数字电网的概念、特征与架构

汪际峰，吴小辰，林火华，梁锦照，宋禹飞

（1. 中国南方电网有限责任公司，广州 510663；2. 南方电网数字电网集团有限公司，广州 510670）

0 引言

随着科学技术的发展，数字技术已成为驱动人类文明进步的主要力量。数字化作为当今世界最显著的特征之一，对社会产生极其广泛而深远的影响［1-2］。数字技术推动社会生产力发生了质的飞跃，生产资料、生产对象及生产者三位一体的数字化变革深刻影响着经济社会的各个层面，对人们的生产方式、生活方式乃至思维方式带来颠覆性的影响，各行业纷纷加速推动数字化转型，发展数字经济，数字化的新模式和新业态层出不穷。

电网系统是典型的社会信息物理系统［3］，由物理系统、业务系统、信息系统构成，信息系统作为物理系统与业务系统的桥梁，对电网全环节及生产经营活动全过程产生深刻影响。随着数字技术的发展进步及其与电网融合程度的加深，信息系统信息处理能力不断跃升，全面促进物理系统与业务系统的联系，形成更为有机的整体，赋能电网发生了根本性变化，电网整体的功能和效率达到了新高度、新水平，实现由量变到质变的飞跃，电网呈现出显著的数字化特征，电网发展进入数字电网时代［4-6］。数字电网将以“算力+电力”支撑电网安全、可靠、绿色、高效运行，促进电网企业数字化运营，带动电网产业链升级，并逐步形成连接政府、电力产业上下游、用户等相关方的能源产业新形态［7］。

本文深入研究物理系统、业务系统、信息系统相互作用的机理，研究提出“人的活动π 模型”，并分析了电网数字化演进过程，构建了数字电网理论模型，进而提出数字电网概念、主要特征及总体架构，为数字电网研究奠定了坚实的理论基础。

1 数字电网理论基础

1.1 人的活动π模型

人的活动涉及三大基本要素：人、活动对象、信息。如图1 所示，人的活动过程可抽象为人的活动π 模型。人是活动主体，人与活动对象之间的交互需要以信息作为桥梁，信息成为人与活动对象之间的关键媒介［8-10］。频繁的信息交互促进人对活动对象的认知程度持续加深，作为客体的活动对象逐渐由不确定状态转化为确定状态，信息在人们认识并改造世界中发挥至关重要的作用。

图1 人的活动π模型Fig. 1 π model of human activities

1.2 社会活动扩展π模型

社会活动是人的活动的扩展。人作为活动主体，在社会活动中结成社会群体，随着其活动范围的不断拓宽，活动对象逐步组合形成复杂的物理系统，社会系统与物理系统的交互的信息量逐步增大，形成越来越复杂的信息系统［11］。信息系统搭建了社会系统与物理系统的桥梁，成为社会活动过程中不可或缺的组成部分［12-13］。如图2 所示，社会活动扩展π模型由3个系统组成。

图2 社会活动扩展π模型Fig. 2 Extended π model of social activities

随着物理系统及社会系统规模的不断扩大，其复杂程度不断提高，客观上要求信息系统对物理系统、社会系统的信息处理能力大幅提升。随着数字技术的发展进步，信息处理能力不断跃升，3 个系统发展成为具有复杂结构、综合性和集成性更强的有机整体［14］。

1.3 电网扩展π模型

电网作为当今世界上规模最大的社会物理信息系统之一，是经济社会发展的重要基础。电网生产经营活动是社会活动在电网领域的投射，其活动过程与特征符合社会活动扩展π 模型［3］，可应用电网扩展π 模型对其基本构成及发展过程进行分析，如图3所示。

图3 电网扩展π模型Fig. 3 Extended π model of the grid

其中，电网的物理系统由电网设备及设备间的连接构成，包括发电、输电、变电、配电、用电等环节，其作用是实现电能传输与配送［15-21］。电网业务系统由支撑电网物理系统运营的各类业务构成，包括电网规划、设计、建设、调度、运行、营销、人财物管理等业务环节；在经济社会层面，业务系统将拓展为电网企业与政府、能源价值链上下游、能源生态系统的广泛联系和协作。电网信息系统在电网的物理系统、业务系统的运行与发展中形成，通过连接物理系统与业务系统，实现对信息的采集、传输、存储和计算，实现电网全环节及生产经营全过程在数字空间的孪生映射。随着数字技术的规模化应用，信息系统逐步发展为具备大规模算力的信息大机器，在电网系统的发展中发挥越来越关键的作用。

