一种边云协同的供水设备能耗监测与能效评价系统和方法转让专利
申请号 : CN202010099925.1
文献号 : CN111273622B
文献日 : 2021-06-01
发明人 : 张元禾 , 任江洪 , 王俊 , 白帆 , 谢艳 , 卢利利 , 周光明 , 高明辉 , 岳敏 , 韩兴连 , 陈思远
申请人 : 重庆远通电子技术开发有限公司 , 重庆大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种边云协同的供水设备能耗监测与能效评价系统,其特征在于,包括边缘计算装置和云服务平台;其中,
所述边缘计算装置包括数据采集模块、数据分析模块、通讯模块;
数据采集模块,用于采集二次供水设备的运行数据,包括进水压力数据、出水压力数据和电量计量数据;
数据分析模块,用于对二次供水设备的运行数据进行分析从而提取出相应的能耗特征数据和识别出设备能耗状态;
所述数据分析模块包括能耗数据提取模块和能耗状态识别模块;所述能耗数据提取模块,用于从设备运行数据中提取出二次供水设备的能耗特征数据,包括用能强度比数据的中位值、偏度值、15分位点值与85分位点值;所述能耗状态识别模块,用于识别二次供水设备的能耗状态;
通讯模块,用于边缘计算装置和云服务平台进行无线/有线通信;
所述云服务平台包括能效评分模块以及显示模块;
能效评分模块,用于根据边缘计算装置上传的能耗特征数据对二次供水设备进行能效评分,并将评分结果以列表的形式通过显示模块进行显示;
所述能效评分模块包括中位值评分模块、偏度值评分模块、分布宽度值评分模块以及加权系数计算模块;其中,
中位值评分模块,用于为每台二次供水设备的用能强度比的中位值进行评分;
偏度值评分模块,用于为每台二次供水设备的用能强度比的偏度值进行评分;
分布宽度值评分模块,用于为每台二次供水设备的用能强度比的分布宽度值进行评分;
加权系数计算模块,用于确定每台二次供水设备能效评分中的加权系数。
2.一种边云协同的供水设备能耗监测与能效评价方法,其特征在于,包括以下步骤:S1:边缘计算装置采集二次供水设备的运行数据,所述运行数据包括进水压力数据、出水压力数据和电量计量数据,并从运行数据中提取出能耗数据,对设备的能耗状态进行识别,再将能耗数据传输到云服务平台;所述能耗数据包括能耗特征数据和能耗状态识别数据,所述能耗特征数据包括用能强度比的中位值、偏度值、15分位点值与85分位点值;
所述S1中,所述能耗特征数据的提取步骤如下:S1‑1:定义用能强度比来反映二次供水设备的用电负荷强度,即X={X1,X1,...,Xn},Xn表示第n个用能强度比:
公式(2)中,Xn表示第n个用能强度比;En表示二次供水设备的第n个每小时用电量,单位kwH;maxE表示二次供水设备历史上的每小时用电量的最高值,单位kwH;
S1‑2:采用中位值表示用能强度比数据分布中心,采用偏度值表示用能强度比数据分布的偏斜情况,采用15分位点与85分位点之间的距离表示用能强度比数据分布的宽度:中位值的计算公式如下:
公式(3)中,O表示中位值, 表示第 个用能强度比, 表示第 个用能强度比, 表示第 个用能强度比,N表示用能强度比的数量;
偏度值的计算公式如下:
公式(4)中,b表示偏度值,S表示用能强度比的标准差,表示用能强度比的平均值,N表示用能强度比的数量,Xi表示第i个用能强度比;
15分位点值的计算公式:
公式(5)中,P15表示15分位点值,L15表示15分位点所在数值区间的下端点值,F15为15分位点所在数值区间的向上数据累积次数,f15表示15分位点所在数值区间的数据个数,d为区间的宽度;
85分位点值的计算公式:
公式(6)中,P85表示85分位点值,L85为85分位点所在数值区间的下端点值,F85为85分位点所在数值区间的向上数据累积次数,f85表示85分位点所在数值区间的数据个数,d为区间的宽度;
