浅析基于水厂云平台的用电设备高效运行管理系统

【摘要】：为监测大型用电设备的电能消耗情况，实现安全用电和设备的高效管理，本课题建立了一个基于云平台大数据智能化运维的用电设备安全高效运行管理系统。该系统基于*能IXMS云平台，利用GET-SMT-107信息采集器完成用电量、负载率和电压等信息采集，上传至云端服务器处理，并储存于本地的服务器或云平台内，同时客户端显示，完成用电设备安全高效运行的信息化管理。该系统成功运用于水厂的*要能耗设备上，实现了对设备用电的实时监测和能耗管理。通过试运行结果分析，本系统可以广泛用于用电设备监测，提高设备管理效率，为电能优化提供分析依据。

【关键词】：电能管理；云平台；耗能设备；安全用电

0.引言

城市给、排水工程是城市基础设施的*要组成部分，是现代化城市发展的基本保障。物联网通过在机器内部嵌入无线通信模块，可以满足水厂对设备监控、数据采集和测量、科学管理等方面的信息化需求[1]。给排水厂站用电设备能耗大，安全要求高，其安全高效运行管理是水务现代化管理的*要组成部分。在用电设备运行和监测方面，李纾伯[2]就用电设备选型、运行和维护等方面进行初步探讨。GabrielTanasescu[3]等人开发了专用软件DiagConsole，可以估计电气设备的健康指数、维护类型等，自动生成状态评估报告。姚大光[4]在自来水厂厂区的配电网建立监测点，实现实时监测、故障报警等功能。

全国现在已实现智能电表全覆盖。智能电表是以微处理器应用和网络通信技术为核心的智能化仪表，具有自动计量、数据处理、双向通信和功能扩展等能力[5]。在能耗监测方面，高霞[6]在某大型公立医院建立了能耗监控系统，可以查询医院实时用电、水等，为节能方案提供依据。刘盛等[7]在第四水厂南站（即第七水厂）开发电能管理系统，以对电能质量进行实时监控。

目前，自来水厂与污水处理厂缺乏高效用电管理系统来评估大型用电设备的用电效率和电能损耗状况，针对厂区及用电设备统筹实现云平台管理及安全闭环管理的研究成果也不够完善。现阶段，智能电表基本用于数据的采集与监测，而在通过监测高耗能设备的用电情况，计算设备更新寿命，来控制设备的使用时间方面应用较少。通过对国内外研究的调研和分析，本课题利用物联网、云计算、大数据收集与处理技术，从集团用电设备实际需求出发，针对大型用电设备数量多、部分设备老化，运行效率低，存在一定的安全用电隐患，且电能损耗严*等问题，设计并建立用电设备安全高效运行管理系统，利用智能电表监测，实现用电安全及生产运行精细化管理。

1.软件系统功能介绍

设备安全高效运行管理系统包括数智采集设备、云系统、本地系统及终端应用。通过在关键用能设备的配电柜中加装数智电力采集装置,即GET-SMT-107数智电力采集终端，管理系统可以完成对用电量、负载率、电压、剩余电流、电流和温度等数据的采集和加密工作，实现对设备电能数据的实时监测，为下一步的能耗分析提供数据基础。管理系统既可以将能耗数据上传到云系统，实现云计算和大数据分析；也可以将数据储存在本地系统中，完成基础数据分析与计算工作。通过终端应用，包括监控中心、电脑端、移动端及监管平台，管理系统实现了电力系统的实时监控与设备的全寿命高效管理。

管理系统主要实现了以下几个功能：

（1）人员、权限管理。系统管理员从工作页面和设备页面两个维度，按照用户单位的实际情况设置用户角色分配，设置负责厂区，完成权限设置，对编辑内容进行分级管理，提高设备管理效率。

（2）直观呈现能耗情况。用户可以同时查看多个厂区的能耗情况，直观查看系统界面的统计数据及图表说明，概览不同厂区设备的当日能耗、历史日均能耗以及总用电量等能耗信息，方便快捷。