2 数字电网的概念与特征

2.1 电网数字化演进历程

纵观电网发展历程，从信息系统发展的角度看，大致可分为3个阶段。

1） 传统信息系统支撑电网发展阶段。在电网发展早期，信息处理方式主要以手工工具为主，信息主要为模拟信号，如电力系统早期的继电保护功能，实现了初步的自动化，这一阶段的主要特点是信息处理效率低、速度慢、精度差、能力弱。

2） 数字系统支撑电网发展阶段。20 世纪70 年代，单体软件开始在电力系统得到应用，电网开始应用计算机作为信息处理工具，信息逐步数字化，但数字信息普遍具有分散、局部、离线等特征。随着数字技术从单机应用逐步向计算机网络应用发展，电网企业信息系统从离线系统向在线系统发展，信息系统与物理系统、业务系统的互动不断增强，电力系统自动化水平和生产运营效率大幅提升［3］。

3） 以信息大机器支撑的电网发展阶段。随着数字技术发展进步，信息系统与电力系统的深度融合，逐步形成以电网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，电网信息处理进入大机器时代［3］，信息大机器的特征是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、强大的信息交换共享能力、快速的计算分析能力和实时精准的调控能力。

2.2 数字电网的概念

与单体软件应用阶段的电网比较，数字电网在电网局部数字化基础上基于互联网拓展电网数字信息在物理系统、业务系统以及信息系统之间的交换、共享、处理能力［22-23］。信息系统、物理系统与业务系统在互联网上结合成信息处理、信息交换以及信息共享的有机整体，使数字电网应用打破区域性的瓶颈，得到大范围规模化的拓展，赋能电网信息处理水平跨越式提升［24-26］。

总的来说，数字电网在物理系统信息、业务系统信息全面数字化的基础上充分发挥信息大机器的作用，支撑电网安全、可靠、绿色、高效运行，推动电网企业生产经营管理效率与质量提升，并成为能源互联网、工业互联网的关键纽带，有力推动电网技术革新、电网企业转型升级和能源产业变革，优化全社会能源配置，促进能源可持续发展，助力国家治理体系和治理能力现代化建设，成为数字经济和数字中国建设的重要组成部分。

2.3 数字电网主要特征

如图4 所示，数字电网是电网发展的新阶段，对比单体软件应用阶段的电网，数字电网具备如下4个主要特征。

图4 数字电网的主要特征Fig. 4 The main features of the digital grid

1） 物理系统信息全面数字化。物理系统包括发电、输电、变电、配电、用电等环节，物理系统信息的数字化是应用传感器等装置，通过物联网实现对物理系统各环节设备数字信息的全面采集。

2） 业务系统信息全面数字化。业务系统包括电网规划、工程建设、调度交易、电网运维、安全生产、市场营销等业务信息，业务信息逐步延伸至电网企业与政府、能源价值链上下游等相关方产生的跨界业务联系和协作。业务系统数字化是对电网业务活动产生的数字信息进行全面采集。

3） 物理系统和业务系统数字信息全面在线。在物理系统及业务系统信息数字化的基础上，以信息系统实现信息全面实时动态处理，促进物理系统和业务系统建立更紧密的联系，支撑物理系统、业务系统数字化信息的交互融合。电力数据全面反映了电网物理系统的形态与运行特征，提升电网企业生产经营活动全过程的可测、可观及可控水平，促进电网业务创新，繁荣电力数字经济与生态。

4） 数字信息赋能。以先进数字技术提升信息分析处理效率与质量以及信息交换与共享能力。一方面，促进物理系统优化重构，赋能电网安全、可靠、绿色、高效运行；另一方面，促进业务系统创新重塑，赋能企业业务流程再造和组织架构优化，科学提升电网企业生产、经营、管理的效率与质量。通过数字信息赋能，物理系统、业务系统更为强大，涵盖物理系统、业务系统、信息系统三部分的电网整体功能更为完备，电网效率和质量大幅提升。

3 数字电网的架构

如图5 所示，数字电网体系架构遵循电网π 扩展模型，由物理系统、业务系统和信息系统构成。

图5 数字电网体系架构示意图Fig. 5 Schematic diagram of digital grid architecture

物理系统由数字化电力设备及其联系构成，包括设备本体信息、实时信息和环境信息等；业务系统由各类业务及其流程构成，包括业务组织、业务对象、业务流程、业务规则等各类信息；信息系统是联系物理系统和业务系统的纽带，其利用数字技术对终端感知的数据进行采集、传输，存储、分析计算及仿真优化，并赋能物理系统及业务系统优化重构。

