水電站建設(shè)期以提質(zhì)增效為目標(biāo)的智能化能耗管理

華能瀾滄江水電股份有限公司托巴水電工程建設(shè)管理局 師 永 徐秀峰 昆明自動化成套集成股份有限公司 余志勇

水電站建設(shè)初期存在施工用變壓器數(shù)量多、使用時間短、分布廣的特點(diǎn)，傳統(tǒng)人工抄表存在工作量大、線路故障不易排查等問題，給施工管理帶來不便。為此，可以積極地嘗試進(jìn)行智能化能耗管理，以輔助管理人員進(jìn)行費(fèi)用結(jié)算，協(xié)助運(yùn)維人員提高消缺效率，縮短故障點(diǎn)恢復(fù)正常供電的時間，推進(jìn)水電站建設(shè)期提質(zhì)增效發(fā)展，提高水電站基建期施工用電管理水平。

為更好的推進(jìn)TB 水電站施工用電管理水平的提升，并提高能耗管理的智能化水平，TB 水電站建管局基于“云大物移智”的設(shè)計理念和架構(gòu)，探索和開發(fā)了一套集成了施工用電電能量遠(yuǎn)程抄表、電費(fèi)結(jié)算、電費(fèi)調(diào)差、線路故障預(yù)警的智能化綜合管理平臺，提高水電站基建期施工用電管理水平。

1 施工用電智能管理系統(tǒng)平臺

1.1 施工用電智能管理系統(tǒng)設(shè)計

在整個管理系統(tǒng)中，以互聯(lián)網(wǎng)為依托，通過一定的采集單元，即電能表與網(wǎng)關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)對各種用電量相關(guān)信息的采集。通過高精度智能儀表以技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)自動化全實(shí)時、高密度的實(shí)時用能監(jiān)測，減少用能的“跑、冒、滴、漏”和計量誤差。對于所采集到的數(shù)據(jù)信息，可以通過4G 方式通過防火墻傳遞到內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)之中，并存儲在系統(tǒng)的服務(wù)器中。該管理系統(tǒng)可以通過物聯(lián)網(wǎng)對施工過程中的用電相關(guān)信息進(jìn)行采集，例如電量數(shù)據(jù)[1]。

所采集的數(shù)據(jù)可以通過網(wǎng)關(guān)經(jīng)無線4G 方式上傳至公司的云服務(wù)器，之后服務(wù)器可以對所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行集中存儲和統(tǒng)一管理。系統(tǒng)中的后臺軟件可以對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、存儲和分析，對監(jiān)測的實(shí)時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行專業(yè)的統(tǒng)計分析和可視化展示，方便管理人員以直觀地、便捷地、全面地了解全部施工用電線路的用能情況。

另外，系統(tǒng)還設(shè)置一定的訪問模式。具有權(quán)限的用戶可通過電腦或移動終端設(shè)備對該系統(tǒng)進(jìn)行訪問，瀏覽相關(guān)數(shù)據(jù)信息。系統(tǒng)通過運(yùn)行管理模式的更新，簡化施工臨時用電的管理方式，實(shí)現(xiàn)對施工用電企業(yè)電能量的集中監(jiān)測，同時提供數(shù)據(jù)統(tǒng)計、分析和費(fèi)用結(jié)算功能，有效地提高了企業(yè)的管理效率。

1.2 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

整個管理系統(tǒng)采用集散式架構(gòu)，電表和網(wǎng)關(guān)組成本地數(shù)據(jù)采集單元，上行通過4G、局域網(wǎng)等方式上傳數(shù)據(jù)至站控層的能源管理的地方。于是，電能表數(shù)據(jù)可以經(jīng)過無線網(wǎng)關(guān)以4G 方式上傳至公司云服務(wù)器。系統(tǒng)還具有用戶訪問功能，對于不同的系統(tǒng)用戶，可以通過電腦或移動終端登錄到該系統(tǒng)中，并按照權(quán)限獲取一定的設(shè)備數(shù)據(jù)和報警信息。智能電能量管理系統(tǒng)拓?fù)鋱D拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 智能電能量管理系統(tǒng)拓?fù)鋱D

1.3 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

在對智能電能量管理系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計的時候，總體采用B/S 架構(gòu)，主要包括通信層、存儲層、服務(wù)層、應(yīng)用層和展示層。該架構(gòu)可以直接置于廣域網(wǎng)上并具有很強(qiáng)的交互性，可以通過一定的權(quán)限控制來滿足不同客戶的訪問需求，通過瀏覽器用戶就可以完成配置、查詢、控制等所有操作。具體的智能電能量管理系統(tǒng)軟件架構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 智能電能量管理系統(tǒng)軟件架構(gòu)圖

通信層。主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和通信規(guī)約的轉(zhuǎn)換[2]。電能表終端的遙測、遙信、遙控等信號量經(jīng)采集單元封裝為MQTT 協(xié)議上傳到前置接收系統(tǒng)，前置接收系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)并解析為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)交由存儲層進(jìn)行持久化存儲；存儲層。設(shè)計數(shù)據(jù)庫存儲系統(tǒng)，主要用來對系統(tǒng)中的各種結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和持久化處理，為服務(wù)層提供必要的數(shù)據(jù)支撐。

