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用電設備安全、高效運行管理系統的研究與應用

更新時間：2024-03-01 點擊次數：238

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

【關鍵詞】：電能管理；云平臺；耗能設備；安全用電

0.引言

城市給、排水工程是城市基礎設施的*要組成部分，是現代化城市發(fā)展的基本保障。物聯網通過在機器內部嵌入無線通信模塊，可以滿足水廠對設備監(jiān)控、數據采集和測量、科學管理等方面的信息化需求[1]。給排水廠站用電設備能耗大，安全要求高，其安全高效運行管理是水務現代化管理的*要組成部分。在用電設備運行和監(jiān)測方面，李紓伯[2]就用電設備選型、運行和維護等方面進行初步探討。GabrielTanasescu[3]等人開發(fā)了專用軟件DiagConsole，可以估計電氣設備的健康指數、維護類型等，自動生成狀態(tài)評估報告。姚大光[4]在自來水廠廠區(qū)的配電網建立監(jiān)測點，實現實時監(jiān)測、故障報警等功能。

全國現在已實現智能電表全覆蓋。智能電表是以微處理器應用和網絡通信技術為核心的智能化儀表，具有自動計量、數據處理、雙向通信和功能擴展等能力[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，可以查詢醫(yī)院實時用電、水等，為節(jié)能方案提供依據。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，以對電能質量進行實時監(jiān)控。

目前，自來水廠與污水處理廠缺乏高效用電管理系統來評估大型用電設備的用電效率和電能損耗狀況，針對廠區(qū)及用電設備統籌實現云平臺管理及安全閉環(huán)管理的研究成果也不夠完善?，F階段，智能電表基本用于數據的采集與監(jiān)測，而在通過監(jiān)測高耗能設備的用電情況，計算設備更新壽命，來控制設備的使用時間方面應用較少。通過對國內外研究的調研和分析，本課題利用物聯網、云計算、大數據收集與處理技術，從集團用電設備實際需求出發(fā)，針對大型用電設備數量多、部分設備老化，運行效率低，存在一定的安全用電隱患，且電能損耗嚴*等問題，設計并建立用電設備安全高效運行管理系統，利用智能電表監(jiān)測，實現用電安全及生產運行精細化管理。

1.軟件系統功能介紹

設備安全高效運行管理系統包括數智采集設備、云系統、本地系統及終端應用。通過在關鍵用能設備的配電柜中加裝數智電力采集裝置,即GET-SMT-107數智電力采集終端，管理系統可以完成對用電量、負載率、電壓、剩余電流、電流和溫度等數據的采集和加密工作，實現對設備電能數據的實時監(jiān)測，為下一步的能耗分析提供數據基礎。管理系統既可以將能耗數據上傳到云系統，實現云計算和大數據分析；也可以將數據儲存在本地系統中，完成基礎數據分析與計算工作。通過終端應用，包括監(jiān)控中心、電腦端、移動端及監(jiān)管平臺，管理系統實現了電力系統的實時監(jiān)控與設備的全壽命高效管理。

管理系統主要實現了以下幾個功能：

（1）人員、權限管理。系統管理員從工作頁面和設備頁面兩個維度，按照用戶單位的實際情況設置用戶角色分配，設置負責廠區(qū)，完成權限設置，對編輯內容進行分級管理，提高設備管理效率。

（2）直觀呈現能耗情況。用戶可以同時查看多個廠區(qū)的能耗情況，直觀查看系統界面的統計數據及圖表說明，概覽不同廠區(qū)設備的當日能耗、歷史日均能耗以及總用電量等能耗信息，方便快捷。

（3）實時電力數據監(jiān)測。平臺實現綜合電力監(jiān)測，將用電量、負載率、電壓、剩余電流、電流和溫度等耗能設備采集信息即時上傳至云端服務器處理，在客戶端實時顯示設備耗能數據，并展示一次接線圖、3D圖等，為電力能耗分析提供實時數據支持，便于管理者及時掌控電能質量與能源消耗情況。

（4）電力數據分析。系統匯總云平臺數據，計算日總用電量、廠區(qū)設備耗能等信息，對用電數據進行對比分析，計算設備電能消耗效率，反映用電點的電力指標、電能質量指標變化情況，為電能質量優(yōu)化提供分析依據。

（5）安全閉環(huán)管理。根據GETSMT-107報警設計值，管理系統通過實時監(jiān)控電力參數及線路、環(huán)境溫度等設備運行監(jiān)測數據，實現分類、分級報警管理，按照權限設置，將報警信息上傳至不同用戶，接收人需進行故障查驗，填寫記錄，完成故障處理閉環(huán)。

