基于物聯(lián)網(wǎng)的電力系統(tǒng)監(jiān)控及電源管理

喜靜波，李夢琪，王鑫磊，趙葦航，楊 晉

（北京太陽宮燃?xì)鉄犭娪邢薰荆本?100028）

1 物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備部署

1.1 部署電力系統(tǒng)監(jiān)控的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備

為實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，采取了一系列步驟部署物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。實(shí)時(shí)電力系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控架構(gòu)如圖1 所示，詳細(xì)描繪了物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在電力系統(tǒng)中的部署情況，在中央監(jiān)控站與物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間構(gòu)建了一個(gè)完整的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，位于電力系統(tǒng)關(guān)鍵部位（發(fā)電機(jī)、變壓器和配電網(wǎng)絡(luò)等）的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備（各類傳感器等）通過Wi-Fi 無線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)將捕獲的電流、電壓、溫度等參數(shù)數(shù)據(jù)傳輸至中央監(jiān)控站[1-3]。中央監(jiān)控站主要由物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器組成。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的主要功能是收集傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至服務(wù)器。服務(wù)器不僅存儲(chǔ)這些數(shù)據(jù)，還通過專用的數(shù)據(jù)處理和分析軟件，將電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)呈現(xiàn)出來。該系統(tǒng)還包含了網(wǎng)絡(luò)安全策略，包括使用強(qiáng)密碼、加密通信、定期更新固件等，以確保設(shè)備和數(shù)據(jù)的安全。

1.2 部署電源管理的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備

首先，選擇在電源設(shè)備上安裝智能電源管理模塊。這些模塊能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測電源的狀態(tài)，包括輸出電流、電壓、功率因數(shù)等，并且提供了遠(yuǎn)程控制電源開關(guān)和輸出參數(shù)的能力。其次，因考慮電源設(shè)備可能位于遠(yuǎn)程或環(huán)境惡劣的地方，選擇使用遠(yuǎn)距離無線電（Long Range Radio，LoRa）作為物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，該技術(shù)具有長距離、低功耗的特性[4]。再次，在中央控制站部署了物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器。網(wǎng)關(guān)主要負(fù)責(zé)接收來自電源管理模塊的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器。服務(wù)器存儲(chǔ)這些數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)處理和分析軟件，實(shí)時(shí)顯示電源的狀態(tài)，并根據(jù)需求進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。從次，為了提高電源的使用效率和可靠性，采用電源優(yōu)化算法進(jìn)行管理，如實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡、峰值削減等。最后，考慮物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可能面臨網(wǎng)絡(luò)攻擊的威脅，設(shè)計(jì)并實(shí)施了一套網(wǎng)絡(luò)安全策略，如使用強(qiáng)碼、加密通信、定期更新固件等，以確保設(shè)備和數(shù)據(jù)的安全。

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備部署如圖2 所示，包括物聯(lián)網(wǎng)智能電源及其周圍一系列與之交互的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，如物聯(lián)網(wǎng)報(bào)警、人體探測器、溫濕度采集器、物聯(lián)網(wǎng)門禁以及物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控等。這些設(shè)備都實(shí)時(shí)采集相關(guān)數(shù)據(jù)，并通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸至智能電源管理模塊。所有這些設(shè)備都與一個(gè)中心的交換機(jī)連接，確保數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸和設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。圖2 中的監(jiān)控客戶端可以用來接收、存儲(chǔ)并處理來自各設(shè)備的數(shù)據(jù)，并通過專用的數(shù)據(jù)處理和分析軟件，實(shí)時(shí)顯示各個(gè)設(shè)備和整體系統(tǒng)的狀態(tài)。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備部署

1.3 監(jiān)控與管理設(shè)備的聯(lián)動(dòng)部署

首先，建立了一個(gè)統(tǒng)一的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備管理平臺，對電力系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)備和電源管理設(shè)備進(jìn)行集中管理。通過該平臺，可以實(shí)時(shí)收集來自監(jiān)控設(shè)備和管理設(shè)備的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行統(tǒng)一處理和分析。其次，設(shè)計(jì)了一種通用的物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議，使不同的設(shè)備可以由統(tǒng)一的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和指令接收。該協(xié)議支持Wi-Fi 和遠(yuǎn)距離無線電（Long Range Radio，LoRa）2 種通信技術(shù)，適應(yīng)了不同設(shè)備和環(huán)境的需求。再次，為了實(shí)現(xiàn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和管理數(shù)據(jù)的互通，設(shè)計(jì)了一種數(shù)據(jù)交互和共享機(jī)制。監(jiān)控設(shè)備可以通過該機(jī)制以及電源管理的需求，提供必要的數(shù)據(jù)和信息，同時(shí)電源管理設(shè)備可以根據(jù)電力系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況，進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整[5]。最后，對于故障檢測和預(yù)警，采用了聯(lián)合監(jiān)控和管理數(shù)據(jù)的方式，使得故障檢測更準(zhǔn)確，預(yù)警更及時(shí)。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障或異常時(shí)，不僅可以快速定位問題，而且可以通過遠(yuǎn)程控制，及時(shí)調(diào)整電源參數(shù)，減少故障的影響。