3.1 物理系统架构

物理系统具备全面感知电力设备状态的能力，可实时获取设备数据并实现设备间数据的高速传输。电网物理系统感知范围包括电网设备及设备所处的外部环境，主要依靠两类传感器完成，分别是设备类传感器和环境类传感器。设备类传感器覆盖电网生产各环节，包括电压电流传感器、红外传感器、摄像机、遥感卫星、智能用电设备等；环境类传感器主要对电网运行的外部环境进行监测，包括温度、湿度、覆冰监测、综合气象监测等传感器。终端采集的运行数据可通过边缘计算设备就地完成快速处理，并将重要信息上传至云端，形成电力设备大数据，通过对物理系统数据的分析、挖掘，支撑电网各类生产、运营决策［27-28］，物理系统架构如图6所示。

图6 物理系统架构Fig. 6 Physical system architecture

3.2 业务系统架构

数字电网业务系统主要由业务层、业务信息层构成，如图7所示。

图7 业务系统架构Fig. 7 Business system architecture

数字电网业务系统涵盖电力企业生产经营活动全过程，包括电网规划、电网建设、调度交易、电网运维、安全生产、市场营销、人财物管理、党政工团管理等部分。业务信息包括业务主体、业务对象、业务状态、业务环境、业务规则等各类信息。多源异构、海量的信息在信息系统进行存储与交互，可利用人工智能等先进数字技术提升对内、对外业务信息分析处理的深度、广度、速度与精度［29］。

3.3 信息系统架构

信息系统通过对物理系统与业务系统的连接，以信息作为桥梁，实现电网活动主体与活动对象的交互。信息系统由数据传输层、数据处理层、数据应用层构成，如图8所示。

图8 信息系统架构Fig. 8 Information system architecture

数据传输层由通信网络、边缘计算等设备等构成，光纤、WLAN、蜂窝无线、NB-IoT 等异构、融合的通信网络架构，承担着数据采集、传输等任务。传输层从云端集中向“云管边端”一体化发展，从集中式、功能单一、高耗能的信息基础设施向分布式、功能完善、节能环保的新型融合型基础设施演进［30］。

数据处理层对来自物理系统和业务系统的数据进行汇集，开展数据的检测、清洗、辩识、修复、集成与融合，基于统一数据模型打通各系统数据壁垒，并对集成数据和融合数据进行进一步分析和挖掘，实现数据增值［31-33］。同时，实现对生产控制、经营管理、安全监控和公共服务等业务的全面支撑，以算力为基础上承业务下连算元和算法，充分发挥运营管理、服务支撑、生态赋能等优势［34-35］。

数据应用层负责向用户提供各类系统应用功能，通过对服务进行封装，形成最终用户所使用的功能。根据业务领域，应用层可分为电网规划、工程建设、调度交易、电网运维、安全生产、市场营销、人财物管理、党政工团管理等。

总的来说，数字电网的信息系统连接物理系统和业务系统，通过电网物理系统的数字化，电网的“神经末梢”传感器采集海量的设备与环境数据，同时，通过业务系统数字化实现业务系统海量数据的统一归集。信息系统连接着物理系统与业务系统，利用通信网络将不同业务域的信息相互关联，形成电网大数据，以数据驱动各业务域的智能高效协同，成为数字电网的“神经中枢”。

4 结语

数字技术推动了信息社会进入“大机器”信息处理时代，数字电网是以先进数字技术在电网中规模化应用后形成的电网新形态。本文提出电网扩展π模型，并分析了数字电网的总体架构，为数字电网技术研究及标准研制打下坚实的基础。

数字电网是一项复杂的系统工程。在物理系统数字化方面，首先，应全面实现数字技术对发、输、变、配、用全环节的覆盖，实现数字化的规模效益；其次，在设备外特性数字化的基础上逐步实现设备结构与元件的数字化，实现设备精确画像，推动设备研制、设备安装、设备运行水平的全面提升。业务系统数字化方面以数字技术赋能业务系统，促进业务流程再造与组织结构优化，推动电网企业生产经营效率与质量提升，并以数字电网为核心纽带，促进能源系统生产、传输、分配、消费过程的泛化互动，支撑能源系统深度互联和协同优化；利用数字技术拓展信息获取范围，提升信息处理能力，强化各利益相关方的衔接纽带和运转链条，促进跨界生态合作，构建能源生态系统。在信息系统方面，在先进的数字技术支持下，充分利用电网地理空间分布优势，以电网设施与信息设施共建等方式，促进电力系统各环节基础设施的高效利用，并充分利用电网企业在网络、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，不断提升对数字经济和数字中国建设的基础支撑能力。