CN113552834A - 基于用电信息的分散式污水处理站监控系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于数据分析技术领域，公开了一种基于用电信息的分散式污水处理站监控系统与方法，通过获取分散式污水处理站总体的用电信息，若总体用电信息判定存在第一类运行异常情况，直接发出第一类异常报警信号；若总体用电信息判定无异常则分别获取提升泵和曝气机的运行时间信息，并按预设周期计算得出两种主要设备的关键运行数据；根据所述提升泵和曝气机的预设周期内关键运行数据判断是否存在第二类运行异常情况；若存在第二类运行异常情况，则发出第二类异常报警信号；因而本系统所需传感器少，实施成本较低，且对广泛使用的分散式污水处理站的工作状态判断结果真实可靠。

Description

基于用电信息的分散式污水处理站监控系统与方法

技术领域

本发明涉及数据分析技术领域，尤其涉及一种基于用电信息的分散式污水处理站监控系统与方法。

背景技术

随着水环境资源保护意的不断加强，分散式污水处理设备已经得到广泛的应用，特别是广大的农村地区，由于村庄分布广，数量多，因此生活污水污水处理设施的使用量在快速增加。

通常情况下，环保部门通过对污水处理设施安装流量计和在线监测仪对污水处理设施的输出的水进行流量计量和水质测量，以确保污水处理装置排出的水达到规定的标准。这种方法需要大量安装各类监测仪器，一般需要几十万甚至上百万的设备成本，而且年度运维费用数万元以上，一般只适合于处理规模比较大的污水处理厂。

分散式污水处理设施通常都是无人值守的小型污水处理设施。这些污水处理设施数量多、分布广、造价低，运维费用少，显然无法采用在线监测仪实现对污水治理设施的在线监测。因此，如何有效地对这些分散式的污水处理装置进行运行监控，及时发现污水处理装置停运或不正常运行，是一个难题。

为解决该问题，行业内也有一些改进的对污水处理设施运行状态进行监控的方法，例如CN101477337B号专利公开的分散式污水处理设备管理方法，通过设置监控装置来实现了分散式污水处理设备故障状态的实时监控。然而，这种方法具有以下问题：监控装置主要是依赖污水处理器的控制器传递的相关控制状态信息来判断污水处理装置是否正常运行，如果人为干预控制信息可以将污水处理流程的控制状态信息发送给监控装置，但实际上污水处理设备并未工作，则该污水处理设备监控装置功能失效；该方法需要采集的数据类型较多，需要配置各类传感器，单套设备价格成本相对较高、后期维护成本也比较高，安装推广难度较大。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足之处，本申请实施例的目的在于提供一种基于用电信息的分散式污水处理站监控系统与方法，实施成本较低且对采用生物法进行污水处理的分散式污水处理站的工作状态判断结果真实可靠。

第一方面，本申请实施例提供一种基于用电信息的分散式污水处理站监控方法，用于对采用生物法进行污水处理的分散式污水处理站进行监控，包括步骤：

A1.获取分散式污水处理站总体的用电信息;所述用电信息包括用电量、电压、电流、有功功率、功率因数、用电波形中的至少一项；

A2.根据所述总体的用电信息判断所述分散式污水处理站是否存在第一类运行异常情况；所述第一类运行异常情况包括第一预设周期内的累计停机时间、最长停机时间、停机次数中的至少一项达到或超过对应的预设阈值；

A3.若存在第一类运行异常情况，则发出对应的第一类异常报警信号；

A4.若不存在第一类运行异常情况，则根据所述总体的用电信息获取提升泵和曝气机的关键运行数据；所述关键运行数据包括第二预设周期内的累计停机时间、停机次数、最大停机时间中的至少一项；

A5.根据所述提升泵和曝气机的关键运行数据判断所述分散式污水处理站否存在第二类运行异常情况；所述第二类运行异常情况包括所述提升泵或所述曝气机在第二预设周期内的累计停机时间、停机次数、最大停机时间中的至少一项达到或超过对应的预设阈值；

