智能终端是泛在电力物联网最先落子环节
发布者:lzx | 来源:国信证券 | 0评论 | 1271查看 | 2020-01-07 10:05:46    

一、核心假设或逻辑


第一,国网泛在电力物联网的建设,将最先落子在智能终端的投资。电网台区侧和用电侧大量电能信息采集、监测、控制、计量设备和其他传感设备和控制系统将迎来全面的技术创新和硬件更换升级,新一代智能设备集成更多通讯和计算功能,因此单表价值也将翻倍。


第二,泛在电力物联网对智能终端的需求不仅仅是升级原有设备,而是在更大范围内提升电网的全息感知能力,因此对计量工具、通讯模块的需求数量将几倍于原来的智能电表和配电终端,打造广阔的市场空间。


第三,在电网新的技术标准引导下,我们预期2020年下半年将开始小批量新产品招标,需求持续增长到2024年。市场早期阶段由于研发创新的门槛较高,整个市场集中度将快速提升,从原来细分产品市场参与企业40-60家集中到30-20家以内。


二、泛在电力物联网是我国能源结构转型的必然产物


践行“四个革命,一个合作”我国正处于能源革命进行时


中国能源需求的压力巨大,能源供给的制约较多,能源技术水平总体落后,能源生产和消费对生态环境损害严重。与此同时,伴随着世界能源转型的大趋势,中国作为能源大国和负责任大国,也肩负着推动技术创新、促进地区能源转型、实现可持续发展的重任。


针对我国能源革命的重要战略方针,2019年,国家电网公司提出了到2050年实现“两个50%”的重要判断,即“2050年我国能源清洁化率(非化石能源占一次能源的比重)达到50%和终端电气化率(电能占终端能源消费的比重)达到50%”。


能源生产方面,能源供给结构由化石能源占主导转向由风、光、生物质等非化石能源为主导,是能源生产革命的大方向。当前,我国风、光等清洁能源集中式和分布式开发并举,能源清洁化率2018年已经达到14.3%,未来仍将保持快速增长。当能源清洁化率达到50%时,非化石能源就已成为一次能源供应主体,是我国能源生产革命实现突破的重要标志,我国可再生能源时代将正式到来。


能源消费方面,能源需求结构由能源“直接运用”转向以电为中心的能源“转化运用”,是能源消费革命的重要体现。电能生产的高效性、传输的便捷性、终端的多样性、使用的清洁性等诸多优势,随着电力技术正与信息技术深度融合,能源消费进一步朝向以电为中心。我国电能占终端能源消费比重(终端电气化)2018年已达到25.5%。终端电气化率超过50%将是我国能源消费革命取得突破的重要标志。


能源技术革命,这两个50%的目标对能源技术提出了更好的要求,新能源、储能和新型用电技术的发展对电网技术创新形成倒逼之势,也催生了能源技术革命。同时能源技术和数字化技术的发展也为用能方式转型提供基础条件,多能互补、综合利用,电力电子、先进输电等技术在电力系统日益广泛应用,以大数据、云计算、物联网、人工智能、区块链为代表的数字技术与电网技术加速融合,为电网跨越升级提供了强大动力。


能源体制革命方面,2014年我国启动的电力改革是能源体制改革的重要内容,电力系统打破垄断经营,多买方—多卖方的竞争性市场格局逐步形成,市场在电力资源配置中的作用彰显,对电网发挥网络市场功能、扩大市场开放、提高电力系统运行效率和透明度、加强生态圈建设提出新的要求。


从加强国际合作看,能源是经济社会发展的命脉,能否在新一轮能源革命中占据制高点,将影响我国在未来全球竞争格局中的地位。


电改大背景下泛在电力物联网应运而生


2015年3月,国务院颁发电改“9号文”,提出“三放开、一独立、一加强”的改革路径。“三放开”是指在进一步完善政企分开、厂网分开、主辅分开的基础上,按照管住中间、放开两头的体制架构,有序放开输配以外的竞争性环节电价,有序向社会资本放开配售电业务,有序放开公益性和调节性以外的发用电计划。“一独立”是指推进交易机构相对独立,规范运行。


而售电侧放开对电网公司的短期冲击最大,彻底改变电网公司统购统销的垄断局面,使得电力用户拥有向不同的市场主体购电的选择权,电力生产企业可以选择向不同的用户卖电,电力买卖双方自行决定电量、电价。因此电网企业必须改变传统赢利模式,通过重新定位电网功能和电网收益机制。特别是2018和2019年连续两年一般工商业电价降低10%,输配电价也相应下调,电网传统业务经营利润持续下滑。


