配電企業的數字化轉型之道(配電企業如何在數字化轉型中立于不敗之地)-施耐德電氣

　　概要

　　分布式能源(DER)和互聯互通的數字技術的迅速發展給行業帶來了巨大變化，其中，配電企業所受到的影響要比其他企業更為深刻。要想在這場變革中取勝，配電企業必須制定有效的戰略來充分利用數字化趨勢，如物聯網、信息技術(IT)與運營技術(OT)融合、大數據和分析以及互聯互通的智能技術，并調整相應的政策和市場框架，將數字化變革真正轉化為產業優勢。

　　簡介

　　配電行業正在全球范圍內經歷一場巨大的變革。

　　分布式能源(DER)只是這場變革的開端。過去的配電系統側重于集中發電和無源負載，且無法應對日益增加的能耗、復雜性及分散化發電需求。傳統系統架構未將分布式、用戶自主控制的能源資產提供的負載考慮在內，例如屋頂太陽能、微電網、靈活的需求側資源、分布式蓄電和電動車等。

　　從更廣的層面看，盡管還不普遍，但這正在造成各種形式的斷電。發電正在變得日趨分散化, 引導著新的參與者們。大家緊密協作，都在為分散化的發電市場發揮著各自的作用。這些變化的形式因地理、歷史、經濟及其他因素的不同而又有所差異。

　　在現存所有市場參與者中，這場變革對配電企業的影響最為深遠。配電企業必須要同時迎接更為復雜的網絡體系和更徹底的業務變革所帶來的雙重挑戰。這場變革很可能將重塑其運營流程、技術體系以及經濟和營收模式。

　　在本文中，我們將認識到數字化轉型是配電企業成功戰勝這些挑戰的一個主要因素。當然還存在其他成功因素，因為創新不僅僅局限于技術層面，它對于業務模式、政策和監管框架也頗為關鍵。但本文的主要關注點不在這些方面。本文說明了將如何綜合利用物聯網能力、數據分析以及網絡安全，并確保配電企業有力推動當前能源領域的不斷發展。

　　配電行業及市場趨勢

　　我們需要了解的事實是，一家配電企業的屬性不可能適用于整個行業，我們不可能采取“一刀切”的簡單方法。對于一家配電企業而言，地理位置和區域的不同而會形成高度多元化的各種因素。這可能包括政策和監管差異、規模差異、能源自身的差異、能源接入程度差異，以及現有網絡體系設計和發展能力差異。

　　隨著新技術的出現以及消費者和監管部門對清潔、高效能源的更高期望，電力領域已發生徹底轉型，配電企業內外也相繼出現各種復雜討論和規劃。

　　不同地理區域一覽

　　盡管已認識到配電行業趨勢會因國家或地區的不同而有所差異(將在后文中詳述)，我們還應了解這些配電企業的業務環境同時也面臨一些相同的變革因素。根據配電企業位置、形勢和發展水平的差異，這些變革可能包括下圖中的某些或所有部分。

　　特定區域詳解

　　如今，如果比較一下配電模式成熟度，以及向能夠更好適應分布式能源(DER)的配電模式和更智能的電網發展(自動化、效率以及可再生能源和新負載承載容量相對更高)方向轉型時的阻礙，我們會發現歐洲與美國的電力企業之間在優勢和劣勢、當前強項與弱項以及相對成熟度方面都存在諸多差異。

　　美國

　　美國已落實了許多未來電力法規和電網現代化計劃，在紐約州和加利福尼亞州的成果最為顯著。

　　紐約州

　　紐約州公共服務委員會( New York Public Service Commission)頒布了《能源愿景改革》(REV)計劃，其目標是重建、增強紐約州的能源系統，并實現其現代化。REV 策略作為《紐約州能源計劃》(New York State Energy Plan)的一部分進行實施，目標包括：將能源領域的溫室氣體排放量降低 40% (自 1990 年起)，將可再生能源發電量增加 50%，并將建筑物能源消耗降低 23%(自 2012 年起)—實現上述目標的截止時間均為 2030 年。

