孫偉卿 PAI教授
能源5.0：邁入虛實互動的平行化時
代
作者簡介
孫偉卿（1985—），男，博士，副教授，博士生導師，主要從事智能電網、智慧能源領域的研究，E-mail:sidswq@163.com
摘要：
隨著新一輪能源革命的興起，可再生能源快速發展，能源系統的複雜程度急劇上升，如何實現能源系統與人類社會的高度互聯，並獲得非網多能源在智能化協同發展中的最優化策略，已成為熱點問題。在此背景下，「能源5.0」概念應運而生。梳理了「能源5.0」的提出背景、內涵及核心理論技術，結合平行電網及泛在電力物聯網，分析其核心技術在電網中的應用。「能源5.0」致力於進一步加深信息和物理系統的融合，並使工業與人類社會充分融合，形成社會物理信息系統。其核心是構建與實際能源系統同構的虛擬人工能源系統，藉助平行系統理論實現虛實系統平行執行、共同演化，解決能源智能化所產生的智能網聯的可靠、協同及優化運行問題，引領工業進入平行化時代。
關鍵詞：
能源革命；能源5.0；社會物理信息系統；平行系統理論；平行電網；泛在電力物聯網
0 引言
隨著人類社會的高速發展，能源日益緊缺，且能源利用與自然環境之間的矛盾愈演愈烈。為解決該問題，世界著名思想家傑里米·里夫金在其著作《第三次工業革命》中提出了「用清潔能源（如太陽能）取代化石能源，並使其與網際網路技術相融合」的理念[1]。該理念為解決能源問題提供了新思路。在此背景下，各種清潔能源大規模加入能源系統，使系統的複雜程度急劇上升。當前，對能源系統的研究仍存在困境。一方面，以往對能源系統的研究很少，但能源本身具有社會屬性，不計及社會信息對能源系統的影響使研究陷入困境；另一方面，在多能源協同發展的進程中，現有技術無法解決全局系統的最優化問題。基於上述問題，迫切需要新的能源革命性理論和方法。「能源5.0」概念應運而生。
「能源5.0」建設的重心是構造虛擬人工能源系統。該虛擬系統與實際物理系統具有相同的結構。以虛擬人工系統為平台開展各種計算試驗，對其結果進行比對，實現對複雜系統管控策略的完善與優化。以虛擬系統中獲取的優化策略為指導，修正實際系統的運行狀態，使虛實系統平行執行、共同演化，邁入平行化時代，形成智能能源系統[2]。「能源5.0」以原有系統為基礎，加入大量人類社會因素，進而構成社會物理信息系統（cyber physical social system,CPSS）。
本文對能源發展歷程以及能源自身特徵進行分析，介紹「能源5.0」概念的提出背景，並對「能源5.0」的核心理論——CPSS、虛擬人工系統、平行系統理論等進行梳理。隨著能源革命的發展，電氣化程度的不斷提高，電網迫切需要先進的理論技術以應對能源革命帶來的變化。因此，將「能源5.0」的相關理論技術引入電網中，引出平行電網的概念，並對其特徵、體系架構及控制方式進行梳理。平行電網技術引導堅強智能電網更加貼合社會發展需求。但若要實現電力領域中的CPSS，僅靠堅強智能電網的建設遠遠不夠。為此，引入泛在電力物聯網的概念，並對其技術架構、建設價值以及關鍵技術進行梳理。
本文的目的在於對「能源5.0」的相關內容及其相關技術在電網中的應用進行梳理與介紹，為後續開展更為深入的研究提供參考。
1 工業革命與能源革命
1.1 工業革命回顧
近代四次工業革命使人類社會的生產方式發生根本性變化，分別引領人類社會進入機械化時代、電氣化時代、數字化時代和網絡化時代。