一方面电网需要打造电力系统运行全透明的状态,来保证安全稳定可靠运行,为市场交易提供基础信息和数据,另一方面,电网需要通过数字化转型来探索新的收益机制。再这样的行业大背景下,泛在电力物联网应运而上。


泛在电力物联网,是指围绕电力系统各环节,充分应用移动互联、人工智能、区块链等现代信息通信技术,实现电力系统各个环节万物互联、人机交互,具有状态全面感知、信息高效处理、应用便捷灵活特征的智慧服务系统。


“泛在电力物联网”将电力用户及其设备,电网企业及其设备,发电企业及其设备,供应商及其设备,以及人和物连接起来,产生共享数据,为用户、电网、发电、供应商和政府社会服务;以电网为枢纽,发挥平台和共享作用,为全行业和更多市场主体发展创造更大机遇,提供价值服务。


2019年国家电网正式启动“泛在电力物联网”建设,并将其定义为当前国家电网“最紧迫、最重要的任务”。


泛在电力物联网的建设内容分为对内业务、对外业务、数据共享、基础支撑、技术攻关和安全防护6个方面,11个重点方向。


对内业务主要是面向电网的生产运营和经营管理,可以提升电网的智能化水平,保障电网平稳运营;同时可以提高客户满意度和运营精益化管理,控制成本。


对外业务主要是支持电网企业避免被业务“管道化”,从而向“内容服务”的综合能源管理转型,构建一个“枢纽开放共享”的配用电(用能)的产业生态平台,并且形成自身新的商业模式。


5G、云计算等数字化技术的发展为电网赋能


泛在电力物联网的架构设计包括感知层、网络层、平台层、应用层四层结构。


感知层,主要是通过各类终端数据统一标准化接入,解决数据的采集问题;


网络层,主要是通过广覆盖、大连接、低时延、高可靠的信息通信网络,解决数据的传输问题;


平台层,主要是通过超大规模终端统一物联管理、云计算和边缘计算协同,解决数据的管理问题;


应用层,主要是通过数据融通提供标准化数据服务,支撑各类应用的快速构建、随需迭代,解决数据的价值创造问题。


因此从技术上看,泛在电力物联网是一系列先进数字技术在能源电力领域的应用,包括物联网、移动互联、区块链等互联技术,大数据、云计算、人工智能、边缘计算等智能技术,以及5G等通信技术。目前相较于通信、银行等产业,电力的数字化水平仍处于较为落后的阶段,处于需求爆发期。


……


智能终端是泛在电力物联网最先落子环节


国家电网在2019年初提出,要紧紧抓住2019年到2021年这一战略突破期,通过三年攻坚,到2021年初步建成泛在电力物联网;通过三年提升,到2024年建成泛在电力物联网。


(一)电力物联网感知层关键技术


泛在电力物联网建设,在感知层需要铺设大量的传感设备(如智能电表、温度传感等),还需要其他终端产品用于实现数据采集、边缘计算和通信服务的功能。


这些终端产品分别用于最后一公里通信网、客户侧数据采集、有用于线路侧数据采集、台区边缘服务、变电站数据采集、有用于末端移动服务等。


1、非介入式负荷辨识技术


非介入式负荷辨识是一种在用户电力负荷输入总线端获取负荷数据(电压、电流),并通过模式识别算法分解用户用电负荷成分,实现分项计量功能的高级量测技术。该技术利用智能电能表的感知量测数据和本地分析处理,依托主站测的负荷模型库和人工智能、机器学习算法,完成用户用电负荷类型和用电量的量测。具备非接入式负荷便是功能的电能表在江苏、天津和浙江等地开展了小规模试点验证工作,相关运行数据已经应用于知道用户科学用电、支撑居民增值服务,电网建设运行和政府建设运行和政府宏观决策。典型的应用场景包括负荷预测、安全用电、智能家居等。


2、随器计量技术


随器计量技术是一种面向居民用电设备应用的新型感知技术,具有电参量量测、环境参量感知和控制策略输出等功能。一般采用嵌入家用电器内部和随气计量智能插座两种技术实现方案。该技术与非介入式符合便是技术相辅相乘,一般通过定制用电设备和随器计量智能插座实现。定制用电设备是指设备自带计量模块,国内家电巨头都在做相应产品的规划和开发;而随器计量智能插座是在插座上加入计量功能。通过数据共享实现模型修正,共同实现对用户符合的精确感知,满足家用电器级的深入感知和精准控制需求,为用电设备的精准运行监测、智能控制和源网荷协同运行提供了技术方案。


