配电企业的数字化转型之道(配电企业如何在数字化转型中立于不败之地)

　　配电企业的数字化转型之道(配电企业如何在数字化转型中立于不败之地)-施耐德电气

　　概要

　　分布式能源(DER)和互联互通的数字技术的迅速发展给行业带来了巨大变化，其中，配电企业所受到的影响要比其他企业更为深刻。要想在这场变革中取胜，配电企业必须制定有效的战略来充分利用数字化趋势，如物联网、信息技术(IT)与运营技术(OT)融合、大数据和分析以及互联互通的智能技术，并调整相应的政策和市场框架，将数字化变革真正转化为产业优势。

　　简介

　　配电行业正在全球范围内经历一场巨大的变革。

　　分布式能源(DER)只是这场变革的开端。过去的配电系统侧重于集中发电和无源负载，且无法应对日益增加的能耗、复杂性及分散化发电需求。传统系统架构未将分布式、用户自主控制的能源资产提供的负载考虑在内，例如屋顶太阳能、微电网、灵活的需求侧资源、分布式蓄电和电动车等。

　　从更广的层面看，尽管还不普遍，但这正在造成各种形式的断电。发电正在变得日趋分散化, 引导着新的参与者们。大家紧密协作，都在为分散化的发电市场发挥着各自的作用。这些变化的形式因地理、历史、经济及其他因素的不同而又有所差异。

　　在现存所有市场参与者中，这场变革对配电企业的影响最为深远。配电企业必须要同时迎接更为复杂的网络体系和更彻底的业务变革所带来的双重挑战。这场变革很可能将重塑其运营流程、技术体系以及经济和营收模式。

　　在本文中，我们将认识到数字化转型是配电企业成功战胜这些挑战的一个主要因素。当然还存在其他成功因素，因为创新不仅仅局限于技术层面，它对于业务模式、政策和监管框架也颇为关键。但本文的主要关注点不在这些方面。本文说明了将如何综合利用物联网能力、数据分析以及网络安全，并确保配电企业有力推动当前能源领域的不断发展。

　　配电行业及市场趋势

　　我们需要了解的事实是，一家配电企业的属性不可能适用于整个行业，我们不可能采取“一刀切”的简单方法。对于一家配电企业而言，地理位置和区域的不同而会形成高度多元化的各种因素。这可能包括政策和监管差异、规模差异、能源自身的差异、能源接入程度差异，以及现有网络体系设计和发展能力差异。

　　随着新技术的出现以及消费者和监管部门对清洁、高效能源的更高期望，电力领域已发生彻底转型，配电企业内外也相继出现各种复杂讨论和规划。

　　不同地理区域一览

　　尽管已认识到配电行业趋势会因国家或地区的不同而有所差异(将在后文中详述)，我们还应了解这些配电企业的业务环境同时也面临一些相同的变革因素。根据配电企业位置、形势和发展水平的差异，这些变革可能包括下图中的某些或所有部分。

　　特定区域详解

　　如今，如果比较一下配电模式成熟度，以及向能够更好适应分布式能源(DER)的配电模式和更智能的电网发展(自动化、效率以及可再生能源和新负载承载容量相对更高)方向转型时的阻碍，我们会发现欧洲与美国的电力企业之间在优势和劣势、当前强项与弱项以及相对成熟度方面都存在诸多差异。

　　美国

　　美国已落实了许多未来电力法规和电网现代化计划，在纽约州和加利福尼亚州的成果最为显著。

　　纽约州

　　纽约州公共服务委员会( New York Public Service Commission)颁布了《能源愿景改革》(REV)计划，其目标是重建、增强纽约州的能源系统，并实现其现代化。REV 策略作为《纽约州能源计划》(New York State Energy Plan)的一部分进行实施，目标包括：将能源领域的温室气体排放量降低 40% (自 1990 年起)，将可再生能源发电量增加 50%，并将建筑物能源消耗降低 23%(自 2012 年起)—实现上述目标的截止时间均为 2030 年。

