电力系统数字化历程与发展趋势

汪际峰，李鹏，梁锦照，宋禹飞

(1. 中国南方电网有限责任公司，广州510663；2. 南方电网数字电网研究院，广州510670)

0 引言

信息论奠基人香农(Shannon)认为，“信息是用来消除随机不确定性的东西”，这被人们看作是经典性定义并加以引用。信息反映了客观世界中各种事物的运动状态和变化，是客观事物之间相互联系和相互作用的表征[1]。纵观人类历史进程，自从语言出现，人类开始进入信息社会。信息技术的发展与社会生产力的发展变革共融共合，并作为不同信息时代更迭进步的标志，在不同的发展阶段体现出对应的时代特征。近年来，以互联网为基础，云计算、大数据、物联网、移动互联网、人工智能、区块链等数字技术快速崛起与发展融合，信息处理能力大幅提升[2 - 3]。信息技术与人类赖以生存发展的物理、社会系统深度融合，贯穿经济社会活动的全过程，极大地促进了生产力的发展和生产关系的创新重塑，信息处理进入了“大机器”时代。

2007年，美国学者提出信息物理系统(cyber-physical system, CPS)，研究重点是以信息技术在物理系统中的广泛应用促成物理系统的高度信息化[4]。2008年，中国学者在国际上率先提出构建社会物理信息系统(cyber-physical-social-system, CPSS)[5]，通过传感器网络完成信息系统和物理系统的连接，并且通过社会传感器网络连接了社会系统和信息系统[6]。2017年，薛禹胜院士提出在电力系统的研究中增加对信息系统、广义物理环境、人的行为等社会系统的考虑，把电力系统拓展为信息-物理-社会-能源系统(cyber-physical-social system in energy, CPSSE)[7]，将CPSS应用到能源系统。

电力系统是当今世界上最大的人造动态物理系统，电力系统数字化本质上是以物理电力系统为基础，以社会公共需求为导向，以信息技术为主要沟通手段构建高度融合的信息-物理-社会-电力系统(cyber-physical-social-power system, CPSPS)的过程。CPSPS包含了信息系统(cyber system)、物理系统(physical system)和社会系统(social system)，以信息系统促进电力系统与社会系统之间建立更深入、广泛的联系，电力数据与社会数据高度融合互动，构成具备特大规模数字化服务能力的融合型社会公共基础设施。

本文首先回顾分析了人类社会信息化发展历程，并系统阐述了其推动电力系统数字化发展的3个重要阶段，进而从物理系统深化发展、信息系统强化发展及其与社会融合泛化发展3个维度提出了电力系统数字化的发展趋势。

1 信息社会发展历程

信息社会由人、物和信息构成，如图1所示，信息是人类认识和改造物理世界的纽带，信息与物理世界不可分割，自语言这一首个记录与传播信息的工具产生伊始，信息技术发展一直伴随人类社会生产力发展，成为人类文明的重要标志。总体来看，信息技术发展经历了人工处理、手工工具、机器处理乃至大机器处理等发展阶段。

图1 人的活动Fig.1 Human activities

人工处理信息始于早期蒙昧时代，语言出现使人与人之间开始通过信息互动，这是信息社会的第一次飞跃；文字出现使信息社会进入了以手工工具进行信息处理的阶段，文字实现了信息符号化，使人类对信息的保存与传播超越了时间和地域的局限，是信息社会发展进步的又一次重要飞跃；我国活字印刷术的发明，使信息处理进入手工机器处理阶段，进一步扩展了信息传播范围，促进了社会知识的积累与普及，带动生产力快速发展[8]；印刷机的发明实现了信息处理从手工机器处理到机器处理的转型，极大地促进了信息处理和传播效率的提升；电话、广播、电视等传播技术的发明与使用，引领信息传播进入电磁波时代，信息传播范围、容量和速度均取得了重大的突破；1946年电子计算机问世，作为20世纪最先进的科学技术发明之一，进一步提升了信息处理能力，信息处理进入数字机器时代；20世纪90年代末随着计算机网络技术的发展,形成了以Internet为代表的互联网，引领信息处理进入“大机器”时代，实现了信息传播范围、容量和速度的革命性突破。信息“大机器”以全球计算机网络为基础，以云大物移智等新一代数字技术为核心动力，促成了社会全领域信息化，同时产生了巨量的互联网信息资源，为人类社会活动搭建了更为广阔、紧密、高效的交互渠道，引发经济社会发展巨变，如图2所示。