3、传感芯片技术应用


三相智能电能表用磁传感芯片能够实时监测环境磁场干扰、记录、上报磁场窃电事件。已经取得市场广泛认可;单相电能表用微控制器芯片已完成研发,目前处于验证测试阶段。


4、基于HPLC的用采高级应用技术


基于高速电力线载波通信(HPLC)技术的深化应用主要包括:高频数据采集、停电主动上报、时钟精准管理、相位拓扑识别、台区自动识别、ID统一标识管理、档案自动同步以及通信性能检测和网络优化八大高级应用功能。这些功能支撑了多维的分布式能源接入、电动车充电桩的采集监控、台区线损精细分析、营配贯通档案校核等。


5、基于HPLC的双模通信技术


基于HPLC的双模通信技术可应用于载波通信盲点场景、无线通信盲点场景以及双模融合通信场景,并可在低压配电网最后“一公里”接入场景,实现智能家居、智慧城市、电动车充电桩远程监控计费、分布式可再生能源接入及监控、楼宇控制系统、工业配电及远程监控,利用HPLC与无线互补特性,提高接入网通信的覆盖率,提高智能电网新业务支撑能力。


6、电表智能化监测技术


电能表在长时间运行中,可能因为窃电、故障、老化或失效造成幅值和相位误差变化,或者由于长时间过电流运行造成电能表端子座温度过高而烧毁的情况。新代智能电能表设计方案中增加了误差自监测功能和端子座测温功能:通过误差自监测功能可及时发现计量异常情况并上报,形成监测时间记录与冻结;端子座测温功能通过对电能表端子座进行测温,实时感知异常现象,对现场情况进行准确报警、拉闸保护、事件记录、主动上报。


7、综合能源测量感知技术


综合能源测量感知技术充分利用用电信息采集系统、设备、通信资源,构建开放、共享的数据平台。设备感知层涵盖各种类型的能源计量表计、环境监测设备、测量感知传感器;网络通信层可支持采用HPLC、RF、蓝牙、Zigbee、WiFi、M-BUS、RS-485等各种通信技术,并构建支持面向对象通信协议,以及各类能源计量表计、测量感知设备的互联互通协议栈,实现设备的即插即用。


平台应用层可基于公有云和私有云进行构建,打破内外网边界,实现与政府、企业、用户数据的安全交互。目前已累计接入电、水、气、热“多表合一”信息采集用户533万户,建成14个国网级示范区,共享数据超过5000余万条。


8、电动车有序充电技术


国网电动汽车公司在泛在电力物联网中处于新兴业务市场化的战略前沿。充电桩作为连接电动汽车、用户和电网的数据端口,是电动汽车数据、用户数据、能源数据交互的关键枢纽,具有典型的物联网终端特征,是国家电网泛在电力物联网在用户侧的重要入口。


电动汽车有序充电是指用户通过APP提出充放电业务申请,主站按照指定的充电计划,在指定时间点给充电桩下达指令,实现对电动汽车充电启停控制和实时功率限值调节。


2019年,国网公司开展电动汽车有序充电方案设计和样机研制。截止目前,电动汽车有序充电桩已经在北京、上海、浙江等地区开展试点应用。具体为:北京33台,上海30台,杭州30台,宁波30台。


9、电力互感器在线监测技术


互感器又称为仪用变压器,是电流互感器和电压互感器的统称。能将高电压变成低电压、大电流变成小电流,用于量测或保护系统。其功能主要是将高电压或大电流按比例变换成标准低电压(100V)或标准小电流(5A或1A,均指额定值),以便实现测量仪表、保护设备及自动控制设备的标准化、小型化。同时互感器还可用来隔开高电压系统,以保证人身和设备的安全。


电力互感器在线监测装置根据电力互感器运行误差评价方法及模型,规范电力互感器的型式评价、现场检定及运行管理模式,提高电力互感器的检验、运维、管理水平,直接服务电能贸易结算,开展精细化线损分析。