服務(wù)層。實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的處理，整個系統(tǒng)的所有核心業(yè)務(wù)邏輯都在這一層實(shí)現(xiàn)，具體包括數(shù)據(jù)操作和分析以及采集等內(nèi)容。通過強(qiáng)大的協(xié)議轉(zhuǎn)換功能將采集到的設(shè)備層的數(shù)據(jù)傳遞到應(yīng)用層，起到承上啟下的作用。在這一層中，可以將從存儲層獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、清洗、匯聚以及統(tǒng)計分析，為應(yīng)用層提供數(shù)據(jù)支撐。

應(yīng)用層。實(shí)現(xiàn)對各種信息的有效維護(hù)，并基于服務(wù)層提供的應(yīng)用數(shù)據(jù)，構(gòu)建分析流程，實(shí)現(xiàn)特定的應(yīng)用場景，如報警配置、報表配置、權(quán)限配置等。提供豐富的數(shù)據(jù)可視化功能，通過餅圖、柱狀圖、曲線圖、堆積圖等將數(shù)據(jù)以直觀的方式呈現(xiàn)給用戶，方便用戶做出決策；展現(xiàn)層。為人機(jī)交互界面，可以為不同用戶提供不同的使用界面。對設(shè)備層的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、存儲、統(tǒng)計分析，通過友好的人機(jī)界面為用戶提供體驗(yàn)。完成現(xiàn)場信息化的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成人機(jī)界面信息，并將信息按照發(fā)生源進(jìn)行分門別類分析處理。具有權(quán)限的用戶可以通過PC 瀏覽器使用系統(tǒng)獲取各種數(shù)據(jù)信息。

1.4 功能模塊

為了滿足水電站建設(shè)其智能化能耗管理的需求，在智能電能量管理系統(tǒng)中，設(shè)計了若干不同的功能模塊，包括電力監(jiān)測和用電分析以及電費(fèi)結(jié)算等。

電力監(jiān)測。應(yīng)用管理系統(tǒng)中的電力監(jiān)測模塊，可以對系統(tǒng)中各種電參量，包括電表的相電壓、線電壓、電流、功率，頻率、電力極值、平均功率因數(shù)等進(jìn)行采集。之后，通過對所采集數(shù)據(jù)的專業(yè)統(tǒng)計和分析，獲得直觀的可視化圖表結(jié)果。通過對相關(guān)結(jié)果的分析，可以幫助管理人員及時發(fā)現(xiàn)缺相、短路、漏電等電氣故障，并及時的予以排除。出現(xiàn)異常用電時及時報警推送，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)無人看守的自動化運(yùn)營，實(shí)現(xiàn)智能管理。系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)人員能實(shí)時掌握系統(tǒng)狀態(tài)，及時地排查故障，完善和規(guī)范運(yùn)營水平。

用電分析。通過該模塊，可以對各種用電量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)施采集。智能網(wǎng)關(guān)采集設(shè)備層數(shù)據(jù)，進(jìn)行規(guī)約轉(zhuǎn)換及存儲，將數(shù)據(jù)上傳至管理平臺。之后，按照日、月、年生成不同維度的用電報表。同時，借助該模塊還可以進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，獲得同比分析和環(huán)比分析相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)果，進(jìn)而幫助管理人員更好的分析用電單位的用能情況。

電費(fèi)結(jié)算。系統(tǒng)通過采集到的用電單位電量信息，結(jié)合錄入的電價數(shù)據(jù)，可以按月生成電費(fèi)結(jié)算報表，結(jié)算報表支持按單位、時間（年、月）進(jìn)行查詢，查詢結(jié)果可以按業(yè)主單位進(jìn)行統(tǒng)計。統(tǒng)計結(jié)果包含有功計量電量、線損電量、結(jié)算電量、結(jié)算電費(fèi)、無功計量電量、無功考核電量、無功考核電費(fèi)、電費(fèi)合計、實(shí)收電費(fèi)、合同累計至本期電費(fèi)、合同累計調(diào)差等內(nèi)容。實(shí)際結(jié)算電費(fèi)由有功電費(fèi)和無功電費(fèi)兩部分組成，電費(fèi)結(jié)算數(shù)據(jù)支持導(dǎo)出為Excel 表格，歷史結(jié)算數(shù)據(jù)支持以Excel 表格導(dǎo)入到系統(tǒng)中進(jìn)行管理。

企業(yè)微信應(yīng)用。移動終端可以通過企業(yè)微信中的“企業(yè)智慧用電”小程序獲取系統(tǒng)數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)、報警記錄等信息，方便實(shí)時查看企業(yè)用能情況。

