沙 征，洪元瑞，王 蕊，沈主浮，蔡振飛，俞凌楓

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

作為電網(wǎng)不能供應(yīng)電力時(shí)的應(yīng)急備用電源，應(yīng)急發(fā)電車是計(jì)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(yīng)急發(fā)電車作為供電的重要補(bǔ)充，使用頻率日益增加，需要結(jié)合技術(shù)創(chuàng)新手段增強(qiáng)對應(yīng)急發(fā)電車的實(shí)時(shí)監(jiān)測管理。

發(fā)電車投資維護(hù)費(fèi)用較高，應(yīng)急發(fā)電達(dá)到一定小時(shí)后，需要進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，在有限的發(fā)電車資源情況下，需要保證車輛的硬件設(shè)備必須時(shí)刻處在可用狀態(tài)[1]、發(fā)電方面的相關(guān)指標(biāo)必須正確可靠。系統(tǒng)介入前，應(yīng)急發(fā)電車的維護(hù)基本是由人工定期巡檢完成，項(xiàng)目多，時(shí)間長。對應(yīng)急發(fā)電車的環(huán)境監(jiān)測可以安裝視頻監(jiān)測，實(shí)時(shí)監(jiān)測行駛過程中和發(fā)電過程中的環(huán)境情況，涉及到發(fā)電情況及電量經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，缺乏有效的監(jiān)測手段，管理者都想在過程中或者事后看到第一手的數(shù)據(jù)，甚至簡單的報(bào)表。

基于這些需求，結(jié)合當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，本文給出一種系統(tǒng)方案，利用便捷的物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，在應(yīng)急發(fā)電車上安裝實(shí)時(shí)監(jiān)測感知單元，上送到智慧實(shí)時(shí)監(jiān)測云平臺(tái)，可在線查看發(fā)電車的電量信息，還可將預(yù)警信號通過短信推送到指定手機(jī)上，從而實(shí)現(xiàn)及時(shí)預(yù)警。整套系統(tǒng)充分利用了傳感、采集、物聯(lián)網(wǎng)通信、互聯(lián)網(wǎng)軟件等技術(shù)，后續(xù)可拓展增加其他傳感器，從而完成對應(yīng)急發(fā)電車的全面監(jiān)測，也可以推廣到其他行業(yè)的在線電力實(shí)時(shí)監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)。

1 應(yīng)急發(fā)電車實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

基于物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)急發(fā)電車接入智慧實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，主要包括：①安裝在發(fā)電車內(nèi)的物聯(lián)感知設(shè)備；②建立在云端的智慧實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)報(bào)警平臺(tái)；③人機(jī)交互的登錄和監(jiān)控界面。

1.2 系統(tǒng)運(yùn)行

(1)按照系統(tǒng)結(jié)構(gòu)開發(fā)并實(shí)現(xiàn)后，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，首先，發(fā)電車內(nèi)的感知端通過基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電量監(jiān)測傳感器，對發(fā)電車的實(shí)時(shí)發(fā)電情況進(jìn)行監(jiān)測，同時(shí)它應(yīng)用了邊緣計(jì)算技術(shù)，可在底層實(shí)時(shí)計(jì)算用電信息。

(2)當(dāng)電量超過設(shè)定值時(shí)，還可發(fā)出預(yù)警提示信息。感知端的實(shí)時(shí)發(fā)電情況、電量經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)和報(bào)警提示信息等經(jīng)由GPRS網(wǎng)關(guān)模塊傳送至接收端，即云數(shù)據(jù)平臺(tái)，可同步手機(jī)端APP或電腦端WEB進(jìn)行展示。

(3)工作人員借助人機(jī)交互界面，使用用戶名、密碼登錄到云端監(jiān)測平臺(tái)，實(shí)時(shí)查詢發(fā)電車發(fā)電情況等。值得一提的是，當(dāng)平臺(tái)發(fā)現(xiàn)報(bào)警時(shí)，也會(huì)推送報(bào)警信息到提前設(shè)定的短信號，提醒相關(guān)人員注意，設(shè)計(jì)更人性化和便捷化。

