基于物聯網的電力系統監控及電源管理

喜靜波，李夢琪，王鑫磊，趙葦航，楊 晉

（北京太陽宮燃氣熱電有限公司，北京 100028）

1 物聯網設備部署

1.1 部署電力系統監控的物聯網設備

為實現電力系統的實時監控，采取了一系列步驟部署物聯網設備。實時電力系統物聯網監控架構如圖1 所示，詳細描繪了物聯網設備在電力系統中的部署情況，在中央監控站與物聯網設備之間構建了一個完整的網絡結構。該網絡結構中，位于電力系統關鍵部位（發電機、變壓器和配電網絡等）的物聯網設備（各類傳感器等）通過Wi-Fi 無線網絡，實時將捕獲的電流、電壓、溫度等參數數據傳輸至中央監控站[1-3]。中央監控站主要由物聯網網關和服務器組成。物聯網網關的主要功能是收集傳感器發送的數據，并將這些數據轉發至服務器。服務器不僅存儲這些數據，還通過專用的數據處理和分析軟件，將電力系統的運行狀態實時呈現出來。該系統還包含了網絡安全策略，包括使用強密碼、加密通信、定期更新固件等，以確保設備和數據的安全。

1.2 部署電源管理的物聯網設備

首先，選擇在電源設備上安裝智能電源管理模塊。這些模塊能夠實時監測電源的狀態，包括輸出電流、電壓、功率因數等，并且提供了遠程控制電源開關和輸出參數的能力。其次，因考慮電源設備可能位于遠程或環境惡劣的地方，選擇使用遠距離無線電（Long Range Radio，LoRa）作為物聯網通信技術，該技術具有長距離、低功耗的特性[4]。再次，在中央控制站部署了物聯網網關和服務器。網關主要負責接收來自電源管理模塊的數據，并將這些數據傳輸至服務器。服務器存儲這些數據，并通過數據處理和分析軟件，實時顯示電源的狀態，并根據需求進行遠程控制。從次，為了提高電源的使用效率和可靠性，采用電源優化算法進行管理，如實現負載均衡、峰值削減等。最后，考慮物聯網設備可能面臨網絡攻擊的威脅，設計并實施了一套網絡安全策略，如使用強碼、加密通信、定期更新固件等，以確保設備和數據的安全。

物聯網設備部署如圖2 所示，包括物聯網智能電源及其周圍一系列與之交互的物聯網設備，如物聯網報警、人體探測器、溫濕度采集器、物聯網門禁以及物聯網監控等。這些設備都實時采集相關數據，并通過物聯網技術將數據傳輸至智能電源管理模塊。所有這些設備都與一個中心的交換機連接，確保數據的實時傳輸和設備的遠程控制。圖2 中的監控客戶端可以用來接收、存儲并處理來自各設備的數據，并通過專用的數據處理和分析軟件，實時顯示各個設備和整體系統的狀態。

圖2 物聯網設備部署

1.3 監控與管理設備的聯動部署

首先，建立了一個統一的物聯網設備管理平臺，對電力系統監控設備和電源管理設備進行集中管理。通過該平臺，可以實時收集來自監控設備和管理設備的數據，并進行統一處理和分析。其次，設計了一種通用的物聯網通信協議，使不同的設備可以由統一的方式進行數據傳輸和指令接收。該協議支持Wi-Fi 和遠距離無線電（Long Range Radio，LoRa）2 種通信技術，適應了不同設備和環境的需求。再次，為了實現監控數據和管理數據的互通，設計了一種數據交互和共享機制。監控設備可以通過該機制以及電源管理的需求，提供必要的數據和信息，同時電源管理設備可以根據電力系統的實際運行情況，進行動態調整[5]。最后，對于故障檢測和預警，采用了聯合監控和管理數據的方式，使得故障檢測更準確，預警更及時。當系統出現故障或異常時，不僅可以快速定位問題，而且可以通過遠程控制，及時調整電源參數，減少故障的影響。

2 數據收集與處理流程設計

2.1 監控數據收集

通過在電力系統關鍵部位安裝的物聯網傳感器，實時采集各類重要參數，如電流、電壓、溫度等。這些傳感器設計為每隔預定的時間間隔（每秒等）采集一次數據，并通過無線網絡將數據發送至中央監控站。首先，中央監控站對于收到的數據進行初步處理，包括數據格式化、數據校驗等，以確保數據的準確性。其次，將這些數據存儲在服務器的數據庫，以便后續的數據分析和處理。為了處理大量的實時數據，采用了高性能的數據庫系統，并使用分布式計算框架來進行數據處理，以確保數據的實時性。為了便于查看和分析數據，開發了一個可視化的用戶界面，可以實時顯示電力系統的各項參數和狀態。最后，開發了應用程序接口（Application Programming Interface，API），使得其他應用如電源管理系統，可以方便地獲取監控數據，以實現數據共享和交互。