2 能耗管理給水電站建設(shè)初期帶來的增效

2.1 電能量管理

在智能電能量管理系統(tǒng)應(yīng)用前，在TB 水電站建設(shè)過程中，在對電能消耗情況進(jìn)行管理的時候，抄表主要靠人工完成。由于整個施工現(xiàn)場電表數(shù)量多，分布廣，管理部門每月至少需要安排2至3名工作人員進(jìn)行抄表與電費(fèi)統(tǒng)計核算。整個工作費(fèi)時費(fèi)力，且存在人工抄表效率低、數(shù)據(jù)采集不及時、計量統(tǒng)計工作量大、表故障不能及時發(fā)現(xiàn)、電費(fèi)結(jié)算不精確等問題[3]。系統(tǒng)建成后采用自動抄表，對比原本的人工抄表，不僅效率大大提高、也可以有效避免人為失誤，提高抄表的準(zhǔn)確率，節(jié)約了人工和時間成本。

2.2 結(jié)算報表管理

系統(tǒng)建設(shè)前電費(fèi)結(jié)算由人工完成，人工抄表統(tǒng)計工作量大，存在人為誤差；抄表人員與強(qiáng)電接觸、或登高作業(yè)存在安全隱患，且計算方式復(fù)雜、需要由專人負(fù)責(zé)，結(jié)算數(shù)據(jù)以Excel 表格保存，歷史數(shù)據(jù)量大，不方便查詢和統(tǒng)計。系統(tǒng)建成后電費(fèi)由系統(tǒng)自動結(jié)算，無需專人負(fù)責(zé)，生成的數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中，方便統(tǒng)計和查詢，需要時可直接由系統(tǒng)導(dǎo)出為Excel 文件和用電企業(yè)進(jìn)行結(jié)算。同時，在進(jìn)行電價調(diào)差時，通過修改不同用戶類型的基礎(chǔ)電價，由系統(tǒng)自動計算電費(fèi)，這樣大大節(jié)約了電費(fèi)結(jié)算時人工計算的時間，降低了對結(jié)算人員的專業(yè)技能要求，給電費(fèi)結(jié)算管理帶來了方便。

2.3 故障運(yùn)維管理

通過系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以有效的對變壓器三相電流不平衡、缺相、電壓/電流值過高或過低進(jìn)行預(yù)警[4]。借助智能化管理系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測（按輕、重故障分類報警），報警信息記錄歸檔（按報警類別），故障基礎(chǔ)分析（在線查詢）等。同時結(jié)合設(shè)備地理位置信息進(jìn)行故障定位，通過對實(shí)時采集數(shù)據(jù)的分析來給故障消缺提供決策依據(jù)，協(xié)助運(yùn)維人員進(jìn)行快速消缺，不僅可以提高供電可靠性，縮短運(yùn)維人員切除故障點(diǎn)恢復(fù)正常供電的時間，而且有效的減少因故障停電而給施工單位帶來的影響，從而提高了水電站基建期施工用電管理水平。

2.4 施工進(jìn)度管理

傳統(tǒng)的施工進(jìn)度管理中，采用的管理方式一般是由施工單位定期提交工程進(jìn)度報表資料，或者由監(jiān)理人員到現(xiàn)場檢查建設(shè)工程的實(shí)際開展情況。但在傳統(tǒng)的進(jìn)度管理中，還存在人為因素、上報數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確、不能及時反映實(shí)際施工進(jìn)度等問題[5]。

為了提高水電站建設(shè)施工進(jìn)度管理水平，此次研究中，在TB 水電站的建設(shè)期施工進(jìn)度管理方面，運(yùn)用了數(shù)字化和信息化手段。智能化管理過程中，創(chuàng)新性的提出通過對施工用電智能管理系統(tǒng)監(jiān)測的變壓器能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。通過分析，可以分時段生成具體的能耗曲線。通過對比該時段內(nèi)變壓器能耗與完成工程量之間的關(guān)系，可以幫助管理人員科學(xué)判斷施工進(jìn)度完成情況，以及工程進(jìn)度的總體滯后或超前情況，實(shí)現(xiàn)對施工進(jìn)度的動態(tài)化、智能化管理。

3 結(jié)語

總之，TB 水電站作為在建大型水電站，必須牢牢抓住數(shù)字革命的契機(jī)，開展和探索智慧建造。在本文的研究中，應(yīng)用基于“云大物移智”新一代信息通信技術(shù)，建設(shè)智能化能耗管理系統(tǒng)平臺，優(yōu)化施工臨時用電管理方式，實(shí)現(xiàn)集中管理與遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)控，為水電站建設(shè)初期的施工用電管理提供新思路與新模式。

借助這一管理系統(tǒng)，可以對水電站建設(shè)其能源系統(tǒng)運(yùn)行過程中關(guān)鍵的用能狀態(tài)參數(shù)的變化趨勢、耗能設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，以及系統(tǒng)運(yùn)行報警事件進(jìn)行實(shí)時監(jiān)視，確保整個能源供給、轉(zhuǎn)換和消耗過程的安全、可靠和穩(wěn)定，使水電站建設(shè)期能耗管理效率得到提高，保證用電安全性，這樣才能夠就提升企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，提升我國電力技術(shù)水平能力，促進(jìn)電力事業(yè)實(shí)現(xiàn)長遠(yuǎn)的發(fā)展。