18世紀60年代，由英國發起的技術革命，以蒸汽機的發明使用為標誌，促進了機器的發展，開創了機器代替勞動的時代，引領人類社會邁入工業1.0——機械化時代。19世紀70年代，以發電機、電動機和內燃機的發明使用為標誌，電力驅動取代蒸汽驅動，出現電力加工流水線，帶動產業規模化生產，人類社會邁入工業20——電氣化時代。20世紀40年代，以計算機、微電子晶片等的出現為標誌，其實質是一場信息控制技術革命，機器實現了人腦的部分功能，人類社會邁入工業30——數字化時代。第四次工業革命於2011年在德國被首次提出，其核心是從自動化向智能化發展，以路由器等核心設備的出現為標誌。路由器將成千上萬的計算機聯結起來，共同構成信息物理系統（cyber physical system,CPS），人類社會邁入工業4.0——網絡化時代。
1.2 能源革命回顧
能源革命與工業革命相生相伴。能源革命為工業革命的發生提供了客觀基礎；同時，工業技術的發展推動了能源革命進程。
第一次能源革命是指18世紀由英國發起的能源革命，以煤炭資源的大量使用及機械能、熱能的應用為標誌，工業1.0是在煤炭資源的基礎上發生的，同時在工業1.0技術支撐下，蒸汽機將煤炭等化石能源轉化為機械能和熱能，能源行業進入1.0時代。19世紀後期爆發了第二次能源革命，以石油的大量使用及電能的應用為標誌，工業2.0中出現的電機、內燃機等機器均以石油為燃料，能源行業進入2.0時代。第三次能源革命是由傑里米·里夫金提出的以清潔能源代替化石能源，並在其發展中加入網際網路技術，能源行業進入3.0時代，即以清潔低碳為主要特徵的能源時代。第四次能源革命涵蓋了第三次能源革命的內容，它是在能源3.0的基礎上進行的革新與優化，藉助網際網路技術，實現高耗能產業電力需求與多能源協同電力供給之間的耦合和動態平衡，能源行業進入4.0時代，即構建能源網際網路[3]。
2 「能源5.0」的提出及其現實意義
能源的本質特徵可概括為三個主要方面，即物理特徵、信息特徵和社會特徵。能源的物理特徵主要體現在能源的來源和分布。目前，能源的主要來源有煤炭、石油等化石能源以及風能、太陽能等可再生能源，能源分布情況受自然規律支配。能源的信息特徵主要體現在信息流對其生產消費過程的掌控。利用數據信息合理的重構能源系統可以大大提高能源的利用率，其效果等價於能量的增加。能源的社會特徵主要體現在能源受人類活動及社會規則的支配。例如，人類對能源的需求受思維、行為習慣及市場經濟等多方面社會因素的影響；能源從生產到消費的各個環節均有人類參與，工人技能直接影響能源利用率；能源系統的規劃受社會相關政策制約（如節能減排、低碳清潔等）。
「能源4.0」充分利用網際網路技術，使非網多能源之間相互連接，開啟了能源網際網路的建設。但「能源40」模式並未充分考慮上述三大能源特徵，其發展仍存在困境[4]。主要問題概括為以下三點。
①多種能源智能協同化生產大大增加了原有系統的複雜程度，給系統的管理和控制帶來挑戰。
②「能源4.0」模式下對能源系統的研究很少考慮且很難考慮社會信息對能源的影響，但事實上能源系統中存在大量的社會信息。能源為人類服務，其本身與人類社會的活動密切相關[2]。例如，人類的思維與行為習慣、能源生產中操作人員的知識水平與技術、節能減排政策等，都會對能源的生產消費產生很大影響。由此可見，在能源系統的研究中如果仍不計及人類活動因素及複雜的社會信息，則會使研究陷入更大困境。
③在多能源協同發展的進程中，多種能源系統集成形成全局系統，如何解決全局系統的優化問題成為焦點。
