物联网-创新景观简介

    益处

物联网设备通过收集、传输和使用大量数据，智能集成电网，实现联网用户，优化电网运行，提高电网灵活性。

物联网对太阳能和风能集成的好处

2.    关键的启用因素

达到技术的成熟度和可靠性

确保数据隐私

解决网络安全方面的挑战

制定通信程序和协议

3.    快照

到2025年，全球可能会连接到750亿台设备

电力行业的大多数物联网项目都专注于需求侧的应用（例如，智能家居）

数字系统和数据分析可以：

降低运维成本

促进可再生能源发电

减少可再生能源的削减

什么是物联网？

智能设备可以实时监控、交流和解释来自周围环境的信息。由此产生的物联网（IoT）使有意义的数据收集和系统优化成为可能。

 物联网

物联网（IoT）使智能电网成为可能。随着电力系统变得越来越复杂和分散，物联网应用增强了网联网设备的可见性和响应性。

关于这个简报

这是IRENA项目“可再生能源未来的创新景观”的一部分，该项目绘制了相关创新，确定了协同效应，并制定了将高份额的可变可再生能源（VRE）整合到电力系统中的解决方案。

综合报告，《可再生能源未来的创新景观：整合可变可再生能源的解决方案》（irena，2019年），说明了不同创新之间需要协同作用，以创造实际的解决方案。推动太阳能和风能的吸收的解决方案跨越了创新的四个广泛维度：支持技术、商业模式、市场设计和系统运营。

除了综合报告，该项目包括一系列摘要，每个都涵盖了在这四个维度确定的30个关键创新中的一个。下图列出了这30项创新成果。

数字化，以支持VRE的集成

数字化是电力部门转型的一个关键放大器，使大量数据的管理和优化日益复杂的系统成为可能。对于电力行业来说，数字化本质上是在将数据转化为价值（IRENA，2019a）。数字化在电力领域日益增长的重要性，也是另外两个创新趋势取得进步的结果：权力下放和电气化。分散是由小型发电机的部署增加导致的，主要是屋顶太阳能光伏（PV），连接到配电网。运输和建筑物的电气化（加热和冷却）涉及大量的新负荷，如电动汽车、热泵和电动锅炉。供需方面的所有这些新资产正在增加电力部门的复杂性，使监测、管理和控制对能源转型的成功至关重要。

数字技术1可以在几个方面支持可再生能源部门，包括更好地监测、运营和维护可再生能源资产；更精细的系统操作和控制更接近实时；实施新的市场设计；以及新的商业模式的出现。在可再生能源未来报告的创新景观背景下，irena的分析集中在数字技术的一个具体应用上：将VRE技术集成到电力系统中。因此，我们进一步研究了三个特定的数字技术组：1）物联网（IoT）；2）人工智能（AI）和大数据；以及3）区块链。分析表明，这些都不是灵丹妙药，而是相互加强，作为数字解决方案工具箱的一部分，以优化日益复杂的基于可再生能源的电力系统的运行。

图1：电力部门复杂性的增加需要数字创新的组合

本简要概述了物联网及其在能源领域的适用性，重点介绍了该技术如何有助于增加VRE在电力系统中的份额。

一、 说明

我们这个日益数字化的世界正变得越来越相互联系。物联网（IoT）将影响几乎所有行业，因为机器开始自主交流和做出决定，而无需人工干预。创新范围包括智能恒温器，根据消费者是否在家里来调整家里的温度，最大化能源效率；冰箱在食物不足时自动订购杂货；到机械部件上有能力收集数据的传感器，通过先发制人地通知很快就需要维护，从而帮助避免代价高昂的故障。

但是什么是物联网呢？物联网是嵌入了电子设备、软件、传感器和交换数据的物理设备（也被称为“联网设备”和“智能设备”）的互联网络。简单地说，物联网将物理对象转换为智能设备，以实时收集通信、监控和解释来自周围环境的信息（WCO，2019）。物联网通过互联网连接设备，每个设备都有一个独特的IP地址，可以通过基于云的控制系统进行远程监控和控制。物联网的目标是使我们生活的各个方面日益自动化，同时提高流程的效率。

