智能終端是泛在電力物聯網最先落子環節
發布者:lzx | 來源:國信證券 | 0評論 | 1043查看 | 2020-01-07 10:05:46    

一、核心假設或邏輯


第一,國網泛在電力物聯網的建設,將最先落子在智能終端的投資。電網臺區側和用電側大量電能信息采集、監測、控制、計量設備和其他傳感設備和控制系統將迎來全面的技術創新和硬件更換升級,新一代智能設備集成更多通訊和計算功能,因此單表價值也將翻倍。


第二,泛在電力物聯網對智能終端的需求不僅僅是升級原有設備,而是在更大范圍內提升電網的全息感知能力,因此對計量工具、通訊模塊的需求數量將幾倍于原來的智能電表和配電終端,打造廣闊的市場空間。


第三,在電網新的技術標準引導下,我們預期2020年下半年將開始小批量新產品招標,需求持續增長到2024年。市場早期階段由于研發創新的門檻較高,整個市場集中度將快速提升,從原來細分產品市場參與企業40-60家集中到30-20家以內。


二、泛在電力物聯網是我國能源結構轉型的必然產物


踐行“四個革命,一個合作”我國正處于能源革命進行時


中國能源需求的壓力巨大,能源供給的制約較多,能源技術水平總體落后,能源生產和消費對生態環境損害嚴重。與此同時,伴隨著世界能源轉型的大趨勢,中國作為能源大國和負責任大國,也肩負著推動技術創新、促進地區能源轉型、實現可持續發展的重任。


針對我國能源革命的重要戰略方針,2019年,國家電網公司提出了到2050年實現“兩個50%”的重要判斷,即“2050年我國能源清潔化率(非化石能源占一次能源的比重)達到50%和終端電氣化率(電能占終端能源消費的比重)達到50%”。


能源生產方面,能源供給結構由化石能源占主導轉向由風、光、生物質等非化石能源為主導,是能源生產革命的大方向。當前,我國風、光等清潔能源集中式和分布式開發并舉,能源清潔化率2018年已經達到14.3%,未來仍將保持快速增長。當能源清潔化率達到50%時,非化石能源就已成為一次能源供應主體,是我國能源生產革命實現突破的重要標志,我國可再生能源時代將正式到來。


能源消費方面,能源需求結構由能源“直接運用”轉向以電為中心的能源“轉化運用”,是能源消費革命的重要體現。電能生產的高效性、傳輸的便捷性、終端的多樣性、使用的清潔性等諸多優勢,隨著電力技術正與信息技術深度融合,能源消費進一步朝向以電為中心。我國電能占終端能源消費比重(終端電氣化)2018年已達到25.5%。終端電氣化率超過50%將是我國能源消費革命取得突破的重要標志。


能源技術革命,這兩個50%的目標對能源技術提出了更好的要求,新能源、儲能和新型用電技術的發展對電網技術創新形成倒逼之勢,也催生了能源技術革命。同時能源技術和數字化技術的發展也為用能方式轉型提供基礎條件,多能互補、綜合利用,電力電子、先進輸電等技術在電力系統日益廣泛應用,以大數據、云計算、物聯網、人工智能、區塊鏈為代表的數字技術與電網技術加速融合,為電網跨越升級提供了強大動力。


能源體制革命方面,2014年我國啟動的電力改革是能源體制改革的重要內容,電力系統打破壟斷經營,多買方—多賣方的競爭性市場格局逐步形成,市場在電力資源配置中的作用彰顯,對電網發揮網絡市場功能、擴大市場開放、提高電力系統運行效率和透明度、加強生態圈建設提出新的要求。


從加強國際合作看,能源是經濟社會發展的命脈,能否在新一輪能源革命中占據制高點,將影響我國在未來全球競爭格局中的地位。


電改大背景下泛在電力物聯網應運而生


2015年3月,國務院頒發電改“9號文”,提出“三放開、一獨立、一加強”的改革路徑。“三放開”是指在進一步完善政企分開、廠網分開、主輔分開的基礎上,按照管住中間、放開兩頭的體制架構,有序放開輸配以外的競爭性環節電價,有序向社會資本放開配售電業務,有序放開公益性和調節性以外的發用電計劃。“一獨立”是指推進交易機構相對獨立,規范運行。


而售電側放開對電網公司的短期沖擊最大,徹底改變電網公司統購統銷的壟斷局面,使得電力用戶擁有向不同的市場主體購電的選擇權,電力生產企業可以選擇向不同的用戶賣電,電力買賣雙方自行決定電量、電價。因此電網企業必須改變傳統贏利模式,通過重新定位電網功能和電網收益機制。特別是2018和2019年連續兩年一般工商業電價降低10%,輸配電價也相應下調,電網傳統業務經營利潤持續下滑。


