基于物联网的电力系统监控及电源管理

喜静波，李梦琪，王鑫磊，赵苇航，杨 晋

（北京太阳宫燃气热电有限公司，北京 100028）

1 物联网设备部署

1.1 部署电力系统监控的物联网设备

为实现电力系统的实时监控，采取了一系列步骤部署物联网设备。实时电力系统物联网监控架构如图1 所示，详细描绘了物联网设备在电力系统中的部署情况，在中央监控站与物联网设备之间构建了一个完整的网络结构。该网络结构中，位于电力系统关键部位（发电机、变压器和配电网络等）的物联网设备（各类传感器等）通过Wi-Fi 无线网络，实时将捕获的电流、电压、温度等参数数据传输至中央监控站[1-3]。中央监控站主要由物联网网关和服务器组成。物联网网关的主要功能是收集传感器发送的数据，并将这些数据转发至服务器。服务器不仅存储这些数据，还通过专用的数据处理和分析软件，将电力系统的运行状态实时呈现出来。该系统还包含了网络安全策略，包括使用强密码、加密通信、定期更新固件等，以确保设备和数据的安全。

1.2 部署电源管理的物联网设备

首先，选择在电源设备上安装智能电源管理模块。这些模块能够实时监测电源的状态，包括输出电流、电压、功率因数等，并且提供了远程控制电源开关和输出参数的能力。其次，因考虑电源设备可能位于远程或环境恶劣的地方，选择使用远距离无线电（Long Range Radio，LoRa）作为物联网通信技术，该技术具有长距离、低功耗的特性[4]。再次，在中央控制站部署了物联网网关和服务器。网关主要负责接收来自电源管理模块的数据，并将这些数据传输至服务器。服务器存储这些数据，并通过数据处理和分析软件，实时显示电源的状态，并根据需求进行远程控制。从次，为了提高电源的使用效率和可靠性，采用电源优化算法进行管理，如实现负载均衡、峰值削减等。最后，考虑物联网设备可能面临网络攻击的威胁，设计并实施了一套网络安全策略，如使用强码、加密通信、定期更新固件等，以确保设备和数据的安全。

物联网设备部署如图2 所示，包括物联网智能电源及其周围一系列与之交互的物联网设备，如物联网报警、人体探测器、温湿度采集器、物联网门禁以及物联网监控等。这些设备都实时采集相关数据，并通过物联网技术将数据传输至智能电源管理模块。所有这些设备都与一个中心的交换机连接，确保数据的实时传输和设备的远程控制。图2 中的监控客户端可以用来接收、存储并处理来自各设备的数据，并通过专用的数据处理和分析软件，实时显示各个设备和整体系统的状态。

图2 物联网设备部署

1.3 监控与管理设备的联动部署

首先，建立了一个统一的物联网设备管理平台，对电力系统监控设备和电源管理设备进行集中管理。通过该平台，可以实时收集来自监控设备和管理设备的数据，并进行统一处理和分析。其次，设计了一种通用的物联网通信协议，使不同的设备可以由统一的方式进行数据传输和指令接收。该协议支持Wi-Fi 和远距离无线电（Long Range Radio，LoRa）2 种通信技术，适应了不同设备和环境的需求。再次，为了实现监控数据和管理数据的互通，设计了一种数据交互和共享机制。监控设备可以通过该机制以及电源管理的需求，提供必要的数据和信息，同时电源管理设备可以根据电力系统的实际运行情况，进行动态调整[5]。最后，对于故障检测和预警，采用了联合监控和管理数据的方式，使得故障检测更准确，预警更及时。当系统出现故障或异常时，不仅可以快速定位问题，而且可以通过远程控制，及时调整电源参数，减少故障的影响。

2 数据收集与处理流程设计

2.1 监控数据收集

通过在电力系统关键部位安装的物联网传感器，实时采集各类重要参数，如电流、电压、温度等。这些传感器设计为每隔预定的时间间隔（每秒等）采集一次数据，并通过无线网络将数据发送至中央监控站。首先，中央监控站对于收到的数据进行初步处理，包括数据格式化、数据校验等，以确保数据的准确性。其次，将这些数据存储在服务器的数据库，以便后续的数据分析和处理。为了处理大量的实时数据，采用了高性能的数据库系统，并使用分布式计算框架来进行数据处理，以确保数据的实时性。为了便于查看和分析数据，开发了一个可视化的用户界面，可以实时显示电力系统的各项参数和状态。最后，开发了应用程序接口（Application Programming Interface，API），使得其他应用如电源管理系统，可以方便地获取监控数据，以实现数据共享和交互。