2 物聯(lián)感知設(shè)備

物聯(lián)感知設(shè)備安裝在應(yīng)急發(fā)電車內(nèi)，應(yīng)用邊緣計(jì)算技術(shù)可以在底層實(shí)時(shí)計(jì)算用電信息，包括三相電壓、電流、實(shí)時(shí)功率、發(fā)電質(zhì)量、漏電流、本次出車所發(fā)電能量、時(shí)間等，通過進(jìn)行發(fā)電車的發(fā)電狀態(tài)辨別，并能夠?qū)崿F(xiàn)故障實(shí)時(shí)預(yù)警功能。最終，物聯(lián)感知設(shè)備的底層發(fā)電信息數(shù)據(jù)將會(huì)通過物聯(lián)網(wǎng)通信接口傳至云數(shù)據(jù)平臺(tái)，進(jìn)行下一步的展示及應(yīng)用。

2.1 全電量監(jiān)測

機(jī)端輸出電纜一般布置在應(yīng)急發(fā)電車的側(cè)面電纜箱內(nèi)，本系統(tǒng)對一次電纜的機(jī)端電壓、機(jī)端電流進(jìn)行采集，其中電流采集需根據(jù)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(tǒng)的全電量測量終端采用的是智能用電采集終端。該設(shè)備適用于中、低壓電力配電系統(tǒng)中常規(guī)電力設(shè)備的單/三相電壓、電流、功率實(shí)時(shí)監(jiān)測與控制，可以與電流互感器配套使用，實(shí)現(xiàn)單/三相電壓、電流及功率的全面監(jiān)測功能，同時(shí)還具備電能質(zhì)量監(jiān)測、泄漏電流監(jiān)測、故障錄波等功能。

該智能用電采集終端采用模塊化架構(gòu)，便于自由組合及擴(kuò)展，除了電壓、電流、功率、電量信息等常規(guī)監(jiān)測功能之外，還可實(shí)現(xiàn)諧波、故障錄波、回路溫度、漏電流監(jiān)測等擴(kuò)展監(jiān)測功能，同時(shí)本地可短時(shí)存儲(chǔ)故障錄波、SOE、諧波報(bào)表等記錄，便于故障溯源。更為可靠性統(tǒng)計(jì)提供發(fā)電實(shí)際時(shí)間及電量等參數(shù)的支撐。

實(shí)際使用中可進(jìn)行不停電安裝，操作便捷。

2.2 實(shí)時(shí)預(yù)警

設(shè)計(jì)系統(tǒng)具備報(bào)警功能，當(dāng)應(yīng)急發(fā)電車的機(jī)端發(fā)生斷線、過流等故障，或者啟動(dòng)、關(guān)斷發(fā)電機(jī)時(shí)，物聯(lián)感知設(shè)備都能發(fā)出實(shí)時(shí)預(yù)警信號。另外，本系統(tǒng)的物聯(lián)感知設(shè)備能夠智慧實(shí)現(xiàn)故障預(yù)判功能，根據(jù)實(shí)時(shí)電流、電壓量，除了監(jiān)測應(yīng)急發(fā)電車的正常工作狀態(tài)外，還可預(yù)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(lián)網(wǎng)通信方式

數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳方面，在設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)通信接口時(shí)，從數(shù)據(jù)安全及公網(wǎng)安全角度，應(yīng)符合以下原則。

(1)在遠(yuǎn)傳前廠站端對數(shù)據(jù)包進(jìn)行加密處理。

(2)如因傳輸網(wǎng)絡(luò)故障等原因未能將數(shù)據(jù)定時(shí)遠(yuǎn)傳，則待傳輸網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正常后可利用存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行斷點(diǎn)續(xù)傳。

(3)當(dāng)因廠站端預(yù)警裝置故障未能正確采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)向平臺(tái)發(fā)送故障信息。