图2 社会活动Fig.2 Social activities

2 数字技术发展历程

2.1 数字电子技术应用阶段

数字技术包括硬件技术和软件技术。软件技术最早可追溯于1849年爱尔兰数学家乔治布尔创立的布尔代数，其第一次展示如何用数学的方法解决逻辑问题，成为继电器等最早的数字技术发明的基础，是计算机科学与信息技术发展的基石[9]。数字技术分为硬件和软件技术，其融合发展经历了以硬件布线承载数字逻辑应用、单体机应用和计算机网络应用等3个阶段。

2.2 硬件布线承载数字逻辑应用阶段

数字电子技术是20世纪发展最迅速，应用最广泛的技术之一，其发展经历了电子管、晶体管、集成电路和大规模集成电路等阶段[10]。此阶段的主要特点是以硬件布线承载数字逻辑，继电器在各行业得到广泛应用，继电器以各种具备逻辑功能的硬件电路表示和实现布尔代数的基本运算，按结构可分为由门电路构成的组合逻辑电路和具有记忆能力的时间逻辑电路。继电器的广泛应用极大地促进了工业自动化水平提升，奠定了信息技术产业的基础。

2.3 单机应用阶段

伴随数字电子技术的发展，电子计算机发展经历了电子管、晶体管、集成电路、大规模集成电路等发展阶段，计算机的体积、造价不断下降，存储和计算能力不断提升，其应用范围也从军事和科学计算领域逐步扩展到工业控制领域。近年来，随着大规模集成电路技术进步，计算机的运算速度和可靠性都有了大幅提高，计算机逐步走向通用化与系列化，应用领域进一步拓展，进入了微型计算机的时代。

以硬件的发展为基础，软件技术也得到蓬勃发展。在计算机诞生后的相当长一段时期内，人们通过机器语言和汇编语言编写程序用于直接操作硬件，软件作为硬件的附属品存在，多数软件面向大型机设计，应用领域有限，并且移植性和灵活性较差。直到20世纪80年代，随着个人计算机开始大规模普及，软件开始作为独立产品出现，以微软公司和甲骨文公司成立为主要标志，软件逐渐发展为一种独立产业，并与多学科知识交融，对社会发展、人类生产与生活方式产生极大的影响和变革[11]。

2.4 计算机网络应用阶段

计算机网络起源于20世纪60年代，至今经历了4个重要发展阶段。从以单个计算机为中心的第一代计算机网络逐步发展为以Internet为代表的第四代计算机网络；软件系统也从单机计算环境向网络计算环境延伸，信息集成方式从企业应用整合(enterprise application integration, EAI)过渡到面向服务的体系结构(service-oriented architecture, SOA)，软件产业从“以产品为中心”向“以用户为中心”转型。

以互联网技术发展为基础，电信网、互联网、物联网和移动网等不断交汇融合，数字技术发展从终端互联、用户互联、应用互联走向万物互联，形成了“云管边端”的新一代数字技术架构。信息基础设施实现数据中心、通信网络、智能终端及物联网设备(端)的等海量异构资源全覆盖，以大数据与人工智能为代表的信息处理技术与其他行业知识深度交融，信息技术应用形态与模式呈现出社会化、泛在化、智能化、情境化等新特征，并且逐步过渡为根据动态多变的应用场景、频繁变化的应用需求对各类资源作按需、灵活、深度定制的新阶段。

从数字技术发展的历程看，数字技术发展进步促进了信息社会进入“大机器”信息处理时代，爆发式增长的信息采集、传输、存储和分析处理需求又促进数字技术迅猛发展，数字技术成为“大机器”信息时代最重要的支撑。

3 电力系统数字化历程

电力系统自诞生之日起就一直在应用数字技术推动其数字化进程。从最初的布尔代数和继电器应用，到电子管、晶体管、大规模集成电路，再到后来的电子计算机和网络技术，直至当今的“云大物移智”等新一代数字技术，均一出现就很快被运用于电力系统生产运营实践。结合数字技术发展进程和其与电力系统的融合模式，电力系统数字化发展可分为物理系统、信息物理系统和社会信息物理系统3个阶段。