（3）实时电力数据监测。平台实现综合电力监测，将用电量、负载率、电压、剩余电流、电流和温度等耗能设备采集信息即时上传至云端服务器处理，在客户端实时显示设备耗能数据，并展示一次接线图、3D图等，为电力能耗分析提供实时数据支持，便于管理者及时掌控电能质量与能源消耗情况。

（4）电力数据分析。系统汇总云平台数据，计算日总用电量、厂区设备耗能等信息，对用电数据进行对比分析，计算设备电能消耗效率，反映用电点的电力指标、电能质量指标变化情况，为电能质量优化提供分析依据。

（5）安全闭环管理。根据GETSMT-107报警设计值，管理系统通过实时监控电力参数及线路、环境温度等设备运行监测数据，实现分类、分级报警管理，按照权限设置，将报警信息上传至不同用户，接收人需进行故障查验，填写记录，完成故障处理闭环。

（6）设备统筹管理。设备全生命周期信息均上传到系统，系统集成显示设备的电力数据监控、数据分析、安全闭环管理以及运维闭环管理的关键信息，并对系统寿命进行评估，便于用户快速查看设备信息，高效查找异常状态的设备，直观了解设备运行寿命。

（7）运维闭环管理。管理系统将线上和线下方式相结合，巡检人员定期巡检*定分配的厂区和设备，对设备状态做出评估并线上提交巡检单。告警的设备由系统线上智能分配人员进行维修处理，并上传维修信息，完成巡检、维修、报废闭环管理。

2.系统结构

设备安全高效运行管理系统的平台架构由用电设备、采集设备、云系统及本地系统、终端应用四个部分组成。平台架构图如图1所示。

*点用电设备是指水厂的高耗能设备，包括原水水泵、清水水泵、脱泥机、鼓风机和提升泵。数智采集设备即GET-SMT-10数智采集终端，当终端完成对这些设备的用电量、电流、电压等电能数据的采集工作后，将数据的模拟信号转换为数字信号，通过加密后，将数据上传至云端服务器处理，并储存于本地的服务器内或者云系统。云平台是系统的基础和核心，云系统及本地系统再将处理好的数据上传至终端应用，在监控中心及PC端显示。通过对*点用电设备的数据监测及处理，平台实现了七大功能，其功能图如图2所示。

3.系统应用

用户在软件系统通过密码权限验证登录后，可以在在导航树中查找相应的功能模块与文档目录。系统的功能模块分为四个部分：系统管理、能源监测分析、报警管理、设备管理和运维管理模块。其中，系统管理实现了人员权限管理功能，能源监测分析实现直观呈现能耗、实时数据监测和电力数据分析三个功能，报警管理实现安全闭环管理功能，设备管理和运维管理模块实现设备统筹管理和运维闭环管理功能。

3.1系统管理模块

系统管理主要是设置系统参数和用户日志查询级系统表单，分为人员管理和角色管理两个方面。人员管理界面如图3所示，系统管理员根据实际情况分配所属人员的管理范围和角色。角色管理界面如图4所示，管理员可以在该界面设置所有角色的权限。角色权限可以分为查看权限、菜单权限、编辑权限三种。

3.2能源监测分析模块

在软件系统界面设置上，能源监测分析模块包括多个小功能模块：综合概况、能源监测和用户及角色管理模块。其中，综合概况模块位于平台首页，如图5所示。界面左上角显示系统运行状态，包括设备数量、报警量和日总用电量统计；右上角设置实时报警提醒，报警提醒下方的报警记录里详细记录了故障设备的位置、故障时间、报警类型及处理状态。处于正下方界面的数据概览图可以直观显示各个厂区的当日能耗及日均能耗对比图。能源监测模块包括综合电力监测和一次接线图/3D图两个部分，可以从多个角度的图表实时监测电力数据。电力能源分析模块通过对比分析、用电计算、电能质量分析三个部分，逐步渐进，

