探究能源互联网的信息通信技术及可靠性

随着社会能源消费方式的转变，原有模式已不能满足现实需要，利用可再生能源可在一定程度上缓解能源供给的紧张局面，但完成新技术与既有能源系统的有机融合仍存在诸多问题，使得当前能源体系面临新一轮变革。与此同时，人们的生产生活在互联网技术驱动下不断发生转变，在国家互联网+战略推动下，通过互联网理念和信息技术实现传统行业提升已成为各行业发展的共识。基于此，各国纷纷提出了自己的互联网驱动工业技术进步发展策略，通过信息通信技术、互联网技术、物联网技术等对传统行业进行改造，如美国的第三次工业革命、德国的工业4. 0、中国的坚强智能电网等。因此，融合了可再生能源技术与互联网信息技术的能源互联网将迎合这一发展趋势，从根本上改变人们对传统能源利用模式的依赖，成为未来能源供给和应用体系的发展方向。

2011 年杰里米里夫金( Jeremy Rifkin) 在《第三次工业革命》中指出，可再生能源将是第三次工业革命的主要动力，通过可再生能源与信息技术的融合形成能源互联网，从而改变能源开发与利用方式。能源互联网概念的提出可追溯到2008 年美国国家科学基金项目FREEDM，该计划首次从技术层面提出能源互联网概念，立足于电网并借鉴互联网开放对等的理念和架构，形成以骨干网、局域网及相关联接网络为特征的新型能源网。同年，德国提出了技术创新计划EEnergy，旨在打造以信息通信技术( ICT) 为基础的未来能源体系，并从ICT 技术与现有电力系统融合的角度提出德国的能源互联网。2011 年，日本电气公司与东京大学等成立数字电网联盟，以互联网为基础，利用数字电网路由器使现有电网接入互联网，各电力设备因此拥有独立的IP 地址，可以被网络识别。数字电网技术改进了能源互联网的信息交互，使电力系统运行更为可靠。我国的能源互联网建设尚处于起步阶段，现有能源供给体系互联程度较低，灵活性与开放性较差，目前有国家风光储输示范工程等相关项目实施。2014 年，国家电网公司董事长刘振亚提出全球能源互联网概念，指出应综合统筹利用全球能源资源，实现能源的清洁替代与电能替代，达到高效可持续供应的需求。

为实现互联网理念与能源体系的深度融合，充分发挥信息通信技术的基础核心作用，发展适应能源互联网需要的信息通信系统将是承载第三次工业革命的重要方向。本文介绍了能源互联网的特征与技术架构，重点分析了面向能源互联网的信息通信技术，并对其中可靠性、高效性、安全性等关键问题进行了探讨。

1 能源互联网特点与架构

能源互联网旨在克服大规模清洁能源在接入、传输和控制方面的瓶颈，采用互联网信息技术实现能源基础设施架构，实现先进互联网信息技术与可再生能源发电技术的深度融合将成为发展趋势。信息通信与能源电力的结合先后经历了数字化、智能化、信息物理融合阶段，信息通信技术从最初作为能源电力行业的辅助性技术，逐渐发展成电力能源设施的重要部分，最终融合成为能源互联网。

1. 1 能源互联网的特征

以电网为基础的能源互联网是能源与信息深度融合的复杂系统，能源互联网因此具有信息网络的核心特点，如分享快捷、泛在互联、对等开放、多源协同、低碳高效和安全可靠等，具体特征如下:

( 1) 分布式。能源互联网支持分布式能源供应，允许大规模集中式、分布式发电系统以及储能设备的接入。适应可再生能源分散特性，可以就地收集、存储和使用能源的网络节点。

( 2) 开放性。能源互联网可以包容多种不同类型能源，在能源互联网中，发电装置、储能装置和负载能够即插即用。

( 3) 集成性。能源互联网可以实现包括控制维护、能量管理、配电管理、市场运营与信息系统之间的综合集成，实现多种能源的综合调配和优化管理。

( 4) 安全性。能源互联网物理系统和信息网络系统具有抵御外部攻击的能力，能够把有问题的单元从系统中隔离出来，使系统迅速恢复供电运行。具有自愈特性的能源互联网具备在线评估预测、实时测量故障、实时应急分析、自动控制恢复等功能。