在此背景下，迫切需要新的能源革命性理論和方法，「能源5.0」應運而生。「能源5.0」發展的重心是構建虛擬人工能源系統。該虛擬系統與實際物理系統具有相同的結構。虛擬人工系統中含有大量物理數據及社會信息，利用大數據在虛擬空間中進行各種計算試驗，對其結果進行比對，實現對複雜系統管控策略的完善與優化。以虛擬系統中獲取的優化策略為指導，修正實際系統的運行狀態，使虛實系統平行執行、共同演化，邁入平行化時代，形成智能能源系統[2]。
通過對比獲得優化控制策略，指導實際能源系統運行。虛擬人工系統與實際系統相互作用、相互反饋、平行執行、共同演化，形成智能能源系統[2]。
「能源5.0」主要解決能源智能化所產生的智能網聯的可靠、協同及優化運行問題[5]。藉助「能源5.0」的相關技術，一方面可以充分考慮人類社會信息對能源生產消費的影響，促進工業發展與人類社會的互動，形成CPSS，實現多元信息的深度融合；另一方面能夠解決在多能源協同發展中的最優化問題，實現對複雜能源系統的管理與控制。
3 「能源5.0」的核心理論
3.1 社會物理信息系統
基於CPS的複雜系統研究主要集中在其工程複雜性要素或其社會複雜性要素的某一個方面[6]。但在複雜系統中，人類往往是其設計者、建造者、運營管理者和最終使用者[7]，主導著事物的發展進程。因此，為了實現複雜系統的全面管控與高效可靠運行，我國學者在世界上首先提出要將現有複雜系統向全要素深度智慧化和綜合集成化不斷邁進，進而構建複雜、巨型的CPSS[8]。CPSS框圖如圖1所示。
圖1 CPSS框圖
Fig.1 Block diagram of CPSS
「P」即傳統物理系統。「S」即人類社會系統，既包含現實空間中人類的活動，又包含虛擬人工系統中通過智能技術形成的人類活動內容。「C」即連接物理系統（P）與社會系統（S）兩者的信息系統，包含實際世界中的信息（如實際系統的檢測、管控、調度等信息）、系統中的社會信息（如人類的生產消費活動、思維、技術及社會政策法規等信息）、虛擬人工系統中的信息。
在現有CPS基礎上，納入大量人類社會信息及虛擬人工系統信息，即形成CPSS[9]。它包含了人員組織行為動力學分析、未來隨處可見的嵌入式傳感器、網絡控制和通信工程等，賦予物理系統精確控制、遠程協作及通信能力。CPSS整合了人類、計算機及物理資源[10]，使人類社會與物理世界高度互聯[11]。CPSS既考慮工程複雜性要素，又考慮社會複雜性要素，有利於實現對各類複雜系統的高效管理和控制。
3.2 平行系統理論
基於對CPSS的研究可知，隨著系統複雜程度的不斷增加，在虛擬人工空間中若仍沿用傳統的仿真技術，則會使所得結論與實際相差甚遠，使研究陷入困境。為此，王飛躍就如何利用計算方法來綜合解決複雜系統管控的科學問題，提出了人工系統（artificial societies）、計算試驗(computational experiments)、平行系統(parallel execution)三者相結合的社會計算方法（以下簡稱ACP方法），可解決實際複雜系統中不可準確預測、無法定量描述、難以拆分還原、無法重複試驗等問題[12]。ACP方法為CPSS管理與控制基礎理論的研究提供了新思路[13]。ACP方法如圖2所示。
圖2 ACP方法示意圖
Fig.2 ACP method diagram
3.2.1 虛擬人工系統與複雜問題建模
虛擬人工系統是實際系統的伴生系統，它與實際系統同構，存在於計算機或網絡空間中，屬於信息空間。虛擬人工系統的驅動通過語義建模、數據驅動等方法實現。人工系統屬於複雜系統，在建模過程中由於人類社會信息的複雜性及不確定性，使得系統的行為難以被精確刻畫。因此，研究時必須要從傳統的牛頓定律過渡到默頓定律，不僅依靠自然科學中的牛頓定律等「硬」定理，還需依靠社會科學中如默頓定律等「軟」規律，防止出現實際行為與模型行為之間的「建模鴻溝」[14]。
