益相關(guān)方的對(duì)接需求，制定信息與服務(wù)對(duì)接標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范；借助電網(wǎng)管理平臺(tái)和客服平臺(tái)，與數(shù)字政府、數(shù)字電網(wǎng)、利益相關(guān)方實(shí)現(xiàn)信息與服務(wù)共享。②電力金融服務(wù)（電力保險(xiǎn)），主要通過電網(wǎng)資產(chǎn)清分工作，細(xì)化承保理賠顆粒度，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)資產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)分層分類管理。持續(xù)開展電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)研究，針對(duì)電網(wǎng)資產(chǎn)建設(shè)、運(yùn)營、退役的全過程制定保險(xiǎn)產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)的全面覆蓋；建設(shè)專業(yè)電力保險(xiǎn)服務(wù)能力及團(tuán)隊(duì)，為電力行業(yè)客戶提供精細(xì)化、專業(yè)化、差異化服務(wù)。三、透明電網(wǎng)的愿景、特征與發(fā)展藍(lán)圖（一）透明電網(wǎng)的目標(biāo)愿景在電能生產(chǎn)方面，實(shí)時(shí)感知負(fù)荷需求并智能預(yù)測負(fù)荷，綜合考慮可再生能源消納、系統(tǒng)運(yùn)行成本，開展“源荷”協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度以提高能源利用效率。積極支持新能源能效發(fā)揮，推動(dòng)新能源從補(bǔ)充能源轉(zhuǎn)向替代能源甚至主體能源，為構(gòu)建“清潔低碳、安全高效”的能源體系提供堅(jiān)實(shí)支撐。在電網(wǎng)運(yùn)營方面，一方面以智能電氣設(shè)備為載體來實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的靈活、快速控制，以AI、現(xiàn)代控制技術(shù)為手段來保障電網(wǎng)智能化運(yùn)行，以電網(wǎng)運(yùn)行效率及穩(wěn)定性的顯著提高來引領(lǐng)智能電網(wǎng)邁向高級(jí)階段；另一方面鼓勵(lì)電網(wǎng)企業(yè)面向用戶推動(dòng)業(yè)務(wù)與數(shù)字化技術(shù)融合，提供全面的數(shù)字化業(yè)務(wù)服務(wù)并最終實(shí)現(xiàn)全部業(yè)務(wù)的高效數(shù)字化。在儲(chǔ)能服務(wù)方面，實(shí)施儲(chǔ)能裝置的大規(guī)模分布式應(yīng)用，提升可再生能源大規(guī)模接入時(shí)的電網(wǎng)安全水平和運(yùn)行效率，兼顧需求側(cè)快速響應(yīng)和用戶經(jīng)濟(jì)效益改善。在電能消費(fèi)側(cè)服務(wù)方面，基于透明電網(wǎng)的分布式能源與小微能源“產(chǎn)銷”一體模式，實(shí)現(xiàn)能源供給模式由集中式轉(zhuǎn)向分布式；對(duì)用戶能耗設(shè)備信息進(jìn)行監(jiān)控和感知，統(tǒng)籌控制用戶的分布式電源、電能儲(chǔ)存設(shè)備、可控負(fù)載，達(dá)到電能供需平衡。在數(shù)據(jù)資產(chǎn)運(yùn)營方面，實(shí)現(xiàn)透明電網(wǎng)中所有設(shè)備、各類狀態(tài)的數(shù)據(jù)信息深度透明，自由獲取相關(guān)的歷史信息、在線信息，合理預(yù)測未來數(shù)據(jù)信息。在設(shè)備及平臺(tái)運(yùn)維管理方面，以大規(guī)模應(yīng)用的小微智能傳感器、無線傳感器為基礎(chǔ)，構(gòu)建泛在傳感網(wǎng)絡(luò)，形成監(jiān)測電網(wǎng)設(shè)備、測量大電網(wǎng)廣域大數(shù)據(jù)的基本能力。在能源及衍生品交易方面，依托電網(wǎng)的透明化，支持“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”參與者的自由選擇、靈活交易，使得電力生產(chǎn)、輸送、轉(zhuǎn)換、消費(fèi)、交易等的邊際成本趨零。在能源產(chǎn)業(yè)金融服務(wù)方面，以透明電網(wǎng)作為構(gòu)建能源生態(tài)系統(tǒng)的重要主體，發(fā)揮好“管道”“平臺(tái)”作用，引領(lǐng)能源轉(zhuǎn)型。（二）透明電網(wǎng)的基本特征

