汪際峰，李鵬，梁錦照，宋禹飛

(1. 中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司，廣州510663；2. 南方電網(wǎng)數(shù)字電網(wǎng)研究院，廣州510670)

0 引言

信息論奠基人香農(nóng)(Shannon)認(rèn)為，“信息是用來消除隨機(jī)不確定性的東西”，這被人們看作是經(jīng)典性定義并加以引用。信息反映了客觀世界中各種事物的運(yùn)動狀態(tài)和變化，是客觀事物之間相互聯(lián)系和相互作用的表征[1]?？v觀人類歷史進(jìn)程，自從語言出現(xiàn)，人類開始進(jìn)入信息社會。信息技術(shù)的發(fā)展與社會生產(chǎn)力的發(fā)展變革共融共合，并作為不同信息時代更迭進(jìn)步的標(biāo)志，在不同的發(fā)展階段體現(xiàn)出對應(yīng)的時代特征。近年來，以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、區(qū)塊鏈等數(shù)字技術(shù)快速崛起與發(fā)展融合，信息處理能力大幅提升[2 - 3]。信息技術(shù)與人類賴以生存發(fā)展的物理、社會系統(tǒng)深度融合，貫穿經(jīng)濟(jì)社會活動的全過程，極大地促進(jìn)了生產(chǎn)力的發(fā)展和生產(chǎn)關(guān)系的創(chuàng)新重塑，信息處理進(jìn)入了“大機(jī)器”時代。

2007年，美國學(xué)者提出信息物理系統(tǒng)(cyber-physical system, CPS)，研究重點(diǎn)是以信息技術(shù)在物理系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用促成物理系統(tǒng)的高度信息化[4]。2008年，中國學(xué)者在國際上率先提出構(gòu)建社會物理信息系統(tǒng)(cyber-physical-social-system, CPSS)[5]，通過傳感器網(wǎng)絡(luò)完成信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)的連接，并且通過社會傳感器網(wǎng)絡(luò)連接了社會系統(tǒng)和信息系統(tǒng)[6]。2017年，薛禹勝院士提出在電力系統(tǒng)的研究中增加對信息系統(tǒng)、廣義物理環(huán)境、人的行為等社會系統(tǒng)的考慮，把電力系統(tǒng)拓展為信息-物理-社會-能源系統(tǒng)(cyber-physical-social system in energy, CPSSE)[7]，將CPSS應(yīng)用到能源系統(tǒng)。

電力系統(tǒng)是當(dāng)今世界上最大的人造動態(tài)物理系統(tǒng)，電力系統(tǒng)數(shù)字化本質(zhì)上是以物理電力系統(tǒng)為基礎(chǔ)，以社會公共需求為導(dǎo)向，以信息技術(shù)為主要溝通手段構(gòu)建高度融合的信息-物理-社會-電力系統(tǒng)(cyber-physical-social-power system, CPSPS)的過程。CPSPS包含了信息系統(tǒng)(cyber system)、物理系統(tǒng)(physical system)和社會系統(tǒng)(social system)，以信息系統(tǒng)促進(jìn)電力系統(tǒng)與社會系統(tǒng)之間建立更深入、廣泛的聯(lián)系，電力數(shù)據(jù)與社會數(shù)據(jù)高度融合互動，構(gòu)成具備特大規(guī)模數(shù)字化服務(wù)能力的融合型社會公共基礎(chǔ)設(shè)施。

本文首先回顧分析了人類社會信息化發(fā)展歷程，并系統(tǒng)闡述了其推動電力系統(tǒng)數(shù)字化發(fā)展的3個重要階段，進(jìn)而從物理系統(tǒng)深化發(fā)展、信息系統(tǒng)強(qiáng)化發(fā)展及其與社會融合泛化發(fā)展3個維度提出了電力系統(tǒng)數(shù)字化的發(fā)展趨勢。

1 信息社會發(fā)展歷程

信息社會由人、物和信息構(gòu)成，如圖1所示，信息是人類認(rèn)識和改造物理世界的紐帶，信息與物理世界不可分割，自語言這一首個記錄與傳播信息的工具產(chǎn)生伊始，信息技術(shù)發(fā)展一直伴隨人類社會生產(chǎn)力發(fā)展，成為人類文明的重要標(biāo)志?？傮w來看，信息技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了人工處理、手工工具、機(jī)器處理乃至大機(jī)器處理等發(fā)展階段。