一方面電網需要打造電力系統運行全透明的狀態,來保證安全穩定可靠運行,為市場交易提供基礎信息和數據,另一方面,電網需要通過數字化轉型來探索新的收益機制。再這樣的行業大背景下,泛在電力物聯網應運而上。


泛在電力物聯網,是指圍繞電力系統各環節,充分應用移動互聯、人工智能、區塊鏈等現代信息通信技術,實現電力系統各個環節萬物互聯、人機交互,具有狀態全面感知、信息高效處理、應用便捷靈活特征的智慧服務系統。


“泛在電力物聯網”將電力用戶及其設備,電網企業及其設備,發電企業及其設備,供應商及其設備,以及人和物連接起來,產生共享數據,為用戶、電網、發電、供應商和政府社會服務;以電網為樞紐,發揮平臺和共享作用,為全行業和更多市場主體發展創造更大機遇,提供價值服務。


2019年國家電網正式啟動“泛在電力物聯網”建設,并將其定義為當前國家電網“最緊迫、最重要的任務”。


泛在電力物聯網的建設內容分為對內業務、對外業務、數據共享、基礎支撐、技術攻關和安全防護6個方面,11個重點方向。


對內業務主要是面向電網的生產運營和經營管理,可以提升電網的智能化水平,保障電網平穩運營;同時可以提高客戶滿意度和運營精益化管理,控制成本。


對外業務主要是支持電網企業避免被業務“管道化”,從而向“內容服務”的綜合能源管理轉型,構建一個“樞紐開放共享”的配用電(用能)的產業生態平臺,并且形成自身新的商業模式。


5G、云計算等數字化技術的發展為電網賦能


泛在電力物聯網的架構設計包括感知層、網絡層、平臺層、應用層四層結構。


感知層,主要是通過各類終端數據統一標準化接入,解決數據的采集問題;


網絡層,主要是通過廣覆蓋、大連接、低時延、高可靠的信息通信網絡,解決數據的傳輸問題;


平臺層,主要是通過超大規模終端統一物聯管理、云計算和邊緣計算協同,解決數據的管理問題;


應用層,主要是通過數據融通提供標準化數據服務,支撐各類應用的快速構建、隨需迭代,解決數據的價值創造問題。


因此從技術上看,泛在電力物聯網是一系列先進數字技術在能源電力領域的應用,包括物聯網、移動互聯、區塊鏈等互聯技術,大數據、云計算、人工智能、邊緣計算等智能技術,以及5G等通信技術。目前相較于通信、銀行等產業,電力的數字化水平仍處于較為落后的階段,處于需求爆發期。


……


智能終端是泛在電力物聯網最先落子環節


國家電網在2019年初提出,要緊緊抓住2019年到2021年這一戰略突破期,通過三年攻堅,到2021年初步建成泛在電力物聯網;通過三年提升,到2024年建成泛在電力物聯網。


(一)電力物聯網感知層關鍵技術


泛在電力物聯網建設,在感知層需要鋪設大量的傳感設備(如智能電表、溫度傳感等),還需要其他終端產品用于實現數據采集、邊緣計算和通信服務的功能。


這些終端產品分別用于最后一公里通信網、客戶側數據采集、有用于線路側數據采集、臺區邊緣服務、變電站數據采集、有用于末端移動服務等。


1、非介入式負荷辨識技術


非介入式負荷辨識是一種在用戶電力負荷輸入總線端獲取負荷數據(電壓、電流),并通過模式識別算法分解用戶用電負荷成分,實現分項計量功能的高級量測技術。該技術利用智能電能表的感知量測數據和本地分析處理,依托主站測的負荷模型庫和人工智能、機器學習算法,完成用戶用電負荷類型和用電量的量測。具備非接入式負荷便是功能的電能表在江蘇、天津和浙江等地開展了小規模試點驗證工作,相關運行數據已經應用于知道用戶科學用電、支撐居民增值服務,電網建設運行和政府建設運行和政府宏觀決策。典型的應用場景包括負荷預測、安全用電、智能家居等。


