【摘要】：為監(jiān)測大型用電設(shè)備的電能消耗情況，實(shí)現(xiàn)安全用電和設(shè)備的高效管理，本課題建立了一個(gè)基于云平臺大數(shù)據(jù)智能化運(yùn)維的用電設(shè)備安全高效運(yùn)行管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于*能IXMS云平臺，利用GET-SMT-107信息采集器完成用電量、負(fù)載率和電壓等信息采集，上傳至云端服務(wù)器處理，并儲存于本地的服務(wù)器或云平臺內(nèi)，同時(shí)客戶端顯示，完成用電設(shè)備安全高效運(yùn)行的信息化管理。該系統(tǒng)成功運(yùn)用于水廠的*要能耗設(shè)備上，實(shí)現(xiàn)了對設(shè)備用電的實(shí)時(shí)監(jiān)測和能耗管理。通過試運(yùn)行結(jié)果分析，本系統(tǒng)可以廣泛用于用電設(shè)備監(jiān)測，提高設(shè)備管理效率，為電能優(yōu)化提供分析依據(jù)。

0.引言

城市給、排水工程是城市基礎(chǔ)設(shè)施的*要組成部分，是現(xiàn)代化城市發(fā)展的基本保障。物聯(lián)網(wǎng)通過在機(jī)器內(nèi)部嵌入無線通信模塊，可以滿足水廠對設(shè)備監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集和測量、科學(xué)管理等方面的信息化需求[1]。給排水廠站用電設(shè)備能耗大，安全要求高，其安全高效運(yùn)行管理是水務(wù)現(xiàn)代化管理的*要組成部分。在用電設(shè)備運(yùn)行和監(jiān)測方面，李紓伯[2]就用電設(shè)備選型、運(yùn)行和維護(hù)等方面進(jìn)行初步探討。GabrielTanasescu[3]等人開發(fā)了專用軟件DiagConsole，可以估計(jì)電氣設(shè)備的健康指數(shù)、維護(hù)類型等，自動(dòng)生成狀態(tài)評估報(bào)告。姚大光[4]在自來水廠廠區(qū)的配電網(wǎng)建立監(jiān)測點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測、故障報(bào)警等功能。

全國現(xiàn)在已實(shí)現(xiàn)智能電表全覆蓋。智能電表是以微處理器應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)為核心的智能化儀表，具有自動(dòng)計(jì)量、數(shù)據(jù)處理、雙向通信和功能擴(kuò)展等能力[5]。在能耗監(jiān)測方面，高霞[6]在某大型公立醫(yī)院建立了能耗監(jiān)控系統(tǒng)，可以查詢醫(yī)院實(shí)時(shí)用電、水等，為節(jié)能方案提供依據(jù)。劉盛等[7]在第四水廠南站（即第七水廠）開發(fā)電能管理系統(tǒng)，以對電能質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

目前，自來水廠與污水處理廠缺乏高效用電管理系統(tǒng)來評估大型用電設(shè)備的用電效率和電能損耗狀況，針對廠區(qū)及用電設(shè)備統(tǒng)籌實(shí)現(xiàn)云平臺管理及安全閉環(huán)管理的研究成果也不夠完善。現(xiàn)階段，智能電表基本用于數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測，而在通過監(jiān)測高耗能設(shè)備的用電情況，計(jì)算設(shè)備更新壽命，來控制設(shè)備的使用時(shí)間方面應(yīng)用較少。通過對國內(nèi)外研究的調(diào)研和分析，本課題利用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)收集與處理技術(shù)，從集團(tuán)用電設(shè)備實(shí)際需求出發(fā)，針對大型用電設(shè)備數(shù)量多、部分設(shè)備老化，運(yùn)行效率低，存在一定的安全用電隱患，且電能損耗嚴(yán)*等問題，設(shè)計(jì)并建立用電設(shè)備安全高效運(yùn)行管理系統(tǒng)，利用智能電表監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)用電安全及生產(chǎn)運(yùn)行精細(xì)化管理。