圖1 人的活動Fig.1 Human activities

人工處理信息始于早期蒙昧?xí)r代，語言出現(xiàn)使人與人之間開始通過信息互動，這是信息社會的第一次飛躍；文字出現(xiàn)使信息社會進(jìn)入了以手工工具進(jìn)行信息處理的階段，文字實(shí)現(xiàn)了信息符號化，使人類對信息的保存與傳播超越了時間和地域的局限，是信息社會發(fā)展進(jìn)步的又一次重要飛躍；我國活字印刷術(shù)的發(fā)明，使信息處理進(jìn)入手工機(jī)器處理階段，進(jìn)一步擴(kuò)展了信息傳播范圍，促進(jìn)了社會知識的積累與普及，帶動生產(chǎn)力快速發(fā)展[8]；印刷機(jī)的發(fā)明實(shí)現(xiàn)了信息處理從手工機(jī)器處理到機(jī)器處理的轉(zhuǎn)型，極大地促進(jìn)了信息處理和傳播效率的提升；電話、廣播、電視等傳播技術(shù)的發(fā)明與使用，引領(lǐng)信息傳播進(jìn)入電磁波時代，信息傳播范圍、容量和速度均取得了重大的突破；1946年電子計(jì)算機(jī)問世，作為20世紀(jì)最先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)發(fā)明之一，進(jìn)一步提升了信息處理能力，信息處理進(jìn)入數(shù)字機(jī)器時代；20世紀(jì)90年代末隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,形成了以Internet為代表的互聯(lián)網(wǎng)，引領(lǐng)信息處理進(jìn)入“大機(jī)器”時代，實(shí)現(xiàn)了信息傳播范圍、容量和速度的革命性突破。信息“大機(jī)器”以全球計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，以云大物移智等新一代數(shù)字技術(shù)為核心動力，促成了社會全領(lǐng)域信息化，同時產(chǎn)生了巨量的互聯(lián)網(wǎng)信息資源，為人類社會活動搭建了更為廣闊、緊密、高效的交互渠道，引發(fā)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展巨變，如圖2所示。

圖2 社會活動Fig.2 Social activities

2 數(shù)字技術(shù)發(fā)展歷程

2.1 數(shù)字電子技術(shù)應(yīng)用階段

數(shù)字技術(shù)包括硬件技術(shù)和軟件技術(shù)。軟件技術(shù)最早可追溯于1849年愛爾蘭數(shù)學(xué)家喬治布爾創(chuàng)立的布爾代數(shù)，其第一次展示如何用數(shù)學(xué)的方法解決邏輯問題，成為繼電器等最早的數(shù)字技術(shù)發(fā)明的基礎(chǔ)，是計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息技術(shù)發(fā)展的基石[9]。數(shù)字技術(shù)分為硬件和軟件技術(shù)，其融合發(fā)展經(jīng)歷了以硬件布線承載數(shù)字邏輯應(yīng)用、單體機(jī)應(yīng)用和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用等3個階段。

2.2 硬件布線承載數(shù)字邏輯應(yīng)用階段

數(shù)字電子技術(shù)是20世紀(jì)發(fā)展最迅速，應(yīng)用最廣泛的技術(shù)之一，其發(fā)展經(jīng)歷了電子管、晶體管、集成電路和大規(guī)模集成電路等階段[10]。此階段的主要特點(diǎn)是以硬件布線承載數(shù)字邏輯，繼電器在各行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，繼電器以各種具備邏輯功能的硬件電路表示和實(shí)現(xiàn)布爾代數(shù)的基本運(yùn)算，按結(jié)構(gòu)可分為由門電路構(gòu)成的組合邏輯電路和具有記憶能力的時間邏輯電路。繼電器的廣泛應(yīng)用極大地促進(jìn)了工業(yè)自動化水平提升，奠定了信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)。

2.3 單機(jī)應(yīng)用階段

伴隨數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展，電子計(jì)算機(jī)發(fā)展經(jīng)歷了電子管、晶體管、集成電路、大規(guī)模集成電路等發(fā)展階段，計(jì)算機(jī)的體積、造價不斷下降，存儲和計(jì)算能力不斷提升，其應(yīng)用范圍也從軍事和科學(xué)計(jì)算領(lǐng)域逐步擴(kuò)展到工業(yè)控制領(lǐng)域。近年來，隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)進(jìn)步，計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度和可靠性都有了大幅提高，計(jì)算機(jī)逐步走向通用化與系列化，應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步拓展，進(jìn)入了微型計(jì)算機(jī)的時代。