在电力领域，物联网可以在使电力系统更高效或更“智能”方面发挥重要作用。物联网是“智能电网”的支柱，本质上是一个“能够智能整合所有与其相连的用户的行动——发电机、消费者和两者都有的用户——以有效地提供可持续、经济和安全的电力供应”（IEC，2019）。智能电网的特点包括快速可控的双向电力流、自动的、双向的信息流，甚至是在经济基础上的自动系统调度。

当考虑到系统的去中心化时，通过部署分布式能源生成和电池存储，物联网由于其聚合数据的能力，在新的管理和商业模式选项方面具有巨大的潜力。分布式能源资源的部署将一个典型的电力系统从拥有数百个控制点改变为潜在的数百万个控制点。未来的分散系统需要微观层面的监测和控制，以发挥其作为服务提供者的潜力，以加强电力系统的运行。

物联网技术有潜力增加与电网相连的智能资产的灵活性和响应性，以及系统运营商对这些资产的可见性。物联网技术通过连接能源供应商、消费者和电网基础设施，物联网技术旨在促进复杂系统的运营，并通过需求侧管理提供不同的服务，进一步将其资产创造的价值货币化，从而开辟新的商业可能性。

图2：上下文中的物联网——智能电网从需求和供应两个方面连接智能设备

二、对电力部门转型的贡献

物联网技术，即设备产生的数据和它们提供的自动控制，正在支撑一个历史性的转变，这将导致更清洁、更分布式和越来越智能的电网。改善整个价值链的信息可用性可以使更好的决策支持工具（如人工智能），并实现远程控制和自动化决策执行（例如，通过即时操作控制数百万个设备，如算法交易或自动驾驶汽车）。数字监控技术在发电和传输领域的应用是几十年来的重要趋势，最近开始深入电力系统。物联网可以更好地实现对资产和运营的管理，从而实现更大的可靠性和增强的安全性，以及新的服务和业务模式。

本摘要将重点介绍支持高份额VRE集成的物联网应用程序。数百亿个连接的传感器和设备跨网络发送和接收大量粒度数据的破坏性影响仍在研究中。它存在着巨大的潜力，特别是通过需求侧管理来提高电力系统的灵活性。物联网还带来了在供需两方面优化系统的解决方案，从而为将大量的可变可再生能源发电集成到系统中带来了巨大的机会（见图3）。

图3：能源价值链的数字化状态

可再生能源发电预测

物联网能够在整个电力系统基础设施中分发计算智能，并能够实时访问来自远程风电场、太阳能发电厂或水电站的数据。过去的一代和天气模式，加上通过数字系统收集和交流的实时数据，可以帮助提高可再生能源发电预测的准确性。这将使可再生能源能够参与电力市场，并帮助运行该系统。

随着风力输出水平的上升，风力发电的预测误差会增加，这使得输电网络的管理更加困难。通用电气估计，通过实施数字系统和数据分析，预测精度可以从目前的约88%提高到94%（更多细节见irena对可变可再生能源发电的简短、高级预测[IRENA，即将发布]）（GE，2016）。此外，IBM在2019年消费电子展大会上宣布，它的目标是利用众包传感器数据来改善全球的本地天气预报。IBM表示，通过使用全球高分辨率大气预报系统（GRAF），它可以提供平均每小时更新的提前日预报，分辨率为3公里。GRAF通过众包的方式将物联网数据整合到其天气模型中（Dignan，2019年）。

最近，美国公司特斯拉在南澳大利亚315兆瓦霍恩斯代尔风电场委托了世界上最大的锂离子电池存储容量100兆瓦/129MWh，为南澳大利亚电网提供应急储备和频率调节服务。澳大利亚能源市场运营商最近的一份报告指出，该项目提供的频率调节服务既快速又精确，可与传统同步发电机组提供的服务相媲美（AEMO，2018）。

电厂的自动控制

围绕电力供应链各个方面的数据的可用性使系统运营商能够对各种因素做出更精确的预测。实时数据可以补充目前基于历史数据的能源供应管理的做法。这种从反应性操作到前瞻性操作的转变是智能电网和物联网技术的定义性和最重要的特点之一，提供了更好的操作控制。