1.電網(wǎng)狀態(tài)全面感知在線實(shí)時(shí)感知設(shè)備健康狀態(tài)、環(huán)境狀態(tài)等，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測、態(tài)勢(shì)感知、智能運(yùn)維。在線實(shí)時(shí)感知電網(wǎng)傳輸能力、電能質(zhì)量等，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行優(yōu)化、智能決策調(diào)度。實(shí)時(shí)發(fā)布電網(wǎng)輸配電價(jià)格、各類電力市場及輔助服務(wù)價(jià)格、交易過程/結(jié)果，便于“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”參與者自由選擇交易，市場監(jiān)管者、各方參與者實(shí)時(shí)監(jiān)控交易過程。

2.信息傳遞透明通過嚴(yán)格的權(quán)限分配實(shí)現(xiàn)信息共享，構(gòu)建能源網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系信息數(shù)據(jù)庫。利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，識(shí)別能源傳輸網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫畔⒉⒈３譅顟B(tài)透明。整體規(guī)劃多機(jī)構(gòu)、多層面，兼顧一定獨(dú)立性的應(yīng)用部署模式，實(shí)行數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理和信息集成。3.業(yè)務(wù)透明構(gòu)建分布式控制和優(yōu)化框架，驅(qū)動(dòng)多個(gè)主體協(xié)同合作，配置全系統(tǒng)運(yùn)行目標(biāo)，完成各業(yè)務(wù)之間的相互銜接，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)透明。4.運(yùn)行狀態(tài)透明運(yùn)用系統(tǒng)安全性分析理論、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，實(shí)時(shí)研判各能源系統(tǒng)傳輸能力、供能質(zhì)量等信息，全面掌握電網(wǎng)的設(shè)備信息、運(yùn)行數(shù)據(jù)、日?qǐng)?bào)數(shù)據(jù)。5.廣泛參與性通過泛在互聯(lián)和深度感知，匯集各類資源參與電力系統(tǒng)的運(yùn)行和調(diào)節(jié)，促進(jìn)“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”協(xié)同互動(dòng)，推動(dòng)“源隨荷動(dòng)”模式轉(zhuǎn)向“源荷互動(dòng)”模式。6.自由存儲(chǔ)和獲取電網(wǎng)數(shù)據(jù)利用小微智能傳感器、傳感網(wǎng)絡(luò)、軟件平臺(tái)以及通信技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)、邊緣計(jì)算技術(shù)、AI技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的自由（無限/海量）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和獲取。

7.能源市場交易狀態(tài)透明網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)、各時(shí)段可供能的能力、質(zhì)量、價(jià)格，各類輔助服務(wù)的價(jià)格趨向透明化和市場化，實(shí)時(shí)獲取能源市場信息；市場盈利機(jī)制成熟，能源交易過程公平、公正、公開。（三）透明電網(wǎng)的發(fā)展藍(lán)圖