　　REV 策略中包括将纽约州电力企业转型为分销系统平台(DSP)供应商。根据纽约州能源计划，DSP 供应商的目标是“实现配电系统现代化，创建灵活的新能源产品和服务平台，提高整体系统效率并更好地服务于客户需求。DSP 供应商应将分布式能源纳入规划和运营之中，以便通过更优化的方式满足客户的可靠供电需求。”

　　也就是说，DSP 供应商应负责敦促在网络体系中集成多种分布式能源(DER)平台。REV 策略在这方面的核心要求是：电力企业应将集成第三方分布式能源平台作为工作重点，并借此改革自身商业模式和实践。因此，其目的在于确保电力企业积极地将分布式能源平台作为传统电网投资的可行替代方案。

　　纽约州公共服务委员会(PSC)还鼓励电力企业通过实质性改革来提高收入。除了允许通过传统服务成本投资获得利润外，纽约州配电企业现在还可利用以下资源：

　　• 资本投资延迟

　　• 基于市场的平台活动，如配电企业可以向 DER 开发者提供电网相关服务

　　• 基于市场的效能措施，如“收入调整机制”

　　加利福尼亚州

　　加利福尼亚州的情况类似。加利福尼亚州公共事业委员会(CPUC)对其电力企业的商业和监管模式进行了广泛调查，并采取措施对企业的未来发展进行规划。该机构认为传统的服务成本市电模式已经过时，因为其基本原则—资产购置和销售成长概念—与加利福尼亚州著名的前瞻性能源保护政策相矛盾。由于新技术的出现和财政创新，未来市场竞争可能更为激烈并产生电力服务分类计价模式，这就会模糊之前电力自然垄断地位所造成的明显界限。

　　随着加利福尼亚州配电网从集中式网络转变为更加开放和灵活的网络，配电企业可携手发电和输电企业，共同提高市场竞争的透明性和开放性。

　　加利福尼亚州公共事业委员会(CPUC)还指导当地电力企业草拟了分布式资源计划(DRP)，作为该州主要电力企业如何在其电网运营、投资和规划机制中纳入分布式能源平台的路线图。各个电力企业已经落实了该行动。太平洋瓦电公司(PG&E)等受 CPUC 指令支配的电力企业已对数千条馈线的承载容量作出了分析，以确定在服务区域内部署分布式能源平台的最佳位置，从而扩大分布式能源的渗透范围。该企业还了解了其他投资需求并拟定了旨在增强其配电能力规划工具和方法的计划。

　　欧洲

　　欧洲区域的配电业务截然不同。欧盟成员国之间配电系统运营商(DSO)的数量和规模以及所有权和授权结构都具有明显的差异。未来他们将不仅担当系统运营商的角色，还将以中立者的姿态推动欧洲电力系统的日益分散化。针对后者，配电系统运营商必须向发电公司和服务供应商等其他实体提供非歧视性网络准入政策。

　　欧盟以及欧盟成员国都已采取了许多行动来应对这些挑战，欧盟已颁发了成员国必须遵守的相关法规和指令。这些行动是根据区域、国家和地方差异分别制定出来的。

　　在欧盟层面，许多机构目前正在合作构建新型的 DSO 模式，包括欧盟委员会、欧洲未来电网技术平台(European Technology Platform for Electricity Networks of the Future)(智能电网相关主要论坛，由欧盟委员会成立)等各个论坛，欧电联(Eurelectric)、GEODE、CEDEC 和 EDSO 等电力协会以及欧洲能源监管理事会(Council of European Energy Regulators)和能源监管合作署(Agency for the Cooperation of Energy Regulators)等监管机构。对于变更后的监管框架、创新与效能激励、新收费结构以及配电系统运营商在主动式配电系统管理中的重要作用以及作为中立市场推动者和大数据管理者的意义，这些机构都进行了广泛调研、建模和规划。分布式发电、产消者、蓄电储能和互动需求等方面会带来一些根本性的变化，这些变化存在诸多细微差异，且应对它们有着一定的复杂性，配电网相关新兴市场中的监管惯例也同样如此。