应用范围从风力涡轮机叶片中的嵌入式传感器，感知变化的风力条件，及时实时调整螺距和旋转，以最大化效率，到变电站控制系统，可以快速响应网络中断，从而在没有人工干预的情况下减少停机时间。类似地，安装在太阳能板上的光传感器可以指示阳光最高的点，而微控制器可以激活一个通过垂直轴倾斜45°角度的电机和另一个通过360°角度旋转面板的电机。

保持电网的稳定性和可靠性

数字技术可以帮助保持电网的稳定性和可靠性，改善系统的运行。利用物联网来连接、聚合和控制工业和住宅负荷，可以使它们参与频率调节市场，并为电网提供平衡服务。智能通信网络是构建智能电网的基础。此外，变电站自动化可以进一步改善运营，引领完全自主的能源电网。通过这种方式，该系统可以利用现有资源，更有效地应对工业规模的可再生电厂和较小的分布式发电的间歇性。

然而，在电网能够被控制和自动化之前，它必须是可观测的和可测量的。变电站自动化帮助公用事业公司增加保护和控制功能，同时也为电网基础设施的性能和健康状况提供更大的可见性。系统运营商正在投资通信网络，以提高他们对电网资产的态势感知，以控制、自动化和集成系统。当峰值负荷需求被“平滑化”时，就产生了价值，减少了昂贵的旋转储量的使用，并减轻了对新一代电厂的长期投资和其他资本投资的需求。思科正在致力于变电站自动化方面的研究（思科，2018年）。

此外，思科还在致力于通过现场局域网（FAN）实现电网的现代化。FAN旨在帮助实现对能源分配网络的广泛监测和控制，以加强能源输送。思科多服务FAN解决方案基于灵活的两层架构，可生成IP网络服务，如安全性、服务质量、弹性和管理，支持用例，如高级仪表基础设施（AMI）、分发自动化和劳动力自动化（Cisco，n.d.）。

分布式能源资源的聚集和控制*

能源系统的分散必须与数字化相协调。由于分布式能源的部署，电网变得更加复杂，系统运营商需要对电网不断变化的情况有更大的可见性。从单向电力流到双向电力流的转变——有间歇性分布的分布式资源，如风能或太阳能，以及如现场储能或电动汽车向主电网充电等仪表后的过程——需要数字技术来适应。此外，最终用途部门的电气化将意味着供热和运输的电气化所带来的需求的预期增长，如果没有数字需求管理技术，将需要大幅增加电网容量。

通过平衡电网的间歇性和调节潮流，自动控制分布式电网将支持电网运行。数字化将使系统运营商能够提醒分布式电网当前需求的能源资源，以便消费者、零售商或其他服务提供商能够作出相应的反应并受益。物联网可以通过改进对终端设备的监控和集成到系统中的数据集成来支持这一过程。配电自动化和物联网已经被引入电网，聚合器是促进分布式能源参与电力和辅助服务市场的关键新兴参与者（更多细节见创新景观简要聚合器[IRENA，2019c]）。

在比利时，电力传输系统运营商Elia接受分布式能源资源容量，以弥补生产和峰值电力需求之间的不匹配。聚合器，如再生池和下一个池，从分布式能源资源中为Elia提供所需的能力。利用物联网技术，重新存储聚合灵活的工业能力——总计1.7亿瓦，并不断监测电网负载。在需求高峰时刻，REstore旗下的公司通过自动控制实现负载转移，帮助维持电网平衡。通过数字化，下一个克拉夫特韦克将在虚拟发电厂（VPP）的下一个池中聚集5 000个能源生产和能源消耗单元。VPP的总容量超过4 100兆瓦（不仅仅是在比利时），在不同的能源现货市场上交易总电力。VPP通过巧妙地分配单个单元在峰值负荷期间产生和消耗的电力，大大有助于稳定电网。

需求侧管理的自动化

物联网能够实现微规模的需求侧管理，并为系统提供灵活性，前提是有使用时间电价，以在VRE可用时鼓励电力消耗。家用电器的自动化和数字化，以及面向消费者的现成服务，是需求管理和需求响应的关键。

恒温器、照明和能源监测和控制越来越多地嵌入与互联网连接的智能手机，智能设备可以远程控制。“智能电器”自20世纪80年代就开始使用了，但它们的“智能”意义仅在于它们有电脑芯片来监控操作，并向用户通报问题。向现有的传感器和诊断系统添加通信功能和远程控制，可以创建一个功能良好的能源管理系统。物联网可以将房屋变成智能家居，并有望推动创新，并为消费者创造新的商业模式，如新的需求管理形式和传统能源消耗模式的创造性替代品。

