专题 | 边缘计算如何促进 “互联网+”智慧能源乘风破浪？

随着产业互联网和行业数字化转型成为科技和产业界的热点，边缘计算由于其计算本地化的特点，以及与云端的协同，满足行业应用对算力的下沉部署和按需提供要求，成为产业互联网创新的热门方向，尤其随着5G与MEC的结合带来巨大想象空间，得到了广泛的关注。而能源互联网随着新能源的健康发展和国内的大量试点，也成为明确可见的发展方向，本文从能源互联网的内涵和特征分析出发，探讨边缘计算在能源互联网中得到应用的驱动力和案例，有以下基本观点：

能源互联网通过先进能源技术、先进通信信息技术和先进控制技术的融合，实现清洁低碳、安全可靠、泛在互联、高效互动、智能开放的价值目标。
能源互联网可以认为是能源行业的清洁低碳转型和数字化转型，具有可再生、分布式、智能化、全互联、开放性等特征。
保护类业务连接模式变化；巡检类业务大数据量、智能化、本地化的需求；采集类业务采集范围扩展和采集频次提高；无人化、预测性运维需求等因素可能驱动边缘计算在能源互联网中得到应用。
边缘计算在能源互联网中已经出现了一些积极的探索和应用，在适配能源互联网连接模式互联网化趋势上，以及提升电网行业运维效率上体现出了一些优势，但仍然面临技术复杂、产品创新不足、产业碎片化的挑战。

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能源互联网的前世今生

“能源互联网”的概念最早是美国学者杰里米·里夫金在其2011年出版的畅销书《第三次工业革命》中首先提出的。提出的背景主要是认为由于化石燃料的逐渐枯竭及其造成的环境污染问题，在第二次工业革命中奠定的基于化石燃料大规模利用的工业模式正在走向终结，为此他预言，以新能源技术和信息技术的深入结合为特征的一种新的能源利用体系，即“能源互联网”（Energy Internet）将会出现。

里夫金提出的能源互联网具有以下四大特征：以可再生能源为主要一次能源；支持超大规模分布式发电系统与分布式储能系统接入；基于互联网技术实现广域能源共享；支持交通系统的电气化。由此可见，里夫金所倡导的能源互联网的内涵主要是利用互联网技术实现广域内的电源、储能设备与负荷的协调。董朝阳教授在其文章“从智能电网到能源互联网：基本概念与研究框架”中，给出了能源互联网的初步定义：

能源互联网是以电力系统为核心，以互联网及其他前沿信息技术为基础，以分布式可再生能源为主要一次能源，与天然气网络、交通网络等其他系统紧密耦合而形成的复杂多网流系统。

而在能源互联网概念提出之前，美国在2008年提出的“ET（能源技术）+IT（信息技术）”炒热了智能电网，其内涵和能源互联网有很多相同之处，德国于2008年在智能电网的基础上选择了6个试点地区进行为期4年的E-Energy技术创新促进计划，成为实践能源互联网最早的国家。

中国作为能源消耗大国，能源领域也面临转型升级的强烈需求。2015年09月26日，最高*在纽约联合国总部出席联合国发展峰会上倡议探讨构建全球能源互联网，推动以清洁和绿色方式满足全球电力需求。2016年2月29日，国家发展改革委、国家能源局、工业和信息化部联合制定的《关于推进“互联网+”智慧能源发展的指导意见》发布，提出能源互联网建设近中期将分为两个阶段推进，先期开展试点示范，后续进行推广应用，并明确了10大重点任务。2017年7月，国家能源局正式公布首批55个“互联网+”智慧能源（能源互联网）示范项目，其中城市能源互联网综合示范项目12个、园区能源互联网综合示范项目12个、其它及跨地区多能协同示范项目5个、基于电动汽车的能源互联网示范项目6个、基于灵活性资源的能源互联网示范项目2个、基于绿色能源灵活交易的能源互联网示范项目3个、基于行业融合的能源互联网示范项目4个、能源大数据与第三方服务示范项目8个、智能化能源基础设施示范项目3个。

电网作为能源互联网的核心，中国两家电网公司——国家电网和南方电网也均制定了以发展领先能源互联网企业为目标的公司战略。国家电网制定了“三型两网、世界一流”的战略目标，其中“三型”指：枢纽型、平台型、共享型；“两网”指：坚强智能电网、泛在电力物联网；“世界一流”是要建成“世界一流能源互联网企业”。并明确提出战略两步走计划：计划在2020年到2025年间“基本建成具有中国特色的国际领先的能源互联网企业”，在2026年到2035年“全面建成具有中国特色国际领先的能源互联网企业”。南方电网则定位“五者”、转型“三商”，成为具有全球竞争力的世界一流企业。“五者”指定位为：新发展理念实践者、国家战略贯彻者、能源革命推动者、电力市场建设者、国企改革先行者；“三商”指战略取向为：智能电网运营商、能源产业价值链整合商、能源生态系统服务商。