1.軟件系統(tǒng)功能介紹

設(shè)備安全高效運(yùn)行管理系統(tǒng)包括數(shù)智采集設(shè)備、云系統(tǒng)、本地系統(tǒng)及終端應(yīng)用。通過在關(guān)鍵用能設(shè)備的配電柜中加裝數(shù)智電力采集裝置,即GET-SMT-107數(shù)智電力采集終端，管理系統(tǒng)可以完成對用電量、負(fù)載率、電壓、剩余電流、電流和溫度等數(shù)據(jù)的采集和加密工作，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備電能數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，為下一步的能耗分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。管理系統(tǒng)既可以將能耗數(shù)據(jù)上傳到云系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)云計(jì)算和大數(shù)據(jù)分析；也可以將數(shù)據(jù)儲存在本地系統(tǒng)中，完成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析與計(jì)算工作。通過終端應(yīng)用，包括監(jiān)控中心、電腦端、移動(dòng)端及監(jiān)管平臺，管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與設(shè)備的全壽命高效管理。

管理系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了以下幾個(gè)功能：

（1）人員、權(quán)限管理。系統(tǒng)管理員從工作頁面和設(shè)備頁面兩個(gè)維度，按照用戶單位的實(shí)際情況設(shè)置用戶角色分配，設(shè)置負(fù)責(zé)廠區(qū)，完成權(quán)限設(shè)置，對編輯內(nèi)容進(jìn)行分級管理，提高設(shè)備管理效率。

（2）直觀呈現(xiàn)能耗情況。用戶可以同時(shí)查看多個(gè)廠區(qū)的能耗情況，直觀查看系統(tǒng)界面的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及圖表說明，概覽不同廠區(qū)設(shè)備的當(dāng)日能耗、歷史日均能耗以及總用電量等能耗信息，方便快捷。

（3）實(shí)時(shí)電力數(shù)據(jù)監(jiān)測。平臺實(shí)現(xiàn)綜合電力監(jiān)測，將用電量、負(fù)載率、電壓、剩余電流、電流和溫度等耗能設(shè)備采集信息即時(shí)上傳至云端服務(wù)器處理，在客戶端實(shí)時(shí)顯示設(shè)備耗能數(shù)據(jù)，并展示一次接線圖、3D圖等，為電力能耗分析提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)支持，便于管理者及時(shí)掌控電能質(zhì)量與能源消耗情況。

（4）電力數(shù)據(jù)分析。系統(tǒng)匯總云平臺數(shù)據(jù)，計(jì)算日總用電量、廠區(qū)設(shè)備耗能等信息，對用電數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，計(jì)算設(shè)備電能消耗效率，反映用電點(diǎn)的電力指標(biāo)、電能質(zhì)量指標(biāo)變化情況，為電能質(zhì)量優(yōu)化提供分析依據(jù)。

（5）安全閉環(huán)管理。根據(jù)GETSMT-107報(bào)警設(shè)計(jì)值，管理系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)監(jiān)控電力參數(shù)及線路、環(huán)境溫度等設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)分類、分級報(bào)警管理，按照權(quán)限設(shè)置，將報(bào)警信息上傳至不同用戶，接收人需進(jìn)行故障查驗(yàn)，填寫記錄，完成故障處理閉環(huán)。

（6）設(shè)備統(tǒng)籌管理。設(shè)備全生命周期信息均上傳到系統(tǒng)，系統(tǒng)集成顯示設(shè)備的電力數(shù)據(jù)監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析、安全閉環(huán)管理以及運(yùn)維閉環(huán)管理的關(guān)鍵信息，并對系統(tǒng)壽命進(jìn)行評估，便于用戶快速查看設(shè)備信息，高效查找異常狀態(tài)的設(shè)備，直觀了解設(shè)備運(yùn)行壽命。

（7）運(yùn)維閉環(huán)管理。管理系統(tǒng)將線上和線下方式相結(jié)合，巡檢人員定期巡檢*定分配的廠區(qū)和設(shè)備，對設(shè)備狀態(tài)做出評估并線上提交巡檢單。告警的設(shè)備由系統(tǒng)線上智能分配人員進(jìn)行維修處理，并上傳維修信息，完成巡檢、維修、報(bào)廢閉環(huán)管理。