深度分析电力数据，为提高用电效率提供基础。

3.3报警管理模块

报警记录分为报警记录、报警分析、推送配置三个部分。报警记录的界面如图6显示，

显示报警的设备所在厂区、设备名称、安装位置、报警类型、报警级别、报警时间及处理状

态。报警分析里面会详细分析设备故障情况及报警数据，分析故障原因。在报警推送配置方

面，软件系统存在平台告警、微信告警和短信告警三种告警方式。系统会在平台实时展现报警数据，并根据数智电力采集终端报警阈值，将*级报警信息推送至不同的用户手机和微信中。接收告警的用户需要到现场查验故障设备，及时处理故障问题，并填写消缺记录，完成安全闭环管理。

3.4设备管理和运维管理模块

设备管理包括设备列表、设备全生命周期和设备高效管理。设备列表如图7所示，用户可以在左上方下拉列表里筛选设备所在厂区，查看设备名称、型号及运行天数，还可以查看设备的寿命异常状态。设备的全生命周期如图8所示，界面全方面覆盖设备的周期信息，包括设备基础信息、关键参数、电力数据监控、寿命曲线、运维记录和告警记录。界面结合曲线图和表格，便于用户提取设备关键信息，实现设备统筹管理和高效管理。

在运维管理方面，管理者预先对全局厂区、设备进行巡检计划配置，系统将巡检单据配置清单定时推送至*定巡检人员，巡检人员在线完成巡检单据填写并拍摄现场照片，巡检信息将自动维护至设备清单，巡检单*久留存。巡检具体包括以下工作：

（1）信息采集：不同权限人员手工采集安全巡查信息；

（2）信息存储：信息储存在本地或云平台；

（3）信息查询：管理人员根据权限分类查询巡检信息；

（4）信息工作流：如果巡查结果合格，信息存储；如果巡查结果不合格或异动，信息报警，上传至权限所有上级。

巡检计划配置图如图9所示，巡查人员的工作分类如下：值班人员每两小时巡查一次，场站机修工每天巡查两次，厂设备技术科巡查每月一次，在客户端填表提交巡查单。值班人员须按时巡检，采集并在系统上提交安全巡查信息，并由技术管理人员检查巡检资料。如果发现设备异常，系统将发布线上告警，智能分配维修人员修复处理，并线上留存维修单或报废单，完成闭环管理。

4.能耗管理效果分析

目前，本系统已成功应用于17台*要能耗设备的用电数据的监测工作上，通过建立数据分析模型，实时处理分析下载的监测数据，从而有效地提高了设备运行效率。分析用电设备能耗数据，可以发现不同使用年限的同型号设备单位耗能差异很大。如表1及图10所示，设备1和设备2的使用年限相差10年，2020年9月至2021年8月期间的平均单位能耗差值达到17.72kW。由于设备1和设备2的使用环境及型号相同，可以假设设备1的单位耗能增值仅由使用年限增长年造成，即假设设备1十年前的单位能耗即为设备2现在的单位能耗。

根据经济寿命理论，年度费用的计算公式如下：

AC=CRC+E（1）

AC—年平均成本；

CRC—年资产消耗成本；

E—年运行成本。

年资产消耗成本的计算公式如下：

（2）

P—设备的原始费用；

MV—设备的估计残值；

N—设备的使用年限。

年运行成本的计算公式如下：

年运行成本=人工费+燃料动力费+机

具保养费+年度维修费（3）

设备年度费用和时间的关系图如图11所示。由公式（2）及图11可知，年资产消耗成本会随着设备使用年限的增加而逐渐降低。随着使用时间增加，设备性能逐渐降低，燃

料动力费、年度维修费等等都会增加，由公式（3）可推知，年运行成本也会随着升高。综合年运行成本和年资产消耗成本计算，设备年平均成本会先降低后不断升高。因此，随着设备使用年限的增长，当设备的年平均成本过高时，即使设备可以正常工作，也应当考虑更换设备。

假设设备初始购置费为6.5万元，设备的估计残值为初始价值的5%，根据公式（2）

可以计算设备的年资产消耗成本。结合公式（3）分析，假定设备每年的人工费、保养费和维修费相同，在分析设备的年度费用增量时可考虑不计，故计算年运行成本时仅计算燃料动

力费，即年用电能耗费。电费以0.75元/（kW·h）计，设备年用电时间取表1中的设备1总用电时间5112h，结合表1中的单位能耗，可以计算年用电能耗费用。根据公式（1）计算年平均成本，结果如表2所示。