S2:云服务平台基于二次供水设备的能耗特征数据进行评分,并形成能效评分列表进行显示;能效评分的计算公式如下:公式(1)中,Y表示能效评分;j表示24小时中的第j个小时;Cjr表示第r台设备第j个小时的用能强度比的中位值评分;Bjr表示第r台设备第j个小时的用能强度比的偏度值评分;Pjr表示第r台设备第j个小时的用能强度比的分布宽度值的评分;a和b是两个调整参数,取值均为1;kjr表示第r台设备第j个小时的加权系数。
3.如权利要求2所述的一种边云协同的供水设备能耗监测与能效评价方法,其特征在于,所述S1中,能耗状态识别数据包括每小时能耗状态数据和每天能耗状态数据,具体的步骤如下:
S1‑3:每小时能耗状态的判断:当实时检测到的二次供水设备每小时用能强度比超过历史数据集的最大值时,判断二次供水设备在该小时处于异常能耗状态;当实时检测到的二次供水设备每小时用能强度比大于历史数据集的90分位点值,但小于历史数据集的最大值时,判断二次供水设备在该小时处于高能耗状态;
S1‑4:每天能耗状态包括正常能耗状态、高能耗状态、异常能耗状态;
高能耗状态包括一级高能耗状态、二级高能耗状态、三级高能耗状态;
一级高能耗状态的判断:当一天中出现高耗能状态的小时数达到12次及其以上,且未出现异常能耗状态,则二次供水设备在该天被标记为一级高能耗状态;
二级高能耗状态的判断:当一天中出现高耗能状态的小时数达到6次以上,12次以下时,且未出现异常能耗状态,则二次供水设备在该天被标记为二级高能耗状态;
三级高能耗状态的判断:当一天中出现高耗能状态的小时数达到1次以上,6次以下时,且未出现异常能耗状态,则二次供水设备在该天被标记为三级高能耗状态。
4.如权利要求3所述的一种边云协同的供水设备能耗监测与能效评价方法,其特征在于,所述异常能耗状态包括一般异常能耗状态和紧急能耗状态,其中,一般异常能耗状态的判断:当一天中二次供水设备有m个小时处于异常能耗状态,但其它小时未处于高耗能状态时,则二次供水设备在该天被标记为一般异常能耗状态,m≤2;
紧急异常能耗状态的判断:当一天中二次供水设备有m个小时处于异常能耗状态,且其它小时处于高耗能状态时,则二次供水设备在该天被标记为紧急异常能耗状态,m≤2。
5.如权利要求2所述的一种边云协同的供水设备能耗监测与能效评价方法,其特征在于,所述S2中,中位值评分的具体过程为:将获取的所有二次供水设备的同一小时的用能强度比的中位值按照从大到小进行排序,从而得到最大值max0与最小值min0,并将中位值平均分为8个区间,每个区间的宽度 又在区间的最小端和最大端分别扩展一个区间,形成10个平等分的区间,且每个区间标记有相应的评分,当Ojr位于哪一个区间时,则会得到该区间的评分Cjr,Ojr表示第r台设备第j个小时的用能强度比的中位值。
6.如权利要求2所述的一种边云协同的供水设备能耗监测与能效评价方法,其特征在于,所述S2中,加权系数的计算公式为:公式(7)中,kjr表示第r台二次供水设备第j个小时的加权系数;Ujr表示第r台二次供水设备在第j小时累积的历史电量数据个数,Ejvr表示第r台二次供水设备在第j个小时耗电量历史数据中的第v个电量数据,则 表示第r台二次供水设备在第j个小时的累积电量值, 表示第r台二次供水设备的历史总累积电量值。
说明书 :
一种边云协同的供水设备能耗监测与能效评价系统和方法
技术领域
背景技术
机驱动的水泵系统,在控制系统管理下实现无人监管的不间断工作。但由于控制系统自身
设计、安装、故障等原因,以及供水工况的复杂性,二次供水设备的能效偏低,造成大量的能
源浪费。因此在二次供水监控系统中实现对其能耗状况的监控,及时发现低能效设备,成为
亟需实现的功能。
小时输出水量的获得能量,也即二次供水设备的输出能量:
此造成该方法无法使用。
得到水泵的流量Q。专利CN110230590A便采用了该方法。该方法非常依赖Q‑P功率曲线的准
确性。但设备运行多年后,泵的实际工况一般都明显偏离了出厂时的Q‑P曲线,因此该方法
对老系统准确度较低。
力以及精力局限性,使及时发现异常低能效设备的可能性降低了。
限制了进行高采样的现场数据传输。
发明内容
平台相协同的架构,能够自动识别设备的能耗状态,并为每台设备的能效给出能效评分,把