A6.若存在第二类运行异常情况，则发出对应的第二类异常报警信号。

优选地，所述第一类运行异常情况还包括用电信息异常。

优选地，所述总体的用电信息包括总体的有功功率和电流；

步骤A4包括：

A401.根据测量的有功功率判断是否发生投切事件；所述投切事件为设备启动事件或设备停机事件；

A402.若发生投切事件，则根据测量的有功功率判断引起投切事件的设备是否为提升泵或曝气机；

A403.若引起投切事件的设备是提升泵或曝气机则记录发生投切事件的时间点数据并判定所述投切事件的类型；

A404.根据所述投切事件的类型把所述时间点数据标记为启动时间或停机时间；

A405.根据所述时间点数据计算所述关键运行数据。

优选地，步骤A401包括：

以1为步长、2g+1为窗口长度滑窗选取总体的有功功率中的多个数据，并计算所述多个数据的方差值；其中，g为预设的正整数；

根据所述方差值是否超过突变阈值判断是否有功率突变事件发生；

若有功率突变事件发生，则提取功率突变前的稳态功率和功率突变后的稳态功率；

根据功率突变前的稳态功率和功率突变后的稳态功率之间的偏差判断是否发生投切事件。

优选地，所述若有功率突变事件发生，则提取功率突变前的稳态功率和功率突变后的稳态功率的步骤包括：

获取功率突变事件的起始时间点和结束时间点；

以起始时间点前最近的N个总体的有功功率数据的均值为功率突变前的稳态功率，以结束时间点后最近的N个总体的有功功率数据的均值为功率突变后的稳态功率；其中，N为预设的正整数，N≥1。

优选地，步骤A402包括：

S1.获取第一稳态电流和第二稳态电流，所述第一稳态电流为投切事件发生前的稳态的电流，所述第二稳态电流为投切事件发生后的稳态的电流；

S2.分别对所述第一稳态电流和所述第二稳态电流进行快速傅里叶变换以提取对应的前k次谐波系数；

S3.分别用所述第一稳态电流的前k次谐波系数和所述第二稳态电流的前k次谐波系数与谐波系数矩阵数据库中的各工作模式的谐波系数矩阵进行匹配，以确定分散式污水处理站的与第一稳态电流对应的工作模式、与第二稳态电流对应的工作模式；其中，分散式污水处理站的各用电设备的不同开关状态的组合构成不同的工作模式，所述谐波系数矩阵数据库中包含所有工作模式对应的谐波系数矩阵；

S4.对比第二稳态电流对应的工作模式和第一稳态电流对应的工作模式，以判定引起投切事件的设备是否为提升泵或曝气机。

优选地，所述谐波系数矩阵为：

其中，

为谐波系数矩阵，

为第i个用电设备电流的第j次谐波系数,n为用电设备的总数量；

步骤S3包括：

根据以下公式计算目标稳态电流的前k次谐波系数与所述谐波系数矩阵数据库中的各工作模式的谐波系数矩阵的匹配系数：

其中，所述目标稳态电流为第一稳态电流或第二稳态电流，

为所述匹配系数，

为目标稳态电流的第s次谐波系数，

为第i个用电设备的工作状态值，

为0或1,

为0表示第i个用电设备关闭，

为1表示第i个用电设备开启，

表示对应的谐波系数矩阵中的第i列、第s行的谐波系数；

以计算得到的各匹配系数

中的最小值对应的工作模式作为所述目标稳态电流对应的工作模式。

优选地，步骤A403包括：

若引起投切事件的设备为提升泵或曝气机，则根据第二稳态电流对应的工作模式和第一稳态电流对应的工作模式中提升泵或曝气机的开关状态判断所述投切事件为设备启动事件还是设备停机事件。

优选地，步骤A404包括：

若所述投切事件为设备启动事件则把对应的发生投切事件的时间点数据标记为提升泵或曝气机的启动时间；

若所述投切事件为设备停机事件则把对应的发生投切事件的时间点数据标记为提升泵或曝气机的停机时间。

第二方面，本申请实施例提供一种基于用电信息的分散式污水处理站监控系统，用于对采用生物法进行污水处理的分散式污水处理站进行监控，包括用电信息采集装置、数据存储和管理平台、数据分析和处理系统、显示和告警系统；所述用电信息采集装置与所述数据存储和管理平台通信连接，所述数据存储和管理平台、所述显示和告警系统均与所述数据分析和处理系统通信连接；