　　REV 策略中包括將紐約州電力企業轉型為分銷系統平臺(DSP)供應商。根據紐約州能源計劃，DSP 供應商的目標是“實現配電系統現代化，創建靈活的新能源產品和服務平臺，提高整體系統效率并更好地服務于客戶需求。DSP 供應商應將分布式能源納入規劃和運營之中，以便通過更優化的方式滿足客戶的可靠供電需求?！?/span>

　　也就是說，DSP 供應商應負責敦促在網絡體系中集成多種分布式能源(DER)平臺。REV 策略在這方面的核心要求是：電力企業應將集成第三方分布式能源平臺作為工作重點，并借此改革自身商業模式和實踐。因此，其目的在于確保電力企業積極地將分布式能源平臺作為傳統電網投資的可行替代方案。

　　紐約州公共服務委員會(PSC)還鼓勵電力企業通過實質性改革來提高收入。除了允許通過傳統服務成本投資獲得利潤外，紐約州配電企業現在還可利用以下資源：

　　? 資本投資延遲

　　? 基于市場的平臺活動，如配電企業可以向 DER 開發者提供電網相關服務

　　? 基于市場的效能措施，如“收入調整機制”

　　加利福尼亞州

　　加利福尼亞州的情況類似。加利福尼亞州公共事業委員會(CPUC)對其電力企業的商業和監管模式進行了廣泛調查，并采取措施對企業的未來發展進行規劃。該機構認為傳統的服務成本市電模式已經過時，因為其基本原則—資產購置和銷售成長概念—與加利福尼亞州著名的前瞻性能源保護政策相矛盾。由于新技術的出現和財政創新，未來市場競爭可能更為激烈并產生電力服務分類計價模式，這就會模糊之前電力自然壟斷地位所造成的明顯界限。

　　隨著加利福尼亞州配電網從集中式網絡轉變為更加開放和靈活的網絡，配電企業可攜手發電和輸電企業，共同提高市場競爭的透明性和開放性。

　　加利福尼亞州公共事業委員會(CPUC)還指導當地電力企業草擬了分布式資源計劃(DRP)，作為該州主要電力企業如何在其電網運營、投資和規劃機制中納入分布式能源平臺的路線圖。各個電力企業已經落實了該行動。太平洋瓦電公司(PG&E)等受 CPUC 指令支配的電力企業已對數千條饋線的承載容量作出了分析，以確定在服務區域內部署分布式能源平臺的最佳位置，從而擴大分布式能源的滲透范圍。該企業還了解了其他投資需求并擬定了旨在增強其配電能力規劃工具和方法的計劃。

　　歐洲

　　歐洲區域的配電業務截然不同。歐盟成員國之間配電系統運營商(DSO)的數量和規模以及所有權和授權結構都具有明顯的差異。未來他們將不僅擔當系統運營商的角色，還將以中立者的姿態推動歐洲電力系統的日益分散化。針對后者，配電系統運營商必須向發電公司和服務供應商等其他實體提供非歧視性網絡準入政策。

　　歐盟以及歐盟成員國都已采取了許多行動來應對這些挑戰，歐盟已頒發了成員國必須遵守的相關法規和指令。這些行動是根據區域、國家和地方差異分別制定出來的。

　　在歐盟層面，許多機構目前正在合作構建新型的 DSO 模式，包括歐盟委員會、歐洲未來電網技術平臺(European Technology Platform for Electricity Networks of the Future)(智能電網相關主要論壇，由歐盟委員會成立)等各個論壇，歐電聯(Eurelectric)、GEODE、CEDEC 和 EDSO 等電力協會以及歐洲能源監管理事會(Council of European Energy Regulators)和能源監管合作署(Agency for the Cooperation of Energy Regulators)等監管機構。對于變更后的監管框架、創新與效能激勵、新收費結構以及配電系統運營商在主動式配電系統管理中的重要作用以及作為中立市場推動者和大數據管理者的意義，這些機構都進行了廣泛調研、建模和規劃。分布式發電、產消者、蓄電儲能和互動需求等方面會帶來一些根本性的變化，這些變化存在諸多細微差異，且應對它們有著一定的復雜性，配電網相關新興市場中的監管慣例也同樣如此。

