基于物联网的应急发电车接入智慧实时监测系统实现方法研究

沙 征，洪元瑞，王 蕊，沈主浮，蔡振飞，俞凌枫

(1.国网上海市电力公司市区供电公司，上海 200080；2.国家电网公司华东分部，上海 200120)

作为电网不能供应电力时的应急备用电源，应急发电车是计划、抢修、保电工作的电力保障。随着供电可靠性的需求提升，应急发电车作为供电的重要补充，使用频率日益增加，需要结合技术创新手段增强对应急发电车的实时监测管理。

发电车投资维护费用较高，应急发电达到一定小时后，需要进行维护保养，在有限的发电车资源情况下，需要保证车辆的硬件设备必须时刻处在可用状态[1]、发电方面的相关指标必须正确可靠。系统介入前，应急发电车的维护基本是由人工定期巡检完成，项目多，时间长。对应急发电车的环境监测可以安装视频监测，实时监测行驶过程中和发电过程中的环境情况，涉及到发电情况及电量经济数据，缺乏有效的监测手段，管理者都想在过程中或者事后看到第一手的数据，甚至简单的报表。

基于这些需求，结合当前物联网技术的发展，本文给出一种系统方案，利用便捷的物联网通信技术，在应急发电车上安装实时监测感知单元，上送到智慧实时监测云平台，可在线查看发电车的电量信息，还可将预警信号通过短信推送到指定手机上，从而实现及时预警。整套系统充分利用了传感、采集、物联网通信、互联网软件等技术，后续可拓展增加其他传感器，从而完成对应急发电车的全面监测，也可以推广到其他行业的在线电力实时监测及预警系统。

1 应急发电车实时监测系统的结构

1.1 系统结构图

基于物联网的应急发电车接入智慧实时监测系统结构图如图1所示，主要包括：①安装在发电车内的物联感知设备；②建立在云端的智慧实时监测系统报警平台；③人机交互的登录和监控界面。

1.2 系统运行

(1)按照系统结构开发并实现后，在系统运行时，首先，发电车内的感知端通过基于物联网技术的电量监测传感器，对发电车的实时发电情况进行监测，同时它应用了边缘计算技术，可在底层实时计算用电信息。

(2)当电量超过设定值时，还可发出预警提示信息。感知端的实时发电情况、电量经济数据和报警提示信息等经由GPRS网关模块传送至接收端，即云数据平台，可同步手机端APP或电脑端WEB进行展示。

(3)工作人员借助人机交互界面，使用用户名、密码登录到云端监测平台，实时查询发电车发电情况等。值得一提的是，当平台发现报警时，也会推送报警信息到提前设定的短信号，提醒相关人员注意，设计更人性化和便捷化。

2 物联感知设备

物联感知设备安装在应急发电车内，应用边缘计算技术可以在底层实时计算用电信息，包括三相电压、电流、实时功率、发电质量、漏电流、本次出车所发电能量、时间等，通过进行发电车的发电状态辨别，并能够实现故障实时预警功能。最终，物联感知设备的底层发电信息数据将会通过物联网通信接口传至云数据平台，进行下一步的展示及应用。

2.1 全电量监测

机端输出电缆一般布置在应急发电车的侧面电缆箱内，本系统对一次电缆的机端电压、机端电流进行采集，其中电流采集需根据一次电缆的容量，选择变比、容量等合适的电流互感器。

本系统的全电量测量终端采用的是智能用电采集终端。该设备适用于中、低压电力配电系统中常规电力设备的单/三相电压、电流、功率实时监测与控制，可以与电流互感器配套使用，实现单/三相电压、电流及功率的全面监测功能，同时还具备电能质量监测、泄漏电流监测、故障录波等功能。

该智能用电采集终端采用模块化架构，便于自由组合及扩展，除了电压、电流、功率、电量信息等常规监测功能之外，还可实现谐波、故障录波、回路温度、漏电流监测等扩展监测功能，同时本地可短时存储故障录波、SOE、谐波报表等记录，便于故障溯源。更为可靠性统计提供发电实际时间及电量等参数的支撑。

实际使用中可进行不停电安装，操作便捷。

2.2 实时预警

设计系统具备报警功能，当应急发电车的机端发生断线、过流等故障，或者启动、关断发电机时，物联感知设备都能发出实时预警信号。另外，本系统的物联感知设备能够智慧实现故障预判功能，根据实时电流、电压量，除了监测应急发电车的正常工作状态外，还可预先判断出母线带电/停电、电压越上限、电压越下限，电压缺相等常见故障类型。