（6）設備統籌管理。設備全生命周期信息均上傳到系統，系統集成顯示設備的電力數據監(jiān)控、數據分析、安全閉環(huán)管理以及運維閉環(huán)管理的關鍵信息，并對系統壽命進行評估，便于用戶快速查看設備信息，高效查找異常狀態(tài)的設備，直觀了解設備運行壽命。

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

2.系統結構

設備安全高效運行管理系統的平臺架構由用電設備、采集設備、云系統及本地系統、終端應用四個部分組成。平臺架構圖如圖1所示。

*點用電設備是指水廠的高耗能設備，包括原水水泵、清水水泵、脫泥機、鼓風機和提升泵。數智采集設備即GET-SMT-10數智采集終端，當終端完成對這些設備的用電量、電流、電壓等電能數據的采集工作后，將數據的模擬信號轉換為數字信號，通過加密后，將數據上傳至云端服務器處理，并儲存于本地的服務器內或者云系統。云平臺是系統的基礎和核心，云系統及本地系統再將處理好的數據上傳至終端應用，在監(jiān)控中心及PC端顯示。通過對*點用電設備的數據監(jiān)測及處理，平臺實現了七大功能，其功能圖如圖2所示。

3.系統應用

用戶在軟件系統通過密碼權限驗證登錄后，可以在在導航樹中查找相應的功能模塊與文檔目錄。系統的功能模塊分為四個部分：系統管理、能源監(jiān)測分析、報警管理、設備管理和運維管理模塊。其中，系統管理實現了人員權限管理功能，能源監(jiān)測分析實現直觀呈現能耗、實時數據監(jiān)測和電力數據分析三個功能，報警管理實現安全閉環(huán)管理功能，設備管理和運維管理模塊實現設備統籌管理和運維閉環(huán)管理功能。

3.1系統管理模塊

系統管理主要是設置系統參數和用戶日志查詢級系統表單，分為人員管理和角色管理兩個方面。人員管理界面如圖3所示，系統管理員根據實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置所有角色的權限。角色權限可以分為查看權限、菜單權限、編輯權限三種。

3.2能源監(jiān)測分析模塊

在軟件系統界面設置上，能源監(jiān)測分析模塊包括多個小功能模塊：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

示系統運行狀態(tài)，包括設備數量、報警量和日總用電量統計；右上角設置實時報警提醒，報

警提醒下方的報警記錄里詳細記錄了故障設備的位置、故障時間、報警類型及處理狀態(tài)。處于正下方界面的數據概覽圖可以直觀顯示各個廠區(qū)的當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圖兩個部分，可以從多個角度的圖表實時監(jiān)測電力數據。電力能源分析模塊通過對比分析、用電計算、電能質量分析三個部分，逐步漸進，

深度分析電力數據，為提高用電效率提供基礎。

3.3報警管理模塊

報警記錄分為報警記錄、報警分析、推送配置三個部分。報警記錄的界面如圖6顯示，

顯示報警的設備所在廠區(qū)、設備名稱、安裝位置、報警類型、報警級別、報警時間及處理狀

態(tài)。報警分析里面會詳細分析設備故障情況及報警數據，分析故障原因。在報警推送配置方

面，軟件系統存在平臺告警、微信告警和短信告警三種告警方式。系統會在平臺實時展現報警數據，并根據數智電力采集終端報警閾值，將*級報警信息推送至不同的用戶手機和微信中。接收告警的用戶需要到現場查驗故障設備，及時處理故障問題，并填寫消缺記錄，完成安全閉環(huán)管理。

3.4設備管理和運維管理模塊

設備管理包括設備列表、設備全生命周期和設備高效管理。設備列表如圖7所示，用戶可以在左上方下拉列表里篩選設備所在廠區(qū)，查看設備名稱、型號及運行天數，還可以查看設備的壽命異常狀態(tài)。設備的全生命周期如圖8所示，界面全方面覆蓋設備的周期信息，包括設備基礎信息、關鍵參數、電力數據監(jiān)控、壽命曲線、運維記錄和告警記錄。界面結合曲線圖和表格，便于用戶提取設備關鍵信息，實現設備統籌管理和高效管理。

在運維管理方面，管理者預先對全局廠區(qū)、設備進行巡檢計劃配置，系統將巡檢單據配置清單定時推送至*定巡檢人員，巡檢人員在線完成巡檢單據填寫并拍攝現場照片，巡檢信息將自動維護至設備清單，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：管理人員根據權限分類查詢巡檢信息；

