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【摘要】：為監(jiān)測大型用電設備的電能消耗情況，實現(xiàn)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(shù)據智能化運維的用電設備安全高效運行管理系統(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(tǒng)成功運用于水廠的*要能耗設備上，實現(xiàn)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(tǒng)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。

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(xiàn)代化城市發(fā)展的基本保障。物聯(lián)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(shù)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(xiàn)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(shù)、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(xiàn)實時監(jiān)測、故障報警等功能。

全國現(xiàn)在已實現(xiàn)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(shù)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(tǒng)，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(tǒng)，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(tǒng)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(tǒng)籌實現(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(lián)網、云計算、大數(shù)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(shù)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(tǒng)，利用智能電表監(jiān)測，實現(xiàn)用電安全及生產運行精細化管理。

1.軟件系統(tǒng)功能介紹

設備安全高效運行管理系統(tǒng)包括數(shù)智采集設備、云系統(tǒng)、本地系統(tǒng)及終端應用。通過在關鍵用能設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、負載率、電壓、剩余電流、電流和溫度等數(shù)據的采集和加密工作，實現(xiàn)對設備電能數(shù)據的實時監(jiān)測，為下一步的能耗分析提供數(shù)據基礎。管理系統(tǒng)既可以將能耗數(shù)據上傳到云系統(tǒng)，實現(xiàn)云計算和大數(shù)據分析；也可以將數(shù)據儲存在本地系統(tǒng)中，完成基礎數(shù)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(tǒng)實現(xiàn)了電力系統(tǒng)的實時監(jiān)控與設備的全壽命高效管理。

管理系統(tǒng)主要實現(xiàn)了以下幾個功能：

（1）人員、權限管理。系統(tǒng)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(xiàn)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(tǒng)界面的統(tǒng)計數(shù)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(shù)據監(jiān)測。平臺實現(xiàn)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(shù)據，并展示一次接線圖、3D圖等，為電力能耗分析提供實時數(shù)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(shù)據分析。系統(tǒng)匯總云平臺數(shù)據，計算日總用電量、廠區(qū)設備耗能等信息，對用電數(shù)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(tǒng)通過實時監(jiān)控電力參數(shù)及線路、環(huán)境溫度等設備運行監(jiān)測數(shù)據，實現(xiàn)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(tǒng)籌管理。設備全生命周期信息均上傳到系統(tǒng)，系統(tǒng)集成顯示設備的電力數(shù)據監(jiān)控、數(shù)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)結構

設備安全高效運行管理系統(tǒng)的平臺架構由用電設備、采集設備、云系統(tǒng)及本地系統(tǒng)、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(shù)智采集設備即GET-SMT-10數(shù)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(shù)據的采集工作后，將數(shù)據的模擬信號轉換為數(shù)字信號，通過加密后，將數(shù)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(tǒng)。云平臺是系統(tǒng)的基礎和核心，云系統(tǒng)及本地系統(tǒng)再將處理好的數(shù)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(shù)據監(jiān)測及處理，平臺實現(xiàn)了七大功能，其功能圖如圖2所示。

3.系統(tǒng)應用

用戶在軟件系統(tǒng)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(tǒng)的功能模塊分為四個部分：系統(tǒng)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(tǒng)管理實現(xiàn)了人員權限管理功能，能源監(jiān)測分析實現(xiàn)直觀呈現(xiàn)能耗、實時數(shù)據監(jiān)測和電力數(shù)據分析三個功能，報警管理實現(xiàn)安全閉環(huán)管理功能，設備管理和運維管理模塊實現(xiàn)設備統(tǒng)籌管理和運維閉環(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方面。人員管理界面如圖3所示，系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)運行狀態(tài)，包括設備數(shù)量、報警量和日總用電量統(tǒng)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)據，分析故障原因。在報警推送配置方

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)會在平臺實時展現(xiàn)報警數(shù)據，并根據數(shù)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(xiàn)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(shù)，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(shù)、電力數(shù)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(xiàn)設備統(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)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(tǒng)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(xiàn)設備異常，系統(tǒng)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(tǒng)已成功應用于17臺*要能耗設備的用電數(shù)據的監(jiān)測工作上，通過建立數(shù)據分析模型，實時處理分析下載的監(jiān)測數(shù)據，從而有效地提高了設備運行效率。分析用電設備能耗數(shù)據，可以發(fā)現(xiàn)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(xiàn)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(shù)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(shù)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(shù)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(tǒng)安全運行的技術措施

定期巡檢保障系統(tǒng)運行安全。巡檢人員對配電系統(tǒng)定期巡檢，以便發(fā)現(xiàn)運行中出現(xiàn)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(xiàn)的異常情況以及維修信息反饋到系統(tǒng)中，給設備全壽命周期監(jiān)控提供數(shù)據支撐。

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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。