( 5) 高效环保。能源互联网以清洁能源作为主要一次能源，将互联网信息技术应用到电力能源网络，提高利用效率，具有绿色环保的特点。

1. 2 能源互联网主要架构

能源互联网是在现有能源供给系统基础上，利用可再生能源发电技术、互联网信息技术、先进储能技术，通过电力网络与智能气网、智能热网、电气化交通网等紧密耦合的能源共享网络。目前电力网采用的典型结构有总线型、层次化、自组织等，不同的网络结构有着不同的开放性、安全性和高效性特点。根据能源需求和现实情况选取适宜的网络结构将是未来能源互联网网络结构的发展方向。

2 面向能源互联网的信息通信关键技术

能源互联网综合利用了发电技术、输电网技术、储能技术、互联网信息通信技术、系统规划分析技术等，其中信息通信是系统运作的支撑与保障，需要具备强大的数据传输和处理能力。当前面向能源的信息通信网络设计仍缺乏应对复杂数据交互的能力，能源信息节点接入固定，对于无线传感等异构接入技术缺乏协同能力，电网的信息通信基本处于各自集成状态，彼此独立。随着能源互联网的产生和发展，如何构建满足信息交互安全可靠性以及海量数据传输需求的信息通信网络成为研究热点。如提出了国家电网公司的能源互联网信息通信架构，该架构以电网信息物理融合系统( GCPS) 为核心，结合了感知控制和通信传输技术、数据集成和信息处理技术以及安全防护技术;提出了基于决策分析、采集监控、流程作业、公共基础资源和网络信息安全5 个层面的能源互联网信息通信体系结构。

能源互联网是信息流、能源流、控制流的高度融合，其信息通信目标是通过广泛应用云计算、大数据等新信息技术，建设信息高度共享、覆盖面广、集成度高、安全性好的一体化信息通信系统。能源互联网主要对以下方面的信息通信技术提出要求: ( 1 ) 信息采集与存储能力;( 2) 网络接入和传输能力; ( 3) 数据处理和分析能力; ( 4) 业务处理和决策能力; ( 5) 信息通信安全可靠性。本文根据既有的能源互联网信息通信体系架构，具体介绍以下信息通信关键技术。

2. 1 标识传感技术

标识技术通常包括射频识别( RFID) 、二/三维码、生物识别等，其中RFID 是广泛运用于电网管理系统的标识技术，其与传感技术、定位技术相结合，能够实现对电网设备及线路的控制监测，有效提高识别精确性与可靠度。

2. 2 数据集成技术: 云计算

能源互联网对信息资源配置、数据存储处理性能提出了很高的要求，需要对不同信息数据进行集成，实现全面的数据共享，因此需要展开基于云计算、云存储的技术研究。云计算平台将成为组成能源互联网基础计算资源的重要平台。云计算( Cloud Computing) 指能够通过网络随时随地、按需方式、便捷地获取计算资源，并达到随时、随地、随身的高性能计算。能源互联网应当建立各式能源生产消费云计算平台，不仅整合计算资源，还应包括数据资源、存储资源、软件资源等多种资源类别，最终成为能源互联网重要的基础设施，实现区域内外所有相关资源的共享。

2. 3 信息处理技术: 大数据分析

能源互联网中由于许多新型负荷的接入，数据种类多样广泛，包括实时数据、历史数据、文本数据、多媒体数据等，数据量较以往大得多，面临数据多源异构、海量复杂等难题。过往的分析方法已无法处理如此海量的数据，需要采用基于分布式并行计算、内存计算、流计算等高性能计算技术进行实时智能处理，并进行大数据分析。大数据技术具有数据容量大、数据类型繁多、处理速度快等特点，是能源互联网不可或缺的基本技术。大数据分析的核心是建立数据模型和实现数据挖掘算法，通过对各种不同类型和频度的海量数据挖掘处理，发现电力生产和经营管理中存在的问题，从而更好地指导能源互联网有序稳定运行。从处理过程看，大数据关键技术包括大数据采集处理、大数据存储管理、大数据检索分析、大数据可视化与应用、大数据安全等。