　　在這方面最近取得了一項成果，即歐盟委員會提出了《所有歐洲人的清潔能源》(Clean Energy for All Europeans)提案。這套提案預計將在未來 18 個月內通過歐洲議會(European Parliament)和歐盟成員國理事會的立法程序。

　　這套提案包含 4 條軸線：其中一條軸線涉及可再生能源發電，其他三條涉及到配電系統運營商(DSO)。在后面三條軸線中，第一條圍繞 2030 年的新能源效率目標，其中定義了能源供應商的義務方案和計量功能以及樓宇主動式能源效率標準。第二條與能源靈活性有關，其目的是促進能源分散化，提高靈活性以使最終用戶獲得快速需求響應和自助發電動態定價，允許饋線提供靈活性，并支持 DSO 靈活配電。第三條軸線有關管理方面，目標是增強歐盟對能源市場的管理。

　　無論最終立法結果如何，這套提案必定會促進歐洲的能源轉型。這套立法提案解決了歐洲配電企業所面臨的主要問題，包括數據管理、批發和零售定價以及消費者權利等方面。

　　印度和非洲

　　盡管歐洲和美國在當前能源轉型這股浪潮中發揮著主導作用，印度和非洲等其他全球巨頭市場也在踴躍嘗試這次分布式能源變革。但是，兩者在應對能源轉型的過程中表現出了兩種不同的態勢。

　　印度目前出現電力過剩情況。用電量最多只達到裝機容量 360 吉瓦的 60%，包括高峰需求時段。盡管電力過剩，印度配電領域仍面臨各種混亂問題，包括配電公司不健全、斷電和商業損失(電纜偷盜和未計量)等問題。這些因素限制了社會和工業發展，并影響到整個國家的經濟發展步伐。根據世界銀行(World Bank)的報道， “……許多限制效能的因素都在電力企業的控制之下——定價過低、電纜損失和計費效率低下——強調限制政府干預的重要性、加大法規監管并增強競爭，以此推動電力企業提高效率并以商業化模式運營?！?/span>

　　因此，減少技術商業化損失(< 15%)、改進系統平均停電持續時間指標(SAIDI)、增強經濟和財務活力以及提高超過 50 家國有配電企業的運營效率將是印度電力部的主要發展引擎。此外，政府已設定了到 2022 年實現 100 吉瓦以上可再生能源的目標。

　　另一方面，非洲的電網基礎設施卻異常薄弱。非洲最終需要的是支持可再生能源融合的非洲大陸內輸電網，但首先需要建立類似微電網這樣的地方能源體系。與非洲大陸所開發的蜂窩電話模式相似，現代化配電網絡將可以避免整改任何現有模式時所牽涉到的許多復雜問題，這就為構建現代化配電體系創造了良好的機遇和優勢條件。

　　研究角度

　　上述示例至少說明了一個共同的主題：分布式能源的現狀和未來發展。但是，分布式能源不是改變配電企業收入模式和法規監管的唯一因素，還可能包括其他一些因素。美國電力研究所(U.S. Electric Power Research Institute)還指出了能源轉型的技術性和運營性因素。該機構指出“將分布式能源集成于電網規劃和運營之中，擴大其范圍以包括分布式能源運營，這一方面的需求日益高漲。”為了確保配電系統的安全性、可靠性、經濟適用性和環保性，將需要加強以下四個方面的合作。

　　? 互聯規則、通信技術和標準

　　? 先進配電和可靠供電技術的評估和部署

　　? 整合分布式能源與電網規劃和運營的策略

　　? 通過政策和法規推動市場改革

　　一家領先的學術機構基本認可這一觀點。麻省理工學院能源研究所(MIT’s Energy Initiative)最近發布了一項調研活動，旨在評估配電領域技術、政策和商業模式相關方面的新興問題(重點為美國和歐洲地區)。該機構強調必須提高電力收費和價格，加強有利于高效商業模式發展的配電企業法規，保證強有力的網絡安全，優化利用現有基礎設施以削減成本，并改善市場策劃以更好地集成分布式能源、提高收入靈活性。