(4)將采集到的用電信息數(shù)據(jù)進(jìn)行定時(shí)遠(yuǎn)傳，如遇報(bào)警要及時(shí)插送上傳。

經(jīng)過多種方案的評估篩選，最終決定硬件裝置與云平臺(tái)之間的通信方式采用了中國移動(dòng)公司提供的NB-IOT物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。

該通信方式不但滿足要求，而且網(wǎng)絡(luò)屬于公網(wǎng)，使用成本低廉，僅需要支付流量費(fèi)用。同時(shí)該通信方式無需鋪設(shè)專用通信電纜，施工簡單方便，易擴(kuò)充、易維護(hù)。

3 云數(shù)據(jù)平臺(tái)

目前云平臺(tái)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于電網(wǎng)調(diào)度、輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、分布式能源管理、電網(wǎng)信息平臺(tái)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等領(lǐng)域[2-5]，具體采用的技術(shù)工具包含OpenStack、Storm、Ansible、云WiFi等。但在應(yīng)急發(fā)電車的監(jiān)測方面尚未見研究及應(yīng)用[6-10]。

云平臺(tái)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合有很多優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的系統(tǒng)一般包含巨大數(shù)量的感知終端，而這些終端產(chǎn)生的各種結(jié)構(gòu)型數(shù)據(jù)、半結(jié)構(gòu)型數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)型數(shù)據(jù)體量十分龐大，因此會(huì)產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、管理、計(jì)算能力等問題。將云平臺(tái)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，可緩解這些問題。云計(jì)算平臺(tái)可通過BigTable存儲(chǔ)技術(shù)、高效數(shù)據(jù)模型等技術(shù)手段，能夠?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)所產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)提供更快更優(yōu)的存儲(chǔ)、管理和計(jì)算方案[11]。

本系統(tǒng)將云平臺(tái)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的思想用于應(yīng)急發(fā)電車的智慧實(shí)時(shí)監(jiān)測，更具實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。應(yīng)急發(fā)電車的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可以在云端查看，基本上滿足了應(yīng)急指揮中心對應(yīng)急發(fā)電車的實(shí)時(shí)狀態(tài)及接入電量監(jiān)測要求。下面對云數(shù)據(jù)平臺(tái)的各方面展示效果進(jìn)行詳細(xì)闡述。

3.1 發(fā)電車位置預(yù)覽

云數(shù)據(jù)平臺(tái)可以實(shí)時(shí)顯示應(yīng)急發(fā)電車的當(dāng)前位置，實(shí)際應(yīng)用過程中通過可視化的形式，應(yīng)急發(fā)電車的實(shí)時(shí)管理與調(diào)度將更加高效、便捷。

3.2 電量數(shù)據(jù)監(jiān)測和處理

云數(shù)據(jù)平臺(tái)的核心功能即為應(yīng)急發(fā)電車的電量實(shí)時(shí)監(jiān)測。實(shí)時(shí)電量監(jiān)測包括當(dāng)前的電度量、有功功率、三相電流、三相電壓等發(fā)電情況。

還可以選擇電流、電壓、功率等電量參數(shù)作為y軸，以時(shí)間為橫軸，查看實(shí)時(shí)曲線，當(dāng)鼠標(biāo)移到相應(yīng)時(shí)間軸上，可展示該時(shí)刻的詳細(xì)數(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)平臺(tái)的電量實(shí)時(shí)監(jiān)測功能，除了在電腦WEB端進(jìn)行展示之外，還可以在手機(jī)APP上進(jìn)行便捷化展示。手機(jī)端的電量、電壓、有功功率等電量參數(shù)。

3.3 實(shí)時(shí)預(yù)警功能

本系統(tǒng)支持按照時(shí)間段、報(bào)警信息種類來查詢報(bào)警信息，以查看應(yīng)急發(fā)電車是否上線、是否安全運(yùn)行等。