2.3 物联网通信方式

数据远传方面，在设计物联网通信接口时，从数据安全及公网安全角度，应符合以下原则。

(1)在远传前厂站端对数据包进行加密处理。

(2)如因传输网络故障等原因未能将数据定时远传，则待传输网络恢复正常后可利用存储的数据进行断点续传。

(3)当因厂站端预警装置故障未能正确采集实时数据时，应向平台发送故障信息。

(4)将采集到的用电信息数据进行定时远传，如遇报警要及时插送上传。

经过多种方案的评估筛选，最终决定硬件装置与云平台之间的通信方式采用了中国移动公司提供的NB-IOT物联网服务。

该通信方式不但满足要求，而且网络属于公网，使用成本低廉，仅需要支付流量费用。同时该通信方式无需铺设专用通信电缆，施工简单方便，易扩充、易维护。

3 云数据平台

目前云平台技术已经应用于电网调度、输变电设备状态监测、分布式能源管理、电网信息平台、物联网技术等领域[2-5]，具体采用的技术工具包含OpenStack、Storm、Ansible、云WiFi等。但在应急发电车的监测方面尚未见研究及应用[6-10]。

云平台与物联网技术的结合有很多优点，应用物联网技术的系统一般包含巨大数量的感知终端，而这些终端产生的各种结构型数据、半结构型数据和非结构型数据体量十分庞大，因此会产生海量数据的存储、管理、计算能力等问题。将云平台与物联网技术相结合，可缓解这些问题。云计算平台可通过BigTable存储技术、高效数据模型等技术手段，能够为物联网所产生的海量数据提供更快更优的存储、管理和计算方案[11]。

本系统将云平台与物联网技术的思想用于应急发电车的智慧实时监测，更具实际应用价值。应急发电车的实时数据可以在云端查看，基本上满足了应急指挥中心对应急发电车的实时状态及接入电量监测要求。下面对云数据平台的各方面展示效果进行详细阐述。

3.1 发电车位置预览

云数据平台可以实时显示应急发电车的当前位置，实际应用过程中通过可视化的形式，应急发电车的实时管理与调度将更加高效、便捷。

3.2 电量数据监测和处理

云数据平台的核心功能即为应急发电车的电量实时监测。实时电量监测包括当前的电度量、有功功率、三相电流、三相电压等发电情况。

还可以选择电流、电压、功率等电量参数作为y轴，以时间为横轴，查看实时曲线，当鼠标移到相应时间轴上，可展示该时刻的详细数据。以功率曲线为例(见图2)，图2(a)和图2(b)分别展示的是有功功率日曲线和有功功率月曲线。

云数据平台的电量实时监测功能，除了在电脑WEB端进行展示之外，还可以在手机APP上进行便捷化展示。手机端的电量、电压、有功功率等电量参数。

3.3 实时预警功能

本系统支持按照时间段、报警信息种类来查询报警信息，以查看应急发电车是否上线、是否安全运行等。

如果提前已经设定故障录波功能，本系统还可以调用故障断面的有效值录波曲线(见图3)。图3展示的是一次机端上电过程，其中电压量从0 V到接近220 V，电流量从0 A开始，经过一个冲击电流，最后稳定在一个较小的电流值。遥信量“回路带电”从0变为1，表示开关合闸。

3.4 基于WEB的历史数据查询

为了便于现场人员查询方便，本系统的云数据平台系统布置在云端，因此在任意能够上网的地点，借助任意可上网的智能终端，如IPAD、智能手机、平板电脑等，均可以凭用户名和密码进行实时数据查询、历史数据分析等操作。

历史数据分析功能，支持用户选择不同时间的两条曲线进行对比，以查看当前和历史时间段内，某电量指标的对比情况。

图4所示为2019年12月10日与2019年12月11日的有功功率对比曲线。由图4可直观得出，与12月10日相比，12月11日的发电有功功率明显下降，实时发电负荷较小，说明12月11日的应急发电需求较小。

3.5 短信推送功能

云数据平台在收到预警信息后，会按照事先设定好的号码权限，把预警信息以短信形式推送到相应人员的手机。例如发电机启动、关断，或者遇到机端电流过大、电压过高等异常情况时，平台都会自动发送短信，及时对相关人员起到提醒作用。

3.6 报表功能

云数据平台具备报表功能，能够按照每日、每月、每年度的时间粒度，生成各电量信息报表，便于后续查看和统计分析等，借此可以了解应急发电车的历史运行情况，进而为应急发电车的实时出力、管理调度等提供指导意义。以功率的日报表为例。

4 结语

基于物联网的应急发电车介入智慧实时监测系统实现方式是：采用具备全电量测量和实时预警功能的物联感知设备，应用边缘计算技术，在底层实时计算用电信息，优选NB-IOT物联网的通信方式，云数据平台实现了发电车位置预览、电量实时监测、实时预警、WEB历史数据查询、短信推送、报表清单等多样化功能，可实时监测应急发电车的发电状态，展示各电量指标的实时曲线，兼具故障识别、报警和故障预判功能，可保障紧急场景下应急发电车的工作可靠性，提升应急发电车的管理效率，使得可靠性支撑依据更实时化，电子化，进一步提高供电公司的精细化管理水平。

基于物联网的电量实时监测方案具备故障研判、安全预警功能，可推广到更宽广的用户端应用，例如消防场所的漏电流监测、基站、银行ATM机、台变监测、小型工厂等380 V电压等级的重要用户电量实时监测，对用户端的精益运维、高效抢修具有重要意义，具有广阔的应用前景。