2、隨器計量技術


隨器計量技術是一種面向居民用電設備應用的新型感知技術,具有電參量量測、環境參量感知和控制策略輸出等功能。一般采用嵌入家用電器內部和隨氣計量智能插座兩種技術實現方案。該技術與非介入式符合便是技術相輔相乘,一般通過定制用電設備和隨器計量智能插座實現。定制用電設備是指設備自帶計量模塊,國內家電巨頭都在做相應產品的規劃和開發;而隨器計量智能插座是在插座上加入計量功能。通過數據共享實現模型修正,共同實現對用戶符合的精確感知,滿足家用電器級的深入感知和精準控制需求,為用電設備的精準運行監測、智能控制和源網荷協同運行提供了技術方案。


3、傳感芯片技術應用


三相智能電能表用磁傳感芯片能夠實時監測環境磁場干擾、記錄、上報磁場竊電事件。已經取得市場廣泛認可;單相電能表用微控制器芯片已完成研發,目前處于驗證測試階段。


4、基于HPLC的用采高級應用技術


基于高速電力線載波通信(HPLC)技術的深化應用主要包括:高頻數據采集、停電主動上報、時鐘精準管理、相位拓撲識別、臺區自動識別、ID統一標識管理、檔案自動同步以及通信性能檢測和網絡優化八大高級應用功能。這些功能支撐了多維的分布式能源接入、電動車充電樁的采集監控、臺區線損精細分析、營配貫通檔案校核等。


5、基于HPLC的雙模通信技術


基于HPLC的雙模通信技術可應用于載波通信盲點場景、無線通信盲點場景以及雙模融合通信場景,并可在低壓配電網最后“一公里”接入場景,實現智能家居、智慧城市、電動車充電樁遠程監控計費、分布式可再生能源接入及監控、樓宇控制系統、工業配電及遠程監控,利用HPLC與無線互補特性,提高接入網通信的覆蓋率,提高智能電網新業務支撐能力。


6、電表智能化監測技術


電能表在長時間運行中,可能因為竊電、故障、老化或失效造成幅值和相位誤差變化,或者由于長時間過電流運行造成電能表端子座溫度過高而燒毀的情況。新代智能電能表設計方案中增加了誤差自監測功能和端子座測溫功能:通過誤差自監測功能可及時發現計量異常情況并上報,形成監測時間記錄與凍結;端子座測溫功能通過對電能表端子座進行測溫,實時感知異常現象,對現場情況進行準確報警、拉閘保護、事件記錄、主動上報。


7、綜合能源測量感知技術


綜合能源測量感知技術充分利用用電信息采集系統、設備、通信資源,構建開放、共享的數據平臺。設備感知層涵蓋各種類型的能源計量表計、環境監測設備、測量感知傳感器;網絡通信層可支持采用HPLC、RF、藍牙、Zigbee、WiFi、M-BUS、RS-485等各種通信技術,并構建支持面向對象通信協議,以及各類能源計量表計、測量感知設備的互聯互通協議棧,實現設備的即插即用。


平臺應用層可基于公有云和私有云進行構建,打破內外網邊界,實現與政府、企業、用戶數據的安全交互。目前已累計接入電、水、氣、熱“多表合一”信息采集用戶533萬戶,建成14個國網級示范區,共享數據超過5000余萬條。


8、電動車有序充電技術


國網電動汽車公司在泛在電力物聯網中處于新興業務市場化的戰略前沿。充電樁作為連接電動汽車、用戶和電網的數據端口,是電動汽車數據、用戶數據、能源數據交互的關鍵樞紐,具有典型的物聯網終端特征,是國家電網泛在電力物聯網在用戶側的重要入口。


電動汽車有序充電是指用戶通過APP提出充放電業務申請,主站按照指定的充電計劃,在指定時間點給充電樁下達指令,實現對電動汽車充電啟停控制和實時功率限值調節。


2019年,國網公司開展電動汽車有序充電方案設計和樣機研制。截止目前,電動汽車有序充電樁已經在北京、上海、浙江等地區開展試點應用。具體為:北京33臺,上海30臺,杭州30臺,寧波30臺。


9、電力互感器在線監測技術


互感器又稱為儀用變壓器,是電流互感器和電壓互感器的統稱。能將高電壓變成低電壓、大電流變成小電流,用于量測或保護系統。其功能主要是將高電壓或大電流按比例變換成標準低電壓(100V)或標準小電流(5A或1A,均指額定值),以便實現測量儀表、保護設備及自動控制設備的標準化、小型化。同時互感器還可用來隔開高電壓系統,以保證人身和設備的安全。


電力互感器在線監測裝置根據電力互感器運行誤差評價方法及模型,規范電力互感器的型式評價、現場檢定及運行管理模式,提高電力互感器的檢驗、運維、管理水平,直接服務電能貿易結算,開展精細化線損分析。