2 數(shù)據(jù)收集與處理流程設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)收集

通過在電力系統(tǒng)關(guān)鍵部位安裝的物聯(lián)網(wǎng)傳感器，實(shí)時(shí)采集各類重要參數(shù)，如電流、電壓、溫度等。這些傳感器設(shè)計(jì)為每隔預(yù)定的時(shí)間間隔（每秒等）采集一次數(shù)據(jù)，并通過無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送至中央監(jiān)控站。首先，中央監(jiān)控站對于收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，包括數(shù)據(jù)格式化、數(shù)據(jù)校驗(yàn)等，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。其次，將這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫，以便后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和處理。為了處理大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，采用了高性能的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，并使用分布式計(jì)算框架來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以確保數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。為了便于查看和分析數(shù)據(jù)，開發(fā)了一個(gè)可視化的用戶界面，可以實(shí)時(shí)顯示電力系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)和狀態(tài)。最后，開發(fā)了應(yīng)用程序接口（Application Programming Interface，API），使得其他應(yīng)用如電源管理系統(tǒng)，可以方便地獲取監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和交互。

2.2 電源管理數(shù)據(jù)收集

在電源設(shè)備上安裝的智能電源管理模塊，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測電源的各項(xiàng)參數(shù)，如輸出電流、電壓、功率因數(shù)等。這些模塊定期（每秒等）收集一次數(shù)據(jù)，并通過LoRa 無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至中央控制站。中央控制站的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)接收從智能電源管理模塊發(fā)送來的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行初步處理，包括數(shù)據(jù)格式化、數(shù)據(jù)校驗(yàn)等，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。初步處理后的數(shù)據(jù)會(huì)存儲(chǔ)在服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫。使用高性能的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，確保了大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的高效存儲(chǔ)和處理。通過數(shù)據(jù)處理和分析軟件，實(shí)時(shí)分析電源數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)電源狀態(tài)的監(jiān)控和遠(yuǎn)程控制。同時(shí)，可以根據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行負(fù)載均衡、峰值削減等電源優(yōu)化操作。開發(fā)了API接口，使得其他應(yīng)用如電力系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)，可以方便地獲取電源管理數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和交互。

2.3 數(shù)據(jù)處理與分析

電力系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)備和電源管理設(shè)備收集的樣本數(shù)據(jù)為了整合以進(jìn)行分析，先對數(shù)據(jù)進(jìn)行集成。通過數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)（Extract Transform Load，ETL）工具，將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗，如消除重復(fù)數(shù)據(jù)、填補(bǔ)缺失數(shù)據(jù)等，然后格式化數(shù)據(jù)，如將電流、電壓等數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的單位（A、V 等），最后將這些處理后的數(shù)據(jù)整合一起，并存入同一數(shù)據(jù)庫。

3 電力系統(tǒng)監(jiān)控與電源管理操作

3.1 實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控

首先，確保所有的監(jiān)控設(shè)備都正確地安裝，并與網(wǎng)絡(luò)連接。設(shè)備的配置參數(shù)，包括采樣頻率和數(shù)據(jù)上報(bào)頻率，都可以在設(shè)備的管理界面上設(shè)置。如果設(shè)備需要每秒采集一次數(shù)據(jù)，就將采樣頻率設(shè)置為1 Hz。設(shè)備在預(yù)定的頻率上自動(dòng)采集數(shù)據(jù)。例如，如果設(shè)置的采樣頻率為1 Hz，電流表就會(huì)每秒測量一次電流，并將數(shù)據(jù)保存在內(nèi)部存儲(chǔ)器。一旦達(dá)到設(shè)定的數(shù)據(jù)上報(bào)頻率，設(shè)備就會(huì)將內(nèi)部存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)打包，并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到后臺系統(tǒng)。