3.1 电力物理系统

19世纪中叶，电磁现象的发现和相关技术的发明，加之工业化进程对能源动力的强烈需求，19世纪末20世纪初电力工业应运而生[12]。直到20世纪60年代，电力系统呈现出交流输电占主导、输电电压较低、电网规模小等特征[13]。此阶段对应于以硬件布线承载数字逻辑的发展阶段，基于数字逻辑实现了早期电力系统的继电保护功能，实现了初步的自动化；设备信息主要以台账、定值单、运行记录等进行手工记录和传递，业务信息以纸质文件进行人工传递，存在效率低下、修改困难、难以保存、沟通成本高、易产生偏差、运行状态掌握不及时、不精细、信息不对称等诸多弊端。此阶段，电力系统数字化以继电保护和简单自动装置应用为主要标志，呈现出物理系统自动化的雏形。20世纪70年代，单体软件开始在电力系统得到应用，例如，绘图软件应用促进了电网绘图效率和精度提升，且易于修改、便于存储；又如，计算机技术发展改变了电网计算业务形态，电网计算从使用传统的计算尺、晶体管计算机到微机、小型机等，计算效率大幅提升。

在此阶段，电力物理系统形态如图3所示。信息空间与物理世界、人类社会的互动较弱，离线系统和运行系统技术边界的相互独立性高，电力系统主要呈现出其物理系统属性。

图3 电力物理系统Fig.3 Physical power systems

3.2 电力信息物理系统

20世纪60年代至90年代，电力系统规模快速扩大，逐步形成了以大机组、超高压输电和电网互联为主要技术经济特征的大型互联电力系统。如1981年，我国首条500 kV交流输电通道河南平顶山至湖北武昌工程投产，这标志着我国电网正式迈入500 kV超高压时代；1985年，我国第一台0.6 GW火力发电机组投产运行，标志着我国电源迈入中大型机组时代。此阶段正值数字技术从单机应用逐步向计算机网络应用发展的阶段，电力企业计算机应用从离线系统向在线系统发展，极大地促进了电力系统自动化水平和生产运营效率提升，电力系统数字化表征为信息物理系统形态，信息空间与物理世界、人类社会的互动不断增强。电力信息物理系统如图4所示。

图4 电力信息物理系统Fig.4 Cyber-physical power systems

电力信息物理系统具有以下特点。

1)设备自动化水平不断提升，部分设备通过数字化升级改造，工作性能明显提升。例如，电网继电保护装置的核心元器件不断更新迭代，从电磁式、晶体管、集成电路到微机保护，逐步达到高可靠、高性能、高集成。信息系统从离线系统逐步发展为在线系统，如20世纪70年代，调度自动化以电话通信等方式传递系统状态，随着互联网等数字技术的发展，逐步实现了调控一体化。

2)管理信息化水平不断提升，从单体软件应用发展为信息集成应用，逐步实现了企业日常经营管理核心业务全面覆盖，实现从分散建设到集中建设、从局部应用到企业级应用的转变，有效提升了企业规范化管理水平，并积累了宝贵的数据资源。

按计算机及网络技术发展水平及其在电力系统中的应用深度，可将电力系统数字化分为局域网及互联网阶段，具体如下。

(1) 局域网阶段：局域网技术在电力系统中的应用始于20世纪90年代中期，为适应电网内部区域性信息流下的各类业务要求，应用局域网组网技术构建了企业内部的通信网络平台。此阶段系统建设大多呈现“独立建设、定制开发、功能单一”等特征，信息冗余与信息不完整现象并存，难以满足电力系统安全稳定运行的要求[19]。以电网二次系统为例，由于缺乏对全网性、跨部门、跨专业等协同作业要求的技术架构和标准支撑，系统建设较为分散、信息孤岛现象突出，各专业系统及装置之间的协调控制困难，厂站间缺乏配合，导致电网运行效率较为低下，并带来巨大的运行维护工作量。

(2) 互联网阶段：此阶段计算机网络遵循国际标准构建，具备统一网络体系结构，软件系统从单机计算环境向网络计算环境延伸，EAI、SOA等技术发展迅猛，促进了电力系统信息集成发展。图5所示为南方电网一体化电网运行智能系统(overall power grid operation intelligent system, OS2)。该系统设计遵循SOA标准体系，在主站端系统集成了以EMS、DMIS、保信等为核心的电网运行监控以及业务管理功能，在厂站端突出强化建设了站控层数据整合、站端智能化应用功能，实现了“一体化、模块化、智能化”的系统建设目标[15 - 16]。

在此阶段，信息系统的融合和支撑推动电网从物理系统发展为信息物理系统，在物理世界全面感知的基础上，通过信息空间虚拟网络和电网物理空间实体网络的相互协调，支撑物理电网具备更高的可靠性、安全性、灵活性、自治性和经济性[18]。