(二)電力物聯網感知層關鍵設備


1、新一代智能電表


新代智能電能表采用多芯模組化設計理念,計量芯與管理芯相對獨立,同時配備上下行通信模塊以及各類業務應用模塊,非計量芯均可獨立升級,各類業務應用模塊靈活配置,在確保計量功能精準、可靠的前提下為未來所需要拓展的業務需求預留充分的空間。目前已經實現的擴展模塊有居民用電負荷識別模塊、電動汽車有序充電模塊以及“多表集抄”模塊。


2、能源控制器


結合電動汽車有序充電、居民家庭智慧用能、商業樓宇用能等物理信息系統技術要求,國家電網研制基于邊緣計算與云計算協同運行的能源控制器。能源控制器硬件上采用模塊化的型式設計,軟件上設計統一操作系統實現操作系統與底層硬件和應用層軟件的雙向解耦。研發了高頻數據采集、家庭居民智慧用能、電動汽車有序充電、停電故障主動上報等17個大類、38種功能設計。


3、電能計量鎖具


電能計量鎖具與智能、物聯、安全屬性泛在電力物聯網內涵高度契合,物理設備層采用加密通信保障鎖具通信及操作安全;系統平臺層充分依托用電信息采集現有平臺系統及硬件資源,實現智能鎖具的智能操作和物聯監測。


電能計量鎖具及其應用系統可為現場人員提供創新、便捷、智能服務,全面支撐用電側泛在電力物聯網現場各項業務的有序開展。


4、智能有序充電樁


國網所研發的智慧能源控制系統,通過能源路由器和控制器將電動汽車、儲能、分布式電源、微電網、蓄熱電采暖等客戶側新型設備通過平臺靈活接入,與電力交易系統、需求響應系統協調控制,通過有序充電樁實現了電動汽車有序充電的落地應用。智能充電樁立足規模化電動汽車充電對臺區配變的影響,結合有序充電精細化管理、無線組網、車樁通信、V2G等先進技術,除滿足基本充電需求外,還可動態響應、執行功率調節,實現電動車輛充電功率動態跟隨,滿足臺區負荷削峰填谷、有序充電管理需求。2019年結合智慧能源控制系統建設,已完成多個省市有序充電小區試點。


5、有序充電控制模組


為有效調控電網負荷,降低大量電動汽車競爭充電對配變、配網的負荷沖擊影響,研究基于“國網芯“的智能有序充電控制通用標準模組,實現能源路由器有序充電功能的小型化、標準化、模塊化、低成本化設計,為電力用戶提供優質無感的充電服務。2019年進行智能有序充電控制模組方案設計和樣機試制工作;2020年開展產品批量化應用。


(三)泛在電力物聯網的典型生態


分布式光伏


通過匯集電站側、電網側相關的設備運行、氣象氣候、符合能耗等數據,共享分布式光伏全產業、全服務、全價值鏈資源,實現數據全面接入、狀態全息感知、服務全新周到、開放合作共享。


綜合能效服務生態


聚集綜合能源服務商、產業鏈上下游供應商、終端用戶、政府及行業機構、金融及投資機構、科研機構及高效、小微企業和創客等產業相關方,整合綜合能源服務全產業、全服務、全價值鏈資源,形成開放共享、有序競爭、協同進化的商業共同體。


電動汽車服務生態


以充電服務為及時和入口,推進人、車、船、樁、網、點、儲等資源的泛在互聯,全面聚合政府部門、行業協會、電動汽車整車企業、電池等零部件企業、設備制造商、充電運營商、出行運營商、停車運營商、通信服務商、互聯網企業、電力企業、金融投資機構等各方資源,共同推動跨行業信息融合與業務貫通,服務電動汽車行業健康發展。


泛在電力物聯網感知層產品市場介紹


泛在電力物聯網的感知層包括基礎的傳感設備,如電能表、水表、燃氣表、溫度傳感器等,和其他終端產品,用于實現數據采集、邊緣計算和通信服務的需要。


近年南方電網公司也提出“數字化轉型”發展理念,實現電網狀態全感知、企業管理全在線、運營數據全管控、客戶服務全新體驗、能源發展合作共贏。聚焦數字電網、數字運營和數字能源生態三個重點,與國網建設泛在電力物聯網所需要的智能化終端產品較為協同。


(四)智能電表


智能電表國內市場基本情況


2019年4月,在泛在電力物聯網產業生態聯盟大會上,國網信通產業集團領導提出:建設泛在電力物聯網的保障之一,是設計研發新一代智能電表,實現電能和溫度計量,用戶家庭中大容量負荷的用電信息采集與控制;新一代智能電表問世即將來臨,電表更換需求將大幅提升。我國電表行業經歷了四個發展階段,并即將迎來最新的第五代技術發展階段。