以硬件的發(fā)展為基礎(chǔ)，軟件技術(shù)也得到蓬勃發(fā)展。在計(jì)算機(jī)誕生后的相當(dāng)長一段時期內(nèi)，人們通過機(jī)器語言和匯編語言編寫程序用于直接操作硬件，軟件作為硬件的附屬品存在，多數(shù)軟件面向大型機(jī)設(shè)計(jì)，應(yīng)用領(lǐng)域有限，并且移植性和靈活性較差。直到20世紀(jì)80年代，隨著個人計(jì)算機(jī)開始大規(guī)模普及，軟件開始作為獨(dú)立產(chǎn)品出現(xiàn)，以微軟公司和甲骨文公司成立為主要標(biāo)志，軟件逐漸發(fā)展為一種獨(dú)立產(chǎn)業(yè)，并與多學(xué)科知識交融，對社會發(fā)展、人類生產(chǎn)與生活方式產(chǎn)生極大的影響和變革[11]。

2.4 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用階段

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)起源于20世紀(jì)60年代，至今經(jīng)歷了4個重要發(fā)展階段。從以單個計(jì)算機(jī)為中心的第一代計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)逐步發(fā)展為以Internet為代表的第四代計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)；軟件系統(tǒng)也從單機(jī)計(jì)算環(huán)境向網(wǎng)絡(luò)計(jì)算環(huán)境延伸，信息集成方式從企業(yè)應(yīng)用整合(enterprise application integration, EAI)過渡到面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)(service-oriented architecture, SOA)，軟件產(chǎn)業(yè)從“以產(chǎn)品為中心”向“以用戶為中心”轉(zhuǎn)型。

以互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展為基礎(chǔ)，電信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和移動網(wǎng)等不斷交匯融合，數(shù)字技術(shù)發(fā)展從終端互聯(lián)、用戶互聯(lián)、應(yīng)用互聯(lián)走向萬物互聯(lián)，形成了“云管邊端”的新一代數(shù)字技術(shù)架構(gòu)。信息基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心、通信網(wǎng)絡(luò)、智能終端及物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備(端)的等海量異構(gòu)資源全覆蓋，以大數(shù)據(jù)與人工智能為代表的信息處理技術(shù)與其他行業(yè)知識深度交融，信息技術(shù)應(yīng)用形態(tài)與模式呈現(xiàn)出社會化、泛在化、智能化、情境化等新特征，并且逐步過渡為根據(jù)動態(tài)多變的應(yīng)用場景、頻繁變化的應(yīng)用需求對各類資源作按需、靈活、深度定制的新階段。

從數(shù)字技術(shù)發(fā)展的歷程看，數(shù)字技術(shù)發(fā)展進(jìn)步促進(jìn)了信息社會進(jìn)入“大機(jī)器”信息處理時代，爆發(fā)式增長的信息采集、傳輸、存儲和分析處理需求又促進(jìn)數(shù)字技術(shù)迅猛發(fā)展，數(shù)字技術(shù)成為“大機(jī)器”信息時代最重要的支撐。

3 電力系統(tǒng)數(shù)字化歷程

電力系統(tǒng)自誕生之日起就一直在應(yīng)用數(shù)字技術(shù)推動其數(shù)字化進(jìn)程。從最初的布爾代數(shù)和繼電器應(yīng)用，到電子管、晶體管、大規(guī)模集成電路，再到后來的電子計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，直至當(dāng)今的“云大物移智”等新一代數(shù)字技術(shù)，均一出現(xiàn)就很快被運(yùn)用于電力系統(tǒng)生產(chǎn)運(yùn)營實(shí)踐。結(jié)合數(shù)字技術(shù)發(fā)展進(jìn)程和其與電力系統(tǒng)的融合模式，電力系統(tǒng)數(shù)字化發(fā)展可分為物理系統(tǒng)、信息物理系統(tǒng)和社會信息物理系統(tǒng)3個階段。

3.1 電力物理系統(tǒng)