1.促進(jìn)用能的清潔低碳在推進(jìn)能源供給側(cè)改革方面，建設(shè)透明電網(wǎng)將積極消納清潔能源，推動(dòng)電力市場深化改革，有利于完善與可再生能源相關(guān)的電力市場規(guī)則；完善天然氣發(fā)電、可再生能源電力消納保障機(jī)制，激勵(lì)相關(guān)靈活性資源的投資；保持與電力規(guī)劃的協(xié)調(diào)，優(yōu)化電力系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行。在優(yōu)化能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)方面，建設(shè)透明電網(wǎng)將遵循保障能源供應(yīng)安全、促進(jìn)能源清潔低碳的主線，推動(dòng)煤炭清潔高效利用并嚴(yán)格控制煤炭消費(fèi)總量；擴(kuò)大天然氣發(fā)電規(guī)模，提高天然氣利用水平；加快發(fā)展非化石能源，提高在電力消費(fèi)中的比重；積極爭取區(qū)外清潔能源供應(yīng)，滿足新增用能用電需求；改善重點(diǎn)領(lǐng)域、重點(diǎn)行業(yè)的電力使用效率，確保能源高效利用；提升終端用能的電氣化水平，使得能源發(fā)展的環(huán)境效益深入終端層面。2.保障用電的安全高效完善主干電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，在外部建設(shè)外環(huán)通道，在內(nèi)部建設(shè)柔直“背靠背”通道；各分區(qū)組團(tuán)互聯(lián)，分層分區(qū)合理、區(qū)間聯(lián)絡(luò)清晰，消除電網(wǎng)短路電流超標(biāo)、潮流大規(guī)模轉(zhuǎn)移、交直流相互影響等電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)?？茖W(xué)構(gòu)建主網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，確保容量充足、結(jié)構(gòu)清晰、運(yùn)行高效、事故可控；提升電力基礎(chǔ)設(shè)施的互聯(lián)互通水平，改善電力安全保障與電力資源優(yōu)化配置能力?；谕该麟娋W(wǎng)的數(shù)字運(yùn)營管控平臺(tái)，從提高電力系統(tǒng)抗風(fēng)險(xiǎn)能力、健全能源應(yīng)急聯(lián)通協(xié)作機(jī)制等方面開展能源抗風(fēng)險(xiǎn)體系建設(shè)，提高能源系統(tǒng)抗風(fēng)險(xiǎn)能力。將網(wǎng)絡(luò)安全建設(shè)作為透明電網(wǎng)安全建設(shè)的重要環(huán)節(jié)，做好政策協(xié)調(diào)，制定規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，不斷提升信息安全服務(wù)水平。全方位加強(qiáng)能源領(lǐng)域的資源、技術(shù)、貿(mào)易合作與融合，構(gòu)建多元能源供應(yīng)體系。強(qiáng)調(diào)透明電網(wǎng)安全發(fā)展，強(qiáng)化能源“儲(chǔ)運(yùn)”網(wǎng)絡(luò)，完善能源應(yīng)急保障機(jī)制，提升能源系統(tǒng)抗風(fēng)險(xiǎn)能力，筑牢能源安全基石。統(tǒng)籌區(qū)域之間的能源發(fā)展關(guān)系，推動(dòng)能源與制造、交通、海洋、信息等產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展；以“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”協(xié)調(diào)發(fā)展、高效運(yùn)行，促進(jìn)資源優(yōu)化配置與區(qū)域高質(zhì)量發(fā)展。能源節(jié)約與高效低碳利用并舉，推動(dòng)能源消費(fèi)革命，推廣區(qū)域綜合能源利用，抑制不合理能源消費(fèi)，提高能源利用效率。通過透明電網(wǎng)提質(zhì)增效，開創(chuàng)節(jié)約高效、綠色低碳經(jīng)濟(jì)的用能新局面。3.創(chuàng)新電力行業(yè)發(fā)展業(yè)態(tài)推動(dòng)智能輸配電產(chǎn)業(yè)發(fā)展。促進(jìn)“大云物移智鏈”等信息通信技術(shù)與電力系統(tǒng)自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)的融合，實(shí)施核心設(shè)備的智能化升級(jí)與國產(chǎn)化制造，壯大柔性直流輸配電成套設(shè)備、智能電網(wǎng)、用戶端裝備制造業(yè)。廣泛應(yīng)用主動(dòng)配電網(wǎng)、“即插即用”電力電子并網(wǎng)設(shè)備等，滿足分布式電源的靈活友好接入需求。充分利用并整合現(xiàn)有基礎(chǔ)來開展透明電網(wǎng)建設(shè)，推動(dòng)智慧城市、互聯(lián)網(wǎng)、信息通信技術(shù)與能源系統(tǒng)及能源市場的深度融合，引領(lǐng)能源互聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)、新模式、新業(yè)態(tài)，促進(jìn)能源產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。