能源互联网的内涵和特征

不管是从最早的“ET+IT”，还是后来提出的“瓦特+比特“，能源互联网都强调了一个融合的概念，为此，不同的参与者考虑的角度可能不一样。

从能源本身的角度，能源互联网提出的最主要愿景是实现可再生能源在整个能源构成中的占比，而作为主要的两种可再生能源——太阳能和风能——的资源分布，存在”一极一道“现象，即在北极圈及周边地区风能资源丰富，在赤道及附近地区太阳能资源丰富。因此推动能源的全球合作将是实现这一愿景的重要议题，即集中开发北极风能和赤道太阳能资源，通过特高压等输电技术送至各大洲负荷中心，与各洲大型能源基地和分布式电源相互支撑，提供更安全、更可靠的清洁能源供应，将是未来世界能源发展的重要方向。

从电网的角度，其面临能源网络架构多样化（以电为中心，油、气、热、冷、氢等多种能源形态）；生产环节则包括“发输变配用”协同，“源网荷储”互动，实现”源源互补“、”源网协调“、”网荷互动“、”网储互动“、”源荷互动“；经营中需要面对能源电力清洁低碳转型、能源综合利用效率提升、发电和用电多元主体便捷接入的挑战；作为重要基础设施，电网还需要安全可靠、快速响应、智能开放。因此在发展能源互联网过程中，电网需要先进能源技术（清洁低碳）、先进控制技术（智能坚强）、先进通信技术（泛在物联）的支撑。因此，国家电网将能源互联网定义为：是一种以电为中心，以坚强智能电网为基础平台，将先进信息通信技术、控制技术与先进能源技术深度融合，支撑能源电力清洁低碳转型和多元主体灵活便捷接入，具有泛在互联、多能互补、高效互动、智能开放等特征的智慧能源系统。

从互联网从业者的角度，则将能源互联网理解为：通过互联网技术、通信技术、信息技术、大数据技术等，在能源的供给、调配和消耗上实现优化，最终目的是实现能源的全共享：“在合适的地方提供合适的能源”，即“Energy on Demand”。

总结分析，能源互联网具有以下几个特征：

可再生：能源互联网的最主要目标。目前全球可再生能源的投资远远超过传统能源投资，随着风电技术的发展，尤其是光伏发电借助半导体技术的发展，呈现出类“摩尔定律”的趋势，已经“断奶”走向了健康发展之路。预计全球陆上风电、光伏发电的竞争力将在2025年前全面超过化石能源，并且到2050年，全球清洁能源占一次能源消费比重超过70%，清洁能源发电装机占总装机比重超过80%。

分布式：由于可再生能源的分散特性，为了最大效率的收集和使用可再生能源，需要建立就地收集、存储和使用能源的网络，体现为小型化、模块化、分散布置在用户附近的分布式能源。这有别于传统集*电的架构，具有能效利用合理、损耗小、污染少、运行灵活，系统经济性好等优点，但由于可再生能源获取的不稳定性，分布式能源不能全部保证自给自足，需要联起来进行能量交换才能平衡能量的供给与需求。

智能化：为了实现能源的按需提供，即“Energy on Demand”，能源的“发、输、变、配、用”各个环节均需要实现智能，同时从能源互联网的健康运行角度来说，其无人化运维、实时控制保护、需求侧响应等均需要智能化来实现。

全互联：能源互联网的基础，包括对能源生产消费的各个环节和参与各主体的泛在连接，对能源网络的全面感知，“源网荷储”的全面互动。

开放性：为了构建一个对等、扁平和能量双向流动的能源共享网络，传统封闭的能源网络需要实现开放性，只有构建开放的生态体系，才能整合能源互联网中各参与主体的价值，实现安全和高效。

能源互联网中应用边缘计算的驱动力

现代信息技术的两大支柱是通信技术和电子计算技术，计算技术实现信息的处理，通信技术实现数据和信息的流动，在这两者基础上出现的互联网技术，共同促进了消费互联网的发展，产业互联网及其在能源领域的体现——能源互联网中，同样需要借助这些关键技术。而对于算力的部署方式，消费互联网主要以中心云为主，而产业互联网则由于其特殊的要求，需要更灵活的方式，包括中心云和多级的边缘云都有其应用场景。对于能源互联网，其分布式、智能化、全互联特征，使得算力需要分布式部署，具体来看，我们认为有以下几个方面的因素驱动边缘计算的应用。

保护类业务连接模式变化驱动边缘计算的应用。由于其在社会生产和生活中的重要性，电网的安全和坚强是首先要保障的，大量控制保护技术的应用都为此目的服务，尤其随着我国电网逐渐从建设周期向维护周期转向，电网的安全运行面临很大的压力，电网保护类业务也面临转型，以智能配电自动化为例，传统采用子站/主站模式，主站集中，星型连接为主，主站控制，通信时延基本在秒级。而泛在电力物联网则采用点对点连接模式，结合子站/主站模式，主站下沉，实现就近控制，时延可以降低到毫秒级。这一模式变化必然使得计算资源下沉部署，驱动边缘计算得到应用。