牛頓系統到默頓系統的過渡示意圖如圖3所示。
圖3 牛頓系統到默頓系統的過渡示意圖
Fig.3 The transition from Newton’s system to Merton’s system
同時，建模過程中不再沿用以物理系統為唯一參考的「單一世界觀」，而是轉化為 「多重世界觀」，把模型也當作是一種可能的「現實」[15]。這樣使人工創造的系統與實際系統實時互動，形成閉環。人工社會屬於信息空間，具有易控制易修改的特性。充分利用這一優勢，可以尋找複雜實際系統的行為特點，對系統進行反覆試驗並作出評估。
總的來說，虛擬人工系統中進行的工作不再是以解析方法為基礎的建模、分析、控制，而是以數據驅動為核心的描述、試驗、預判、引導[16]。
3.2.2 計算試驗與複雜問題分析
計算試驗是在虛擬人工系統中進行的。其以計算機作為複雜能源系統的試驗室，對實際系統的行為進行分析、預判、引導。計算試驗的框架與流程如圖4所示。
圖4 計算試驗的框架與流程圖
Fig.4 Framework and flow of computational experiments
計算試驗與傳統的仿真有本質區別。以往的計算機仿真技術旨在實現與實際空間個別特徵的高度切合。計算試驗則與之不同。其目標不是簡單進行實際系統行為的重現，而是呈現多種可能發生的結果，並進行分析對比，以尋找最優策略。
計算試驗主要包括[17]以下內容。①方案設計和標定方法、靈敏度分析和驗證算法。②基於湧現的分析方法及算法。③事件驅動和目標驅動的兩種計算試驗評估方法。④研究對系統影響較為明顯的因子間的關係，並分析其發展趨勢。⑤在複雜系統中尋求優化的管控策略。
在這一認識的基礎上，通過人工智慧、群體廣度計算、歷史經驗計算、深度學習等先進計算技術，對複雜現象進行分析評估，引入多種不確定的、難以定量分析的因素，進行社會計算。多次重複計算試驗並以統計的方法比對試驗結果，獲得完善的管控方法，以實現對實際系統工作過程的指導。
3.2.3 虛實互動與平行控制
平行控制是通過實際系統和虛擬人工系統之間實時互動的平行方式完成任務的一種控制手段。平行控制不同於傳統的並行控制。傳統並行控制是把相對複雜的問題分解為若干子問題，並對多個子問題同時進行求解。而平行控制側重於實際空間向虛擬空間的擴充，以大數據和數據驅動為基礎，在人工系統中對複雜問題建模，通過計算試驗對問題進行剖析，通過虛實系統實時互動的方式使實際系統趨向人工系統，藉助人工系統簡化複雜問題。平行控制與並行控制的區別如圖5所示。
圖5 平行控制與並行控制的區別框圖
Fig.5 The difference between parallel control and concurrent control
平行控制主要包括[17]以下研究內容。①研究實際系統和人工系統的合理交互；②分析實際空間和虛擬空間的等價性；③探究當虛、實系統中出現數據缺失時應如何對系統進行合理有效管控；④構造平行系統中多方案的有效性分析與檢驗方法；⑤設計平行控制系統內部的反饋機制,對應的控制及自適應算法,反饋調節的優化策略。