通過能源生產(chǎn)與運(yùn)營的智能化，促進(jìn)電氣化與信息化深度融合的能源消費(fèi)，建立開放互信的能源市場，構(gòu)建智慧能源體系。保持能源科技創(chuàng)新投入，以能源互聯(lián)網(wǎng)智慧能源建設(shè)來推動(dòng)能源領(lǐng)域“政產(chǎn)學(xué)研”合作，培育智慧能源創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈。發(fā)揮政府規(guī)劃的引領(lǐng)和調(diào)控作用，增強(qiáng)企業(yè)在能源科技創(chuàng)新中的主體地位，建設(shè)能源產(chǎn)業(yè)自主創(chuàng)新高地和先進(jìn)制造產(chǎn)業(yè)基地。改革能源管理體制機(jī)制，推動(dòng)能源市場一體化發(fā)展，促進(jìn)各類能源要素的自由流通和高效配置。創(chuàng)新能源協(xié)調(diào)監(jiān)管、投融資、價(jià)格形成等機(jī)制和市場交易模式，破除舊有能源體制機(jī)制對(duì)高質(zhì)量發(fā)展的阻礙作用。四、透明電網(wǎng)關(guān)鍵科學(xué)與技術(shù)體系

（一）透明電網(wǎng)的增量科技創(chuàng)新要素“風(fēng)、光、儲(chǔ)”以及智能終端的廣泛接入，顯著增加了電力系統(tǒng)的復(fù)雜性和不確定性；為了適應(yīng)系統(tǒng)演進(jìn)，電網(wǎng)架構(gòu)應(yīng)同步升級(jí)。透明電網(wǎng)以全電網(wǎng)數(shù)據(jù)的全生命周期透明可視為主要特征，是適宜的技術(shù)路線方案，而面向傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的理論方法與關(guān)鍵技術(shù)體系難以直接沿用。透明電網(wǎng)的發(fā)展依托小微智能傳感器的廣泛配置，信息流的感知、傳輸、處理、應(yīng)用體系，顯然需要新增諸多理論與科學(xué)方法以提供堅(jiān)實(shí)支撐：①網(wǎng)絡(luò)理論與方法，以物聯(lián)網(wǎng)理論為代表，促成透明電網(wǎng)中的設(shè)備多樣化和萬物互聯(lián)；②數(shù)據(jù)科學(xué)理論與方法，支持實(shí)現(xiàn)透明電網(wǎng)中海量數(shù)據(jù)的全生命周期；③AI理論與方法，適應(yīng)復(fù)雜系統(tǒng)智能作業(yè)、海量數(shù)據(jù)智能挖掘的電網(wǎng)工作實(shí)際；④復(fù)雜系統(tǒng)科學(xué)理論、電力系統(tǒng)理論與方法、管理科學(xué)理論與方法等，也是透明電網(wǎng)全新場景可靠運(yùn)轉(zhuǎn)的重要基礎(chǔ)支撐。上述理論與科學(xué)方法將支持突破透明電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)體系，可從4個(gè)層面分別構(gòu)建透明電網(wǎng)基礎(chǔ)框架：①感知層，多參量智能微納傳感作為透明電網(wǎng)的根基，是“透明”數(shù)據(jù)構(gòu)建的源頭；②通信層，高效、可靠、安全的通信網(wǎng)絡(luò)作為海量數(shù)據(jù)的傳輸通道，是“透明”數(shù)據(jù)傳遞的支撐；③平臺(tái)層，智能終端管控平臺(tái)及數(shù)據(jù)平臺(tái)將為數(shù)據(jù)提供完備的管理機(jī)制，數(shù)字孿生建模與融合平臺(tái)作為透明電網(wǎng)的重要衍生物，是“透明”網(wǎng)絡(luò)功能的載體；④應(yīng)用層，面向?qū)嶋H業(yè)務(wù)需求發(fā)展AI技術(shù)，引入行為科學(xué)與數(shù)學(xué)優(yōu)化理論，解決透明電網(wǎng)新場景下的實(shí)際管理問題。值得指出的是，傳統(tǒng)電網(wǎng)的系列關(guān)鍵技術(shù)仍有價(jià)值，但需針對(duì)透明電網(wǎng)新場景演進(jìn)升級(jí)（見圖2）。圖2兩類電網(wǎng)的關(guān)鍵科學(xué)與技術(shù)體系比較（二）透明電網(wǎng)涉及的理論與科學(xué)方法