所述用电信息采集装置用于从分散式污水处理站输电总闸处采集所述分散式污水处理站总体的用电信息，并把所述总体的用电信息上传至所述数据存储和管理平台；

所述数据分析和处理系统用于从所述数据存储和管理平台获取分散式污水处理站总体的用电信息，根据所述总体的用电信息判断所述分散式污水处理站是否存在第一类运行异常情况，若存在第一类运行异常情况，则向所述显示和告警系统发送对应的第一类异常报警信号，若不存在第一类运行异常情况，则根据所述总体的用电信息获取提升泵和曝气机的关键运行数据，根据所述提升泵和曝气机的关键运行数据判断所述分散式污水处理站否存在第二类运行异常情况，若存在第二类运行异常情况，则向所述显示和告警系统发送对应的第二类异常报警信号；所述用电信息包括用电量、电压、电流、有功功率、功率因数、用电波形中的至少一项；所述第一类运行异常情况包括第一预设周期内的累计停机时间、最长停机时间、停机次数中的至少一项达到或超过对应的预设阈值；所述关键运行数据包括第二预设周期内的累计停机时间、停机次数、最大停机时间中的至少一项；所述第二类运行异常情况包括所述提升泵或所述曝气机在第二预设周期内的累计停机时间、停机次数、最大停机时间中的至少一项达到或超过对应的预设阈值；

所述显示和告警系统用于显示所述数据分析和处理系统发送的报警信号。

有益效果：

本申请实施例提供的基于用电信息的分散式污水处理站监控系统与方法，通过获取分散式污水处理站总体的用电信息；根据所述总体的用电信息判断所述分散式污水处理站是否存在第一类运行异常情况；若存在第一类运行异常情况，则发出对应的第一类异常报警信号；若不存在第一类运行异常情况，则根据所述总体的用电信息获取提升泵和曝气机的关键运行数据；根据所述提升泵和曝气机的关键运行数据判断所述分散式污水处理站否存在第二类运行异常情况；若存在第二类运行异常情况，则发出对应的第二类异常报警信号；从而所需传感器少，实施成本较低，且对采用生物法进行污水处理的分散式污水处理站的工作状态判断结果真实可靠。

附图说明

图1为本申请实施例提供的基于用电信息的分散式污水处理站监控方法的流程图。

图2为本申请实施例提供的基于用电信息的分散式污水处理站监控系统的结构示意图。

图3为谐波系数矩阵数据库中的谐波系数矩阵的获取方法流程图。

图4为示例性的判断是否发生投切事件的流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所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。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

下文的公开提供的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术佩戴人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

请参阅图1，本申请实施例提供的一种基于用电信息的分散式污水处理站监控方法，用于对采用生物法进行污水处理的分散式污水处理站进行监控，包括步骤：

A1.获取分散式污水处理站总体的用电信息;所述用电信息包括用电量、电压、电流、有功功率、功率因数、用电波形中的至少一项；

A2.根据所述总体的用电信息判断所述分散式污水处理站是否存在第一类运行异常情况；所述第一类运行异常情况包括第一预设周期内的累计停机时间、最长停机时间（即最长的连续停机时间）、停机次数中的至少一项达到或超过对应的预设阈值；

A3.若存在第一类运行异常情况，则发出对应的第一类异常报警信号；

A4.若不存在第一类运行异常情况，则根据所述总体的用电信息获取提升泵和曝气机的关键运行数据；所述关键运行数据包括第二预设周期内的累计停机时间、停机次数、最大停机时间中的至少一项；

A5.根据所述提升泵和曝气机的关键运行数据判断所述分散式污水处理站否存在第二类运行异常情况；所述第二类运行异常情况包括所述提升泵或所述曝气机在第二预设周期内的累计停机时间、停机次数、最大停机时间（即最大的连续停机时间）中的至少一项达到或超过对应的预设阈值；