19世紀(jì)中葉，電磁現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)和相關(guān)技術(shù)的發(fā)明，加之工業(yè)化進(jìn)程對能源動力的強(qiáng)烈需求，19世紀(jì)末20世紀(jì)初電力工業(yè)應(yīng)運(yùn)而生[12]。直到20世紀(jì)60年代，電力系統(tǒng)呈現(xiàn)出交流輸電占主導(dǎo)、輸電電壓較低、電網(wǎng)規(guī)模小等特征[13]。此階段對應(yīng)于以硬件布線承載數(shù)字邏輯的發(fā)展階段，基于數(shù)字邏輯實(shí)現(xiàn)了早期電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)功能，實(shí)現(xiàn)了初步的自動化；設(shè)備信息主要以臺賬、定值單、運(yùn)行記錄等進(jìn)行手工記錄和傳遞，業(yè)務(wù)信息以紙質(zhì)文件進(jìn)行人工傳遞，存在效率低下、修改困難、難以保存、溝通成本高、易產(chǎn)生偏差、運(yùn)行狀態(tài)掌握不及時、不精細(xì)、信息不對稱等諸多弊端。此階段，電力系統(tǒng)數(shù)字化以繼電保護(hù)和簡單自動裝置應(yīng)用為主要標(biāo)志，呈現(xiàn)出物理系統(tǒng)自動化的雛形。20世紀(jì)70年代，單體軟件開始在電力系統(tǒng)得到應(yīng)用，例如，繪圖軟件應(yīng)用促進(jìn)了電網(wǎng)繪圖效率和精度提升，且易于修改、便于存儲；又如，計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展改變了電網(wǎng)計(jì)算業(yè)務(wù)形態(tài)，電網(wǎng)計(jì)算從使用傳統(tǒng)的計(jì)算尺、晶體管計(jì)算機(jī)到微機(jī)、小型機(jī)等，計(jì)算效率大幅提升。

在此階段，電力物理系統(tǒng)形態(tài)如圖3所示。信息空間與物理世界、人類社會的互動較弱，離線系統(tǒng)和運(yùn)行系統(tǒng)技術(shù)邊界的相互獨(dú)立性高，電力系統(tǒng)主要呈現(xiàn)出其物理系統(tǒng)屬性。

圖3 電力物理系統(tǒng)Fig.3 Physical power systems

3.2 電力信息物理系統(tǒng)

20世紀(jì)60年代至90年代，電力系統(tǒng)規(guī)?？焖贁U(kuò)大，逐步形成了以大機(jī)組、超高壓輸電和電網(wǎng)互聯(lián)為主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)特征的大型互聯(lián)電力系統(tǒng)。如1981年，我國首條500 kV交流輸電通道河南平頂山至湖北武昌工程投產(chǎn)，這標(biāo)志著我國電網(wǎng)正式邁入500 kV超高壓時代；1985年，我國第一臺0.6 GW火力發(fā)電機(jī)組投產(chǎn)運(yùn)行，標(biāo)志著我國電源邁入中大型機(jī)組時代。此階段正值數(shù)字技術(shù)從單機(jī)應(yīng)用逐步向計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用發(fā)展的階段，電力企業(yè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用從離線系統(tǒng)向在線系統(tǒng)發(fā)展，極大地促進(jìn)了電力系統(tǒng)自動化水平和生產(chǎn)運(yùn)營效率提升，電力系統(tǒng)數(shù)字化表征為信息物理系統(tǒng)形態(tài)，信息空間與物理世界、人類社會的互動不斷增強(qiáng)。電力信息物理系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 電力信息物理系統(tǒng)Fig.4 Cyber-physical power systems

電力信息物理系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)。

1)設(shè)備自動化水平不斷提升，部分設(shè)備通過數(shù)字化升級改造，工作性能明顯提升。例如，電網(wǎng)繼電保護(hù)裝置的核心元器件不斷更新迭代，從電磁式、晶體管、集成電路到微機(jī)保護(hù)，逐步達(dá)到高可靠、高性能、高集成。信息系統(tǒng)從離線系統(tǒng)逐步發(fā)展為在線系統(tǒng)，如20世紀(jì)70年代，調(diào)度自動化以電話通信等方式傳遞系統(tǒng)狀態(tài)，隨著互聯(lián)網(wǎng)等數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，逐步實(shí)現(xiàn)了調(diào)控一體化。

2)管理信息化水平不斷提升，從單體軟件應(yīng)用發(fā)展為信息集成應(yīng)用，逐步實(shí)現(xiàn)了企業(yè)日常經(jīng)營管理核心業(yè)務(wù)全面覆蓋，實(shí)現(xiàn)從分散建設(shè)到集中建設(shè)、從局部應(yīng)用到企業(yè)級應(yīng)用的轉(zhuǎn)變，有效提升了企業(yè)規(guī)范化管理水平，并積累了寶貴的數(shù)據(jù)資源。