1.復(fù)雜系統(tǒng)科學(xué)理論與透明電網(wǎng)發(fā)展建設(shè)相關(guān)的復(fù)雜系統(tǒng)科學(xué)理論主要有復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論、社會(huì)物理信息系統(tǒng)理論、多智能體系統(tǒng)理論。①復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論旨在解決由概率描述系統(tǒng)對(duì)象之間關(guān)系的問題，可反映系統(tǒng)的不確定性，為分析決策提供基礎(chǔ)工具并進(jìn)行復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的優(yōu)化控制；與經(jīng)典電力系統(tǒng)理論關(guān)聯(lián)結(jié)合，可發(fā)揮各自的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。②社會(huì)物理信息系統(tǒng)理論旨在解決系統(tǒng)運(yùn)行水平與性能提升等問題，電網(wǎng)可據(jù)此實(shí)現(xiàn)計(jì)算、通信、精確控制、遠(yuǎn)程協(xié)作、自治等功能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)生態(tài)中能量流、人才流、信息流的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。③多智能體理論旨在解決電力系統(tǒng)組織、決策的形態(tài)問題，將大而復(fù)雜的電網(wǎng)系統(tǒng)拆分為規(guī)模較小、互相通信、易于協(xié)調(diào)和管理的系統(tǒng)，據(jù)此實(shí)施分布式計(jì)算，分布式預(yù)測、監(jiān)控及診斷，分布式智能決策，協(xié)調(diào)專家系統(tǒng)等功能。

2.電力系統(tǒng)理論與方法與透明電網(wǎng)發(fā)展建設(shè)相關(guān)的電力系統(tǒng)理論與方法主要有現(xiàn)代控制理論、可再生能源系統(tǒng)分析方法。①現(xiàn)代控制理論旨在解決多變量、非線性、時(shí)變系統(tǒng)中的相關(guān)基礎(chǔ)問題，以現(xiàn)代控制技術(shù)為手段，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的智能化運(yùn)行，提高電網(wǎng)運(yùn)行效率和穩(wěn)定性。②可再生能源系統(tǒng)分析方法旨在解決多能分布式優(yōu)化問題，針對(duì)大量可再生能源接入后電網(wǎng)具有不確定性和波動(dòng)性的特點(diǎn)，建模能量樞紐、多能流網(wǎng)絡(luò)，建立分布式運(yùn)行與控制系統(tǒng)，利用算法優(yōu)化運(yùn)行策略實(shí)現(xiàn)多能協(xié)調(diào)運(yùn)行和分布式協(xié)同調(diào)控，最終實(shí)現(xiàn)多能協(xié)同。3.網(wǎng)絡(luò)理論與方法與透明電網(wǎng)發(fā)展建設(shè)相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)理論與方法主要有網(wǎng)絡(luò)價(jià)值理論、物聯(lián)網(wǎng)理論、網(wǎng)絡(luò)分析方法。①網(wǎng)絡(luò)價(jià)值理論提供了一種可衡量透明電網(wǎng)價(jià)值的方法。小微傳感器的推廣應(yīng)用，使得電力設(shè)備的物理狀態(tài)及環(huán)境信息成為電力網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)；支持實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)狀態(tài)的全面感知，設(shè)備健康、環(huán)境狀態(tài)的在線實(shí)時(shí)智能感知，據(jù)此形成故障診斷和運(yùn)維決策以提高系統(tǒng)供電可靠性。②物聯(lián)網(wǎng)理論旨在解決電力系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性、電力傳輸優(yōu)化的連續(xù)性問題，借助通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)備的互聯(lián)互通，與軟件算法結(jié)合實(shí)現(xiàn)數(shù)字建模、實(shí)時(shí)分析，與AI技術(shù)結(jié)合實(shí)現(xiàn)智能決策優(yōu)化。③網(wǎng)絡(luò)分析方法旨在解決網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分析的問題，對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行檢測、分析、診斷，協(xié)助排除網(wǎng)絡(luò)事故以規(guī)避安全風(fēng)險(xiǎn)，提高電力網(wǎng)絡(luò)性能并增大可用價(jià)值。4.