基于物聯網的應急發電車接入智慧實時監測系統實現方法研究

沙 征，洪元瑞，王 蕊，沈主浮，蔡振飛，俞凌楓

(1.國網上海市電力公司市區供電公司，上海 200080；2.國家電網公司華東分部，上海 200120)

作為電網不能供應電力時的應急備用電源，應急發電車是計劃、搶修、保電工作的電力保障。隨著供電可靠性的需求提升，應急發電車作為供電的重要補充，使用頻率日益增加，需要結合技術創新手段增強對應急發電車的實時監測管理。

發電車投資維護費用較高，應急發電達到一定小時后，需要進行維護保養，在有限的發電車資源情況下，需要保證車輛的硬件設備必須時刻處在可用狀態[1]、發電方面的相關指標必須正確可靠。系統介入前，應急發電車的維護基本是由人工定期巡檢完成，項目多，時間長。對應急發電車的環境監測可以安裝視頻監測，實時監測行駛過程中和發電過程中的環境情況，涉及到發電情況及電量經濟數據，缺乏有效的監測手段，管理者都想在過程中或者事后看到第一手的數據，甚至簡單的報表。

基于這些需求，結合當前物聯網技術的發展，本文給出一種系統方案，利用便捷的物聯網通信技術，在應急發電車上安裝實時監測感知單元，上送到智慧實時監測云平臺，可在線查看發電車的電量信息，還可將預警信號通過短信推送到指定手機上，從而實現及時預警。整套系統充分利用了傳感、采集、物聯網通信、互聯網軟件等技術，后續可拓展增加其他傳感器，從而完成對應急發電車的全面監測，也可以推廣到其他行業的在線電力實時監測及預警系統。

1 應急發電車實時監測系統的結構

1.1 系統結構圖

基于物聯網的應急發電車接入智慧實時監測系統結構圖如圖1所示，主要包括：①安裝在發電車內的物聯感知設備；②建立在云端的智慧實時監測系統報警平臺；③人機交互的登錄和監控界面。

1.2 系統運行

(1)按照系統結構開發并實現后，在系統運行時，首先，發電車內的感知端通過基于物聯網技術的電量監測傳感器，對發電車的實時發電情況進行監測，同時它應用了邊緣計算技術，可在底層實時計算用電信息。

(2)當電量超過設定值時，還可發出預警提示信息。感知端的實時發電情況、電量經濟數據和報警提示信息等經由GPRS網關模塊傳送至接收端，即云數據平臺，可同步手機端APP或電腦端WEB進行展示。

(3)工作人員借助人機交互界面，使用用戶名、密碼登錄到云端監測平臺，實時查詢發電車發電情況等。值得一提的是，當平臺發現報警時，也會推送報警信息到提前設定的短信號，提醒相關人員注意，設計更人性化和便捷化。

2 物聯感知設備

物聯感知設備安裝在應急發電車內，應用邊緣計算技術可以在底層實時計算用電信息，包括三相電壓、電流、實時功率、發電質量、漏電流、本次出車所發電能量、時間等，通過進行發電車的發電狀態辨別，并能夠實現故障實時預警功能。最終，物聯感知設備的底層發電信息數據將會通過物聯網通信接口傳至云數據平臺，進行下一步的展示及應用。

2.1 全電量監測

機端輸出電纜一般布置在應急發電車的側面電纜箱內，本系統對一次電纜的機端電壓、機端電流進行采集，其中電流采集需根據一次電纜的容量，選擇變比、容量等合適的電流互感器。

本系統的全電量測量終端采用的是智能用電采集終端。該設備適用于中、低壓電力配電系統中常規電力設備的單/三相電壓、電流、功率實時監測與控制，可以與電流互感器配套使用，實現單/三相電壓、電流及功率的全面監測功能，同時還具備電能質量監測、泄漏電流監測、故障錄波等功能。

該智能用電采集終端采用模塊化架構，便于自由組合及擴展，除了電壓、電流、功率、電量信息等常規監測功能之外，還可實現諧波、故障錄波、回路溫度、漏電流監測等擴展監測功能，同時本地可短時存儲故障錄波、SOE、諧波報表等記錄，便于故障溯源。更為可靠性統計提供發電實際時間及電量等參數的支撐。

實際使用中可進行不停電安裝，操作便捷。

2.2 實時預警

設計系統具備報警功能，當應急發電車的機端發生斷線、過流等故障，或者啟動、關斷發電機時，物聯感知設備都能發出實時預警信號。另外，本系統的物聯感知設備能夠智慧實現故障預判功能，根據實時電流、電壓量，除了監測應急發電車的正常工作狀態外，還可預先判斷出母線帶電/停電、電壓越上限、電壓越下限，電壓缺相等常見故障類型。