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

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

4.能耗管理效果分析

目前，本系統已成功應用于17臺*要能耗設備的用電數據的監(jiān)測工作上，通過建立數據分析模型，實時處理分析下載的監(jiān)測數據，從而有效地提高了設備運行效率。分析用電設備能耗數據，可以發(fā)現不同使用年限的同型號設備單位耗能差異很大。如表1及圖10所示，設備1和設備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到17.72kW。由于設備1和設備2的使用環(huán)境及型號相同，可以假設設備1的單位耗能增值僅由使用年限增長年造成，即假設設備1十年前的單位能耗即為設備2現在的單位能耗。

根據經濟壽命理論，年度費用的計算公式如下：

AC=CRC+E（1）

AC—年平均成本；

CRC—年資產消耗成本；

E—年運行成本。

年資產消耗成本的計算公式如下：

（2）

P—設備的原始費用；

MV—設備的估計殘值；

N—設備的使用年限。

年運行成本的計算公式如下：

年運行成本=人工費+燃料動力費+機

具保養(yǎng)費+年度維修費（3）

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

料動力費、年度維修費等等都會增加，由公式（3）可推知，年運行成本也會隨著升高。綜合年運行成本和年資產消耗成本計算，設備年平均成本會先降低后不斷升高。因此，隨著設備使用年限的增長，當設備的年平均成本過高時，即使設備可以正常工作，也應當考慮更換設備。

假設設備初始購置費為6.5萬元，設備的估計殘值為初始價值的5%，根據公式（2）

可以計算設備的年資產消耗成本。結合公式（3）分析，假定設備每年的人工費、保養(yǎng)費和維修費相同，在分析設備的年度費用增量時可考慮不計，故計算年運行成本時僅計算燃料動

力費，即年用電能耗費。電費以0.75元/（kW·h）計，設備年用電時間取表1中的設備1總用電時間5112h，結合表1中的單位能耗，可以計算年用電能耗費用。根據公式（1）計算年平均成本，結果如表2所示。

根據分析數據，假定設備1、2為同一設備使用18年、8年后的使用情況。根據表2

數據計算，設備10年內的年成本增量值為6.37萬元?？梢钥闯?，設備到18年時候年費用超過8年數據幾乎和設備價值相當，因此可以建議更換。

5.保障管理系統安全運行的技術措施

定期巡檢保障系統運行安全。巡檢人員對配電系統定期巡檢，以便發(fā)現運行中出現的設備缺陷和故障，采取措施予以消防。同時，將電力設備巡檢發(fā)現的異常情況以及維修信息反饋到系統中，給設備全壽命周期監(jiān)控提供數據支撐。

實時監(jiān)督保障系統維修安全。系統運維值班專人值守，當*級告警（如斷電告警、月平均功率因數告警、電流越上限告警、電不平衡度告警等）實時推送到相關用戶手機的同時，值班人員實時響應電話確認，由專業(yè)的運維團隊快速到達現場進行維修搶修，7×24小時線上線下不間斷實時守護，確保安全用電。

阿里云系統保障服務運行安全。軟件系統部署在阿里云的K8S集群里，不會因為一個服務器節(jié)點宕機而影響系統運行。阿里云提供DDoS防護、木馬查殺、防暴力破解等服務，

確保軟件服務的安全性與穩(wěn)定性。

云盤加密及權限設定保障數據庫安全。數據庫使用ESSDPL1云盤加密，密文存儲，有著更高的安全性，可靠性。在數據庫的安全組中設置訪問數據庫的白名單，限定訪問權

限，降低被攻擊的概率。

6.安科瑞Acrel-3000WEB電能管理解決方案

6.1概述

用戶端消耗著整個電網80%的電能，用戶端智能化用電管理對用戶可靠、安全、節(jié)約用電有十分*要的意義。構建智能用電服務體系，推廣用戶端智能儀表、智能用電管理終端等設備用電管理解決方案，實現電網與用戶的雙向良性互動。用戶端急需解決的研究內容主要包括：先進的表計，智能樓宇、智能電器、增值服務、客戶用電管理系統、需求側管理等課題。

安科瑞Acrel-3000WEB電能管理解決方案通過對用戶端用電情況進行細分和統計，以直觀的數據和圖表向管理人員或決策層展示各分項用電的使用消耗情況，便于找出高耗能點或不合理的耗能習慣，有效節(jié)約電能，為用戶進一步節(jié)能改造或設備升級提供準確的數據支撐。