數(shù)據(jù)科學(xué)理論與方法數(shù)據(jù)科學(xué)以統(tǒng)計(jì)學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)可視化等為理論基礎(chǔ)，結(jié)合領(lǐng)域知識(shí)開展數(shù)據(jù)加工、數(shù)據(jù)計(jì)算、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)產(chǎn)品開發(fā)等應(yīng)用，最終從數(shù)據(jù)中提取有價(jià)值的知識(shí)。在透明電網(wǎng)中，小微傳感器廣泛分布，大量用戶依托云平臺(tái)開展業(yè)務(wù)，擁有海量的數(shù)據(jù)且待挖掘的數(shù)據(jù)價(jià)值潛能豐富。數(shù)據(jù)科學(xué)支持透明電網(wǎng)生態(tài)中的各類企業(yè)用戶從數(shù)據(jù)中獲取價(jià)值，為企業(yè)運(yùn)營決策提供精準(zhǔn)信息；以數(shù)據(jù)貫通推動(dòng)業(yè)務(wù)流程貫通，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)各環(huán)節(jié)信息的高度互聯(lián)與數(shù)據(jù)共享，促進(jìn)跨部門、跨專業(yè)的高效協(xié)同。5.AI理論與方法AI理論與方法是智慧能源的核心支撐技術(shù)，適用于高維、時(shí)變、非線性問題的強(qiáng)優(yōu)化處理。透明電網(wǎng)中重復(fù)性業(yè)務(wù)眾多，具有專家知識(shí)的AI系統(tǒng)在代替人力完成繁冗工作、降低人為操作失誤方面極具潛力；對(duì)具體數(shù)學(xué)模型依賴程度低，基于數(shù)據(jù)的自學(xué)習(xí)、遷移學(xué)習(xí)能力尤為突出。AI理論與方法支持實(shí)現(xiàn)透明電網(wǎng)發(fā)展建設(shè)所需的智能傳感與物理狀態(tài)相結(jié)合、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)與仿真模型相結(jié)合、輔助決策與運(yùn)行控制相結(jié)合等能力，保障復(fù)雜電網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)建與可靠運(yùn)行（見圖3）。

圖3電力系統(tǒng)、綜合能源系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)、AI及系統(tǒng)應(yīng)用需求的關(guān)系注：SVM表示支持向量機(jī)；RF表示隨機(jī)森林算法；K-means表示K均值算法；CNNs表示卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；DBNs表示動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)；Sarsa表示強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法；TrAdaBoost表示一類遷移學(xué)習(xí)算法。6.管理科學(xué)理論與方法管理科學(xué)理論與方法旨在增強(qiáng)電網(wǎng)企業(yè)綜合管理能力，主要有運(yùn)籌學(xué)、生產(chǎn)計(jì)劃和管理、決策分析、行為科學(xué)、計(jì)算機(jī)仿真等。例如，基于以運(yùn)籌學(xué)為代表的數(shù)學(xué)優(yōu)化理論，研究管理對(duì)象特征及其運(yùn)行規(guī)律，抽象出高置信度的數(shù)學(xué)模型，據(jù)此基于充分信息進(jìn)行綜合分析；這與透明電網(wǎng)中信息的透明、無阻流通高度對(duì)應(yīng)。五、透明電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)與基礎(chǔ)裝備（一）透明電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)透明電網(wǎng)技術(shù)體系主要包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺(tái)層、應(yīng)用層上的關(guān)鍵技術(shù)（見圖4）。圖4透明電網(wǎng)技術(shù)體系總體框架1.感知層關(guān)鍵技術(shù)感知層旨在為透明電網(wǎng)的建設(shè)運(yùn)行提供信息采集服務(wù)，關(guān)鍵在于構(gòu)建由多參量智能微納傳感組成的物聯(lián)終端智能集成系統(tǒng)。