基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能電力監(jiān)控與管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：本文介紹了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能電力監(jiān)控與管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理，旨在提高電力設(shè)備的運(yùn)行效率和安全性。首先，介紹了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基本原理和優(yōu)勢(shì)，詳細(xì)分析了智能電力監(jiān)控與管理系統(tǒng)的需求和功能。其次，提出了系統(tǒng)的整體架構(gòu)和組成模塊，并詳細(xì)描述了每個(gè)模塊的功能和實(shí)現(xiàn)方法。在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方面，采用傳感器、無(wú)線通信、數(shù)據(jù)處理等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電力設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程控制等功能，提高了監(jiān)測(cè)智能微電網(wǎng)系統(tǒng)中電池的運(yùn)行性能。本文的研究成果為智能電力監(jiān)控與管理領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展提供了有益的參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；智能電力；傳感器；無(wú)線通信

DOI：10.12433/zgkjtz.20233511

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，智能化的監(jiān)控與管理系統(tǒng)正逐漸成為各行各業(yè)的關(guān)注焦點(diǎn)。在電力領(lǐng)域，智能電力監(jiān)控與管理系統(tǒng)的需求越來(lái)越迫切，旨在提高電力設(shè)備的運(yùn)行效率和安全性。傳統(tǒng)的電力監(jiān)控與管理方法存在諸多局限性，如監(jiān)控范圍有限、信息傳遞周期長(zhǎng)等。為了解決這些問(wèn)題，本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提出了一個(gè)智能電力監(jiān)控與管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電力設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理，極大地提高了電力設(shè)備運(yùn)維的效率和安全性。

一、物聯(lián)網(wǎng)與智能電力監(jiān)控與管理系統(tǒng)

（一）物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基本原理是通過(guò)將各種物理設(shè)備和傳感器與互聯(lián)網(wǎng)連接，實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的互聯(lián)和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。物聯(lián)網(wǎng)的核心是數(shù)據(jù)的采集、傳輸、處理和應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過(guò)傳感器對(duì)物體進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)采集，然后將數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街行姆?wù)器或云平臺(tái)進(jìn)行處理和分析，最后通過(guò)應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為有用的信息。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)具有以下優(yōu)勢(shì)：第一，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備和物體的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制，提高了工作效率；第二，大數(shù)據(jù)分析和決策支持。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集大量數(shù)據(jù)，并利用大數(shù)據(jù)分析算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，提供決策支持和優(yōu)化方案；第三，資源節(jié)約和能源管理。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)資源和能源的智能管理，提高資源利用率和能源的可持續(xù)性；第四，提升生活品質(zhì)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為人們的生活帶來(lái)了更多便捷和舒適，如在智能家居、智能醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用。

（二）智能電力監(jiān)控與管理系統(tǒng)的需求

智能電力監(jiān)控與管理系統(tǒng)在基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)分析、遠(yuǎn)程管理、智能控制等功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)的智能化管理和優(yōu)化，提高能效和電力供應(yīng)的可靠性，主要包括以下幾方面：

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與采集。系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電力設(shè)備和電池的運(yùn)行狀態(tài)和性能參數(shù)，并通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和傳輸。

數(shù)據(jù)分析與智能控制。系統(tǒng)具備對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理的能力，并通過(guò)智能算法實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的智能控制和優(yōu)化，以提高能效，減少能源耗費(fèi)。

遠(yuǎn)程管理與監(jiān)控。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)電力設(shè)備的遠(yuǎn)程管理和監(jiān)控，包括遠(yuǎn)程開關(guān)控制、故障診斷和維護(hù)功能。

數(shù)據(jù)安全與隱私保護(hù)。系統(tǒng)具備保護(hù)數(shù)據(jù)安全和隱私的能力，采取一系列安全措施保護(hù)用戶數(shù)據(jù)不被非法獲取和濫用。

二、基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能電力監(jiān)控與管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