(二)电力物联网感知层关键设备


1、新一代智能电表


新代智能电能表采用多芯模组化设计理念,计量芯与管理芯相对独立,同时配备上下行通信模块以及各类业务应用模块,非计量芯均可独立升级,各类业务应用模块灵活配置,在确保计量功能精准、可靠的前提下为未来所需要拓展的业务需求预留充分的空间。目前已经实现的扩展模块有居民用电负荷识别模块、电动汽车有序充电模块以及“多表集抄”模块。


2、能源控制器


结合电动汽车有序充电、居民家庭智慧用能、商业楼宇用能等物理信息系统技术要求,国家电网研制基于边缘计算与云计算协同运行的能源控制器。能源控制器硬件上采用模块化的型式设计,软件上设计统一操作系统实现操作系统与底层硬件和应用层软件的双向解耦。研发了高频数据采集、家庭居民智慧用能、电动汽车有序充电、停电故障主动上报等17个大类、38种功能设计。


3、电能计量锁具


电能计量锁具与智能、物联、安全属性泛在电力物联网内涵高度契合,物理设备层采用加密通信保障锁具通信及操作安全;系统平台层充分依托用电信息采集现有平台系统及硬件资源,实现智能锁具的智能操作和物联监测。


电能计量锁具及其应用系统可为现场人员提供创新、便捷、智能服务,全面支撑用电侧泛在电力物联网现场各项业务的有序开展。


4、智能有序充电桩


国网所研发的智慧能源控制系统,通过能源路由器和控制器将电动汽车、储能、分布式电源、微电网、蓄热电采暖等客户侧新型设备通过平台灵活接入,与电力交易系统、需求响应系统协调控制,通过有序充电桩实现了电动汽车有序充电的落地应用。智能充电桩立足规模化电动汽车充电对台区配变的影响,结合有序充电精细化管理、无线组网、车桩通信、V2G等先进技术,除满足基本充电需求外,还可动态响应、执行功率调节,实现电动车辆充电功率动态跟随,满足台区负荷削峰填谷、有序充电管理需求。2019年结合智慧能源控制系统建设,已完成多个省市有序充电小区试点。


5、有序充电控制模组


为有效调控电网负荷,降低大量电动汽车竞争充电对配变、配网的负荷冲击影响,研究基于“国网芯“的智能有序充电控制通用标准模组,实现能源路由器有序充电功能的小型化、标准化、模块化、低成本化设计,为电力用户提供优质无感的充电服务。2019年进行智能有序充电控制模组方案设计和样机试制工作;2020年开展产品批量化应用。


(三)泛在电力物联网的典型生态


分布式光伏


通过汇集电站侧、电网侧相关的设备运行、气象气候、符合能耗等数据,共享分布式光伏全产业、全服务、全价值链资源,实现数据全面接入、状态全息感知、服务全新周到、开放合作共享。


综合能效服务生态


聚集综合能源服务商、产业链上下游供应商、终端用户、政府及行业机构、金融及投资机构、科研机构及高效、小微企业和创客等产业相关方,整合综合能源服务全产业、全服务、全价值链资源,形成开放共享、有序竞争、协同进化的商业共同体。


电动汽车服务生态


以充电服务为及时和入口,推进人、车、船、桩、网、点、储等资源的泛在互联,全面聚合政府部门、行业协会、电动汽车整车企业、电池等零部件企业、设备制造商、充电运营商、出行运营商、停车运营商、通信服务商、互联网企业、电力企业、金融投资机构等各方资源,共同推动跨行业信息融合与业务贯通,服务电动汽车行业健康发展。


泛在电力物联网感知层产品市场介绍


泛在电力物联网的感知层包括基础的传感设备,如电能表、水表、燃气表、温度传感器等,和其他终端产品,用于实现数据采集、边缘计算和通信服务的需要。


近年南方电网公司也提出“数字化转型”发展理念,实现电网状态全感知、企业管理全在线、运营数据全管控、客户服务全新体验、能源发展合作共赢。聚焦数字电网、数字运营和数字能源生态三个重点,与国网建设泛在电力物联网所需要的智能化终端产品较为协同。


(四)智能电表


智能电表国内市场基本情况


2019年4月,在泛在电力物联网产业生态联盟大会上,国网信通产业集团领导提出:建设泛在电力物联网的保障之一,是设计研发新一代智能电表,实现电能和温度计量,用户家庭中大容量负荷的用电信息采集与控制;新一代智能电表问世即将来临,电表更换需求将大幅提升。我国电表行业经历了四个发展阶段,并即将迎来最新的第五代技术发展阶段。