图4：物联网和智能家居

数字化系统对建筑能源效率的影响很明显。从设计用于监测室温的传感器到控制整个建筑能源使用的复杂应用，物联网技术正在削减成本，创造更高效、更高效的联网建筑。在商业建筑中，连接设备和综合能源管理系统产生的数据可用于减少未充分利用区域的供暖或制冷，并在办公室或空间空一人时调整照明。

添加人工智能算法可以进一步提高能源效率（见创新景观简介，人工智能和大数据[IRENA，2019d]）。根据美国能源部（美国能源部，2019年）的数据，仅在美国，平均商业建筑中30%的能源就被浪费了。在欧洲，总部位于斯德哥尔摩的电信公司Telia已经与ONE Nordic AB签署了一项协议，为瑞典电力分销商埃勒维奥连接近100万台电表。此次合作将依赖于Telia最近推出的窄带物联网（NB-IoT）网络，这是一种低功耗、广域的技术，旨在大规模提供少量物联网数据（Telia，2019年）。

E. ON是欧洲最大的能源公司之一，已与微软合作，将AzureSphere（一种物联网解决方案，结合了安全芯片、独特的操作系统和云服务，以确保软件更新）集成到公司的“E.ONHome”解决方案中，以确保需求侧资源的管理（微软，2018年）。这些设备旨在为消费者提供更高的安全性、可见性和对其资产的控制，如图5所示。

图5：E. ON Home，由微软Azure球体技术保护

另一个例子是Flex PowerPlay，这是一个于2017年在澳大利亚推出的智能家居能源平台，由三个元素组成：太阳能电池板、一个家庭电池和一个物联网监控系统。能源应用程序允许用户简单地在各种电器之间切换，并自动控制电源负载，帮助控制能源消耗和相关成本。类似的优化解决方案对于用户获得其太阳能系统的好处和减少电费将是必不可少的。用户可以通过智能手机上的应用程序实时监控自己的发电能力，并管理它。PowerPlay与智能技术设备一起工作，可以编程在晚上打开灯，白天再关灯。用户还可以远程控制他们的空调、电视和音响系统。该平台不仅显示了实时能源产生的确切数量，而且还允许消费者自动优化他们的消费。

2017年，SP集团推出了“SP公用事业应用程序”，旨在赋予消费者知识和工具，使他们能够优化电力消耗，降低成本。新加坡约25%的家庭使用了这款应用，该应用允许那些拥有先进电表基础设施（AMI）或智能电表的用户每隔30分钟监控自己的用电量数据。SP Group还推出了一个新功能，以帮助简化面对无数零售商和零售计划选择的消费者的决策过程。该引擎将消费者当前的公用事业消费与可用的零售计划相匹配，并推荐为消费者节省最好成本的计划（新加坡电力公司，n.d.）。

已连接的微网的运行

微电网将电力需求与分布式能源结合成一个单一的可控实体，可以与电网独立运行。微型电网使可再生能源能够在与电网连接的地区部署，允许当地发电有时独立于主电网，以及在未连接到电网的地区，用分布式发电为偏远社区提供电力。

数字工具允许一个微型网格自动处理众多的独立设备，预测需求和产生，运行系统，优化储备，控制电压和频率，并在可能的情况下连接或断开从主电网。平衡这些来源越有效，微型电网的发电成本就越低，而向主电网提供的额外服务的收入就越高。例如，分别来自澳大利亚和美国的研究机构CSIRO和国家可再生能源实验室正在共同努力，通过创建一个可插即用的控制器，来简化可再生能源微型电网系统的集成（NREL，2016；Ritchie，2013）。

新工具，包括区块链与智能设备配对的新工具，可以促进小型网格系统中的分散化、点对点交易。因此，这些工具可以提高透明度，并有可能为生产企业提供新的收入流，同时降低运营成本（见创新景观简报可再生微型网格[IRENA，2019e]和创新景观简报区块链[IRENA，2019f]）。