A6.若存在第二类运行异常情况，则发出对应的第二类异常报警信号。

在实际应用中，一般的采用生物法进行污水处理的分散式污水处理站的处理设备包括曝气机、提升泵、抽吸泵、回流泵、搅拌机、加药机、螺杆泵、格栅机等，各设备的作用不同，从而运行规律不一致；其中，在污水处理过程中，提升泵根据污水处理流程和污水处理设备的单位时间处理污水的能力分批次分时间段将污水调节池的污水提升到接触氧化池，提升泵的开启、关停的频率和工作时长等具有良好的规律性；在接触氧化池中，按照污水处理流程曝气机（又叫曝气循环泵）需要定期开启工作，不断的为好氧菌提供氧气，保持其活性能够持续分解污水中的有机物大分子，因此曝气机的开启、关停的频率和工作时长也具有良好的规律性。

该基于用电信息的分散式污水处理站监控方法由于采用生物法进行污水处理的分散式污水处理站对进水量和曝气量有比较严格的要求，进水量、曝气量过小，或者进水和曝气周期不符合相应工艺的生物细菌的生存条件，污水处理效果就不可能达到要求；因此，污水处理装置关键设备（曝气机和提升泵）的运行状态，可以基本反映污水处理站的污水处理效果；所以，先通过总体的用电信息直接判断污水处理站总体运行是否有异常（第一类运行异常情况），若没有异常，再通过总体的用电信息获取提升泵和曝气机的开关时间信息，并根据提升泵和曝气机的关键运行数据来进一步判断分散式污水处理站是否存在异常，判断结果可靠，而且只需要采集分散式污水处理站总体的用电信息，无需单独采集各设备的各种参数，所需传感器少，实施成本较低，此外，用电信息难以造假且可高频采集，可提高判断结果的真实性。

其中，可在分散式污水处理站总体的输电总闸处采集总体的用电信息，无需在各设备处设置传感器以测量各设备的运行参数，实施方便。

在一些实施方式中，进行所述第一类运行异常情况判断时，例如，总体的用电信息包括有功功率（或电流，或电压），若有功功率（或电流，或电压）低于预设的有功功率阈值（或电流阈值，或电压阈值）则判定分散式污水处理站总体处于停机状态，进而可根据预设周期内的有功功率（或电流，或电压）信息直接提取分散式污水处理站在第一预设周期内的累计停机时间、最长停机时间、停机次数，若累计停机时间过长超过预设的第一时长阈值则判定存在累计停机时间过长的情况（属于第一类运行异常情况），若最长停机时间超过预设的第二时长阈值则判定存在连续停机时间过长的情况（属于第一类运行异常情况），若停机次数超过预设的第一停机次数阈值则判定存在停机次数过多的情况（属于第一类运行异常情况）。

在另一些实施方式中，所述第一类运行异常情况包括分散式污水处理站存在总体一级异常情况、总体二级异常情况、总体三级异常情况中的至少一种。具体的，根据总体的有功功率（或电流，或电压）判断，若有功功率（或电流，或电压）低于预设的有功功率阈值（或电流阈值，或电压阈值）则判定分散式污水处理站总体处于停机状态；若分散式污水处理站连续H1（H1为预设阈值）小时以上停机，或分散式污水处理站在月度内发生K1次以上持续时间超过H2（H2为预设阈值）小时的停机事件，则判定分散式污水处理站存在总体一级异常情况；若分散式污水处理站月度累计出现H3（H3为预设阈值）小时以上停机事件，则判定分散式污水处理站存在总体二级异常情况；若分散式污水处理站日运行时间累计少于M1（M1为预设阈值）分钟，或分散式污水处理站日运行次数少于K2（K2为预设阈值）次且最大连续停机时间大于S1（S1为预设阈值）小时，或分散式污水处理站月运行时间累计少于M2（M2为预设阈值）分钟，则判定分散式污水处理站存在总体三级异常情况。