2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

設(shè)備安全高效運(yùn)行管理系統(tǒng)的平臺架構(gòu)由用電設(shè)備、采集設(shè)備、云系統(tǒng)及本地系統(tǒng)、終端應(yīng)用四個(gè)部分組成。平臺架構(gòu)圖如圖1所示。

*點(diǎn)用電設(shè)備是指水廠的高耗能設(shè)備，包括原水水泵、清水水泵、脫泥機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)和提升泵。數(shù)智采集設(shè)備即GET-SMT-10數(shù)智采集終端，當(dāng)終端完成對這些設(shè)備的用電量、電流、電壓等電能數(shù)據(jù)的采集工作后，將數(shù)據(jù)的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過加密后，將數(shù)據(jù)上傳至云端服務(wù)器處理，并儲存于本地的服務(wù)器內(nèi)或者云系統(tǒng)。云平臺是系統(tǒng)的基礎(chǔ)和核心，云系統(tǒng)及本地系統(tǒng)再將處理好的數(shù)據(jù)上傳至終端應(yīng)用，在監(jiān)控中心及PC端顯示。通過對*點(diǎn)用電設(shè)備的數(shù)據(jù)監(jiān)測及處理，平臺實(shí)現(xiàn)了七大功能，其功能圖如圖2所示。

3.系統(tǒng)應(yīng)用

用戶在軟件系統(tǒng)通過密碼權(quán)限驗(yàn)證登錄后，可以在在導(dǎo)航樹中查找相應(yīng)的功能模塊與文檔目錄。系統(tǒng)的功能模塊分為四個(gè)部分：系統(tǒng)管理、能源監(jiān)測分析、報(bào)警管理、設(shè)備管理和運(yùn)維管理模塊。其中，系統(tǒng)管理實(shí)現(xiàn)了人員權(quán)限管理功能，能源監(jiān)測分析實(shí)現(xiàn)直觀呈現(xiàn)能耗、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測和電力數(shù)據(jù)分析三個(gè)功能，報(bào)警管理實(shí)現(xiàn)安全閉環(huán)管理功能，設(shè)備管理和運(yùn)維管理模塊實(shí)現(xiàn)設(shè)備統(tǒng)籌管理和運(yùn)維閉環(huán)管理功能。

3.1系統(tǒng)管理模塊

系統(tǒng)管理主要是設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)和用戶日志查詢級系統(tǒng)表單，分為人員管理和角色管理兩個(gè)方面。人員管理界面如圖3所示，系統(tǒng)管理員根據(jù)實(shí)際情況分配所屬人員的管理范圍和角色。角色管理界面如圖4所示，管理員可以在該界面設(shè)置所有角色的權(quán)限。角色權(quán)限可以分為查看權(quán)限、菜單權(quán)限、編輯權(quán)限三種。

3.2能源監(jiān)測分析模塊

在軟件系統(tǒng)界面設(shè)置上，能源監(jiān)測分析模塊包括多個(gè)小功能模塊：綜合概況、能源監(jiān)測和用戶及角色管理模塊。其中，綜合概況模塊位于平臺首頁，如圖5所示。界面左上角顯

示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，包括設(shè)備數(shù)量、報(bào)警量和日總用電量統(tǒng)計(jì)；右上角設(shè)置實(shí)時(shí)報(bào)警提醒，報(bào)

警提醒下方的報(bào)警記錄里詳細(xì)記錄了故障設(shè)備的位置、故障時(shí)間、報(bào)警類型及處理狀態(tài)。處于正下方界面的數(shù)據(jù)概覽圖可以直觀顯示各個(gè)廠區(qū)的當(dāng)日能耗及日均能耗對比圖。能源監(jiān)測模塊包括綜合電力監(jiān)測和一次接線圖/3D圖兩個(gè)部分，可以從多個(gè)角度的圖表實(shí)時(shí)監(jiān)測電力數(shù)據(jù)。電力能源分析模塊通過對比分析、用電計(jì)算、電能質(zhì)量分析三個(gè)部分，逐步漸進(jìn)，