2.2 電源管理數據收集

在電源設備上安裝的智能電源管理模塊，可以實時監測電源的各項參數，如輸出電流、電壓、功率因數等。這些模塊定期（每秒等）收集一次數據，并通過LoRa 無線網絡發送至中央控制站。中央控制站的物聯網網關負責接收從智能電源管理模塊發送來的數據，并進行初步處理，包括數據格式化、數據校驗等，以確保數據的準確性。初步處理后的數據會存儲在服務器的數據庫。使用高性能的數據庫系統，確保了大量實時數據的高效存儲和處理。通過數據處理和分析軟件，實時分析電源數據，以實現電源狀態的監控和遠程控制。同時，可以根據這些數據進行負載均衡、峰值削減等電源優化操作。開發了API接口，使得其他應用如電力系統監控系統，可以方便地獲取電源管理數據，以實現數據共享和交互。

2.3 數據處理與分析

電力系統監控設備和電源管理設備收集的樣本數據為了整合以進行分析，先對數據進行集成。通過數據倉庫技術（Extract Transform Load，ETL）工具，將這些數據進行清洗，如消除重復數據、填補缺失數據等，然后格式化數據，如將電流、電壓等數據轉換為統一的單位（A、V 等），最后將這些處理后的數據整合一起，并存入同一數據庫。

3 電力系統監控與電源管理操作

3.1 實現電力系統的實時監控

首先，確保所有的監控設備都正確地安裝，并與網絡連接。設備的配置參數，包括采樣頻率和數據上報頻率，都可以在設備的管理界面上設置。如果設備需要每秒采集一次數據，就將采樣頻率設置為1 Hz。設備在預定的頻率上自動采集數據。例如，如果設置的采樣頻率為1 Hz，電流表就會每秒測量一次電流，并將數據保存在內部存儲器。一旦達到設定的數據上報頻率，設備就會將內部存儲器中的數據打包，并通過網絡發送到后臺系統。

首先，后臺系統接收到設備發來的數據包后，進行解包，取出其中的數據。其次，根據設備類型和參數類型，將數據轉換為統一的單位，如將電流數據轉換為安培。對于超出正常范圍的數據，標記為異常，并記錄下來。最后，將所有接收到的數據，無論正常還是異常，都保存到數據庫。在監控界面上，實時顯示每個設備的數據，這些數據可以用圖表的形式展示，如用折線圖顯示電流隨時間的變化。同時，系統會檢查是否有新的異常數據，一旦發現異常數據，就在界面上高亮顯示，并播放報警聲音，提示運維人員注意。

3.2 進行電源的遠程控制與管理

在進行電源的遠程控制與管理之前，需要先將電源管理設備接入網絡。接入過程中，系統需驗證設備的身份以確保其安全性。這通常涉及輸入設備身份標識號碼（Identity Document，ID）以及對應的認證信息。設備接入網絡后，會定期向系統報告其狀態，包括當前的電源輸出電壓、輸出電流及功率因數等數據。這些數據將被后臺系統接收并保存在數據庫。系統中的控制模塊可以向電源管理設備發送控制命令，如調整輸出電壓、限制輸出電流等。當設備接收到命令后，會執行相應的操作并向系統反饋執行結果。在控制操作過程中，系統會實時監控設備的狀態變化，確保設備執行了正確的操作并在正常的工作狀態中。如果檢測到異常，系統會自動觸發警報。根據設備反饋的運行數據，系統可以自動或手動進行調整與優化，以確保電源的效率和穩定性。例如，當檢測到負載增大時，可以增大輸出電流；當檢測到設備溫度過高時，可以降低負載或啟動冷卻設備。

3.3 基于監控數據提升電源負荷平衡與能源效率

從數據庫中抽取電源管理設備和電力系統監控設備上報的數據。對數據進行深入的統計和趨勢分析，以了解電源負荷的分布情況和電力使用的效率。例如：可以計算每小時、每天或每月的平均負荷，找出負荷高峰和低谷，分析負荷的周期性變化；可以計算功率因數，了解電力的實際使用效率。基于數據分析的結果，設計出電源負荷平衡的策略。例如，如果發現某些時段的負荷特別高，可以通過調整設備的運行計劃，將一部分負荷移到低負荷時段，以平衡電源負荷。這個過程可能需要自動化控制系統的支持，也可能需要人工介入。通過優化電源管理設備的運行參數，提高能源效率。例如：可以調整功率因數，使得實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生；可以在低負荷時段，降低設備的運行速度，減少能源浪費。

4 結 論

文章講述了物聯網技術在電力系統監控及電源管理的應用，提出了一套實時電力物聯網監控系統。物聯網設備的精準部署和實時監控能力使得電力系統的運行效率大大提高，安全問題及時被識別并解決，電源管理也更加精準有效。數據收集和處理環節中，數據集成、標準化和交互等步驟的實施，確保了數據的準確性和實時性，從而促進了系統決策的有效性。在系統操作環節，通過精準的負荷平衡策略和能源效率提升策略，優化了電力資源的利用，降低了能源浪費。