2. 4 通信传输技术

能源互联网对通信传输能力具有很高要求，需要采用远距离大容量光通信技术。例如全球能源互联网的构建，需要相应的跨区域光通信网络技术方案，以突破超远距离的传输限制。目前应用中可以采用超低损耗光纤，便于超长距离、大容量、高速率网络传输。此外，还需建立4G、5G 等无线通信与地面通信网融合的通信网络体系，其中5G 技术具有超高频谱利用率，可以从无线覆盖、传输时延、系统安全、用户体验等多方面满足能源互联网需求。

能源互联网强调智能通信协议与电能传输相互融合，集成通信协议可以实现信息能源基础设施一体化。目前应用的通信协议通常仅能完成能源互联网体系的某些功能侧面，尚缺乏一个集成的通信基础架构和协议组。例如能量管理与分布式管理系统采用IEC 61970、IEC 61968 协议，标准控制中心之间可综合运用IEC 60870-6、DNP3、IEC 60870-5-101、IEC 60870-5-104、IEC62445-2 等协议来实现安全可靠通信。IEC61850、IEEE 1888 标准则可以作为数据采集和传输标准。

当前我国电力一级骨干网全面支持IPv6 协议。基于IPv6 的开放式多服务网络体系支持端到端业务，可以保障智能设备的即插即用，实现用户与电网互动，因此IPv6 技术很可能成为能源互联网发展的必然选择。

2. 5 信息通信芯片技术

能源互联网信息具有海量、多样、分布广等特点，须采用低成本信息技术以满足海量装备需求。基于微电子技术的信息采集芯片将是能源互联网的重要支撑，配以低成本、海量的无线传感通信芯片，将可以实现对电力网络状态的实时广泛监测与控制，提高能源互联网的安全稳定性。

信息通信芯片技术应当具备以下功能:

( 1) 芯片自供能，满足在断电情况下仍能正常工作; ( 2) 低功耗，提高能量利用效率; ( 3) 高集成度，满足能源互联网的接入需求。例如近年快速发展的硅基CMOS 技术可以不断减小芯片尺寸、提高集成度以及降低成本，为能源互联网的低成本信息采集提供了极佳技术参考。

除以上关键技术外，能源互联网信息通信技术还包括智能化分析预测技术、能源质量调节与远程调配技术、网络通信对电力设备的自动化控制等，用以保证分布式能源大规模接入后的网络平稳运行。

3 能源互联网信息通信可靠性及安全性

随着能源互联网的深入发展，越来越多的新能源基地投入建成，海量数据不断向业务中心汇集，给信息通信网络的性能、功能带来很大挑战，也对信息通信的安全性、实时性、可靠性提出了更高要求。为保障能源互联网的流程控制、基础作业、信息监测的稳定合理运行，需要采用新型安全技术建立更加灵活智能的信息安全防护体系。

3. 1 安全可靠性技术

能源互联网的信息系统呈现开放性、互动性特点，安全可靠的通信是其高效运行的保障。在信息通信方面，需要重点防范恶意入侵行为，防止信息系统故障，注重信息传输的隐私保护，建立可信主动的安全防御体系。

( 1) 安全可靠传输。设计针对能源互联网的可靠性分析模型及安全传输机制，保障信息在传输过程中的安全性和可靠性。

( 2) 系统安全监测。电力系统面临终端和现场设备的脆弱性，通信网线路也存在安全威胁。在能源互联网环境下，需要开展典型攻击检测和深度分析，实现对电网应用层、网络层、感知层可能存在的威胁进行高效监测，提升系统安全可控水平。

( 3) 信息数据加密。能源互联网的数据量大、分布广，用电信息存在安全隐患。目前，能源互联网环境下的数据隐私保护仍没有标准方案，未来需针对不同阶段采用不同方法，达到数据可用又不泄露隐私的目的。在信息传输过程中，可采用相应的加密措施，实现数据的机密性，对终端用户起到保护作用。