多參量傳感器與多通道等技術(shù)疊加，進(jìn)行多參量采集以提高信息的透明度與可靠性，增強(qiáng)信息價(jià)值、延長感知周期、降低部署與維護(hù)成本。智能微納傳感器以過納米工藝芯片、納米材料技術(shù)為支撐，縮小傳感器的體積以提高傳感場景的通用性與空間利用率，提升傳感終端的自維護(hù)、自學(xué)習(xí)能力，參與智能反饋與輔助決策。2.網(wǎng)絡(luò)層關(guān)鍵技術(shù)突破網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的廣泛鋪設(shè)與連接穩(wěn)定、通信傳輸安全、信息高速傳輸?shù)燃夹g(shù)，適應(yīng)通信網(wǎng)絡(luò)的廣覆蓋、高可靠、低延時(shí)要求。綜合網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、維護(hù)等方面涉及的通信標(biāo)準(zhǔn)與協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)、數(shù)據(jù)傳輸保障等關(guān)鍵技術(shù)，建設(shè)傳感數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。保障數(shù)據(jù)接入數(shù)量與質(zhì)量，保護(hù)數(shù)據(jù)的隱私性和安全性，改善信息的應(yīng)用范圍與應(yīng)用效率以提高數(shù)據(jù)應(yīng)用價(jià)值；降低信息傳輸過程中的潛在風(fēng)險(xiǎn)，減少數(shù)據(jù)損失。3.平臺(tái)層關(guān)鍵技術(shù)一是終端智能管控平臺(tái)與透明電網(wǎng)平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)。智能終端提供感知功能，旨在提供目標(biāo)信息以輔助決策，從而需要接受透明電網(wǎng)的管控。智能管控平臺(tái)計(jì)及終端工作環(huán)境、電網(wǎng)實(shí)時(shí)需求等約束，利用AI等技術(shù)對(duì)海量智能終端的工作狀態(tài)進(jìn)行管控。智能終端提供了海量多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的接口，獲得的大數(shù)據(jù)是透明電網(wǎng)的重要資產(chǎn)。運(yùn)用新一代數(shù)據(jù)庫、分布式存儲(chǔ)等技術(shù)，高效組織、存儲(chǔ)、處理數(shù)據(jù)；運(yùn)用檢索引擎等技術(shù)，快速獲取所需數(shù)據(jù)以加速后續(xù)開發(fā)流程。此外，數(shù)據(jù)平臺(tái)衍生出數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘等應(yīng)用，不僅支持開展透明電網(wǎng)業(yè)務(wù)，而且反饋數(shù)據(jù)采集與處理的全流程。二是數(shù)字孿生建模與融合關(guān)鍵技術(shù)。數(shù)字孿生模型源自壓縮后的真實(shí)物理系統(tǒng)，篩選突出特征并重構(gòu)對(duì)應(yīng)的數(shù)字化模型，應(yīng)針對(duì)透明電網(wǎng)各環(huán)節(jié)特點(diǎn)，研究不同特征壓縮方法，選取最優(yōu)方法構(gòu)建虛擬模型。數(shù)字孿生充分利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù)資源，將數(shù)字化模型和物理系統(tǒng)進(jìn)行虛實(shí)同步，通過實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)感知、超實(shí)時(shí)仿真等過程構(gòu)造動(dòng)態(tài)虛擬數(shù)字模型。搭建數(shù)字孿生平臺(tái)，形成可拆解、可轉(zhuǎn)移、可修改、可重復(fù)操作的數(shù)字鏡像，輔助操作人員深入理解電網(wǎng)物理實(shí)體；開展現(xiàn)狀評(píng)估、歷史診斷、未來預(yù)測，以各種可能性的充分模擬來支持全面決策。4.應(yīng)用層關(guān)鍵技術(shù)一是面向業(yè)務(wù)的AI關(guān)鍵技術(shù)。針對(duì)透明電網(wǎng)業(yè)務(wù)的智能快速響應(yīng)需求，面向業(yè)務(wù)的AI關(guān)鍵技術(shù)，即動(dòng)態(tài)電力知識(shí)圖譜與AI技術(shù)相結(jié)合具有系統(tǒng)解決問題的能力。