按計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展水平及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用深度，可將電力系統(tǒng)數(shù)字化分為局域網(wǎng)及互聯(lián)網(wǎng)階段，具體如下。

(1) 局域網(wǎng)階段：局域網(wǎng)技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用始于20世紀(jì)90年代中期，為適應(yīng)電網(wǎng)內(nèi)部區(qū)域性信息流下的各類業(yè)務(wù)要求，應(yīng)用局域網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建了企業(yè)內(nèi)部的通信網(wǎng)絡(luò)平臺。此階段系統(tǒng)建設(shè)大多呈現(xiàn)“獨(dú)立建設(shè)、定制開發(fā)、功能單一”等特征，信息冗余與信息不完整現(xiàn)象并存，難以滿足電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求[19]。以電網(wǎng)二次系統(tǒng)為例，由于缺乏對全網(wǎng)性、跨部門、跨專業(yè)等協(xié)同作業(yè)要求的技術(shù)架構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)支撐，系統(tǒng)建設(shè)較為分散、信息孤島現(xiàn)象突出，各專業(yè)系統(tǒng)及裝置之間的協(xié)調(diào)控制困難，廠站間缺乏配合，導(dǎo)致電網(wǎng)運(yùn)行效率較為低下，并帶來巨大的運(yùn)行維護(hù)工作量。

(2) 互聯(lián)網(wǎng)階段：此階段計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)遵循國際標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建，具備統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，軟件系統(tǒng)從單機(jī)計(jì)算環(huán)境向網(wǎng)絡(luò)計(jì)算環(huán)境延伸，EAI、SOA等技術(shù)發(fā)展迅猛，促進(jìn)了電力系統(tǒng)信息集成發(fā)展。圖5所示為南方電網(wǎng)一體化電網(wǎng)運(yùn)行智能系統(tǒng)(overall power grid operation intelligent system, OS2)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵循SOA標(biāo)準(zhǔn)體系，在主站端系統(tǒng)集成了以EMS、DMIS、保信等為核心的電網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)控以及業(yè)務(wù)管理功能，在廠站端突出強(qiáng)化建設(shè)了站控層數(shù)據(jù)整合、站端智能化應(yīng)用功能，實(shí)現(xiàn)了“一體化、模塊化、智能化”的系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)[15 - 16]。

在此階段，信息系統(tǒng)的融合和支撐推動電網(wǎng)從物理系統(tǒng)發(fā)展為信息物理系統(tǒng)，在物理世界全面感知的基礎(chǔ)上，通過信息空間虛擬網(wǎng)絡(luò)和電網(wǎng)物理空間實(shí)體網(wǎng)絡(luò)的相互協(xié)調(diào)，支撐物理電網(wǎng)具備更高的可靠性、安全性、靈活性、自治性和經(jīng)濟(jì)性[18]。

3.3 社會信息物理系統(tǒng)

電力系統(tǒng)數(shù)字化的進(jìn)程中，隨著社會傳感器技術(shù)發(fā)展進(jìn)步，社會傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了社會系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的高效連接，如圖6所示，“社會+物理系統(tǒng)”等價地映射到數(shù)字系統(tǒng)中[5]，信息空間與物理世界、人類社會的互動更為全面、實(shí)時。

圖6 電力社會信息物理系統(tǒng)Fig.6 Social-cyber-physical power systems

電力系統(tǒng)數(shù)字化發(fā)展進(jìn)入數(shù)字電網(wǎng)發(fā)展階段，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與“云大物移智”等新一代數(shù)字技術(shù)快速崛起并融合發(fā)展，信息社會發(fā)展進(jìn)入“大機(jī)器”時代。數(shù)字電網(wǎng)特點(diǎn)可從廣度、深度、速度、跨度4個維度展開分析。在廣度上，數(shù)字技術(shù)覆蓋電網(wǎng)發(fā)、輸、變、配、用全環(huán)節(jié)，貫穿規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)行、營銷等全業(yè)務(wù)過程，并延伸至能源產(chǎn)業(yè)價值鏈與能源生態(tài)系統(tǒng)；在深度上，數(shù)字技術(shù)與業(yè)務(wù)的深度融合，持續(xù)促進(jìn)電網(wǎng)企業(yè)數(shù)據(jù)價值釋放，極大的引領(lǐng)技術(shù)革新和業(yè)務(wù)變革；在速度上，數(shù)字技術(shù)促進(jìn)電網(wǎng)企業(yè)對內(nèi)、外部環(huán)境的全面洞察和快速反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字技術(shù)對海量信息的接入、傳輸、存儲和處理速度不斷提升；在跨度上，數(shù)字技術(shù)有效推動電力行業(yè)與其他行業(yè)的廣泛聯(lián)系和跨界協(xié)作，支撐內(nèi)外部服務(wù)撮合，催生平臺經(jīng)濟(jì)，促進(jìn)社會治理能力提升，支撐數(shù)字經(jīng)濟(jì)和數(shù)字中國建設(shè)。