（一）基于物聯(lián)網(wǎng)的智能電力系統(tǒng)配置

本文開發(fā)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智能電力系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)，用于監(jiān)測(cè)智能電力系統(tǒng)中電池的運(yùn)行和性能。智能電網(wǎng)包括電池組、光伏系統(tǒng)、混合能量控制器、電網(wǎng)連接和電力負(fù)載，如圖1所示。電池組由8個(gè)12V、100Ah的閥控式鉛酸電池組成，配置為4個(gè)電池串聯(lián)并聯(lián)。光伏系統(tǒng)由20個(gè)50Wp的組件組成，連接到并網(wǎng)逆變器以生成電能。混合能量控制器是一個(gè)雙向逆變器（IED），可以測(cè)量電池系統(tǒng)的電壓、溫度和電流。IED可提供SMA-COM專有的串行通信與IED進(jìn)行通信，還提供了JSON格式的TCP/IP通信作為開放通信協(xié)議。該系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和通信，通過(guò)串行通信和開放通信協(xié)議與智能電子設(shè)備進(jìn)行通信。通過(guò)應(yīng)用該系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池的運(yùn)行情況，并對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行智能控制和優(yōu)化。

（二）監(jiān)控系統(tǒng)

該系統(tǒng)由IED之間的通信通道、數(shù)據(jù)采集、云系統(tǒng)和人機(jī)界面組成。通過(guò)開發(fā)嵌入式系統(tǒng)，將其轉(zhuǎn)化為物聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)與IED之間的通信、數(shù)據(jù)采集以及所有電池系統(tǒng)參數(shù)的互聯(lián)網(wǎng)連接。采用JSON格式的數(shù)字通信TCP/IP作為數(shù)據(jù)采集方式，從IED中獲取電池測(cè)量參數(shù)，如圖2所示。數(shù)據(jù)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)發(fā)送至云系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)和Web服務(wù)器。云系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，并生成供用戶理解的信息，通過(guò)ExtJS/HTML5框架在人機(jī)界面中顯示，可以通過(guò)桌面或移動(dòng)設(shè)備訪問(wèn)。該電池監(jiān)控系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電池運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)的集中存儲(chǔ)和遠(yuǎn)程訪問(wèn)，為用戶提供了可靠的電池管理解決方案。

（三）物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)

Raspberry Pi Model 2充當(dāng)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，執(zhí)行數(shù)據(jù)采集和與云服務(wù)器的通信。嵌入式系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集算法是使用PHP服務(wù)器端編程實(shí)現(xiàn)的。該程序執(zhí)行兩個(gè)主要的數(shù)據(jù)采集任務(wù)，分別用于電池監(jiān)控系統(tǒng)和光伏監(jiān)控系統(tǒng)。

PHP程序在嵌入式系統(tǒng)中執(zhí)行數(shù)據(jù)采集任務(wù)，以JSON格式從IED中檢索電池測(cè)量參數(shù)。所有采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)結(jié)構(gòu)化查詢語(yǔ)言進(jìn)行處理和轉(zhuǎn)換，并存儲(chǔ)在云數(shù)據(jù)庫(kù)中。采用PHP編程編寫的數(shù)據(jù)采集計(jì)劃使用cronjob在Raspberry Pi 2的raspbian linux操作系統(tǒng)中，每分鐘執(zhí)行一次，符合國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）61724標(biāo)準(zhǔn)中指定的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集頻率為1～10min。具體的流程如圖3所示。

通過(guò)Raspberry Pi 2的嵌入式系統(tǒng)，采用PHP編程實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)采集算法，有效實(shí)現(xiàn)了電池監(jiān)控系統(tǒng)和光伏監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和處理。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能夠滿足數(shù)據(jù)采集的高精度需求，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在云端進(jìn)一步處理和分析，為用戶提供準(zhǔn)確的電池?cái)?shù)據(jù)和光伏系統(tǒng)性能信息，為能源管理和決策提供有力支持。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