　　應對配電企業轉型挑戰的主要解決方案

　　最大的挑戰是確定電力企業如何實現以下兩個主要目標：

　　? 集成分布式能源，包括電表后端和頂端控制能源資產，如屋頂太陽能、電表后端電池、靈活需求端資源等。美國對分布式能源的定義與歐洲的常規定義有所不同，前者還包括電動車輛和微電網。

　　? 應對不斷變化的能源需求，降低損失，確保用電安全和可靠，并改變其商業模式以保持其正常運營。在分散化模式和信息技術/運營技術融合方式等需求方面，配電企業面臨著一些效率和靈活性問題。只有通過深入的數字化轉型才能實現這些目標。在這種全新的行業格局下，現代配電企業將需要改變相應的法規和政策才能立于不敗之地，另外，數字化也將是這些企業的共同思路，只有充分利用這一點才能在未來占領制高點。

　　數字化的影響

　　數字化提供了一系列針對本文上述各種挑戰的技術和商業模式解決方案。數字化甚至會完全顛覆整個行業，其力度堪比共享經濟公司對其他行業的影響。它還帶來了一些新的機遇。

　　由于數字化的發展，數字化電力企業將無疑成為以數據為中心的企業。這包含多個層面：

　　? 智能電網發展：支持智能、自動化控件的嵌入，從而提升網絡彈性、安全性和效率。電網活力得到提高，特別是在電網邊緣，例如包含分布式能源的低壓饋線上的電壓調節。

　　? 數據驅動型資產策略：實現更智能的投資規劃和更有效的維護操作。我們會發現監管機構更加鼓勵配電企業投資于新技術和新方法，而不是增強傳統網絡方面。

　　? 智能計量：除了原來的客戶計量用例，智能計量分析還可以顯著改進斷電管理、優化電壓波動、檢測偷盜行為并改善資產管理。這對于電網運營商了解和管理電表后端分布式能源也至關重要。

　　? 分布式能源管理：通過大數據以及供需協調分析實現這一點(包括微電網和虛擬電廠)。

　　配電企業的數字化包括以下概念：

　　信息技術(IT)與運營技術(OT)融合

　　運營技術(OT)包括斷路器等運行設備，以及 SCADA 系統等用于監控網絡的控制室應用程序。另一方面，信息技術(IT)系統包括企業資產管理(EAM)或客戶關系管理(CRM)等系統，用于實現人機信息交換。電力行業中 IT 系統和 OT 系統的數量和質量在不斷增加，且兩者之間的傳統界限正在不斷打破，并逐漸交織在一起。

　　物聯網(loT)

　　物聯網(loT)與信息技術與運營技術融合有所重疊，其意義是連接互聯互通的設備。配電企業會發現供應商開始越來越多地提供采用全新互聯技術的產品，且正在以前所未有的速度蔓延開來。應用和硬件能夠提供移動性和遠程控制功能。配電網設備可以提供無所不在的感知能力并能夠接收和傳輸數據。由于云和傳統軟件方面的進步，用戶將能夠在安全的網絡環境下實施分析。

　　數據協調

　　配電企業在融合 IT 系統和 OT 系統的同時亦采用了物聯網技術，這為其帶來更高的配電效率、可靠性和績效。配電企業甚至從底層數據中挖掘到更高的價值。此外，因為目前的網絡需要管理比以往任何時候都多的交互，所以這些企業除了需要無縫和開放通信交換，還需要開放的信息技術與運營技術互操作性。

　　這些數據必須能夠在系統內部和之前未相互通信的系統之間與更廣泛的數據、更多的組件和更多的應用程序進行交互，且能夠應對整個系統生命周期。更強大、更高效和更優化的自動化配電網將在數據模型、數據集成以及開放數據和通信方面依賴國際認可標準，實現智能電網和電網邊緣技術。如果成功解決這個主要挑戰，配電企業將能夠運行開放供應商系統，從而提高其效率。

　　這還可以滿足電力生態系統中其他主體日益增加的數據交換需求，包括輸電系統運營商(TSO)、分布式發電運營商、整合者和產銷者。正因為這個原因，標準化數據模型和接口屬于電業的核心。數據交換不僅發生在內部配電系統運營商(DSO)系統之間，還發生在市場體系等外部平臺之間或者之中，因此滿足數據完整性和信任機制的需求很強烈。