需人力大量参与的能效评测过程自动化,提升了监控效率,降低云服务平台对通信带宽、计
算能力的需求,从而节省建设与运行成本。
强度比数据的中位值、偏度值、15分位点值与85分位点值;所述能耗状态识别模块,用于识
别二次供水设备的能耗状态。
数据和能耗状态识别数据,所述能耗特征数据包括用能强度比的中位值、偏度值、15分位点
值与85分位点值;
分;Pjr表示第r台设备第j个小时的用能强度比的分布宽度值的评分;a和b是两个调整参数,
取值均为1;kjr表示第r台设备第j个小时的加权系数。
度:
为区间的宽度;
区间的宽度。
到的二次供水设备每小时用能强度比大于历史数据集的90分位点值,但小于历史数据集的
最大值时,判断二次供水设备在该小时处于高能耗状态;
2;
并将中位值平均分为8个区间,每个区间的宽度 又在区间的最小端和最大
端分别扩展一个区间,形成10个平等分的区间,且每个区间标记有相应的评分,当Ojr位于哪
一个区间时,则会得到该区间的评分Cjr,Ojr表示第r台设备第j个小时的用能强度比的中位
值。
电量历史数据中的第v个电量数据,则 表示第r台二次供水设备在第j个小时的累
积电量值, 表示第r台二次供水设备的历史总累积电量值。
为了可能。
附图说明:
具体实施方式
发明的范围。
示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装
置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限
制。
出水压力数据和电量计量数据等。
中位值、偏度值、15分位点值与85分位点值;能耗状态识别模块,用于识别二次供水设备的
能耗状态。
的查看。
宽度值评分模块,用于为每台二次供水设备相应的用能强度比的分布宽度值进行评分;加
权系数计算模块,用于确定二次供水设备能效评分计算中每小时的加权系数。
多功能电表等,进水压力传感器用于采集二次供水设备的进水压力数据,出水压力传感器
用于采集二次供水设备的出水压力数据,多功能电表用于采集二次供水设备的电量计量数
据。
特征数据和能耗状态识别数据。
所在日之前测得的数据)。则本发明从边缘计算装置历史数据中能得到每小时用电量的最
高值maxE,并定义用能强度比X来有效地反映二次供水设备的用电负荷强度,即X={X1,
X1,…,Xn},
度比数据分布中心,采用偏度值表示用能强度比数据分布的偏斜情况,采用15分位点与85
分位点之间的距离表示用能强度比数据分布的宽度,这些指标能较好地反映二次供水设备
能耗数据的分布情况,作为后期进行能效评价的数据基础,因此边缘计算装置每隔一段时
间T(例如T为一个小时)会重新提取计算一次相应设备的能耗特征数据(中位值、偏度值、15
分位点值与85分位点值)并进行保存,再传输到云服务平台。
数,d为数据分隔区间宽度。
为分布区间宽度。
点时,在该小时二次供水设备被判断为正常能耗状态;超过90分位点,但小于历史数据的最
大值时,则判断该设备在该小时为高能耗状态;超过历史数据的最大值时,则判断设备在该
小时为异常能耗状态。
是因为传感器的偏差而引起的。
前时间平均气温接近的月份中选择的数据占历史数据中的更大比例。具体的历史数据选择
比率公式如下:
适当提高a的取值,以弥补数据量的不足。
的非对称分布数据集,能较好地反映偏斜的数据中心所处的位置。能效越高,能耗越小,因
此用能强度比数据分布的中位值越小。
的分布宽度,从能效角度来说,希望这个分布宽度尽量窄。因此需要去评估两个分布宽度的
相对大小关系,希望P15与O之间的距离比P85与 之间的距离尽量大。
但因为数据是随时进行更新的,有可能出现更小或更大的数据,因此在区间
的最小端和最大端分别扩展一个区间,最终形成10个平等分的区间,这样可提高数据排列
的精确性。
分,从而得到综合的能耗评分,并将每台设备的能耗评分进行有序排列(例如由小到大或由
大到小),则通过能耗评分可对每台二次供水设备的能耗进行检测,例如评分最低的相对应