（一）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集方法

對(duì)該系統(tǒng)用于電池監(jiān)控系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行測(cè)試，來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)的性能和可用性。首先進(jìn)行性能測(cè)試，以了解物聯(lián)網(wǎng)從IED收集數(shù)據(jù)的速度、延遲時(shí)間以及將BMS傳感器電池參數(shù)發(fā)送到云數(shù)據(jù)庫(kù)的延遲時(shí)間。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了120次，每次間隔1min。此測(cè)試中的測(cè)量數(shù)據(jù)包括數(shù)據(jù)傳輸速度、從物聯(lián)網(wǎng)和IED發(fā)送/接收的字節(jié)數(shù)、從物聯(lián)網(wǎng)到云服務(wù)器的執(zhí)行時(shí)間以及總數(shù)據(jù)的采集執(zhí)行時(shí)間。系統(tǒng)的可用性以監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可用性的形式來(lái)衡量，如公式1，其描述了數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中記錄的測(cè)量數(shù)據(jù)與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)報(bào)告周期間的百分比：

其中，[AMD]為監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的可用性；[τMA]為監(jiān)測(cè)活動(dòng)總持續(xù)時(shí)間和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)總量的比值；[τ]為報(bào)告日期。

（二）結(jié)果討論

圖4顯示了物聯(lián)網(wǎng)從IED收集數(shù)據(jù)并將所有電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)參數(shù)發(fā)送到云服務(wù)器的數(shù)據(jù)采集的總執(zhí)行時(shí)間。這不僅是為了收集電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)參數(shù)，還包括智能微電網(wǎng)中的光伏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。云服務(wù)器整體數(shù)據(jù)采集的平均執(zhí)行時(shí)間為19.54±18.00s。

在前40個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù)中，平均執(zhí)行時(shí)間大約需要10s，但之后的執(zhí)行時(shí)間相當(dāng)動(dòng)態(tài)，需要進(jìn)行分析。從圖5可以看出，物聯(lián)網(wǎng)與云系統(tǒng)的交互導(dǎo)致了數(shù)據(jù)采集執(zhí)行時(shí)間的延遲。有兩個(gè)值點(diǎn)執(zhí)行時(shí)間超過(guò)60s，這意味著從物聯(lián)網(wǎng)到云數(shù)據(jù)庫(kù)的連接超過(guò)了數(shù)據(jù)采集采樣時(shí)間。與IED的物聯(lián)網(wǎng)連接平均值為1.04±0.66s，物聯(lián)網(wǎng)到云數(shù)據(jù)庫(kù)的平均值為8.71±12.12s。表1顯示了基于物聯(lián)網(wǎng)的電池監(jiān)控系統(tǒng)性能測(cè)試的每個(gè)平均值的結(jié)果。

四、結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能電力監(jiān)控與管理系統(tǒng)。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)通信通道、數(shù)據(jù)采集算法、云系統(tǒng)和人機(jī)界面，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控電力設(shè)備和電池的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、智能分析和遠(yuǎn)程控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有可靠的數(shù)據(jù)采集和處理性能，用戶可以通過(guò)可視化界面隨時(shí)了解電力系統(tǒng)的性能指標(biāo)。該系統(tǒng)對(duì)于提高能源利用效率、降低能源消耗和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。未來(lái)，我們將進(jìn)一步完善系統(tǒng)功能，推動(dòng)智能電力系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]蔡光柱，王力學(xué)，楊海洋，等.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電力電纜智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[J].電力安全技術(shù)，2023（06）：16-18+21.

[2]田冬明，李玉光，燕飛，等.鋼鐵企業(yè)智能電網(wǎng)發(fā)展研究概述[J].冶金自動(dòng)化，2023（S1）：5-9.

[3]李帥.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電力智能監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].集成電路應(yīng)用，2022（12）：164-165.

[4]齊鵬洋，毛春翔.現(xiàn)代智能電力物聯(lián)網(wǎng)功能架構(gòu)體系設(shè)計(jì)研究[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)和信息化，2022（11）：87-88+98.

[5]袁群義.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電力設(shè)備數(shù)據(jù)智能采集方法設(shè)計(jì)[J].信息與電腦（理論版），2022（19）：84-86+90.

[6]陳琪，王珊珊，陳丹瓊，等.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能電力計(jì)量系統(tǒng)研究[J].中國(guó)設(shè)備工程，2022（17）：38-40.