4 電力系統(tǒng)數(shù)字化發(fā)展趨勢

電力系統(tǒng)數(shù)字化以數(shù)據(jù)流帶動技術(shù)流、能源流、資金流、人才流、物資流，實(shí)現(xiàn)了技術(shù)和產(chǎn)品、生產(chǎn)體系、業(yè)務(wù)模式、發(fā)展理念等全方位融合，表征為能源、工業(yè)等實(shí)體經(jīng)濟(jì)與互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的疊加、聚合和倍增效應(yīng)。結(jié)合社會信息物理系統(tǒng)的特性，數(shù)字技術(shù)將促進(jìn)物理系統(tǒng)深化發(fā)展、數(shù)字系統(tǒng)強(qiáng)化發(fā)展及與社會系統(tǒng)的融合泛化發(fā)展。

4.1 物理系統(tǒng)深化發(fā)展

物理系統(tǒng)深化包括設(shè)備數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化，設(shè)備數(shù)字化發(fā)展主要體現(xiàn)在兩方面：1)數(shù)字技術(shù)應(yīng)用從主網(wǎng)向配網(wǎng)延伸，逐步覆蓋電力系統(tǒng)發(fā)、輸、變、配、用全環(huán)節(jié)；2)設(shè)備數(shù)字化從設(shè)備外特性向內(nèi)特性深化發(fā)展，逐步實(shí)現(xiàn)設(shè)備結(jié)構(gòu)、設(shè)備元件的數(shù)字化，設(shè)備信息采集更為全面、準(zhǔn)確、高頻、智能，支撐了完整的設(shè)備畫像的構(gòu)建；在網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化方面，網(wǎng)絡(luò)、算力、數(shù)據(jù)和算法的發(fā)展進(jìn)步，尤其是以深度學(xué)習(xí)為代表的人工智能算法的突破促進(jìn)了電力系統(tǒng)計(jì)算從機(jī)理模型向具備自適應(yīng)能力的人工智能算法模型發(fā)展，新一代人工智能算法在新能源設(shè)備建模、設(shè)備缺陷識別、負(fù)荷預(yù)測、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展空間。

新型電力系統(tǒng)背景下，數(shù)字技術(shù)將逐步覆蓋源、網(wǎng)、荷、儲等全環(huán)節(jié)，構(gòu)建新型電力系統(tǒng)在信息空間的完整映射，支撐系統(tǒng)具備更大范圍的資源配置能力、靈活調(diào)節(jié)能力、安全管控與保障能力和快速響應(yīng)能力，并滿足碳排放、碳交易、信用等級評估、城市治理等多元化的外部需求。

綜上，以新一代數(shù)字技術(shù)構(gòu)建的“大機(jī)器”信息系統(tǒng)與電力系統(tǒng)的深度融合，將形成以電力系統(tǒng)為基礎(chǔ)的具備特大規(guī)模數(shù)字化服務(wù)能力的融合型基礎(chǔ)設(shè)施，具備大范圍信息感知能力、高速傳輸能力、巨量數(shù)據(jù)存儲能力、強(qiáng)大的計(jì)算分析能力和實(shí)時精準(zhǔn)的調(diào)控能力。

