電力系統(tǒng)自誕生之日起就一直在應用數(shù)字技術推動其數(shù)字化進程。
從最初的布爾代數(shù)和繼電器應用，到電子管、晶體管、大規(guī)模集成電路，再到后來的電子計算機和網絡技術，直至當今的“云大物移智”等新一代數(shù)字技術，均一出現(xiàn)就很快被運用于電力系統(tǒng)生產運營實踐。
結合數(shù)字技術發(fā)展進程和其與電力系統(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。
電力物理系統(tǒng)
19世紀中葉，電磁現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)和相關技術的發(fā)明，加之工業(yè)化進程對能源動力的強烈需求，19世紀末20世紀初電力工業(yè)應運而生。
直到20世紀60年代，電力系統(tǒng)呈現(xiàn)出交流輸電占主導、輸電電壓較低、電網規(guī)模小等特征。此階段對應于以硬件布線承載數(shù)字邏輯的發(fā)展階段，基于數(shù)字邏輯實現(xiàn)了早期電力系統(tǒng)的繼電保護功能，實現(xiàn)了初步的自動化；
設備信息主要以臺賬、定值單、運行記錄等進行手工記錄和傳遞，業(yè)務信息以紙質文件進行人工傳遞，存在效率低下、修改困難、難以保存、溝通成本高、易產生偏差、運行狀態(tài)掌握不及時、不精細、信息不對稱等諸多弊端。此階段，電力系統(tǒng)數(shù)字化以繼電保護和簡單自動裝置應用為主要標志，呈現(xiàn)出物理系統(tǒng)自動化的雛形。
20世紀70年代，單體軟件開始在電力系統(tǒng)得到應用，例如，繪圖軟件應用促進了電網繪圖效率和精度提升，且易于修改、便于存儲；又如，計算機技術發(fā)展改變了電網計算業(yè)務形態(tài)，電網計算從使用傳統(tǒng)的計算尺、晶體管計算機到微機、小型機等，計算效率大幅提升。
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)和運行系統(tǒng)技術邊界的相互獨立性高，電力系統(tǒng)主要呈現(xiàn)出其物理系統(tǒng)屬性。
電力信息物理系統(tǒng)
20世紀60年代至90年代，電力系統(tǒng)規(guī)模快速擴大，逐步形成了以大機組、超高壓輸電和電網互聯(lián)為主要技術經濟特征的大型互聯(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，這標志著我國電網正式邁入500 kV超高壓時代；1985年，我國第一臺0.6GW火力發(fā)電機組投產運行，標志著我國電源邁入中大型機組時代。
此階段正值數(shù)字技術從單機應用逐步向計算機網絡應用發(fā)展的階段，電力企業(yè)計算機應用從離線系統(tǒng)向在線系統(tǒng)發(fā)展，極大地促進了電力系統(tǒng)自動化水平和生產運營效率提升，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。電力信息物理系統(tǒng)如圖4所示。
電力信息物理系統(tǒng)具有以下特點：
1、設備自動化水平不斷提升，部分設備通過數(shù)字化升級改造，工作性能明顯提升。例如，電網繼電保護裝置的核心元器件不斷更新迭代，從電磁式、晶體管、集成電路到微機保護，逐步達到高可靠、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70年代，調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)網等數(shù)字技術的發(fā)展，逐步實現(xiàn)了調控一體化。
2、管理信息化水平不斷提升，從單體軟件應用發(fā)展為信息集成應用，逐步實現(xiàn)了企業(yè)日常經營管理核心業(yè)務全面覆蓋，實現(xiàn)從分散建設到集中建設、從局部應用到企業(yè)級應用的轉變，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)據資源。按計算機及網絡技術發(fā)展水平及其在電力系統(tǒng)中的應用深度，可將電力系統(tǒng)數(shù)字化分為局域網及互聯(lián)網階段，具體如下：
1）局域網階段：局域網技術在電力系統(tǒng)中的應用始于20世紀90年代中期，為適應電網內部區(qū)域性信息流下的各類業(yè)務要求，應用局域網組網技術構建了企業(yè)內部的通信網絡平臺。此階段系統(tǒng)建設大多呈現(xiàn)“獨立建設、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)定運行的要求。
以電網二次系統(tǒng)為例，由于缺乏對全網性、跨部門、跨專業(yè)等協(xié)同作業(yè)要求的技術架構和標準支撐，系統(tǒng)建設較為分散、信息孤島現(xiàn)象突出，各專業(yè)系統(tǒng)及裝置之間的協(xié)調控制困難，廠站間缺乏配合，導致電網運行效率較為低下，并帶來巨大的運行維護工作量。
2）互聯(lián)網階段：此階段計算機網絡遵循國際標準構建，具備統(tǒng)一網絡體系結構，軟件系統(tǒng)從單機計算環(huán)境向網絡計算環(huán)境延伸，EAI、SOA等技術發(fā)展迅猛，促進了電力系統(tǒng)信息集成發(fā)展。圖5所示為南方電網一體化電網運行智能系統(tǒng)(overallpower grid operation intelligent system，OS2)。
該系統(tǒng)設計遵循SOA標準體系，在主站端系統(tǒng)集成了以EMS、DMIS、保信等為核心的電網運行監(jiān)控以及業(yè)務管理功能，在廠站端突出強化建設了站控層數(shù)據整合、站端智能化應用功能，實現(xiàn)了“一體化、模塊化、智能化”的系統(tǒng)建設目標。
在此階段，信息系統(tǒng)的融合和支撐推動電網從物理系統(tǒng)發(fā)展為信息物理系統(tǒng)，在物理世界全面感知的基礎上，通過信息空間虛擬網絡和電網物理空間實體網絡的相互協(xié)調，支撐物理電網具備更高的可靠性、安全性、靈活性、自治性和經濟性。
社會信息物理系統(tǒng)
電力系統(tǒng)數(shù)字化的進程中，隨著社會傳感器技術發(fā)展進步，社會傳感器網絡實現(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，信息空間與物理世界、人類社會的互動更為全面、實時。
電力系統(tǒng)數(shù)字化發(fā)展進入數(shù)字電網發(fā)展階段，互聯(lián)網技術與“云大物移智”等新一代數(shù)字技術快速崛起并融合發(fā)展，信息社會發(fā)展進入“大機器”時代。數(shù)字電網特點可從廣度、深度、速度、跨度4個維度展開分析。
在廣度上，數(shù)字技術覆蓋電網發(fā)、輸、變、配、用全環(huán)節(jié)，貫穿規(guī)劃、建設、運行、營銷等全業(yè)務過程，并延伸至能源產業(yè)價值鏈與能源生態(tài)系統(tǒng)；
在深度上，數(shù)字技術與業(yè)務的深度融合，持續(xù)促進電網企業(yè)數(shù)據價值釋放，極大的引領技術革新和業(yè)務變革；
在速度上，數(shù)字技術促進電網企業(yè)對內、外部環(huán)境的全面洞察和快速反應，實現(xiàn)數(shù)字技術對海量信息的接入、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，支撐內外部服務撮合，催生平臺經濟，促進社會治理能力提升，支撐數(shù)字經濟和數(shù)字中國建設。
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