2.3 物聯網通信方式

數據遠傳方面，在設計物聯網通信接口時，從數據安全及公網安全角度，應符合以下原則。

(1)在遠傳前廠站端對數據包進行加密處理。

(2)如因傳輸網絡故障等原因未能將數據定時遠傳，則待傳輸網絡恢復正常后可利用存儲的數據進行斷點續傳。

(3)當因廠站端預警裝置故障未能正確采集實時數據時，應向平臺發送故障信息。

(4)將采集到的用電信息數據進行定時遠傳，如遇報警要及時插送上傳。

經過多種方案的評估篩選，最終決定硬件裝置與云平臺之間的通信方式采用了中國移動公司提供的NB-IOT物聯網服務。

該通信方式不但滿足要求，而且網絡屬于公網，使用成本低廉，僅需要支付流量費用。同時該通信方式無需鋪設專用通信電纜，施工簡單方便，易擴充、易維護。

3 云數據平臺

目前云平臺技術已經應用于電網調度、輸變電設備狀態監測、分布式能源管理、電網信息平臺、物聯網技術等領域[2-5]，具體采用的技術工具包含OpenStack、Storm、Ansible、云WiFi等。但在應急發電車的監測方面尚未見研究及應用[6-10]。

云平臺與物聯網技術的結合有很多優點，應用物聯網技術的系統一般包含巨大數量的感知終端，而這些終端產生的各種結構型數據、半結構型數據和非結構型數據體量十分龐大，因此會產生海量數據的存儲、管理、計算能力等問題。將云平臺與物聯網技術相結合，可緩解這些問題。云計算平臺可通過BigTable存儲技術、高效數據模型等技術手段，能夠為物聯網所產生的海量數據提供更快更優的存儲、管理和計算方案[11]。

本系統將云平臺與物聯網技術的思想用于應急發電車的智慧實時監測，更具實際應用價值。應急發電車的實時數據可以在云端查看，基本上滿足了應急指揮中心對應急發電車的實時狀態及接入電量監測要求。下面對云數據平臺的各方面展示效果進行詳細闡述。

3.1 發電車位置預覽

云數據平臺可以實時顯示應急發電車的當前位置，實際應用過程中通過可視化的形式，應急發電車的實時管理與調度將更加高效、便捷。

3.2 電量數據監測和處理

云數據平臺的核心功能即為應急發電車的電量實時監測。實時電量監測包括當前的電度量、有功功率、三相電流、三相電壓等發電情況。

還可以選擇電流、電壓、功率等電量參數作為y軸，以時間為橫軸，查看實時曲線，當鼠標移到相應時間軸上，可展示該時刻的詳細數據。以功率曲線為例(見圖2)，圖2(a)和圖2(b)分別展示的是有功功率日曲線和有功功率月曲線。

云數據平臺的電量實時監測功能，除了在電腦WEB端進行展示之外，還可以在手機APP上進行便捷化展示。手機端的電量、電壓、有功功率等電量參數。

3.3 實時預警功能

本系統支持按照時間段、報警信息種類來查詢報警信息，以查看應急發電車是否上線、是否安全運行等。

如果提前已經設定故障錄波功能，本系統還可以調用故障斷面的有效值錄波曲線(見圖3)。圖3展示的是一次機端上電過程，其中電壓量從0 V到接近220 V，電流量從0 A開始，經過一個沖擊電流，最后穩定在一個較小的電流值。遙信量“回路帶電”從0變為1，表示開關合閘。

3.4 基于WEB的歷史數據查詢

為了便于現場人員查詢方便，本系統的云數據平臺系統布置在云端，因此在任意能夠上網的地點，借助任意可上網的智能終端，如IPAD、智能手機、平板電腦等，均可以憑用戶名和密碼進行實時數據查詢、歷史數據分析等操作。

歷史數據分析功能，支持用戶選擇不同時間的兩條曲線進行對比，以查看當前和歷史時間段內，某電量指標的對比情況。

圖4所示為2019年12月10日與2019年12月11日的有功功率對比曲線。由圖4可直觀得出，與12月10日相比，12月11日的發電有功功率明顯下降，實時發電負荷較小，說明12月11日的應急發電需求較小。

3.5 短信推送功能

云數據平臺在收到預警信息后，會按照事先設定好的號碼權限，把預警信息以短信形式推送到相應人員的手機。例如發電機啟動、關斷，或者遇到機端電流過大、電壓過高等異常情況時，平臺都會自動發送短信，及時對相關人員起到提醒作用。

3.6 報表功能

云數據平臺具備報表功能，能夠按照每日、每月、每年度的時間粒度，生成各電量信息報表，便于后續查看和統計分析等，借此可以了解應急發電車的歷史運行情況，進而為應急發電車的實時出力、管理調度等提供指導意義。以功率的日報表為例。

4 結語

基于物聯網的應急發電車介入智慧實時監測系統實現方式是：采用具備全電量測量和實時預警功能的物聯感知設備，應用邊緣計算技術，在底層實時計算用電信息，優選NB-IOT物聯網的通信方式，云數據平臺實現了發電車位置預覽、電量實時監測、實時預警、WEB歷史數據查詢、短信推送、報表清單等多樣化功能，可實時監測應急發電車的發電狀態，展示各電量指標的實時曲線，兼具故障識別、報警和故障預判功能，可保障緊急場景下應急發電車的工作可靠性，提升應急發電車的管理效率，使得可靠性支撐依據更實時化，電子化，進一步提高供電公司的精細化管理水平。

基于物聯網的電量實時監測方案具備故障研判、安全預警功能，可推廣到更寬廣的用戶端應用，例如消防場所的漏電流監測、基站、銀行ATM機、臺變監測、小型工廠等380 V電壓等級的重要用戶電量實時監測，對用戶端的精益運維、高效搶修具有重要意義，具有廣闊的應用前景。