实际应用中，所述第一类运行异常情况还包括用电信息异常。例如，用电量环比下降过大、工作过程中的电压平均值过低、工作过程中的电流平均值过低、工作过程中的有功功率平均值过低、功率因数异常、用电波形异常等。

步骤A3中，可根据实际存在的具体的第一类运行异常情况的类型发出相应的第一类异常报警信号。

优选地，所述总体的用电信息包括总体的有功功率和电流；

步骤A4包括：

A401.根据测量的有功功率判断是否发生投切事件；所述投切事件为设备启动事件或设备停机事件；

A402.若发生投切事件，则根据测量的有功功率判断引起投切事件的设备是否为提升泵或曝气机；

A403.若引起投切事件的设备是提升泵或曝气机则记录发生投切事件的时间点数据并判定所述投切事件的类型；

A404.根据所述投切事件的类型把所述时间点数据标记为启动时间或停机时间；

A405.根据所述时间点数据计算所述关键运行数据。

其中，发生投切事件是指有设备启动或有设备停机，因此，发生投切事件时必然会引起总体的用电信息的突变，通过检测总体的用电信息是否发生突变即可判断是否有投切事件发生，其中，本实施例中采用有功功率来判断是否有投切事件发生，但实际上也可采用其它用电信息来进行判断，例如电流、电压等。

其中，步骤401中，可直接根据前后两个有功功率采样值之差来判断是否发生投切事件；例如，若某个有功功率采样值与其前一个有功功率采样值之间的偏差超过预设的阈值，则判定发生投切事件。这种判定方式比较简单，但是准确性较低。为此，在一些优选实施方式中，步骤A401包括：

B1.以1为步长、2g+1为窗口长度滑窗选取总体的有功功率中的多个数据，并计算所述多个数据的方差值；其中，g为预设的正整数；

B2.根据所述方差值是否超过突变阈值判断是否有功率突变事件发生；

B3.若有功率突变事件发生，则提取功率突变前的稳态功率和功率突变后的稳态功率；

B4.根据功率突变前的稳态功率和功率突变后的稳态功率之间的偏差判断是否发生投切事件。

其中，g的值可根据实际需要设置。

其中，步骤B2中，若所述方差值超过突变阈值则判定有功率突变事件发生，若所述方差值不超过突变阈值则判定没有功率突变事件发生。其中，突变阈值可以是预设的固定值，也可以如图4所示，突变阈值为对应窗口内的多个数据的平均值的预设比例值，图中，Svar为窗口内的多个数据的方差值，Smean为对应窗口内的多个数据的平均值，a为预设比例且0<a≤1,从而，aSmean为突变阈值。

优选地，步骤B3包括：

获取功率突变事件的起始时间点和结束时间点；

以起始时间点前最近的N个总体的有功功率数据的均值为功率突变前的稳态功率，以结束时间点后最近的N个总体的有功功率数据的均值为功率突变后的稳态功率；其中，N为预设的正整数，N≥1。

其中，“获取功率突变事件的起始时间点和结束时间点”的步骤包括：在滑窗过程中，若连续多个窗口检测到有功率突变事件发生，则以这些窗口中的第一个窗口的最后一个数据对应的时间点为该次功率突变事件的起始时间点，并以这些窗口中的最后一个窗口的第一个数据对应的时间点为该次功率突变事件的结束时间点。例如，连续的窗口

、

…、

，其中

为总体的有功功率中的第

个数据，利用

到

均能检测到有功率突变事件发生，从而，该次功率突变事件的起始时间点为数据

对应的时间点，结束时间点为数据

对应的时间点；此处只是举例说明，在该例子中，假设只有

到

的11个窗口能检测到有功率突变事件发生，因此脚标中含有“+10”，在实际应用中，一般不会刚好是只有11个窗口能检测到有功率突变事件发生，从而脚标中含有“+10”需要相应地改变。

一般地，在功率突变事件的起始时间点之前一段时间的有功功率是稳态的，在功率突变事件的结束时间点之后的一段时间的有功功率也是稳态的；因此以起始时间点前最近的N个总体的有功功率数据的均值为功率突变前的稳态功率，以结束时间点后最近的N个总体的有功功率数据的均值为功率突变后的稳态功率，得到的两个稳态功率比较准确；其中，N的值可根据实际需要设置，例如N=5。