　　在这方面最近取得了一项成果，即欧盟委员会提出了《所有欧洲人的清洁能源》(Clean Energy for All Europeans)提案。这套提案预计将在未来 18 个月内通过欧洲议会(European Parliament)和欧盟成员国理事会的立法程序。

　　这套提案包含 4 条轴线：其中一条轴线涉及可再生能源发电，其他三条涉及到配电系统运营商(DSO)。在后面三条轴线中，第一条围绕 2030 年的新能源效率目标，其中定义了能源供应商的义务方案和计量功能以及楼宇主动式能源效率标准。第二条与能源灵活性有关，其目的是促进能源分散化，提高灵活性以使最终用户获得快速需求响应和自助发电动态定价，允许馈线提供灵活性，并支持 DSO 灵活配电。第三条轴线有关管理方面，目标是增强欧盟对能源市场的管理。

　　无论最终立法结果如何，这套提案必定会促进欧洲的能源转型。这套立法提案解决了欧洲配电企业所面临的主要问题，包括数据管理、批发和零售定价以及消费者权利等方面。

　　印度和非洲

　　尽管欧洲和美国在当前能源转型这股浪潮中发挥着主导作用，印度和非洲等其他全球巨头市场也在踊跃尝试这次分布式能源变革。但是，两者在应对能源转型的过程中表现出了两种不同的态势。

　　印度目前出现电力过剩情况。用电量最多只达到装机容量 360 吉瓦的 60%，包括高峰需求时段。尽管电力过剩，印度配电领域仍面临各种混乱问题，包括配电公司不健全、断电和商业损失(电缆偷盗和未计量)等问题。这些因素限制了社会和工业发展，并影响到整个国家的经济发展步伐。根据世界银行(World Bank)的报道， “……许多限制效能的因素都在电力企业的控制之下——定价过低、电缆损失和计费效率低下——强调限制政府干预的重要性、加大法规监管并增强竞争，以此推动电力企业提高效率并以商业化模式运营。”

　　因此，减少技术商业化损失(< 15%)、改进系统平均停电持续时间指标(SAIDI)、增强经济和财务活力以及提高超过 50 家国有配电企业的运营效率将是印度电力部的主要发展引擎。此外，政府已设定了到 2022 年实现 100 吉瓦以上可再生能源的目标。

　　另一方面，非洲的电网基础设施却异常薄弱。非洲最终需要的是支持可再生能源融合的非洲大陆内输电网，但首先需要建立类似微电网这样的地方能源体系。与非洲大陆所开发的蜂窝电话模式相似，现代化配电网络将可以避免整改任何现有模式时所牵涉到的许多复杂问题，这就为构建现代化配电体系创造了良好的机遇和优势条件。

　　研究角度

　　上述示例至少说明了一个共同的主题：分布式能源的现状和未来发展。但是，分布式能源不是改变配电企业收入模式和法规监管的唯一因素，还可能包括其他一些因素。美国电力研究所(U.S. Electric Power Research Institute)还指出了能源转型的技术性和运营性因素。该机构指出“将分布式能源集成于电网规划和运营之中，扩大其范围以包括分布式能源运营，这一方面的需求日益高涨。”为了确保配电系统的安全性、可靠性、经济适用性和环保性，将需要加强以下四个方面的合作。

　　• 互联规则、通信技术和标准

　　• 先进配电和可靠供电技术的评估和部署

　　• 整合分布式能源与电网规划和运营的策略

　　• 通过政策和法规推动市场改革

　　一家领先的学术机构基本认可这一观点。麻省理工学院能源研究所(MIT’s Energy Initiative)最近发布了一项调研活动，旨在评估配电领域技术、政策和商业模式相关方面的新兴问题(重点为美国和欧洲地区)。该机构强调必须提高电力收费和价格，加强有利于高效商业模式发展的配电企业法规，保证强有力的网络安全，优化利用现有基础设施以削减成本，并改善市场策划以更好地集成分布式能源、提高收入灵活性。