4.2 信息系統(tǒng)強(qiáng)化發(fā)展

信息物理社會系統(tǒng)中，信息系統(tǒng)是連接社會空間與物理空間之間的關(guān)鍵紐帶。信息系統(tǒng)強(qiáng)化發(fā)展體現(xiàn)在3個方面，1)軟硬件技術(shù)發(fā)展提速。硬件技術(shù)發(fā)展主要體現(xiàn)在處理器和存儲器上，按照摩爾定律，芯片上可容納的晶體管數(shù)目，每隔18個月左右便會增加一倍，芯片性能也將提升一倍。芯片算力水平的提高促進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù)向超高速、超小型、平行處理和智能化方向發(fā)展，為軟件發(fā)展提供了物質(zhì)基礎(chǔ)；軟件技術(shù)方面，近年來軟件技術(shù)發(fā)展呈現(xiàn)集成化、服務(wù)化、智能化等發(fā)展趨勢，成為計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展中最為活躍的領(lǐng)域。軟件與硬件的融合發(fā)展推動了云大物移智等新一代數(shù)字技術(shù)的崛起與融合發(fā)展；2)信息基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)模不斷擴(kuò)大。去年中央提出加快新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，主要包括5G基站建設(shè)、特高壓、城際高速鐵路和城市軌道交通、新能源汽車充電樁、大數(shù)據(jù)中心、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)七大領(lǐng)域。電力企業(yè)可利用其地理空間分布優(yōu)勢，通過5G基站、物聯(lián)網(wǎng)、分布式北斗基站等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，促進(jìn)電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)基礎(chǔ)設(shè)施的高效利用，并利用電力企業(yè)在數(shù)據(jù)資源、算法、算力等方面的優(yōu)勢，構(gòu)筑具備特大規(guī)模數(shù)字化服務(wù)能力的融合型信息基礎(chǔ)設(shè)施，提升對數(shù)字經(jīng)濟(jì)和數(shù)字中國建設(shè)的基礎(chǔ)支撐能力；3)“大機(jī)器”信息系統(tǒng)對信息的處理能力不斷提升。在信息采集層面，智能傳感器、智能終端技術(shù)發(fā)展推動物聯(lián)網(wǎng)和移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展，邊緣計(jì)算技術(shù)發(fā)展進(jìn)一步提升了信息采集的效率和質(zhì)量；在信息傳輸層面，5G等新一代通信技術(shù)的應(yīng)用，進(jìn)一步提升了信息傳輸容量和實(shí)時性；在信息處理層面，云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)發(fā)展實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的數(shù)據(jù)實(shí)時歸集、統(tǒng)一存儲與共享，形成“計(jì)算能力+數(shù)據(jù)+模型+算法”的強(qiáng)大“算力”；在信息應(yīng)用層面，深度學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)取得突破性進(jìn)展，結(jié)合新型電力系統(tǒng)發(fā)展要求，可重點(diǎn)開展人工智能技術(shù)在負(fù)荷建模、新能源設(shè)備建模、電力電子設(shè)備建模、狀態(tài)檢修、負(fù)荷預(yù)測、設(shè)備缺陷和故障識別、系統(tǒng)優(yōu)化等領(lǐng)域的研究與實(shí)踐。

4.3 與社會系統(tǒng)融合泛化發(fā)展

電力系統(tǒng)數(shù)字化技術(shù)發(fā)展將貫穿電力企業(yè)生產(chǎn)、管理、經(jīng)營全過程，并有效推動推動能源行業(yè)全要素、全產(chǎn)業(yè)鏈、全價值鏈深度互聯(lián)與協(xié)同優(yōu)化，支撐內(nèi)外部服務(wù)撮合，促進(jìn)能源生態(tài)系統(tǒng)形成。

1)促進(jìn)電力企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營活動的泛化互動。新一代數(shù)字技術(shù)將逐步覆蓋電力企業(yè)生產(chǎn)、管理和經(jīng)營全過程，實(shí)現(xiàn)企業(yè)經(jīng)營管理活動的數(shù)字化，促進(jìn)跨層級、跨地域、跨系統(tǒng)、跨部門的業(yè)務(wù)協(xié)同，以數(shù)據(jù)驅(qū)動管理流程再造、組織結(jié)構(gòu)優(yōu)化，促進(jìn)企業(yè)人、財(cái)、物資源優(yōu)化配置，提高企業(yè)經(jīng)營管理效率和質(zhì)量，促進(jìn)電力企業(yè)降本增效。

2)促進(jìn)能源系統(tǒng)生產(chǎn)、傳輸、消費(fèi)過程的泛化互動，以數(shù)字技術(shù)支撐能源系統(tǒng)深度互聯(lián)和協(xié)同優(yōu)化。電力企業(yè)可通過構(gòu)建統(tǒng)一的數(shù)字化平臺[17]，面向政府、能源生產(chǎn)商、設(shè)備制造商、配售電商、能源增值服務(wù)商、能源終端用戶等各能源產(chǎn)業(yè)鏈參與方，整合能源流、信息流、價值流，向上游整合多種可再生能源，向下游整合智慧用能、需求側(cè)管理，橫向?qū)崿F(xiàn)多網(wǎng)融合、多能互補(bǔ)整合能源產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)質(zhì)資源，開展面向能源生產(chǎn)、傳輸、消費(fèi)等環(huán)節(jié)的新業(yè)務(wù)應(yīng)用與增值服務(wù)。