深度分析電力數(shù)據(jù)，為提高用電效率提供基礎(chǔ)。

3.3報(bào)警管理模塊

報(bào)警記錄分為報(bào)警記錄、報(bào)警分析、推送配置三個(gè)部分。報(bào)警記錄的界面如圖6顯示，

顯示報(bào)警的設(shè)備所在廠區(qū)、設(shè)備名稱、安裝位置、報(bào)警類型、報(bào)警級別、報(bào)警時(shí)間及處理狀

態(tài)。報(bào)警分析里面會詳細(xì)分析設(shè)備故障情況及報(bào)警數(shù)據(jù)，分析故障原因。在報(bào)警推送配置方

面，軟件系統(tǒng)存在平臺告警、微信告警和短信告警三種告警方式。系統(tǒng)會在平臺實(shí)時(shí)展現(xiàn)報(bào)警數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)智電力采集終端報(bào)警閾值，將*級報(bào)警信息推送至不同的用戶手機(jī)和微信中。接收告警的用戶需要到現(xiàn)場查驗(yàn)故障設(shè)備，及時(shí)處理故障問題，并填寫消缺記錄，完成安全閉環(huán)管理。

3.4設(shè)備管理和運(yùn)維管理模塊

設(shè)備管理包括設(shè)備列表、設(shè)備全生命周期和設(shè)備高效管理。設(shè)備列表如圖7所示，用戶可以在左上方下拉列表里篩選設(shè)備所在廠區(qū)，查看設(shè)備名稱、型號及運(yùn)行天數(shù)，還可以查看設(shè)備的壽命異常狀態(tài)。設(shè)備的全生命周期如圖8所示，界面全方面覆蓋設(shè)備的周期信息，包括設(shè)備基礎(chǔ)信息、關(guān)鍵參數(shù)、電力數(shù)據(jù)監(jiān)控、壽命曲線、運(yùn)維記錄和告警記錄。界面結(jié)合曲線圖和表格，便于用戶提取設(shè)備關(guān)鍵信息，實(shí)現(xiàn)設(shè)備統(tǒng)籌管理和高效管理。

在運(yùn)維管理方面，管理者預(yù)先對全局廠區(qū)、設(shè)備進(jìn)行巡檢計(jì)劃配置，系統(tǒng)將巡檢單據(jù)配置清單定時(shí)推送至*定巡檢人員，巡檢人員在線完成巡檢單據(jù)填寫并拍攝現(xiàn)場照片，巡檢信息將自動(dòng)維護(hù)至設(shè)備清單，巡檢單*久留存。巡檢具體包括以下工作：

（1）信息采集：不同權(quán)限人員手工采集安全巡查信息；

（2）信息存儲：信息儲存在本地或云平臺；

（3）信息查詢：管理人員根據(jù)權(quán)限分類查詢巡檢信息；

（4）信息工作流：如果巡查結(jié)果合格，信息存儲；如果巡查結(jié)果不合格或異動(dòng)，信息報(bào)警，上傳至權(quán)限所有上級。

巡檢計(jì)劃配置圖如圖9所示，巡查人員的工作分類如下：值班人員每兩小時(shí)巡查一次，場站機(jī)修工每天巡查兩次，廠設(shè)備技術(shù)科巡查每月一次，在客戶端填表提交巡查單。值班人員須按時(shí)巡檢，采集并在系統(tǒng)上提交安全巡查信息，并由技術(shù)管理人員檢查巡檢資料。如果發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常，系統(tǒng)將發(fā)布線上告警，智能分配維修人員修復(fù)處理，并線上留存維修單或報(bào)廢單，完成閉環(huán)管理。

4.能耗管理效果分析

目前，本系統(tǒng)已成功應(yīng)用于17臺*要能耗設(shè)備的用電數(shù)據(jù)的監(jiān)測工作上，通過建立數(shù)據(jù)分析模型，實(shí)時(shí)處理分析下載的監(jiān)測數(shù)據(jù)，從而有效地提高了設(shè)備運(yùn)行效率。分析用電設(shè)備能耗數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)不同使用年限的同型號設(shè)備單位耗能差異很大。如表1及圖10所示，設(shè)備1和設(shè)備2的使用年限相差10年，2020年9月至2021年8月期間的平均單位能耗差值達(dá)到17.72kW。由于設(shè)備1和設(shè)備2的使用環(huán)境及型號相同，可以假設(shè)設(shè)備1的單位耗能增值僅由使用年限增長年造成，即假設(shè)設(shè)備1十年前的單位能耗即為設(shè)備2現(xiàn)在的單位能耗。