　　应对配电企业转型挑战的主要解决方案

　　最大的挑战是确定电力企业如何实现以下两个主要目标：

　　• 集成分布式能源，包括电表后端和顶端控制能源资产，如屋顶太阳能、电表后端电池、灵活需求端资源等。美国对分布式能源的定义与欧洲的常规定义有所不同，前者还包括电动车辆和微电网。

　　• 应对不断变化的能源需求，降低损失，确保用电安全和可靠，并改变其商业模式以保持其正常运营。在分散化模式和信息技术/运营技术融合方式等需求方面，配电企业面临着一些效率和灵活性问题。只有通过深入的数字化转型才能实现这些目标。在这种全新的行业格局下，现代配电企业将需要改变相应的法规和政策才能立于不败之地，另外，数字化也将是这些企业的共同思路，只有充分利用这一点才能在未来占领制高点。

　　数字化的影响

　　数字化提供了一系列针对本文上述各种挑战的技术和商业模式解决方案。数字化甚至会完全颠覆整个行业，其力度堪比共享经济公司对其他行业的影响。它还带来了一些新的机遇。

　　由于数字化的发展，数字化电力企业将无疑成为以数据为中心的企业。这包含多个层面：

　　• 智能电网发展：支持智能、自动化控件的嵌入，从而提升网络弹性、安全性和效率。电网活力得到提高，特别是在电网边缘，例如包含分布式能源的低压馈线上的电压调节。

　　• 数据驱动型资产策略：实现更智能的投资规划和更有效的维护操作。我们会发现监管机构更加鼓励配电企业投资于新技术和新方法，而不是增强传统网络方面。

　　• 智能计量：除了原来的客户计量用例，智能计量分析还可以显著改进断电管理、优化电压波动、检测偷盗行为并改善资产管理。这对于电网运营商了解和管理电表后端分布式能源也至关重要。

　　• 分布式能源管理：通过大数据以及供需协调分析实现这一点(包括微电网和虚拟电厂)。

　　配电企业的数字化包括以下概念：

　　信息技术(IT)与运营技术(OT)融合

　　运营技术(OT)包括断路器等运行设备，以及 SCADA 系统等用于监控网络的控制室应用程序。另一方面，信息技术(IT)系统包括企业资产管理(EAM)或客户关系管理(CRM)等系统，用于实现人机信息交换。电力行业中 IT 系统和 OT 系统的数量和质量在不断增加，且两者之间的传统界限正在不断打破，并逐渐交织在一起。

　　物联网(loT)

　　物联网(loT)与信息技术与运营技术融合有所重叠，其意义是连接互联互通的设备。配电企业会发现供应商开始越来越多地提供采用全新互联技术的产品，且正在以前所未有的速度蔓延开来。应用和硬件能够提供移动性和远程控制功能。配电网设备可以提供无所不在的感知能力并能够接收和传输数据。由于云和传统软件方面的进步，用户将能够在安全的网络环境下实施分析。

　　数据协调

　　配电企业在融合 IT 系统和 OT 系统的同时亦采用了物联网技术，这为其带来更高的配电效率、可靠性和绩效。配电企业甚至从底层数据中挖掘到更高的价值。此外，因为目前的网络需要管理比以往任何时候都多的交互，所以这些企业除了需要无缝和开放通信交换，还需要开放的信息技术与运营技术互操作性。

　　这些数据必须能够在系统内部和之前未相互通信的系统之间与更广泛的数据、更多的组件和更多的应用程序进行交互，且能够应对整个系统生命周期。更强大、更高效和更优化的自动化配电网将在数据模型、数据集成以及开放数据和通信方面依赖国际认可标准，实现智能电网和电网边缘技术。如果成功解决这个主要挑战，配电企业将能够运行开放供应商系统，从而提高其效率。

　　这还可以满足电力生态系统中其他主体日益增加的数据交换需求，包括输电系统运营商(TSO)、分布式发电运营商、整合者和产销者。正因为这个原因，标准化数据模型和接口属于电业的核心。数据交换不仅发生在内部配电系统运营商(DSO)系统之间，还发生在市场体系等外部平台之间或者之中，因此满足数据完整性和信任机制的需求很强烈。