隨著技術進步及新標準的應用,以及電能表相關技術規定,我國智能電表8年為一個輪換周期,2009年國家電網首次集中招標的表計類、終端類產品在2018年基本已達到輪換更新年限,2018年起輪換市場成為智能電能表市場增長的主要因素,研究機構估算國家電網2018年至2022年智能用電產品輪換需求約為3.7億臺,每年的需求在7000-8000萬臺。


因此在經歷了2016-2017年的市場寒冬后,我國智能電表招標量和招標額在2018年因新一輪智能電表的更換需求而開始回暖。2018年同比增長43%至5409萬只,2019年進一步恢復到7380萬只,同比增長36%,中標金額在2018年和2019年分別達到122億和130億;國網與南網合計在2019年招標智能電表7616萬只,中標金額估計約為134億元。


第四代智能電表的銷售單價大約在170-180元/只,2019年國網和南網合計招標金額為134億元。由于第五代泛在電力物聯網的電表產品將搭載更多通訊和計算模塊,因此預計單價將提升至300-350元/只,全國市場因此將在2020年開始隨著第五代技術電表的小批量招標而繼續增長,進入2021年加速更換升級,預計市場總規模將持續增長至2024年,達到280億以上。


智能電表國內競爭格局


國內電力設備企業主要面向電網公司進行銷售,國內電網市場相對壟斷,目前中國電力設備企業的市場化程度較高,尤其在智能電表和用電信息采集終端設備市場,國家電網智能電表及終端設備集中招標中標的生產廠商已超過100家。市場競爭格局非常分散。以國網2019年第一次智能電表招標的中標結果來看,各家企業的份額相對平均,中標企業總數達到60家。


目前IR46國標正在緊鑼密鼓的推進,國網下一代智能電表必然會基于此標準要求,IR46標準一旦推行,必然會有新一輪的洗牌。隨著電改的逐步深入,電網公司的管理模式和管理要求必然會發生一些轉變,而這些轉變不少將會需要有新的技術、新的產品提供支撐,會創造出新的市場機遇。


智能電表市場具有以下行業壁壘:


技術壁壘:智能配用電系統及產品的研發、生產包含了微電子技術、計算機技術、通信技術、自動控制技術、新材料技術等多項技術的集成應用,屬于技術密集型行業。其中,智能電表除具有普通電表所有功能外,還具有實時監控、自動控制、信息交互及數據處理等功能,涉及諸多高端技術領域。


技術認證門檻:為保證智能電表的性能穩定可靠,促進智能電網配套的各種設備及產品的兼容,并對智能電網的智能化和信息化提供標準接口,國內市場擁有自成體系的國網標準、南網標準,以及專業的檢測機構,企業產品必須通過測試后,才能獲得投標資格。


道壁壘:國內市場需要與電網公司客戶建立長期聯系,擁有完善的市場銷售、服務網絡以及專業的銷售服務團隊,在全國范圍內建設市場銷售服務網絡的建設,對新進企業形成了一定的渠道壁壘。


資金實力壁壘:大規模招標通常要求較長的信用賬期;


歷史業績:多數市場對供應商供貨歷史和項目實施經驗有要求;


智能電表招標采購權主要集中于各國電力公司或能源公司,因此,智能電表行業下游客戶比較集中,行業經營模式具備以下特點:


1、招標采購,訂單生產


電力企業通過統一招標進行采購;供應商均被要求通過合格供應商資質認證后才能參與招標,中標后按訂單生產供貨。


2、嚴格定制


不同采購方對智能電表的功能和技術要求各異,因此對智能電表的需求具有嚴格定制化的特點。


其他感知層終端產品


這些終端產品有用于組建最后一公里通信網的(如HPLC通信模塊)、有用于客戶側數據采集的(如專變終端、集中器等)、有用于線路側數據采集的(如配電終端、接地短路故障指示器等)、有用于臺區邊緣服務的(如TTU)、有用于電網重要組成部分變電站數據采集的(如智能變電站電能量采集終端、廠站終端)、有用于末端移動服務的(如營銷服務移動作業終端),以及其他一些新的末端感知設備。


其他終端產品市場格局


由于終端產品種類較多,且中標企業非常分散,對企業市場競爭力的綜合平價主要從中標覆蓋項目單位數量、中標產品種數、中標包數三個維度展開,中標覆蓋項目單位數量和中標包數可以得知企業的市場能力,中標產品種數可以看出企業的技術能力和產品能力。

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