根據(jù)經(jīng)濟(jì)壽命理論，年度費(fèi)用的計(jì)算公式如下：

AC=CRC+E（1）

AC—年平均成本；

CRC—年資產(chǎn)消耗成本；

E—年運(yùn)行成本。

年資產(chǎn)消耗成本的計(jì)算公式如下：

（2）

P—設(shè)備的原始費(fèi)用；

MV—設(shè)備的估計(jì)殘值；

N—設(shè)備的使用年限。

年運(yùn)行成本的計(jì)算公式如下：

年運(yùn)行成本=人工費(fèi)+燃料動(dòng)力費(fèi)+機(jī)

具保養(yǎng)費(fèi)+年度維修費(fèi)（3）

設(shè)備年度費(fèi)用和時(shí)間的關(guān)系圖如圖11所示。由公式（2）及圖11可知，年資產(chǎn)消耗成本會隨著設(shè)備使用年限的增加而逐漸降低。隨著使用時(shí)間增加，設(shè)備性能逐漸降低，燃

料動(dòng)力費(fèi)、年度維修費(fèi)等等都會增加，由公式（3）可推知，年運(yùn)行成本也會隨著升高。綜合年運(yùn)行成本和年資產(chǎn)消耗成本計(jì)算，設(shè)備年平均成本會先降低后不斷升高。因此，隨著設(shè)備使用年限的增長，當(dāng)設(shè)備的年平均成本過高時(shí)，即使設(shè)備可以正常工作，也應(yīng)當(dāng)考慮更換設(shè)備。

假設(shè)設(shè)備初始購置費(fèi)為6.5萬元，設(shè)備的估計(jì)殘值為初始價(jià)值的5%，根據(jù)公式（2）

可以計(jì)算設(shè)備的年資產(chǎn)消耗成本。結(jié)合公式（3）分析，假定設(shè)備每年的人工費(fèi)、保養(yǎng)費(fèi)和維修費(fèi)相同，在分析設(shè)備的年度費(fèi)用增量時(shí)可考慮不計(jì)，故計(jì)算年運(yùn)行成本時(shí)僅計(jì)算燃料動(dòng)

力費(fèi)，即年用電能耗費(fèi)。電費(fèi)以0.75元/（kW·h）計(jì)，設(shè)備年用電時(shí)間取表1中的設(shè)備1總用電時(shí)間5112h，結(jié)合表1中的單位能耗，可以計(jì)算年用電能耗費(fèi)用。根據(jù)公式（1）計(jì)算年平均成本，結(jié)果如表2所示。

根據(jù)分析數(shù)據(jù)，假定設(shè)備1、2為同一設(shè)備使用18年、8年后的使用情況。根據(jù)表2

數(shù)據(jù)計(jì)算，設(shè)備10年內(nèi)的年成本增量值為6.37萬元。可以看出，設(shè)備到18年時(shí)候年費(fèi)用超過8年數(shù)據(jù)幾乎和設(shè)備價(jià)值相當(dāng)，因此可以建議更換。

5.保障管理系統(tǒng)安全運(yùn)行的技術(shù)措施

定期巡檢保障系統(tǒng)運(yùn)行安全。巡檢人員對配電系統(tǒng)定期巡檢，以便發(fā)現(xiàn)運(yùn)行中出現(xiàn)的設(shè)備缺陷和故障，采取措施予以消防。同時(shí)，將電力設(shè)備巡檢發(fā)現(xiàn)的異常情況以及維修信息反饋到系統(tǒng)中，給設(shè)備全壽命周期監(jiān)控提供數(shù)據(jù)支撐。

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作者簡介：

周洋，男，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司。