　　数字化转型致胜法宝

　　下面提供了规划和实施数字化计划的指导，重点介绍了我们认为取得成功的必要因素。

　　设定目标

　　配电企业取得数字化转型成功的一个重要前提条件是明确定义业务驱动力和数字化目标。在数字化集成项目开始时便清晰定义成功标准，这对于在整个业务流程中做出明智决策至关重要。

　　下一步是将业务驱动力和目标与电力企业预算和流程清晰挂钩。明确的目标是数字化努力的关键，但要求有具体预算。衡量标准也很重要。能够使用绩效指标轻松衡量短期进度的方法将是尤其成功的。

　　制定路线

　　要制定数字化转型路线图，电力企业必须定义自身的角色和职责，以确定和验证驱动因素和要求，并定义整个业务案例中的优先工作。然后记录路线图，并根据需要进行内部和外部交流。

　　路线图应包括明确的设备和软件实施阶段，确定和选择合适的交付模型，定期评估投资回报，并包括相关的正确准备步骤。此外，还应根据业务风险制定短期、中期和长期时间表。全面的数字化路线图对于确定如何优化数字化技术和流程并将其整合到电力企业的业务环境来说至关重要。

　　在 IT/OT 之间寻求敏捷之道

　　当然，数字化转型必须发生在现有 IT 架构和流程环境之中。这就为支持配电企业业务日常运营的大型事务系统提供了稳定性和支持。

　　管理 IT/OT 系统和实践中的变革时，必须采用敏捷性方法。与传统工程方法不同，团队根据迭代式测试和学习原则参与工作。这就能够最为灵活地采取措施，因为经验表明，敏捷团队更容易培育数字化成功。重要的是找到一个平衡，使现有 IT 环境能够灵活响应变革，同时不会影响 OT 环境的运营。

　　根据我们的经验，这项集成将需要行业专家具有 OT 背景并与 IT 专业人士进行协同工作，也就是说，能够充分了解 IT 和 OT 方程式的两个方面以及设备的工作原理。这包括跨领域技能组合，如安全、ADMS、SCADA、保护和控制、传感器和电信等。如果由纯 IT 人员来实施，ADMS 集成的效率和效能都将会有所降低。

　　利用可靠的标准治理数据

　　由于未来的配电企业将涉及到大量的数据，数据建模、采集、管理、集成和治理将变得尤为重要。它是数字化机制的核心部分，关乎资产管理和电网运营以及未来电网部署。

　　配电企业获得的优势不仅来自于部署符合互操作性标准的 IT、OT 和 loT 技术，还可利用由国际电工委员会(IEC)TC57 委员会开发的全面的开放性电业标准。这些标准对于互操作性和可持续性发展至关重要，还可将 IEC 61850 和通用信息模型(CIM)作为两大主要支柱，而这两个标准最初都是为变电站和电网专门设计的。

　　其语义数据模型非常广泛(现在涵盖发电、电动汽车等)，并无关通信网络。这对于有效和可持续集成以及分析开发来说尤为关键，另外还有针对组织、流程和技术的 IEC 62443 系列标准和 IT 方面的 ISO 27000 系列标准作为补充。

　　采用案例分析方法

　　数字化电网的应用导致信息激增。电力企业现在意识到，收集数据是一回事，而管理和分析数据是另一回事，必须方法运用得当才能从中获得最高业务价值。因此，目前几乎没有企业可断言已完全挖掘了智能电网部署的所有优势。全新的高级分析方法扩展了调度、规划、模拟、资产管理和运营管理功能，因此可提高流程效率并有利于做出更明智的决策。