虛、實兩系統相互作用、相互反饋、緊密相連。虛擬人工系統與實際系統具有相同的結構。它整合了實際空間與虛擬空間中的大量數據信息[2]，不僅能表明實際系統的工作情況，還可以利用充分的計算試驗優化引導實際系統。需要特彆強調的是，在虛擬人工系統中進行計算試驗對比，不會對實際系統的正常運行造成任何干擾，充分保證了實際系統的可靠性。與此同時，實際系統實時向虛擬人工系統反饋運行信息，幫助修正虛擬人工系統的模型，使模型更加合理化。兩者雙向交互，重組虛實子系統的數據與信息，構成一個功能豐富、性能良好的集成系統，形成靈敏（agility）、聚焦（focus）、收斂（convergence）的分析、決策和執行過程，即使實際系統具有AFC特性[18]。最終，虛擬系統通過大閉環引導實際系統優化運行，進而對複雜系統進行有效管控。
平行控制的有效執行過程如圖6所示。
圖6 平行控制的有效執行過程圖
Fig.6 Effective implementation process of parallel control
4 基於CPSS及ACP方法的平行電網
4.1能源革命與電網發展
能源革命的實質就是能源轉型。進入21世紀以來，新一輪能源革命在全球蓬勃興起，雖然各國選擇的路徑不同，但總體上都向清潔低碳和電氣化的方向邁進。能源的清潔低碳消費大大促進了電氣化的發展。近年來，電力占全球能源消耗的比例空前提高，最典型的變化體現在清潔能源大規模加入電網。隨著儲能技術的高速發展，清潔能源大規模併入電網，很大程度上將清潔能源轉化為電能供人類使用[19]。除此之外，電動汽車的大規模使用、交通電氣化等也是電氣化的重要體現。
清潔能源廣泛加入電網，給系統帶來了巨大挑戰。清潔能源發電具有隨機性、間接性、波動性，為了使電網可以安全可靠運行，需要電網具備靈活的調節能力以應對各種突髮狀況。與此同時，交互式能源設施（電動汽車、分布式能源等）的大量接入，使系統的管理、控制、預測更為複雜，要求電網具備更先進的技術。
由此可見，新一輪能源革命給電網帶來了巨大的挑戰和機遇，迫切需要電網採用先進的理論和技術以應對能源革命帶來的變化。
4.2平行電網概念及特徵
隨著堅強智能電網的發展，信息系統對其影響更加深刻。電網中清潔能源的大規模利用、分布式電源及柔性負荷的大規模接入、柔性交流輸電技術等因素使電網的波動更加頻繁，電網可靠性、穩定性極度依賴實際系統中信息。同時，隨著網際網路技術和通信技術的快速發展，電網中信息流與能量流之間的交互程度也需進一步加深，利用先進技術完成信息的實時高效傳送與反饋。
在多能源供電的背景下，電網的複雜程度大幅提升。基於上文所述的CPSS及ACP理論，文獻[20]在現有堅強智能電網基礎上提出了平行電網的概念和架構，構造與實際電網具有相同結構的虛擬電網空間。藉助ACP方法在虛擬電網空間中進行複雜問題建模、計算試驗及複雜問題分析，尋找優化的控制方法，虛實空間實時互動、共同演化，實現對複雜電網系統的有效管控。平行電網的建設使得堅強智能電網更加貼合社會要求。
平行電網具有以下特徵[21]。
①時空一致。運行過程中對信息的收集、傳送、計算、反饋都具有實時性。
②虛實雙向交互，形成大閉環。平行電網中信息的傳輸不是單向的，而是雙向交互進行。
③高度動態演化。當前，堅強智能電網呈現出高度動態演化的特徵。為了保證模型的合理程度，虛擬電網空間也應是高度動態演化的。通過實際系統的實時數據對虛擬空間中的模型進行實時修正，並使實際電網系統的運行效果向虛擬空間中得出的優化策略不斷逼近。
4.3平行管理與控制
實際電網空間信息主要來源於電網的一次設備、二次設備、人類社會系統；虛擬電網空間融合了大量的物理信息和部分社會信息，是一個CPSS，在這個複雜的系統中通過平行系統理論進行靈敏、聚焦、收斂的分析、決策和執行過程。實際電網空間中的信息實時上傳到虛擬電網空間中，在虛擬空間中進行建模與計算試驗，通過比對確定優化控制策略；虛擬電網空間中得出的分析計算結果也需實時反饋到實際電網空間，從而指導實際系統運行。通過虛擬空間與實際空間形成大閉環，完成對實際電網的分析及管控。