　　數字化轉型致勝法寶

　　下面提供了規劃和實施數字化計劃的指導，重點介紹了我們認為取得成功的必要因素。

　　設定目標

　　配電企業取得數字化轉型成功的一個重要前提條件是明確定義業務驅動力和數字化目標。在數字化集成項目開始時便清晰定義成功標準，這對于在整個業務流程中做出明智決策至關重要。

　　下一步是將業務驅動力和目標與電力企業預算和流程清晰掛鉤。明確的目標是數字化努力的關鍵，但要求有具體預算。衡量標準也很重要。能夠使用績效指標輕松衡量短期進度的方法將是尤其成功的。

　　制定路線

　　要制定數字化轉型路線圖，電力企業必須定義自身的角色和職責，以確定和驗證驅動因素和要求，并定義整個業務案例中的優先工作。然后記錄路線圖，并根據需要進行內部和外部交流。

　　路線圖應包括明確的設備和軟件實施階段，確定和選擇合適的交付模型，定期評估投資回報，并包括相關的正確準備步驟。此外，還應根據業務風險制定短期、中期和長期時間表。全面的數字化路線圖對于確定如何優化數字化技術和流程并將其整合到電力企業的業務環境來說至關重要。

　　在 IT/OT 之間尋求敏捷之道

　　當然，數字化轉型必須發生在現有 IT 架構和流程環境之中。這就為支持配電企業業務日常運營的大型事務系統提供了穩定性和支持。

　　管理 IT/OT 系統和實踐中的變革時，必須采用敏捷性方法。與傳統工程方法不同，團隊根據迭代式測試和學習原則參與工作。這就能夠最為靈活地采取措施，因為經驗表明，敏捷團隊更容易培育數字化成功。重要的是找到一個平衡，使現有 IT 環境能夠靈活響應變革，同時不會影響 OT 環境的運營。

　　根據我們的經驗，這項集成將需要行業專家具有 OT 背景并與 IT 專業人士進行協同工作，也就是說，能夠充分了解 IT 和 OT 方程式的兩個方面以及設備的工作原理。這包括跨領域技能組合，如安全、ADMS、SCADA、保護和控制、傳感器和電信等。如果由純 IT 人員來實施，ADMS 集成的效率和效能都將會有所降低。

　　利用可靠的標準治理數據

　　由于未來的配電企業將涉及到大量的數據，數據建模、采集、管理、集成和治理將變得尤為重要。它是數字化機制的核心部分，關乎資產管理和電網運營以及未來電網部署。

　　配電企業獲得的優勢不僅來自于部署符合互操作性標準的 IT、OT 和 loT 技術，還可利用由國際電工委員會(IEC)TC57 委員會開發的全面的開放性電業標準。這些標準對于互操作性和可持續性發展至關重要，還可將 IEC 61850 和通用信息模型(CIM)作為兩大主要支柱，而這兩個標準最初都是為變電站和電網專門設計的。

　　其語義數據模型非常廣泛(現在涵蓋發電、電動汽車等)，并無關通信網絡。這對于有效和可持續集成以及分析開發來說尤為關鍵，另外還有針對組織、流程和技術的 IEC 62443 系列標準和 IT 方面的 ISO 27000 系列標準作為補充。

　　采用案例分析方法

　　數字化電網的應用導致信息激增。電力企業現在意識到，收集數據是一回事，而管理和分析數據是另一回事，必須方法運用得當才能從中獲得最高業務價值。因此，目前幾乎沒有企業可斷言已完全挖掘了智能電網部署的所有優勢。全新的高級分析方法擴展了調度、規劃、模擬、資產管理和運營管理功能，因此可提高流程效率并有利于做出更明智的決策。