6.2應用場所

（1）辦公建筑（商務辦公、大型公共建筑等）；

（2）商業(yè)建筑（商場、金融機構建筑等）；

（3）旅游建筑（賓館飯店、娛樂場所等）；

（4）科教文衛(wèi)建筑（文化、教育、科研、醫(yī)療衛(wèi)生、體育建筑等）；

（5）通信建筑（郵電、通信、廣播、電視、數據中心等）；

（6）交通運輸建筑（機場、車站、碼頭建筑等）。

6.3系統結構

6.4系統功能

1）實時監(jiān)測

系統人機界面友好，以配電一次圖的形式直觀顯示配電線路的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測各回路電壓、電流、功率、功率因數、電能等電參數信息，動態(tài)監(jiān)視各配電回路斷路器、隔離開關、地刀等合、分狀態(tài)，以及有關故障、告警等信號。

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2）電能統計報表

系統以豐富的報表支撐計量體系的完整性。系統具備定時抄表匯總統計功能，用戶可以自由查詢自系統正常運行以來任意時間段內各配電節(jié)點的用電情況，即該節(jié)點進線用電量與各分支回路消耗電量的統計分析報表。該功能使得用電可視透明，并在用電誤差偏大時可分析追溯，維護計量體系的正確性。

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3）詳細電參量查詢

在配電一次圖中，當鼠標移動到每個回路附近時，鼠標指針變?yōu)槭中?，鼠標單擊可查看該回路詳細電參量，包括三相電流、三相電壓、三相總有功功率、總無功功率、總功率因數、正向有功電能，并可以查看24小時相電流趨勢曲線及24小時電壓趨勢曲線。

4）運行報表

系統具有實時電力參數和歷史電力參數的存儲和管理功能，所有實時采集的數據、順序事件記錄等均可保存到數據庫，在查詢界面中能夠自定義需要查詢的參數、選定時間或選擇查詢更新的記錄數據等，并通過報表方式顯示出來。用戶可以根據需要定制運行日報、月報，支持導出Excel格式文件，還可以根據用戶要求導出PDF格式文件。

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5）變壓器運行監(jiān)視

系統對配電系統總進線、主變壓器、*要負荷出線的運行狀態(tài)進行在線實時監(jiān)視，用曲線顯示電流、變壓器運行溫度、有功需量、有功功率、視在功率、變壓器負荷率等運行趨勢，分析變壓器負荷率及損耗，方便運行維護人員及時掌握運行水平和用電需求，確保供電安全可靠。

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6）實時報警

系統具有實時報警功能，系統能夠對配電回路斷路器、隔離開關、接地刀分、合動作等遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數越限等事件進行實時監(jiān)測，并根據事件等級發(fā)出告警。系統報警時自動彈出實時報警窗口，并發(fā)出聲音或語音提醒。

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7）歷史事件查詢

系統能夠對遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統事件和報警進行歷史追溯，查詢統計、事故分析。

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8）電能質量監(jiān)測

系統可以對整個配電系統范圍內的電能質量進行持續(xù)性的監(jiān)測，運行維護人員可以通過諧波分析棒圖、報表掌握進線、變壓器、*要回路的電壓、電流諧波畸變率、諧波含量、電壓不平衡度等，及時采取相應的措施，降低諧波損耗，減少因諧波造成的異常和事故(該功能需要選配帶諧波監(jiān)測功能的電力儀表，不需要可刪除。

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9）遙控操作

系統支持對斷路器、隔離開關、接地刀等進行分、合遙控操作。系統具有嚴格的密碼保護和操作權限管理功能，對于每次遙控操作，系統自動生成操作記錄，記錄內容包含操作人、操作時間、操作類型等。實現該功能需要斷路器本身具有電操機構及保護保測控裝置具備遙控功能等硬件設備的支持。

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10）用戶權限管理

系統為保障系統安全穩(wěn)定運行，設置了用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作（如配電回路名稱修改等）?？梢远x不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

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11）通訊狀態(tài)圖

系統支持實時監(jiān)視接入系統的各設備的通訊狀態(tài)，能夠完整的顯示整個系統網絡結構；可在線診斷設備通訊狀態(tài)，發(fā)生網絡異常時能自動在界面上顯示故障設備或元件及其故障部位。從而方便運行維護人員實時掌握現場各設備的通訊狀態(tài)，及時維護出現異常的設備，保證系統的穩(wěn)定運行。

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