平行電網的平行管理與控制如圖7所示。
圖7 平行電網的平行管理與控制圖
Fig.7 Parallel management and control of parallel power grid
4.4平行電網體系架構
從技術架構上看，平行電網架構包括對象層、感知層、存儲層、特徵提取及知識合成層、解析層、平行控制層六層結構。對象層即當前現實世界的堅強智能電網，涵蓋電能從生產到消費的各個環節，包括電網的一次設備、二次設備、事件及人與社會對物理系統的影響；感知層主要包括能量管理系統、配電網管理系統、廣域監控系統以及社會系統與物理系統的互動信息；存儲層內進行的工作主要是將感知層收集到的數據信息進行分類並存入相應的資料庫中。其數據類型主要分為生產數據、設備運行管理、調度功率、社會信息等。計算層通過自然語言處理、社會計算、深度學習等大數據處理技術，對存儲層中的數據進行計算分析、特徵提取及知識合成；解析層在虛擬電網空間中對複雜系統進行建模，並通過多次計算試驗對複雜問題進行解析與比對；平行控制層實現虛實空間的實時互動，使虛實系統平行執行、共同演化。平行電網的體系架構如圖8所示。
圖8 平行電網的體系架構圖
Fig.8 The architecture of parallel power grid5
5 電力領域中的CPSS與泛在電力物聯網
上文所述的平行電網技術引導堅強智能電網更加貼合社會需求。但若想實現電力領域中的CPSS，僅靠堅強智能電網遠遠不夠。為此，國家電網有限公司於2019年初提出了泛在電力物聯網（ubiquitous power internet of things,UPIOT）的概念。
文獻[22]中指出，智能電網就是能源領域的CPS，智能電網中並未涉及或很少涉及社會元素與能源系統間的交互。文獻[23]中指出，在市場開放的環境下，需要在智能電網的研究中大量考慮社會元素的影響，即形成電力領域中的CPSS。薛禹勝院士指出，堅強智能電網與泛在電力物聯網都是信息系統與物理系統的深度融合，但兩個概念又有本質的區別。堅強智能電網由工業內網支持，只能接入信息安全有保證的終端，開放性很差；泛在電力物聯網由專用網支撐，開放性較好。因此，可以通過泛在電力物聯網來處理那些堅強智能電網無法處理的易受信息攻擊的數據源，泛在電力物聯網即為堅強智能電網與社會元素之間的樞紐橋樑，共同構成能源（電力）領域中的CPSS。泛在電力物聯網的樞紐作用框圖如圖9所示。
圖9 泛在電力物聯網的樞紐作用框圖
Fig.9 The pivotal role of ubiquitous power internet of things
薛禹勝院士認為，堅強智能電網針對的是電力系統，未計及社會行為，其信息來源主要來自於內網，屬於高可靠性的CPS；泛在電力物聯網所針對的是社會物體，計及社會行為，其信息來源主要來自公用網和專用網，屬於高開放性的CPS；兩網相互融合，計及整個能源鏈，多網互補，形成集高可靠性與高開放性為一體的CPSS。
5.1 泛在電力物聯網的內涵
國家電網有限公司於2019年發布的《泛在電力物聯網建設大綱》中指出，泛在電力物聯網就是圍繞電力系統各環節，充分應用移動互聯、人工智慧等現代信息技術、先進通信技術，實現電力系統各個環節萬物互聯、人機互動。通過信息廣泛交互和充分共享，以數字化管理大幅提高能源生產、能源消費和相關領域安全、質量和效益效率水平；以電網為樞紐，發揮平台和共享作用，提供價值服務，其最大的價值就是服務終端客戶[24]。泛在電力物聯網的對內重點是質效提升，對外重點是融通發展[25]。