的二次供水设备的能效最低,可作为后期设备检修的依据,以避免出现故障。
值评分;Pjr表示第r台设备第j个小时的用能强度比的分布宽度值的评分;a和b是两个调整
参数,根据数据分布情况对评分中偏度值评分和分布宽度值评分的在总评分中的占比进行
调整,缺省情况下取值均为1;kjr表示第r台设备第j个小时的加权系数。本实施例中,所有二
次供水设备的评分都是基于相同时间上进行评分的,这样能有效保证数据的公平性。
表示二次供水设备的编号。云服务平台中的中位值评分模块对所有二次供水设备的用能强
度比的中位值按照从大到小进行排序,从而得到最大值maxOjr与最小值minOjr,再采用平均
10等分方法对对排序后所有二次供水设备的用能强度比的中位值划分成10个评分区域,如
图3所示为中位值评分区间划分示意图,每个区间的宽度 分数越高,代表
中位值越小,对应设备的平均用能强度比偏低,能效相对偏高,则Ojr位于哪个评分区域,就
可得到该设备相应的评分Cjr。
分的计算过程。
采用其百分值进行相关计算,即39.92(设备1)、30.77(设备2)、35.98、40.12、34.67,即
maxOjr=40.12,minOjr=30.77,每个区间的宽度 按照中位值
评分方法可知,设备1与设备2在第1小时的评分为2分和9分。按此方法依次计算其余23个小
时的评分,记录在表1中。
二次供水设备的编号。云服务平台中的偏度值评分模块对所有二次供水设备的用能强度比
的偏度值按照从小到大进行排序,从而得到最大值maxbjr与最小值minbjr,再采用平均10等
分方法对对排序后所有二次供水设备的用能强度比的偏度值划分成10个评分区域,如图4
所示为偏度值评分区间划分示意图,每个区间的宽度 分数越高,代表偏
度值越大,数据分布的右偏斜越明显,即更密集的数据分布在分布区间的左侧,设备平均能
耗强度偏低,能效相对偏高,则bjr位于哪个评分区域,就可得到该设备相应的评分Bjr。
区间的宽度 按照用能强度比的偏度值评分方法可知,
设备1与设备2在第1小时的评分为5分和2分。按此方法依次计算其余23个小时的评分,记录
在表2中。
值O与P15之间,右区间指中位值O与P85之间:
值; 表示第r台二次供水设备第j个小时的用能强度比数据的15分位点值; 表示第
r台二次供水设备第j个小时的用能强度比数据的85分位点值。
二次供水设备的编号。云服务平台中的分布宽度值评分模块对所有二次供水设备的左右区
间宽度差值按照从小到大进行排序,从而得到最大值maxDjr与最小值minDjr,再采用平均10
等分方法对对排序后所有二次供水设备的左右区间宽度差值划分成10个评分区域,如图5
所示为左右区间宽度差值评分区间划分示意图,每个区间的宽度 分数越
高,左区间相对于右区间越宽,即用能强度比小于中位值的数据向更小值部分延伸的长度,
相对于用能强度比大于中位值的数据向更大值延伸的长度更宽,表现出系统有更低的用能
相对强度,则Djr位于哪个评分区域,就可得到该设备相应的评分Pjr。
0.0983,每个区间的宽度 按照分布宽度值评分方法可
知,设备1与设备2在第1小时的评分为8分和9分。按此方法依次计算其余23个小时的评分,
记录在表3中。
表现出更好的设备调节特性,但对设备的整体能效提高的贡献相对较小。因此在按公式(8)
将每个小时的能效评分进行叠加,以获得整体的设备能效评价得分时,需要以每小时的绝
对用电量占整体用电量的比例为依据,给出相应的加权系数,以反映出以上所述的差异。为
此给出以下的加权系数kjr的计算公式:
耗电量历史数据中的第v个电量数据,则 表示第r台二次供水设备在第j个小时的
累积电量值, 表示第r台二次供水设备的历史总累积电量值。
的能效明显高于设备2的能效;同时另外3台设备的最终能效评比得分分别为20.2657,
12.1768,15.1189。
象。
步骤,计算机存储介质可以采用一个或多个计算机可读的介质的任意组合。计算机可读介
质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。