首先，后臺系統(tǒng)接收到設(shè)備發(fā)來的數(shù)據(jù)包后，進(jìn)行解包，取出其中的數(shù)據(jù)。其次，根據(jù)設(shè)備類型和參數(shù)類型，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的單位，如將電流數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為安培。對于超出正常范圍的數(shù)據(jù)，標(biāo)記為異常，并記錄下來。最后，將所有接收到的數(shù)據(jù)，無論正常還是異常，都保存到數(shù)據(jù)庫。在監(jiān)控界面上，實(shí)時(shí)顯示每個(gè)設(shè)備的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以用圖表的形式展示，如用折線圖顯示電流隨時(shí)間的變化。同時(shí)，系統(tǒng)會(huì)檢查是否有新的異常數(shù)據(jù)，一旦發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，就在界面上高亮顯示，并播放報(bào)警聲音，提示運(yùn)維人員注意。

3.2 進(jìn)行電源的遠(yuǎn)程控制與管理

在進(jìn)行電源的遠(yuǎn)程控制與管理之前，需要先將電源管理設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)。接入過程中，系統(tǒng)需驗(yàn)證設(shè)備的身份以確保其安全性。這通常涉及輸入設(shè)備身份標(biāo)識號碼（Identity Document，ID）以及對應(yīng)的認(rèn)證信息。設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)后，會(huì)定期向系統(tǒng)報(bào)告其狀態(tài)，包括當(dāng)前的電源輸出電壓、輸出電流及功率因數(shù)等數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)將被后臺系統(tǒng)接收并保存在數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)中的控制模塊可以向電源管理設(shè)備發(fā)送控制命令，如調(diào)整輸出電壓、限制輸出電流等。當(dāng)設(shè)備接收到命令后，會(huì)執(zhí)行相應(yīng)的操作并向系統(tǒng)反饋執(zhí)行結(jié)果。在控制操作過程中，系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備的狀態(tài)變化，確保設(shè)備執(zhí)行了正確的操作并在正常的工作狀態(tài)中。如果檢測到異常，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)觸發(fā)警報(bào)。根據(jù)設(shè)備反饋的運(yùn)行數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可以自動(dòng)或手動(dòng)進(jìn)行調(diào)整與優(yōu)化，以確保電源的效率和穩(wěn)定性。例如，當(dāng)檢測到負(fù)載增大時(shí)，可以增大輸出電流；當(dāng)檢測到設(shè)備溫度過高時(shí)，可以降低負(fù)載或啟動(dòng)冷卻設(shè)備。

3.3 基于監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)提升電源負(fù)荷平衡與能源效率

從數(shù)據(jù)庫中抽取電源管理設(shè)備和電力系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)備上報(bào)的數(shù)據(jù)。對數(shù)據(jù)進(jìn)行深入的統(tǒng)計(jì)和趨勢分析，以了解電源負(fù)荷的分布情況和電力使用的效率。例如：可以計(jì)算每小時(shí)、每天或每月的平均負(fù)荷，找出負(fù)荷高峰和低谷，分析負(fù)荷的周期性變化；可以計(jì)算功率因數(shù)，了解電力的實(shí)際使用效率?；跀?shù)據(jù)分析的結(jié)果，設(shè)計(jì)出電源負(fù)荷平衡的策略。例如，如果發(fā)現(xiàn)某些時(shí)段的負(fù)荷特別高，可以通過調(diào)整設(shè)備的運(yùn)行計(jì)劃，將一部分負(fù)荷移到低負(fù)荷時(shí)段，以平衡電源負(fù)荷。這個(gè)過程可能需要自動(dòng)化控制系統(tǒng)的支持，也可能需要人工介入。通過優(yōu)化電源管理設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，提高能源效率。例如：可以調(diào)整功率因數(shù)，使得實(shí)際使用的電能和供電的電能盡可能接近，從而減少無功電能的產(chǎn)生；可以在低負(fù)荷時(shí)段，降低設(shè)備的運(yùn)行速度，減少能源浪費(fèi)。

4 結(jié) 論

文章講述了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電力系統(tǒng)監(jiān)控及電源管理的應(yīng)用，提出了一套實(shí)時(shí)電力物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的精準(zhǔn)部署和實(shí)時(shí)監(jiān)控能力使得電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率大大提高，安全問題及時(shí)被識別并解決，電源管理也更加精準(zhǔn)有效。數(shù)據(jù)收集和處理環(huán)節(jié)中，數(shù)據(jù)集成、標(biāo)準(zhǔn)化和交互等步驟的實(shí)施，確保了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性，從而促進(jìn)了系統(tǒng)決策的有效性。在系統(tǒng)操作環(huán)節(jié)，通過精準(zhǔn)的負(fù)荷平衡策略和能源效率提升策略，優(yōu)化了電力資源的利用，降低了能源浪費(fèi)。