從技術架構分析，泛在電力物聯網架構包括感知層、網絡層、平台層、應用層四層結構，分別解決數據的採集、傳輸、管理以及價值創造問題。
總的來說，泛在電力物聯網以數據的採集為首，通過實時高速傳輸、分析、處理數據，把用戶和用戶、用戶和電網連接，形成實時互動的局面，加強電網智能處理和決策支持功能[26]。
5.2 泛在電力物聯網建設價值
泛在電力物聯網的建設價值主要體現在以下幾個方面[25-27]。
①促進能源體系轉型升級。
隨著新一輪能源革命的興起，交互式能源設施快速發展（如分布式電源的大量接入、電動汽車等），清潔能源發電導致配電網功率和電壓極不穩定，易發生階段性過載或過電壓現象，使配電網的控制難度增加[28]。藉助物聯網技術，讓每個目標物體通過傳感系統接入網絡，實現各個主體間隨時隨地的溝通，全面提升電網感知、互動水平，提升新能源消納水平，推動能源結構和經濟的綠色轉型[29]。建設泛在電力物聯網是實現能源轉型的必經之路[30]。
②全面提升電網運行水平。
隨著資訊時代的到來，大數據延伸到電力系統的各個環節，海量數據給電網運維帶來挑戰。如何對電網中多種類型的數據進行有效分析和管理成為棘手的問題[31]。通過建設泛在電力物聯網，以數位技術為傳統電網賦能，使電網運行過程透明化，提高對設備的管理水平以及供電質量，促進系統各個環節更安全可靠運行；將各個環節業務數據打通，促進源網荷儲協同工作，使原本「源隨菏動」的運行方式逐步變為「源荷互動」的運行方式，全面提升電網的互動水平；電網數據與社會資源之間形成互動，提高電網資源利用率，進一步提高電網的開放程度。
③增強電網與用戶之間的互動，提升服務水平。
藉助物聯網技術，可以對用戶及配電網運行狀態進行準確的測量和態勢感知[32]。以用戶為中心，提供更加優質的個性化服務，基於統一數據模型實現深度數據共享、業務實時在線處理[33]，打造「服務響應更快捷、服務體驗更友好、服務內容更多元」的新態勢。圖10即為一站式個性化服務的案例示意圖。電網側數據與用戶側信息雙向流動，引導消費者合理使用能源，提高用戶參與電網運行的體驗與收益，從而實現電網與用戶的共贏。
圖10 一站式服務案例示意圖
Fig.10 The case of one-stop service
④挖掘大數據增量價值。
當前，電網公司經營遇到瓶頸，在傳統經營模式中利潤的上升空間非常有限，挖掘用電大數據的價值成為電網公司業務和利潤的增長點。電網企業將在服務過程中構建多條服務價值鏈，實現電網企業與相關方的共創共享共贏[34]。
5.3 泛在電力物聯網關鍵技術
①智能感知技術[35]。
智能傳感技術是泛在電力物聯網感知層的核心技術。電網結構複雜，若要實現複雜系統的泛在互聯，則需安裝多個傳感器設備。這就要求進一步實現傳感設備的簡單化、小型化、低成本、低功耗和高度集成化[36]。不同的傳感設備以其具體任務為驅動，從而獲取相應的數據和信息。因此，應根據電網對數據的需求來設計新型傳感設備。目前，在實際電網中傳感器的覆蓋並不充分，應全面提升傳感器技術以消除電網中的監測盲區。
②集成通信技術[37]。
目前，物聯網通信技術可分為有線網絡技術和無線網絡技術兩大類。泛在電力物聯網中的數據高度分散，有線通信技術無法滿足其需求，因此無線通信技術成為支持泛在電力物聯網發展的重要技術之一。