　　好的一點是，該技術可用于處理 AMI 部署及其他數據源中的“數據洪流”和“大數據”。

　　其實，實際的轉型發生在其他地方。

　　該計劃需要改變管理組件，從基于孤島的方法轉變為更為互聯的工作方法。實際上，成功的分析部署必須基于跨領域協作，因為分析定義、設計和操作使用將會打破組織孤島。

　　此外，在 IT 和 OT 融合中，分析項目應該混合使用 IT 和 OT 技術以及深入的專業技術。IT 人員深入了解企業應用集成和 Bl 技術(數據市場、OLAP、數據挖掘等)，而 OT 專家掌握與變電站系統、饋線自動化系統、變電站之外的傳感器等相關的 O&M 流程和要求。各領域專家(主要為 O&M 以及工程方面)將確保正確設計并達到目標。

　　最后，應該分階段實施分析計劃，根據特定情景(收入保護、資產表現、電網穩定性、電網建模等)優先處理支持高風險業務的應用案例。重要的是首先要考慮應用案例，而不是為了使用技術而一頭扎進技術。

　　專注于網絡安全

　　盡管互操作性標準日益盛行并不斷發展，以便提供準確和有助于分析的數據，但網絡安全仍是一個重要主題，這一點可從 ISO 27000 和 IEC 62443 系列標準的發展和演變中看出。實際上，隨著 IT 和 OT 融合以及互聯智能設備和硬件的激增，網絡安全的重要性也在與日俱增。

　　從風險遷移來透視網絡安全問題可能最為合適。這可能會促使電力企業去設定針對性的方法，將其網絡以及員工、流程和組織擺在正確的位置。通過在設計中集成安全性并通過更新或增強方法，強大和全面的網絡安全方法可筑造深度防御。集成網絡安全策略還定義了企業在補丁管理、數據完整性、數據隱私和合規性等概念方面的政策。從傳感器級別到應用程序級別的端到端數據完整性已被提到前所未有的重要地位。

　　彌補技術差距

　　還有一點也非常重要，配電企業應重視以下兩個人員方面的差距。首先，IT 和 OT 融合通常需要采用新的流程和角色。例如，垂直集成意味著合并 IT 和 OT 架構，因此還應在現場到控制室整個組織采用全新的網絡安全流程。這就需要專業化的員工或對現有員工進行培訓。

　　此外，新環境中還需要新的或不同的技術。傳統的機電專家和操作人員可能需要進行重新部署。配電企業應考慮對員工進行新技術和標準方面的培訓，例如警報管理、無線系統、條件監控、機器學習算法以及預測分析和其他先進主題。

　　總結

　　分布式能源(DER)和互聯數字技術的迅速發展給各行各業帶來了巨大變化，配電企業所受到的影響要比其他廠商更為徹底。

　　要想在這場變革中取勝，配電企業必須制定有效的戰略來充分利用各種數字化趨勢，如物聯網、信息 IT 與運營技術 OT 融合、大數據和分析以及互聯和智能技術，并調整相應的政策和市場框架以將數字化變革真正轉化為產業優勢。

　　作者簡介

　　Jean-Yves Bodin 是能源數字化解決方案市場總監，負責 EcoStruxure 電網(EcoStruxure Grid)全球戰略和路線圖規劃。Bodin 是一位經驗豐富的 IT 和 OT 專家，擁有 30 多年的企業 IT 以及自動化和控制行業經驗，并具有廣泛的自動化解決方案和服務經驗。 Alain Malot 目前擔任施耐德電氣電力部門(Utility Segment)市場總監。Malot 具有廣泛的全球電業經驗，在公司擔任過許多銷售、項目管理和營銷職務。他剛開始步入職業生涯時便在傳統電網領域工作，隨后專注于配電自動化、網絡管理以及可再生能源使用所帶動的新興智能電網等新能源領域。他還在法國格勒諾布爾高等商學院(Grenoble Ecole de Management)和格勒諾布爾國立高等能源、水利與環境科學學院(Grenoble INP ENSE3，Ecole Nationale Sup6rieure de I'Energie, I'Eau et I'Environnement)的兩個碩士相關課程中擔任客座教授。他畢業于里爾綜合理工學院(Lille Polytechnic)(法國電力機械工程學院，ICAM)，持有管理學學位(企業行政管理學院，IAE)。 Edward Jarvis 擔任施耐德電氣自動化部門技術信息經理職位。他持有美國科羅拉多州立大學(Colorado State University)學位，曾在一些電力行業公司中擔任過許多技術通信職務。