根据分析数据，假定设备1、2为同一设备使用18年、8年后的使用情况。根据表2

数据计算，设备10年内的年成本增量值为6.37万元。可以看出，设备到18年时候年费用超过8年数据几乎和设备价值相当，因此可以建议更换。

5.保障管理系统安全运行的技术措施

定期巡检保障系统运行安全。巡检人员对配电系统定期巡检，以便发现运行中出现的设备缺陷和故障，采取措施予以消防。同时，将电力设备巡检发现的异常情况以及维修信息反馈到系统中，给设备全寿命周期监控提供数据支撑。

实时监督保障系统维修安全。系统运维值班专人值守，当*级告警（如断电告警、月平均功率因数告警、电流越上限告警、电不平衡度告警等）实时推送到相关用户手机的同时，值班人员实时响应电话确认，由专业的运维团队快速到达现场进行维修抢修，7×24小时线上线下不间断实时守护，确保安全用电。

阿里云系统保障服务运行安全。软件系统部署在阿里云的K8S集群里，不会因为一个服务器节点宕机而影响系统运行。阿里云提供DDoS防护、木马查杀、防暴力破解等服务，

确保软件服务的安全性与稳定性。

云盘加密及权限设定保障数据库安全。数据库使用ESSDPL1云盘加密，密文存储，有着更高的安全性，可靠性。在数据库的安全组中设置访问数据库的白名单，限定访问权

限，降低被攻击的概率。

6.安科瑞Acrel-3000WEB电能管理解决方案

6.1概述

用户端消耗着整个电网80%的电能，用户端智能化用电管理对用户可靠、安全、节约用电有十分*要的意义。构建智能用电服务体系，推广用户端智能仪表、智能用电管理终端等设备用电管理解决方案，实现电网与用户的双向良性互动。用户端急需解决的研究内容主要包括：先进的表计，智能楼宇、智能电器、增值服务、客户用电管理系统、需求侧管理等课题。

安科瑞Acrel-3000WEB电能管理解决方案通过对用户端用电情况进行细分和统计，以直观的数据和图表向管理人员或决策层展示各分项用电的使用消耗情况，便于找出高耗能点或不合理的耗能习惯，有效节约电能，为用户进一步节能改造或设备升级提供准确的数据支撑。

6.2应用场所

（1）办公建筑（商务办公、大型公共建筑等）；

（2）商业建筑（商场、金融机构建筑等）；

（3）旅游建筑（宾馆饭店、娱乐场所等）；

（4）科教文卫建筑（文化、教育、科研、医疗卫生、体育建筑等）；

（5）通信建筑（邮电、通信、广播、电视、数据中心等）；

（6）交通运输建筑（机场、车站、码头建筑等）。

6.3系统结构

6.4系统功能

1）实时监测

系统人机界面友好，以配电一次图的形式直观显示配电线路的运行状态，实时监测各回路电压、电流、功率、功率因数、电能等电参数信息，动态监视各配电回路断路器、隔离开关、地刀等合、分状态，以及有关故障、告警等信号。

2）电能统计报表

系统以丰富的报表支撑计量体系的完整性。系统具备定时抄表汇总统计功能，用户可以自由查询自系统正常运行以来任意时间段内各配电节点的用电情况，即该节点进线用电量与各分支回路消耗电量的统计分析报表。该功能使得用电可视透明，并在用电误差偏大时可分析追溯，维护计量体系的正确性。

3）详细电参量查询

在配电一次图中，当鼠标移动到每个回路附近时，鼠标指针变为手形，鼠标单击可查看该回路详细电参量，包括三相电流、三相电压、三相总有功功率、总无功功率、总功率因数、正向有功电能，并可以查看24小时相电流趋势曲线及24小时电压趋势曲线。