第5代移動通信技術（5th generation mobile networks,5G）因具有「高寬頻、高容量、高可靠性、低延時、低功耗」的特點，將成為引領和支撐電力系統技術創新、實現萬物互聯的關鍵技術[38]。5G被視為物聯網發展的基礎[39]。在5G通信所包含的多個通信頻段中，6 GHz以下的頻段多用於廣域連接，將推動物聯網發展。電力系統中各信息資源分布廣泛，具有「網」的特徵，基於不同場景的5G切片網絡通信技術被認為是解決電力系統廣泛互聯問題的重中之重。5G網絡切片在電力系統中的應用如圖11所示。
圖11 5G網絡切片在電力系統中的應用
Fig.11 Application of 5G network slicing in power system
除5G通信技術之外，低功耗廣域網絡（low power wan,LPWAN）技術由於其具有覆蓋面廣、傳輸速率低、能耗小、成本低廉、連接數量大等優點[40]，成為建設泛在電力物聯網中的熱點。LPWAN技術和目前的電力專網、無線網協同工作，一同推進泛在電力物聯網的發展[41]。
③大數據處理技術。
電力物聯節點大量接入，導致數據量和數據類型迅速增長，為更好地服務泛在電力物聯網中諸如智能運維、實時態勢感知、個性化用能服務推薦、電力系統最優化運行調度等高級應用場景，實現對海量數據的有效處理是其中的關鍵[42-43]。傳統的數據處理往往採用以雲計算為主的集中式大數據處理。這種處理方式對雲端的存儲空間及計算能力有較高要求，且具有延時性。在數據實時更新的物聯網時代，集中式大數據處理方法已經不能滿足發展需求。在此背景下，引入邊緣計算方法，將計算任務就近解決，減少數據處理延遲、減少數據傳輸寬頻、減輕雲端的存儲及計算壓力、保證數據安全，使其與雲計算模型協同工作，解決萬物互聯時代大數據的處理問題[44]。邊緣計算模型如圖12所示。
圖12 邊緣計算模型
Fig.12 Model of edge calculation
雲端的數據包括兩部分，一部分直接來源於資料庫，另一部分來源於傳感器等邊緣設備。這些設備兼顧數據的生產者和消費者，既能從雲端請求內容及服務，又能進行某些計算，包括數據存儲、處理、緩存、設備管理、隱私保護等[45]。
6 結論
本文梳理了「能源5.0」的提出背景、內涵、理論技術及現實意義。「能源5.0」的主要內容概括為以下兩點：①在CPS中充分納入人類社會信息，使工業發展與人類社會深度融合，形成CPSS；②採用平行系統理論，重構虛擬空間，並在虛擬空間中進行計算試驗，通過比對獲得優化策略，引導實際系統運行。虛實系統平行執行、共同演化，形成智能能源系統，實現對能源系統的深層感知和調控。
「能源5.0」的核心理論技術對研究複雜系統的管控問題具有深遠影響。本文僅闡述了「能源5.0」核心技術在電網中的應用，分別梳理了平行電網的特徵、管控方式、體系架構和泛在電力物聯網的內涵、建設價值及關鍵技術。平行電網以堅強智能電網為中心，通過建設虛實系統實時互動的平行電網，可實現對電網的動態監測，引導堅強智能電網優化運行並使其更加貼合社會發展需求。堅強智能電網與泛在電力物聯網融合發展，共同構成電力領域中的CPSS。
現階段，「能源5.0」仍處於推廣過程中，其核心技術有望應用到更多領域，如複雜的交通系統、國防行業等，引領工業進入平行化時代。
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基金項目：國家自然科學基金資助項目（51777126）
本文刊登於《自動化儀表》2020年第1期。
引用本文：
孫偉卿,鄭鈺琦.能源5.0:邁入虛實互動的平行化時代[J].自動化儀表,2020,41(1):1-9.