优化市场运营

一个能源以较短的增量进行交易的系统更难管理，并且需要更大程度的自动化。数字系统可以监控远程发电机，并自动向操作员发送简单的指令、操作数据和修正。

算法交易，或称算法交易，是一种新兴的电力交易方法。自动交易是一种使用自动预先编程的交易指令执行大订单（太大而不能一次填满全部）的方法，考虑诸如时间、价格和数量等变量，随着时间的推移将订单的小部分发送到市场。这些方法是在金融部门发展起来的，因此交易员不需要经常观察股票和手工执行交易。目前，在德国盘中市场进行的交易中，超过50%是场内交易（EPEX Spot，2018）。通过数据收集和物联网通信系统，算法能够根据市场价格的变化和预测的变化来调整位置，比雇佣人工交易员团队全天候运营的成本更低。

在电力领域的其他物联网应用

物联网数据的另一个关键好处是进行预防性维护。主动的测试和维修可以减少机器的停机时间和维护成本。这可以应用于发电、传输和分配系统，所有这些系统都是资产密集型的。例如，智能设备和传感器可以从远程设备发送信息，表明即将发生的故障，从而避免了昂贵的停机时间或损坏。GE的Predix平台旨在简化工业应用的数据收集和转发，以便使企业能够进行智能预测维护（GE，2019年）。

数字系统有望通过实践和系统提供显著的操作和维护（O&M）节约，例如：从收集的数据和趋势进行基于条件的维护；减少人力；减少人为错误的影响；改善资产寿命管理；优化资产利用。在全球范围内，国际能源机构估计，2016年发电和电网的运维成本仅略高于3000亿美元。到2040年，通过数字化实现的运营和维护成本降低5%，可以节省企业，并最终节省消费者，平均每年接近200亿美元（国际能源署，2017年）。

此外，可以通过确定和解决效率低下的原因，以及更好地获取可再生能源，并通过显著改善长期、中期和短期的天气预测（从而尽量减少对运营储备的需求），来提高电力产量。

三、 实现部署的关键因素

物联网技术仍面临一些严重的挑战，需要在广泛实施之前加以克服。最大的因素包括可靠性、安全性和通信。

技术的成熟度和可靠性

物联网本质上意味着要让机器进行通信。在消除人为干扰之前，基本原理应该是坚实的和可靠的，因此对每个单一的实施都需要高质量的标准。这意味着一种多阶段的实施方法：从设置传感器、数据收集、数据预处理、处理、测试和网络安全风险管理，到应对（新的）监管政策。

虽然一些消费者已经在使用活动追踪器、智能恒温器和无人机等智能设备，但工业物联网在被广泛使用之前还需要满足额外的条件。可靠性就是其中之一。在钢铁行业中，智能恒温器和家用锅炉之间或过程控制传感器之间的连接故障会产生截然不同的后果。

物联网技术的工业采用，包括工业机器、工厂和建筑，提供了巨大的机会。为了增加物联网技术的使用，同时确保可靠性，在部署前需要有高质量的软件工程师和对物联网设备进行广泛的测试。此外，应该有一个本地接口，允许用户在发生故障时覆盖系统。

IDC的一项研究预计，“智能制造”将是物联网在能源领域最大的潜在应用（IDC，2017）。

数据保密

随着我们进入一个更加互联、数字化的世界，数据权利和隐私变得越来越重要。例如，电动汽车可以交换可能被认为是个人的信息，比如它们的位置或一天中使用能源或充电时间的详细信息。智能家用电器可以收集有关个人习惯的数据，比如你何时在家和何时睡觉。隐私有两个问题：一方面，数据可能被商业（合法）利用，另一方面，数据可能被窃取和非法利用。需要正确地解决诸如安全身份验证、标准化、互操作性和责任等问题。

数据所有权、数据位置和数据保护也将需要在国家和国际一级采取行动。例如，在欧盟（EU）中，关于个人数据处理和这些数据自由流动的自然人的条例2016/679制定了严格的规则（EC，2016）。考虑到全球范围内的数据隐私法规，特别是自2018年5月起生效的欧盟通用数据保护法规（GDPR）所要求的法规，不断增长的物联网产生的数据量是一个紧迫的问题。物联网设备的开发者和消费者都应该意识到数据隐私和安全方面的影响（IEEE，2019）。