如果提前已經(jīng)設(shè)定故障錄波功能，本系統(tǒng)還可以調(diào)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(jī)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(jīng)過一個(gè)沖擊電流，最后穩(wěn)定在一個(gè)較小的電流值。遙信量“回路帶電”從0變?yōu)?，表示開關(guān)合閘。

3.4 基于WEB的歷史數(shù)據(jù)查詢

為了便于現(xiàn)場人員查詢方便，本系統(tǒng)的云數(shù)據(jù)平臺(tái)系統(tǒng)布置在云端，因此在任意能夠上網(wǎng)的地點(diǎn)，借助任意可上網(wǎng)的智能終端，如IPAD、智能手機(jī)、平板電腦等，均可以憑用戶名和密碼進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查詢、歷史數(shù)據(jù)分析等操作。

歷史數(shù)據(jù)分析功能，支持用戶選擇不同時(shí)間的兩條曲線進(jìn)行對比，以查看當(dāng)前和歷史時(shí)間段內(nèi)，某電量指標(biāo)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(fā)電有功功率明顯下降，實(shí)時(shí)發(fā)電負(fù)荷較小，說明12月11日的應(yīng)急發(fā)電需求較小。

3.5 短信推送功能

云數(shù)據(jù)平臺(tái)在收到預(yù)警信息后，會(huì)按照事先設(shè)定好的號碼權(quán)限，把預(yù)警信息以短信形式推送到相應(yīng)人員的手機(jī)。例如發(fā)電機(jī)啟動(dòng)、關(guān)斷，或者遇到機(jī)端電流過大、電壓過高等異常情況時(shí)，平臺(tái)都會(huì)自動(dòng)發(fā)送短信，及時(shí)對相關(guān)人員起到提醒作用。

3.6 報(bào)表功能

云數(shù)據(jù)平臺(tái)具備報(bào)表功能，能夠按照每日、每月、每年度的時(shí)間粒度，生成各電量信息報(bào)表，便于后續(xù)查看和統(tǒng)計(jì)分析等，借此可以了解應(yīng)急發(fā)電車的歷史運(yùn)行情況，進(jìn)而為應(yīng)急發(fā)電車的實(shí)時(shí)出力、管理調(diào)度等提供指導(dǎo)意義。以功率的日報(bào)表為例。

4 結(jié)語

基于物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)急發(fā)電車介入智慧實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式是：采用具備全電量測量和實(shí)時(shí)預(yù)警功能的物聯(lián)感知設(shè)備，應(yīng)用邊緣計(jì)算技術(shù)，在底層實(shí)時(shí)計(jì)算用電信息，優(yōu)選NB-IOT物聯(lián)網(wǎng)的通信方式，云數(shù)據(jù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了發(fā)電車位置預(yù)覽、電量實(shí)時(shí)監(jiān)測、實(shí)時(shí)預(yù)警、WEB歷史數(shù)據(jù)查詢、短信推送、報(bào)表清單等多樣化功能，可實(shí)時(shí)監(jiān)測應(yīng)急發(fā)電車的發(fā)電狀態(tài)，展示各電量指標(biāo)的實(shí)時(shí)曲線，兼具故障識(shí)別、報(bào)警和故障預(yù)判功能，可保障緊急場景下應(yīng)急發(fā)電車的工作可靠性，提升應(yīng)急發(fā)電車的管理效率，使得可靠性支撐依據(jù)更實(shí)時(shí)化，電子化，進(jìn)一步提高供電公司的精細(xì)化管理水平。

基于物聯(lián)網(wǎng)的電量實(shí)時(shí)監(jiān)測方案具備故障研判、安全預(yù)警功能，可推廣到更寬廣的用戶端應(yīng)用，例如消防場所的漏電流監(jiān)測、基站、銀行ATM機(jī)、臺(tái)變監(jiān)測、小型工廠等380 V電壓等級的重要用戶電量實(shí)時(shí)監(jiān)測，對用戶端的精益運(yùn)維、高效搶修具有重要意義，具有廣闊的應(yīng)用前景。