随着技术进步及新标准的应用,以及电能表相关技术规定,我国智能电表8年为一个轮换周期,2009年国家电网首次集中招标的表计类、终端类产品在2018年基本已达到轮换更新年限,2018年起轮换市场成为智能电能表市场增长的主要因素,研究机构估算国家电网2018年至2022年智能用电产品轮换需求约为3.7亿台,每年的需求在7000-8000万台。


因此在经历了2016-2017年的市场寒冬后,我国智能电表招标量和招标额在2018年因新一轮智能电表的更换需求而开始回暖。2018年同比增长43%至5409万只,2019年进一步恢复到7380万只,同比增长36%,中标金额在2018年和2019年分别达到122亿和130亿;国网与南网合计在2019年招标智能电表7616万只,中标金额估计约为134亿元。


第四代智能电表的销售单价大约在170-180元/只,2019年国网和南网合计招标金额为134亿元。由于第五代泛在电力物联网的电表产品将搭载更多通讯和计算模块,因此预计单价将提升至300-350元/只,全国市场因此将在2020年开始随着第五代技术电表的小批量招标而继续增长,进入2021年加速更换升级,预计市场总规模将持续增长至2024年,达到280亿以上。


智能电表国内竞争格局


国内电力设备企业主要面向电网公司进行销售,国内电网市场相对垄断,目前中国电力设备企业的市场化程度较高,尤其在智能电表和用电信息采集终端设备市场,国家电网智能电表及终端设备集中招标中标的生产厂商已超过100家。市场竞争格局非常分散。以国网2019年第一次智能电表招标的中标结果来看,各家企业的份额相对平均,中标企业总数达到60家。


目前IR46国标正在紧锣密鼓的推进,国网下一代智能电表必然会基于此标准要求,IR46标准一旦推行,必然会有新一轮的洗牌。随着电改的逐步深入,电网公司的管理模式和管理要求必然会发生一些转变,而这些转变不少将会需要有新的技术、新的产品提供支撑,会创造出新的市场机遇。


智能电表市场具有以下行业壁垒:


技术壁垒:智能配用电系统及产品的研发、生产包含了微电子技术、计算机技术、通信技术、自动控制技术、新材料技术等多项技术的集成应用,属于技术密集型行业。其中,智能电表除具有普通电表所有功能外,还具有实时监控、自动控制、信息交互及数据处理等功能,涉及诸多高端技术领域。


技术认证门槛:为保证智能电表的性能稳定可靠,促进智能电网配套的各种设备及产品的兼容,并对智能电网的智能化和信息化提供标准接口,国内市场拥有自成体系的国网标准、南网标准,以及专业的检测机构,企业产品必须通过测试后,才能获得投标资格。


道壁垒:国内市场需要与电网公司客户建立长期联系,拥有完善的市场销售、服务网络以及专业的销售服务团队,在全国范围内建设市场销售服务网络的建设,对新进企业形成了一定的渠道壁垒。


资金实力壁垒:大规模招标通常要求较长的信用账期;


历史业绩:多数市场对供应商供货历史和项目实施经验有要求;


智能电表招标采购权主要集中于各国电力公司或能源公司,因此,智能电表行业下游客户比较集中,行业经营模式具备以下特点:


1、招标采购,订单生产


电力企业通过统一招标进行采购;供应商均被要求通过合格供应商资质认证后才能参与招标,中标后按订单生产供货。


2、严格定制


不同采购方对智能电表的功能和技术要求各异,因此对智能电表的需求具有严格定制化的特点。


其他感知层终端产品


这些终端产品有用于组建最后一公里通信网的(如HPLC通信模块)、有用于客户侧数据采集的(如专变终端、集中器等)、有用于线路侧数据采集的(如配电终端、接地短路故障指示器等)、有用于台区边缘服务的(如TTU)、有用于电网重要组成部分变电站数据采集的(如智能变电站电能量采集终端、厂站终端)、有用于末端移动服务的(如营销服务移动作业终端),以及其他一些新的末端感知设备。


其他终端产品市场格局


由于终端产品种类较多,且中标企业非常分散,对企业市场竞争力的综合平价主要从中标覆盖项目单位数量、中标产品种数、中标包数三个维度展开,中标覆盖项目单位数量和中标包数可以得知企业的市场能力,中标产品种数可以看出企业的技术能力和产品能力。

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