　　好的一点是，该技术可用于处理 AMI 部署及其他数据源中的“数据洪流”和“大数据”。

　　其实，实际的转型发生在其他地方。

　　该计划需要改变管理组件，从基于孤岛的方法转变为更为互联的工作方法。实际上，成功的分析部署必须基于跨领域协作，因为分析定义、设计和操作使用将会打破组织孤岛。

　　此外，在 IT 和 OT 融合中，分析项目应该混合使用 IT 和 OT 技术以及深入的专业技术。IT 人员深入了解企业应用集成和 Bl 技术(数据市场、OLAP、数据挖掘等)，而 OT 专家掌握与变电站系统、馈线自动化系统、变电站之外的传感器等相关的 O&M 流程和要求。各领域专家(主要为 O&M 以及工程方面)将确保正确设计并达到目标。

　　最后，应该分阶段实施分析计划，根据特定情景(收入保护、资产表现、电网稳定性、电网建模等)优先处理支持高风险业务的应用案例。重要的是首先要考虑应用案例，而不是为了使用技术而一头扎进技术。

　　专注于网络安全

　　尽管互操作性标准日益盛行并不断发展，以便提供准确和有助于分析的数据，但网络安全仍是一个重要主题，这一点可从 ISO 27000 和 IEC 62443 系列标准的发展和演变中看出。实际上，随着 IT 和 OT 融合以及互联智能设备和硬件的激增，网络安全的重要性也在与日俱增。

　　从风险迁移来透视网络安全问题可能最为合适。这可能会促使电力企业去设定针对性的方法，将其网络以及员工、流程和组织摆在正确的位置。通过在设计中集成安全性并通过更新或增强方法，强大和全面的网络安全方法可筑造深度防御。集成网络安全策略还定义了企业在补丁管理、数据完整性、数据隐私和合规性等概念方面的政策。从传感器级别到应用程序级别的端到端数据完整性已被提到前所未有的重要地位。

　　弥补技术差距

　　还有一点也非常重要，配电企业应重视以下两个人员方面的差距。首先，IT 和 OT 融合通常需要采用新的流程和角色。例如，垂直集成意味着合并 IT 和 OT 架构，因此还应在现场到控制室整个组织采用全新的网络安全流程。这就需要专业化的员工或对现有员工进行培训。

　　此外，新环境中还需要新的或不同的技术。传统的机电专家和操作人员可能需要进行重新部署。配电企业应考虑对员工进行新技术和标准方面的培训，例如警报管理、无线系统、条件监控、机器学习算法以及预测分析和其他先进主题。

　　总结

　　分布式能源(DER)和互联数字技术的迅速发展给各行各业带来了巨大变化，配电企业所受到的影响要比其他厂商更为彻底。

　　要想在这场变革中取胜，配电企业必须制定有效的战略来充分利用各种数字化趋势，如物联网、信息 IT 与运营技术 OT 融合、大数据和分析以及互联和智能技术，并调整相应的政策和市场框架以将数字化变革真正转化为产业优势。

　　作者简介

　　Jean-Yves Bodin 是能源数字化解决方案市场总监，负责 EcoStruxure 电网(EcoStruxure Grid)全球战略和路线图规划。Bodin 是一位经验丰富的 IT 和 OT 专家，拥有 30 多年的企业 IT 以及自动化和控制行业经验，并具有广泛的自动化解决方案和服务经验。 Alain Malot 目前担任施耐德电气电力部门(Utility Segment)市场总监。Malot 具有广泛的全球电业经验，在公司担任过许多销售、项目管理和营销职务。他刚开始步入职业生涯时便在传统电网领域工作，随后专注于配电自动化、网络管理以及可再生能源使用所带动的新兴智能电网等新能源领域。他还在法国格勒诺布尔高等商学院(Grenoble Ecole de Management)和格勒诺布尔国立高等能源、水利与环境科学学院(Grenoble INP ENSE3，Ecole Nationale Sup6rieure de I'Energie, I'Eau et I'Environnement)的两个硕士相关课程中担任客座教授。他毕业于里尔综合理工学院(Lille Polytechnic)(法国电力机械工程学院，ICAM)，持有管理学学位(企业行政管理学院，IAE)。 Edward Jarvis 担任施耐德电气自动化部门技术信息经理职位。他持有美国科罗拉多州立大学(Colorado State University)学位，曾在一些电力行业公司中担任过许多技术通信职务。