图6：物联网数据隐私的问题

网络安全

安全是物联网技术得到广泛部署所需要解决的一个重要问题。能源数字化带来了一些风险和挑战，其中最重要的是保证网络中立性、确保公平竞争、保护个人隐私、确保数据安全，以及打击网络犯罪和网络恐怖主义。

当我们自动化控制并将人类从决策过程中移除时，我们可能会引入系统性故障或系统性网络破坏的可能性。挑战不仅在于使系统更安全以防止不必要的入侵，而且在于使系统对难以防止的不可避免的入侵尝试更具弹性。超级系统将被要求监控和控制攻击的影响，以及可以被隔离的系统，在这些系统中，任何一点故障（错误或破坏）都不会破坏整个能源系统。

越来越多的连接设备（图6）为攻击提供了广阔的表面，最近Mirai IoT僵尸网络显示了这一点 3和其他，它们利用安全性较弱的物联网设备。例如，Mirai僵尸网络通过运行精简版Linux操作系统的某种处理器扫描互联网，寻找物联网设备。其中许多设备使用默认用户名和密码组合，这使Mirai能够登录并感染它（Cloudflare，2019）。为了打击这些类型的攻击，并确保物联网设备记录和传输的信息的有效性（通过使设备更抗篡改），微软推出了Azure Sphere，这是一个运行自己操作系统的安全微控制器单元，并由微软云服务支持定期更新。目标是提供端到端的物联网安全，以应对新出现的威胁（微软，2019）。

通信程序、标准和协议

受益于这种权力下放的增加，需要各方都能够共享有关其消费/生产状态的数据，并对价格信号进行响应（自动或自动）。由于这些好处分布在如此多的参与者身上，这样一个系统的可行性取决于参与者彼此遵守协议并得到适当的补偿。

存在各种方法，可以改善许多设备之间的通信和建立透明、可执行的合同。基于区块链的解决方案就是一个例子。由于区块链应用程序能够支持支付和智能合同，因此可以加速能源领域物联网用例的开发（见创新景观简介区块链[IRENA，2019f]）。

需要制定通信协议和标准，以确保不同设备之间的顺利通信。例如，如今的设备依赖于NFC、WiFi、Zigbee、蓝牙、DigiMesh和线程等，但缺乏持续连接各种设备数据的明确方法（明信片，2019年）。联盟和组织正在努力通过建立物联网协议来解决通信问题。

四、 当前状态和正在进行的举措示例

到2025年，全球预计将有750亿台设备联网，为消费者、制造商和公用事业供应商提供丰富的信息（Statista，2018）。物联网的崛起与人工智能的崛起是同步的，人工智能由大数据驱动，因为它提供了提供机器学习算法所需的粒度信息（参见创新景观简介人工智能和大数据[IRENA，2019d]）。部分由于物联网设备的激增，所产生的数据激增，将在未来几年或几十年为新技术提供动力，并开启新的行业。

图7：2015年至2025年全球物联网已联网设备安装基数（以数十亿美元计）

通用电气估计，通过实施数字系统和数据分析，可再生能源的运维成本可以降低10%，发电增加8%，削减削减25%。应用于天气和发电厂输出数据的机器学习算法可以将预测精度从整个行业的约88%提高到94%（GE，2016；通用电气，2017）。

最重要的是，复杂系统从物联网集成中获得的收益最多，其中许多参与者和设备通过从电网中注入或抽出电力来参与电力系统。为了充分解决物联网在智能能源方面的潜力，最终目标是将该系统转变为一个以客户为中心的系统，可以为终端消费者提供更多的增值服务。大量的公司、ums、基金会和团体正在研究不同层次的物联网技术：应用程序层、数据层、连接层和设备层。表1给出了物联网价值链中主要参与者的非详尽抽样。

表1物联网价值链中的主要参与者

表2提供了在物联网和电力行业的交叉点工作的公司、企业和基金会的非详尽抽样，特别是与VRE集成相关的机构。由于越来越多的权力分散，表中提到的很大一部分用例属于需求侧管理的自动化，这导致了自我消费和消费者方面提高能源效率的机会。

表2在电力行业从事物联网工作的公司、企业、单位和基金会

五、 实施要求：检查表

附录

表A1负责制定物联网标准和协议的组织

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