进一步地，步骤B4包括：

计算功率突变前的稳态功率与功率突变后的稳态功率之差的绝对值；

判断所述绝对值是否大于预设的功率判断阈值θ；

若是，则判定有投切事件发生，否则，判定没有投切事件发生。

其中，功率判断阈值θ可根据实际需要设置，一般地在θ取值时考虑污水治理设备负荷正常工作的功率变化干扰，并留有一定裕度，例如，污水治理设备负荷正常工作的功率变化干扰历史最大值为△P1，则可以取θ=（1+e）*△P1，其中0<e<1。

通过上述方式来判断是否发生投切事件，可有效避免污水治理设备负荷正常工作的功率变化干扰而导致判断错误，判断结果的准确性更高。

优选地，步骤A402中利用基于谐波系数可加性的非侵入式负荷分解算法来判断引起投切事件的设备是否为提升泵或曝气机，具体步骤包括：

S1.获取第一稳态电流和第二稳态电流，所述第一稳态电流为投切事件发生前的稳态的电流，所述第二稳态电流为投切事件发生后的稳态的电流；

S2.分别对所述第一稳态电流和所述第二稳态电流进行快速傅里叶变换以提取对应的前k次谐波系数（k可根据实际需要设置，一般为3~5，但不限于此）；

S3.分别用所述第一稳态电流的前k次谐波系数和所述第二稳态电流的前k次谐波系数与谐波系数矩阵数据库中的各工作模式的谐波系数矩阵进行匹配，以确定分散式污水处理站的与第一稳态电流对应的工作模式、与第二稳态电流对应的工作模式；其中，分散式污水处理站的各用电设备的不同开关状态的组合构成不同的工作模式，所述谐波系数矩阵数据库中包含所有工作模式对应的谐波系数矩阵；

S4.对比第二稳态电流对应的工作模式和第一稳态电流对应的工作模式，以判定引起投切事件的设备是否为提升泵或曝气机。

优选地，所述谐波系数矩阵为：

其中，

为谐波系数矩阵，

为第i个用电设备电流的第j次谐波系数,n为用电设备的总数量；

步骤S3包括：

根据以下公式计算目标稳态电流的前k次谐波系数与所述谐波系数矩阵数据库中的各工作模式的谐波系数矩阵的匹配系数：

其中，所述目标稳态电流为第一稳态电流或第二稳态电流，

为所述匹配系数，

为目标稳态电流的第s次谐波系数，

为第i个用电设备的工作状态值，

为0或1,

为0表示第i个用电设备关闭，

为1表示第i个用电设备开启，

表示对应的谐波系数矩阵中的第i列、第s行的谐波系数；

以计算得到的各匹配系数

中的最小值对应的工作模式作为所述目标稳态电流对应的工作模式。

其中，参考图3，所述谐波系数矩阵数据库中的各工作模式的谐波系数矩阵通过以下方法得到：

C1.采集各工作模式的分散式污水处理站的多个总电流信号并进行预处理（如滤波去噪声处理、去除奇异点处理等），并记录对应工作模式下各用电设备的开关状态，形成用电数据训练集；

C2.初始化谐波系数矩阵，得到初始谐波系数矩阵；其中，首次初始化谐波系数矩阵得到的初始谐波系数矩阵为预设的谐波系数矩阵；

C3.针对目标工作模式导入对应的用电训练数据（用电数据训练集里对应的用电数据，为电流数据），并对该用电训练数据进行快速傅里叶变换（fft变换）以提取前k次谐波系数；其中，每次执行步骤C3会导入新的用电训练数据；

C4.遍历所有工作模式，根据以下公式计算不同工作模式下的匹配值，并以匹配值最小且用电设备开启数量与所述用电训练数据对应的用电设备开启数量相等的工作模式为最匹配工作模式：