4）运行报表

系统具有实时电力参数和历史电力参数的存储和管理功能，所有实时采集的数据、顺序事件记录等均可保存到数据库，在查询界面中能够自定义需要查询的参数、选定时间或选择查询更新的记录数据等，并通过报表方式显示出来。用户可以根据需要定制运行日报、月报，支持导出Excel格式文件，还可以根据用户要求导出PDF格式文件。

5）变压器运行监视

系统对配电系统总进线、主变压器、*要负荷出线的运行状态进行在线实时监视，用曲线显示电流、变压器运行温度、有功需量、有功功率、视在功率、变压器负荷率等运行趋势，分析变压器负荷率及损耗，方便运行维护人员及时掌握运行水平和用电需求，确保供电安全可靠。

6）实时报警

系统具有实时报警功能，系统能够对配电回路断路器、隔离开关、接地刀分、合动作等遥信变位，保护动作、事故跳闸，以及电压、电流、功率、功率因数越限等事件进行实时监测，并根据事件等级发出告警。系统报警时自动弹出实时报警窗口，并发出声音或语音提醒。

7）历史事件查询

系统能够对遥信变位，保护动作、事故跳闸，以及电压、电流、功率、功率因数越限等事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和报警进行历史追溯，查询统计、事故分析。

8）电能质量监测

系统可以对整个配电系统范围内的电能质量进行持续性的监测，运行维护人员可以通过谐波分析棒图、报表掌握进线、变压器、*要回路的电压、电流谐波畸变率、谐波含量、电压不平衡度等，及时采取相应的措施，降低谐波损耗，减少因谐波造成的异常和事故(该功能需要选配带谐波监测功能的电力仪表，不需要可删除。

9）遥控操作

系统支持对断路器、隔离开关、接地刀等进行分、合遥控操作。系统具有严格的密码保护和操作权限管理功能，对于每次遥控操作，系统自动生成操作记录，记录内容包含操作人、操作时间、操作类型等。实现该功能需要断路器本身具有电操机构及保护保测控装置具备遥控功能等硬件设备的支持。

10）用户权限管理

系统为保障系统安全稳定运行，设置了用户权限管理功能。通过用户权限管理能够防止未经授权的操作（如配电回路名称修改等）。可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限，为系统运行、维护、管理提供可靠的安全保障。

11）通讯状态图

系统支持实时监视接入系统的各设备的通讯状态，能够完整的显示整个系统网络结构；可在线诊断设备通讯状态，发生网络异常时能自动在界面上显示故障设备或元件及其故障部位。从而方便运行维护人员实时掌握现场各设备的通讯状态，及时维护出现异常的设备，保证系统的稳定运行。

12）视频监控

视频监控展示了当前实时画面（视频直播），选中某一个变配电站，即可查看该变配电站内视频信息。

13）用户报告

用户报告页面主要用于对选定的变配电站自动汇总一个月的运行数据，对变压器负荷、配电回路用电量、功率因数、报警事件等进行统计分析。

14）APP支持

电力运维手机支持“监控系统”、“设备档案”、“待办事项”、“巡检记录”和“缺陷记录”五大模块，支持一次图、需量、用电量、视频、曲线、温湿度、同比、环比、电能质量、各种事件报警查询，设备档案查询、待办事件处理、巡检记录查询等。

6.5系统硬件配置清单

7.结论

本课题通过设计基于云平台的用电高效运行管理系统，实现对耗能设备的实时电能数据监测与分析。同时，管理系统按照GETSMT-107报警设计值，将异常数据与报警信息上传至用户，实现故障处理闭环，为实现安全用电实现技术保障。

管理系统由能源监测分析、报警管理、设备管理、运维管理和系统管理模块四个部分组成。系统对不同角色实现权限分配，并针对不同设备管理需求提供多种功能，实现设备统筹管理和运维巡检闭环管理。

系统运用于17台大型用电设备上，并完成了数据的采集汇总。通过计算同型号设备不同使用年限后的单位能耗差值，估算年平均成本差值，对超出计划运转的寿命仍然正常运营的设备给出更换建议。管理人员从系统运行安全、系统维修安全、服务运行安全和数据库安全多个角度出发，采取四项技术措施，来保障管理系统的安全运行。

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