3.3 社会信息物理系统

电力系统数字化的进程中，随着社会传感器技术发展进步，社会传感器网络实现了社会系统和信息系统的高效连接，如图6所示，“社会+物理系统”等价地映射到数字系统中[5]，信息空间与物理世界、人类社会的互动更为全面、实时。

图6 电力社会信息物理系统Fig.6 Social-cyber-physical power systems

电力系统数字化发展进入数字电网发展阶段，互联网技术与“云大物移智”等新一代数字技术快速崛起并融合发展，信息社会发展进入“大机器”时代。数字电网特点可从广度、深度、速度、跨度4个维度展开分析。在广度上，数字技术覆盖电网发、输、变、配、用全环节，贯穿规划、建设、运行、营销等全业务过程，并延伸至能源产业价值链与能源生态系统；在深度上，数字技术与业务的深度融合，持续促进电网企业数据价值释放，极大的引领技术革新和业务变革；在速度上，数字技术促进电网企业对内、外部环境的全面洞察和快速反应，实现数字技术对海量信息的接入、传输、存储和处理速度不断提升；在跨度上，数字技术有效推动电力行业与其他行业的广泛联系和跨界协作，支撑内外部服务撮合，催生平台经济，促进社会治理能力提升，支撑数字经济和数字中国建设。

4 电力系统数字化发展趋势

电力系统数字化以数据流带动技术流、能源流、资金流、人才流、物资流，实现了技术和产品、生产体系、业务模式、发展理念等全方位融合，表征为能源、工业等实体经济与互联网发展的叠加、聚合和倍增效应。结合社会信息物理系统的特性，数字技术将促进物理系统深化发展、数字系统强化发展及与社会系统的融合泛化发展。

4.1 物理系统深化发展

物理系统深化包括设备数字化和网络数字化，设备数字化发展主要体现在两方面：1)数字技术应用从主网向配网延伸，逐步覆盖电力系统发、输、变、配、用全环节；2)设备数字化从设备外特性向内特性深化发展，逐步实现设备结构、设备元件的数字化，设备信息采集更为全面、准确、高频、智能，支撑了完整的设备画像的构建；在网络数字化方面，网络、算力、数据和算法的发展进步，尤其是以深度学习为代表的人工智能算法的突破促进了电力系统计算从机理模型向具备自适应能力的人工智能算法模型发展，新一代人工智能算法在新能源设备建模、设备缺陷识别、负荷预测、网络优化等领域具有广阔的发展空间。

新型电力系统背景下，数字技术将逐步覆盖源、网、荷、储等全环节，构建新型电力系统在信息空间的完整映射，支撑系统具备更大范围的资源配置能力、灵活调节能力、安全管控与保障能力和快速响应能力，并满足碳排放、碳交易、信用等级评估、城市治理等多元化的外部需求。

综上，以新一代数字技术构建的“大机器”信息系统与电力系统的深度融合，将形成以电力系统为基础的具备特大规模数字化服务能力的融合型基础设施，具备大范围信息感知能力、高速传输能力、巨量数据存储能力、强大的计算分析能力和实时精准的调控能力。

4.2 信息系统强化发展

信息物理社会系统中，信息系统是连接社会空间与物理空间之间的关键纽带。信息系统强化发展体现在3个方面，1)软硬件技术发展提速。硬件技术发展主要体现在处理器和存储器上，按照摩尔定律，芯片上可容纳的晶体管数目，每隔18个月左右便会增加一倍，芯片性能也将提升一倍。芯片算力水平的提高促进计算机技术向超高速、超小型、平行处理和智能化方向发展，为软件发展提供了物质基础；软件技术方面，近年来软件技术发展呈现集成化、服务化、智能化等发展趋势，成为计算机技术发展中最为活跃的领域。软件与硬件的融合发展推动了云大物移智等新一代数字技术的崛起与融合发展；2)信息基础设施规模不断扩大。去年中央提出加快新型基础设施建设，主要包括5G基站建设、特高压、城际高速铁路和城市轨道交通、新能源汽车充电桩、大数据中心、人工智能、工业互联网七大领域。电力企业可利用其地理空间分布优势，通过5G基站、物联网、分布式北斗基站等基础设施建设，促进电力系统各环节基础设施的高效利用，并利用电力企业在数据资源、算法、算力等方面的优势，构筑具备特大规模数字化服务能力的融合型信息基础设施，提升对数字经济和数字中国建设的基础支撑能力；3)“大机器”信息系统对信息的处理能力不断提升。在信息采集层面，智能传感器、智能终端技术发展推动物联网和移动互联网技术发展，边缘计算技术发展进一步提升了信息采集的效率和质量；在信息传输层面，5G等新一代通信技术的应用，进一步提升了信息传输容量和实时性；在信息处理层面，云计算、大数据等技术发展实现更大规模的数据实时归集、统一存储与共享，形成“计算能力+数据+模型+算法”的强大“算力”；在信息应用层面，深度学习等人工智能技术取得突破性进展，结合新型电力系统发展要求，可重点开展人工智能技术在负荷建模、新能源设备建模、电力电子设备建模、状态检修、负荷预测、设备缺陷和故障识别、系统优化等领域的研究与实践。