( 4) 采用可信技术。可信技术是在系统平台中引入安全模块，采用密码技术作为核心。能源互联网中应采用基于可信密码模块( TCM) 、可信网络连接( TNC) 的互联网交互终端技术，建立基于可信计算的互联网交互终端可信认证模型，实现能源互联网的可信主动防护，以应对未知恶意攻击。

( 5) 防范虚假数据。电力调度中心通常采用严密的信息防护手段，渗透较为困难，相对而言攻击传感装置并注入虚假数据更为简单。国外已有研究指出，黑客可以通过攻击系统传感设备并向调度中心注入虚假状态信息，误导中心作出错误决策。因此，针对新型的网络攻击手段还需要深入研究，及时提出适应能源互联网需求的安全防护技术。

3. 2 安全防护体系

由于能源互联网是电力能源系统与互联网信息系统的融合，而互联网具有高度开放、易受攻击的特点，在能源互联网中，将电力网络完全暴露在互联网之下是不安全、不可靠的。为此，文献提出通过电力线通信( Power Line Communication，PLC) 建立一套与互联网物理隔离的通信体系，由于电力线路与电力网络相对封闭，与互联网物理隔离不易受攻击，从而实现对能源互联网的安全可靠控制。

能源互联网的安全防护体系包括物理安全、数据和能量采集安全、数据和能量传输安全、数据和能量处理安全、供应链安全等方面。需对电网系统和信息通信系统设备进行物理保护，在数据采集和处理时采用加密技术、抗干扰技术，数据传输需要采用防火墙技术、VPN 技术、入侵防御技术。与此同时，加强对能源互联网终端接入的安全防范，保证外部接入的访问通道、身份、状态以及行为可控。系统网络应充分利用防火墙，采用加密、安全隔离、入侵检测等技术保证网络运行安全可靠。

3. 3 预测分析软件与可靠性监测

为实现可靠性目标，未来的能源互联网安全性建设可以考虑采用预测分析软件，及时分析来自不同能源网络传感器的海量数据，识别潜在差异。随着数据流和相互连接的传感器数量成倍增长，传统的监测预警技术已不能起到实时预警作用，往往故障已经出现，实时数据已经低于或高于正常指标范围后才会给出警示，造成不必要的经济损失，大大降低了设备的安全可靠性。目前的主流新型监测软件，会整合现有传感器数据并持续监测设备性能，利用各种预测引擎在设备偏离正常运行但还未超出正常范围之前就给予报警通知，依据大量经验数据作出及时评估并推断出状态偏离的原因。

先进模式识别( APR) 就是一种常用的预测性分析技术。APR 从各种经验模型中获得预测结果，这些经验模型通过了解资产在各种环境和过程状况中的独特运行历史而建立。APR 技术将资产的独特运行状况与实时运行数据进行对比，以发现系统行为的微妙变化，这些微妙变化通常是设备即将发生故障，但尚未达到标准报警级别的早期预警信号，能够及时提供报警功能，为后续矫正措施创造更多时间。该种可靠性监测技术已在一些核电公司投入使用，美国爱克斯龙( Exelon) 电力公司便是其中之一。该公司采用APR 软件后，设备性能与可靠性均有所提高，往往在故障发生之前便可发现潜在问题，提高了早期识别潜在故障的能力，实现了防患于未然的重要意义。

利用可靠性软件能够详细分析仪器数据，及时报告所有异常传感器数据，帮助减少在寻找潜在问题上所花费的时间，从而将更多精力投入规划维护和提高效率。采用先进的模式识别与诊断技术，可以辨别运行行为的细微差异，减少意外故障几率，降低维护成本，提高设备用率和使用寿命，最终提高运营质量和生产效率，可以为未来能源互联网的可靠性建设提供借鉴参考。

4 结论

能源互联网作为第三次工业革命的代表受到广泛关注，将推动能源行业技术更新和产业升级，改变公众生活，提升社会发展水平，以清洁和绿色方式满足未来社会的电力需求。本文从能源互联网的特征和技术架构出发，重点探讨了面向能源互联网的信息通信关键技术，分析了可能面临的信息通信可靠性和安全性问题，为未来能源互联网信息通信相关技术的发展提供借鉴。