2.2 电源管理数据收集

在电源设备上安装的智能电源管理模块，可以实时监测电源的各项参数，如输出电流、电压、功率因数等。这些模块定期（每秒等）收集一次数据，并通过LoRa 无线网络发送至中央控制站。中央控制站的物联网网关负责接收从智能电源管理模块发送来的数据，并进行初步处理，包括数据格式化、数据校验等，以确保数据的准确性。初步处理后的数据会存储在服务器的数据库。使用高性能的数据库系统，确保了大量实时数据的高效存储和处理。通过数据处理和分析软件，实时分析电源数据，以实现电源状态的监控和远程控制。同时，可以根据这些数据进行负载均衡、峰值削减等电源优化操作。开发了API接口，使得其他应用如电力系统监控系统，可以方便地获取电源管理数据，以实现数据共享和交互。

2.3 数据处理与分析

电力系统监控设备和电源管理设备收集的样本数据为了整合以进行分析，先对数据进行集成。通过数据仓库技术（Extract Transform Load，ETL）工具，将这些数据进行清洗，如消除重复数据、填补缺失数据等，然后格式化数据，如将电流、电压等数据转换为统一的单位（A、V 等），最后将这些处理后的数据整合一起，并存入同一数据库。

3 电力系统监控与电源管理操作

3.1 实现电力系统的实时监控

首先，确保所有的监控设备都正确地安装，并与网络连接。设备的配置参数，包括采样频率和数据上报频率，都可以在设备的管理界面上设置。如果设备需要每秒采集一次数据，就将采样频率设置为1 Hz。设备在预定的频率上自动采集数据。例如，如果设置的采样频率为1 Hz，电流表就会每秒测量一次电流，并将数据保存在内部存储器。一旦达到设定的数据上报频率，设备就会将内部存储器中的数据打包，并通过网络发送到后台系统。

首先，后台系统接收到设备发来的数据包后，进行解包，取出其中的数据。其次，根据设备类型和参数类型，将数据转换为统一的单位，如将电流数据转换为安培。对于超出正常范围的数据，标记为异常，并记录下来。最后，将所有接收到的数据，无论正常还是异常，都保存到数据库。在监控界面上，实时显示每个设备的数据，这些数据可以用图表的形式展示，如用折线图显示电流随时间的变化。同时，系统会检查是否有新的异常数据，一旦发现异常数据，就在界面上高亮显示，并播放报警声音，提示运维人员注意。

3.2 进行电源的远程控制与管理

在进行电源的远程控制与管理之前，需要先将电源管理设备接入网络。接入过程中，系统需验证设备的身份以确保其安全性。这通常涉及输入设备身份标识号码（Identity Document，ID）以及对应的认证信息。设备接入网络后，会定期向系统报告其状态，包括当前的电源输出电压、输出电流及功率因数等数据。这些数据将被后台系统接收并保存在数据库。系统中的控制模块可以向电源管理设备发送控制命令，如调整输出电压、限制输出电流等。当设备接收到命令后，会执行相应的操作并向系统反馈执行结果。在控制操作过程中，系统会实时监控设备的状态变化，确保设备执行了正确的操作并在正常的工作状态中。如果检测到异常，系统会自动触发警报。根据设备反馈的运行数据，系统可以自动或手动进行调整与优化，以确保电源的效率和稳定性。例如，当检测到负载增大时，可以增大输出电流；当检测到设备温度过高时，可以降低负载或启动冷却设备。

3.3 基于监控数据提升电源负荷平衡与能源效率

从数据库中抽取电源管理设备和电力系统监控设备上报的数据。对数据进行深入的统计和趋势分析，以了解电源负荷的分布情况和电力使用的效率。例如：可以计算每小时、每天或每月的平均负荷，找出负荷高峰和低谷，分析负荷的周期性变化；可以计算功率因数，了解电力的实际使用效率。基于数据分析的结果，设计出电源负荷平衡的策略。例如，如果发现某些时段的负荷特别高，可以通过调整设备的运行计划，将一部分负荷移到低负荷时段，以平衡电源负荷。这个过程可能需要自动化控制系统的支持，也可能需要人工介入。通过优化电源管理设备的运行参数，提高能源效率。例如：可以调整功率因数，使得实际使用的电能和供电的电能尽可能接近，从而减少无功电能的产生；可以在低负荷时段，降低设备的运行速度，减少能源浪费。

4 结 论

文章讲述了物联网技术在电力系统监控及电源管理的应用，提出了一套实时电力物联网监控系统。物联网设备的精准部署和实时监控能力使得电力系统的运行效率大大提高，安全问题及时被识别并解决，电源管理也更加精准有效。数据收集和处理环节中，数据集成、标准化和交互等步骤的实施，确保了数据的准确性和实时性，从而促进了系统决策的有效性。在系统操作环节，通过精准的负荷平衡策略和能源效率提升策略，优化了电力资源的利用，降低了能源浪费。