3)促進(jìn)社會系統(tǒng)的泛化互動，推動社會資源優(yōu)化融合。電力企業(yè)可利用新一代數(shù)字技術(shù)提升對企業(yè)內(nèi)外部環(huán)境的洞察力，整合、共享企業(yè)內(nèi)外部資源，與能源、交通、金融等行業(yè)泛化互動，促進(jìn)城市能源服務(wù)體系構(gòu)建，為智慧城市提供能源供給保障，引導(dǎo)能源在城市中的合理布局，提升清潔能源供給能力，提升能源管控和應(yīng)急處置能力，預(yù)防和降低能源災(zāi)害，實(shí)現(xiàn)智慧城市對能源安全、綠色環(huán)保、安居樂業(yè)的要求；同時，可主動對接數(shù)字政府建設(shè)，利用電力企業(yè)優(yōu)質(zhì)的數(shù)據(jù)資源，為經(jīng)濟(jì)發(fā)展、城市規(guī)劃、城市治理等提供決策支撐；其三，可實(shí)時且廣泛地建立、打通和優(yōu)化電力企業(yè)和外部生態(tài)的關(guān)系，強(qiáng)化各利益相關(guān)方的銜接紐帶和運(yùn)轉(zhuǎn)鏈條，推動社會各層面的融合互動，促進(jìn)跨界生態(tài)合作。

5 結(jié)語

數(shù)字技術(shù)推動了信息社會進(jìn)入“大機(jī)器”信息處理時代，隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，電力系統(tǒng)數(shù)字化經(jīng)歷了物理系統(tǒng)、信息物理系統(tǒng)、信息物理社會系統(tǒng)3個階段，未來，電力系統(tǒng)數(shù)字化將呈現(xiàn)物理系統(tǒng)深化、信息系統(tǒng)強(qiáng)化、社會系統(tǒng)泛化三大發(fā)展趨勢。下一步，一是要加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)，在深入研究電力系統(tǒng)數(shù)字化理論的基礎(chǔ)上，科學(xué)制定電力系統(tǒng)數(shù)字化發(fā)展規(guī)劃、建設(shè)目標(biāo)和建設(shè)計(jì)劃，深入研究數(shù)字電網(wǎng)建設(shè)的推進(jìn)機(jī)制，促進(jìn)電力系統(tǒng)數(shù)字化健康、有序發(fā)展；其二，要加大關(guān)鍵核心技術(shù)研發(fā)力度，針對電力系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險和關(guān)乎電力系統(tǒng)長治久安的關(guān)鍵問題開展研究，充分運(yùn)用新一代數(shù)字技術(shù)破解系統(tǒng)運(yùn)行和發(fā)展難題；其三，需加快電力系統(tǒng)數(shù)字化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)，提升電力系統(tǒng)數(shù)字化建設(shè)的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化水平，并推動電力系統(tǒng)數(shù)字化相關(guān)的行業(yè)、國家乃至國際標(biāo)準(zhǔn)制定，以標(biāo)準(zhǔn)引領(lǐng)電力系統(tǒng)數(shù)字化的發(fā)展。

新型電力系統(tǒng)背景下，全社會能源體系中以風(fēng)和光為代表的可再生能源將逐步占據(jù)主導(dǎo)地位，清潔能源配置需求急劇攀升，未來電網(wǎng)將呈現(xiàn)出交直流遠(yuǎn)距離輸電、區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)、主網(wǎng)與微電網(wǎng)互動的形態(tài)[20]。電力系統(tǒng)數(shù)字化將發(fā)展為信息、物理、社會系統(tǒng)融合互動的數(shù)字電網(wǎng)，在提升電力系統(tǒng)安全、可靠、綠色、高效運(yùn)行水平的基礎(chǔ)上，引領(lǐng)電力企業(yè)生產(chǎn)、管理、經(jīng)營方式重塑，推動能源產(chǎn)業(yè)價值鏈整合，支撐能源生態(tài)系統(tǒng)的形成，并促進(jìn)電力系統(tǒng)與社會系統(tǒng)的互動，成為數(shù)字經(jīng)濟(jì)和數(shù)字中國建設(shè)的重要組成部分。