電力知識(shí)圖譜將各個(gè)電力業(yè)務(wù)對(duì)象的百科知識(shí)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、行業(yè)規(guī)范、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、相關(guān)流程等信息，基于圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)而形成關(guān)系網(wǎng)絡(luò)；隨著業(yè)務(wù)的展開、數(shù)據(jù)的增加，電力知識(shí)圖譜不斷自適應(yīng)進(jìn)化并形成動(dòng)態(tài)知識(shí)圖譜。以機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等為代表，AI技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行表征學(xué)習(xí)，深度挖掘并解讀動(dòng)態(tài)電力知識(shí)圖譜；選取信息關(guān)系作為切入點(diǎn)，充分實(shí)現(xiàn)知識(shí)特征的整合、分析和判斷。二是基于行為科學(xué)、數(shù)學(xué)優(yōu)化的透明電網(wǎng)管理關(guān)鍵技術(shù)。利用行為科學(xué)理論和數(shù)學(xué)優(yōu)化理論建立基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的數(shù)學(xué)管理模型，追求高效管理，創(chuàng)造管理價(jià)值。透明電網(wǎng)感知層中的多參量小微傳感器為電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集提供基礎(chǔ)條件，進(jìn)一步拓寬傳統(tǒng)意義上的傳感器應(yīng)用場景。運(yùn)用運(yùn)籌學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)等數(shù)學(xué)優(yōu)化理論，尋求透明電網(wǎng)數(shù)學(xué)管理模型的最優(yōu)解。數(shù)學(xué)優(yōu)化、行為科學(xué)模型與信息通信技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，提高實(shí)際管理問題的處理能力、增強(qiáng)決策的科學(xué)性和可靠性。（二）透明電網(wǎng)基礎(chǔ)裝備包括南方電網(wǎng)公司數(shù)字電網(wǎng)研究院在內(nèi)的我國電力裝備企業(yè)，積極研發(fā)智能化的電力基礎(chǔ)裝備，為透明電網(wǎng)建設(shè)運(yùn)行筑牢了基礎(chǔ)條件。①在粘貼型微型智能電流傳感器方面，已有卡扣式、抱箍式（見圖5）兩種型號(hào)投入工業(yè)生產(chǎn)。②在微型智能電壓傳感器方面，形成了基于位移電流/分布電容分壓與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源相結(jié)合的電壓測量方法（見圖6）。③在“五合一”智能電氣量集成傳感器方面，集成電壓、電流、頻率、功角等電氣量測量與對(duì)時(shí)功能（見圖7）。④在智能變壓器方面，將微納智能機(jī)器人（傳感器）植入到變壓器內(nèi)部，據(jù)此自動(dòng)巡檢變壓器油、內(nèi)部絕緣等狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)變壓器內(nèi)部狀態(tài)的數(shù)據(jù)獲取與精準(zhǔn)預(yù)測（見圖8）。⑤在透明輸電線路方面，將智能傳感器布置到輸電線路和鐵塔以實(shí)現(xiàn)全狀態(tài)監(jiān)測并實(shí)時(shí)呈現(xiàn)線路狀態(tài)（見圖9）。⑥在芯片化保護(hù)方面，成功研發(fā)110kV/220kV/500kV芯片化保護(hù)裝置，實(shí)現(xiàn)了裝置無防護(hù)安裝（見圖10）。圖5微型智能電流傳感器圖6微型智能電壓傳感器注：U0表示待測電壓；Ur表示傳感器內(nèi)部串接的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源的電壓；Ux表示臨近導(dǎo)體的電壓；C0表示待測電纜中的導(dǎo)體與傳感器之間的電容；C1表示串接的分壓電容；C3表示傳感器外殼對(duì)地的分布電容；C4為外殼對(duì)臨近導(dǎo)體的分布電容。

圖7“五合一”智能電氣量集成傳感器

圖8智能變壓器圖9透明輸電線路圖10芯片化保護(hù)裝置注：GOOSE表示面向通用對(duì)象的變電站事件；MMS表示制造報(bào)文規(guī)范；MAC表示介質(zhì)訪問控制；SV表示采樣值。六、透明電網(wǎng)發(fā)展建議（一）以“透明電網(wǎng)新基建”為核心，推動(dòng)能源低碳