4.3 与社会系统融合泛化发展

电力系统数字化技术发展将贯穿电力企业生产、管理、经营全过程，并有效推动推动能源行业全要素、全产业链、全价值链深度互联与协同优化，支撑内外部服务撮合，促进能源生态系统形成。

1)促进电力企业生产经营活动的泛化互动。新一代数字技术将逐步覆盖电力企业生产、管理和经营全过程，实现企业经营管理活动的数字化，促进跨层级、跨地域、跨系统、跨部门的业务协同，以数据驱动管理流程再造、组织结构优化，促进企业人、财、物资源优化配置，提高企业经营管理效率和质量，促进电力企业降本增效。

2)促进能源系统生产、传输、消费过程的泛化互动，以数字技术支撑能源系统深度互联和协同优化。电力企业可通过构建统一的数字化平台[17]，面向政府、能源生产商、设备制造商、配售电商、能源增值服务商、能源终端用户等各能源产业链参与方，整合能源流、信息流、价值流，向上游整合多种可再生能源，向下游整合智慧用能、需求侧管理，横向实现多网融合、多能互补整合能源产业链优质资源，开展面向能源生产、传输、消费等环节的新业务应用与增值服务。

3)促进社会系统的泛化互动，推动社会资源优化融合。电力企业可利用新一代数字技术提升对企业内外部环境的洞察力，整合、共享企业内外部资源，与能源、交通、金融等行业泛化互动，促进城市能源服务体系构建，为智慧城市提供能源供给保障，引导能源在城市中的合理布局，提升清洁能源供给能力，提升能源管控和应急处置能力，预防和降低能源灾害，实现智慧城市对能源安全、绿色环保、安居乐业的要求；同时，可主动对接数字政府建设，利用电力企业优质的数据资源，为经济发展、城市规划、城市治理等提供决策支撑；其三，可实时且广泛地建立、打通和优化电力企业和外部生态的关系，强化各利益相关方的衔接纽带和运转链条，推动社会各层面的融合互动，促进跨界生态合作。

5 结语

数字技术推动了信息社会进入“大机器”信息处理时代，随着数字技术的发展进步，电力系统数字化经历了物理系统、信息物理系统、信息物理社会系统3个阶段，未来，电力系统数字化将呈现物理系统深化、信息系统强化、社会系统泛化三大发展趋势。下一步，一是要加强顶层设计，在深入研究电力系统数字化理论的基础上，科学制定电力系统数字化发展规划、建设目标和建设计划，深入研究数字电网建设的推进机制，促进电力系统数字化健康、有序发展；其二，要加大关键核心技术研发力度，针对电力系统运行风险和关乎电力系统长治久安的关键问题开展研究，充分运用新一代数字技术破解系统运行和发展难题；其三，需加快电力系统数字化技术标准体系建设，提升电力系统数字化建设的规范化、标准化水平，并推动电力系统数字化相关的行业、国家乃至国际标准制定，以标准引领电力系统数字化的发展。

新型电力系统背景下，全社会能源体系中以风和光为代表的可再生能源将逐步占据主导地位，清洁能源配置需求急剧攀升，未来电网将呈现出交直流远距离输电、区域电网互联、主网与微电网互动的形态[20]。电力系统数字化将发展为信息、物理、社会系统融合互动的数字电网，在提升电力系统安全、可靠、绿色、高效运行水平的基础上，引领电力企业生产、管理、经营方式重塑，推动能源产业价值链整合，支撑能源生态系统的形成，并促进电力系统与社会系统的互动，成为数字经济和数字中国建设的重要组成部分。