大量巡检类业务大数据量、智能化、本地化的需求，驱动边缘计算的应用。比如变电站巡检机器人、输电线路无人机巡检、智能配电房等。电网大量的基础设施需要得到维护，传统采用人工巡检的方式，存在周期长、成本高、安全生产压力大的挑战，因此大量引入了机器人、无人机、视频监控等技术手段，对重要的输电线路、变电站、配电房等进行无人化的巡检和自动运维，这些业务如果采用传统中心式部署的话，存在传输数据量大、时延长等缺点，通过部署边缘计算，并集成AI能力，降低了通信的时延，可以实现大部分巡维操作的本地处理，只需要把关键的信息和处理的结果反馈给中心即可，减少了大量数据传输的同时也减少了数据安全风险。

采集类业务采集范围扩展和采集频次提高驱动边缘计算应用。传统配网采集以集抄为主，连接数量少，采集数据量小，而泛在电力物联网将采集周期缩短到分钟级，采集范围扩展到二次设备、环境监控、物联网设备等，连接数至少翻倍，而长期来看，采集将深入到用户侧，更进一步使得连接数发生数量级的增加。大量的采集数据需要得到技术的处理和应用，将算力部署到边缘成为趋势。

无人化、预测性运维需求驱动边缘计算的应用。电力有大量的基础设施位于偏僻无人的地方，如蓄能型水电站、光伏电站、风电场等，以及大量的变电站。不管是从提高生产和管理效率的角度，还是从电网安全的角度，都需要实现无人化的运维，要求在发电场、变电站部署算力，提升及时性和减少网络的依赖性。同时，电力设备的预测性维护，由于其数据的短期有效性，需要将计算能力部署在边缘，并集成AI能力，降低电网的故障概率。

总体来说，能源互联网通过泛在物联，实现对电网状态的全感知、全在线、智能化，构建了一个数字孪生的电网，大量的连接和数据处理，以及AI的引入，使得其连接特性趋向互联网化，对计算能力的分级部署提出了现实的需求，驱动边缘计算得到应用，实际上，国家电网在其“三型两网，世界一流”中，可以理解是通过坚强智能电网+泛在电力物联网实现能源互联网，其中泛在电力物联网规划中就提出了“云-网-边-端-芯”的全产业链体系的顶层设计概念。其中的“边”就是指部署边缘计算装置，构建电网的分布式数据中心，提升整体的边缘计算能力。

能源互联网边缘计算案例

能源互联网中边缘计算还处于探索阶段，其产品形态、应用模式都还不是很成熟，但我们也看到有一些解决方案和产品出现，并在电网中得到了应用。

输电线路智能监测：高压输电线路设施的运行维护与安全监控是电网运维的重点工作之一，目前主要依靠工作人员定期上塔巡检、日间瞭望与测量的方式，存在效率低、周期长、需要停电维护、非实时决策、夜间无法运维等问题。通过部署高清夜视摄像机、无人机、机器人等，在设备上集成人工智能模块，或者部署轻量级的边缘计算节点，对图像、视频等信息进行智能检测，及时发现线路故障，并可实时推动到管理人员。同时还可以将有故障的数据回传到云端，通过机器学习和深度学习，更新智能检测的模型。通过这种方式可以及时发现线路隐患、减少人力成本、延长巡检周期。

变电站智能监控：变电站是电网的重要基础设施，而其环境又比较复杂，安全隐患较多，目前主要是通过变电站巡维所进行巡查和维护，对人力的占用较大，采用带电作业机器人、高清视频监控等技术手段协助，需要人员进行分析，既浪费人力，也存在漏检的可能性，通过部署边缘计算，实现数据的现场智能分析，可以实现多种设备和人员的异常状态，并进行实时推送，实现7*24小时的监测，减少50%以上的人工巡检时间。

配网智能化：配电网位于输电的末端，用于保证电力系统与分散的用户的连接。配电网的智能化是能源互联网的重要环节。智能配电网需要具备电力设备状态监测、电力质量管理、新能源电力接入等功能。这些功能需要采集大量的数据，同时配网的保护对隔离故障、提升用户体验具有重要作用，这些都要求配电网能够及时的对监测数据进行及时的处理。通过在配电房部署具有边缘计算能力的设备或者综合网关，可以提高配电网的响应速度，保证配网的可靠性。

边缘计算适配能源互联网分布式、智能化的发展趋势，在实现能源互联网“Energy on Demand”目标，以及提升电网企业运营效率方面具有重要的意义，相信随着能源互联网的发展，边缘计算也将在其中得到更多的应用。

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▎作者：*

「5G行业应用」特邀专栏作家，超15年TMT从业经历，长期关注通信、信息技术和相关产业领域，对5G、人工智能、物联网等关键使能技术及其对行业数字化转型的相互作用有深入洞察。