其中，D为匹配值，

为用电训练数据的第z次谐波系数，

为第i个用电设备的工作状态值，

为0或1,

为0表示第i个用电设备关闭，

为1表示第i个用电设备开启，

表示初始谐波系数矩阵中的第i列、第z行的谐波系数（即第i个用电设备的电流的第z次谐波系数）；

C5.根据最匹配工作模式更改所述初始谐波系数矩阵，具体方法如下：

依次以所述初始谐波系数矩阵中的各行数据为目标行，以所述初始谐波系数矩阵中与所述最匹配工作模式下启动的用电设备对应的列数据为目标列（例如，若最匹配工作模式下启动的用电设备为第1、3、5、6号用电设备，则初始谐波系数矩阵中的第1、3、5、6列数据为目标列）；

设目标行的行号为x，计算所述用电训练数据的第x次谐波系数与所述初始谐波系数矩阵的第x行数据和之间的差值△hx；

计算所述目标行中的各目标列的谐波系数与所述目标行中的目标列数据总和之间的比例值，并用所述差值△hx分别乘以各所述比例值，得到所述目标行中的各目标列的谐波系数的变化量；

若所述差值△hx大于0，则把所述目标行中的各目标列的谐波系数与对应的变化量相加，完成所述目标行的更改；

若所述差值△hx小于或等于0，如果所述目标行中的各目标列的谐波系数与对应的变化量相加后为负，则对应的谐波系数保持不变，如果所述目标行中的各目标列的谐波系数与对应的变化量相加后不为负，则对应的谐波系数与对应的变化量相加，完成所述目标行的更改（例如，目标列行为第1、3、5、6列，其中，目标行的第3列谐波系数与对应的的变化量相加后为负，第1、5、6列谐波系数与对应的的变化量相加后不为负，则第第3列谐波系数保持不变，第1、5、6列谐波系数与对应的的变化量相加）；

C6.判断更改后的初始谐波系数矩阵是否收敛（例如计算更改后的初始谐波系数矩阵的各元素与更改前的初始谐波系数矩阵对应的元素之间的偏差均在预设的允差范围内，则认为更改后的初始谐波系数矩阵收敛）；若不收敛则转到步骤C3，若收敛则转到步骤C7；

C7.判断初始化谐波系数矩阵的次数是否达到预设的次数阈值iter（例如，iter=100，但不限于此），若达到，则以步骤C6中更改后的初始谐波系数矩阵作为所述目标工作模式的谐波系数矩阵记录在谐波系数矩阵数据库中，若没达到，则转到步骤C2，并在步骤C2中用步骤C6中更改后的初始谐波系数矩阵作为初始化后的初始谐波系数矩阵。

在上述过程中，分别以各工作模式为目标工作模式，并执行步骤C2-C7以得到各工作模式的谐波系数矩阵并记录在谐波系数矩阵数据库中。采用该谐波系数矩阵数据库中的谐波系数矩阵进行投切设备类型的判断，判断结果准确可靠。

优选地，步骤A403包括：

若引起投切事件的设备为提升泵或曝气机，则根据第二稳态电流对应的工作模式和第一稳态电流对应的工作模式中提升泵或曝气机的开关状态判断所述投切事件为设备启动事件还是设备停机事件。

例如，第一稳态电流对应的工作模式中提升泵关闭，而第二稳态电流对应的工作模式中提升泵启动，则说明投切的设备为提升泵，且该投切事件为设备启动事件，反之为设备停机事件。

进一步地，步骤A404包括：

若所述投切事件为设备启动事件则把对应的发生投切事件的时间点数据标记为提升泵或曝气机的启动时间；

若所述投切事件为设备停机事件则把对应的发生投切事件的时间点数据标记为提升泵或曝气机的停机时间。

进一步地，步骤A405中：

同一设备（提升泵或曝气机）的停机时间和后续相邻的一个启动时间之间的时间间隔为一段连续停机时间，把第二预设周期内的各段连续停机时间累加即得到累计停机时间；

提取第二预设周期内各段连续停机时间中的最大值，即得到最大停机时间；

计算第二预设周期内被标记为停机时间的时间点数据的数量，即得到停机次数。

在一些实施方式中，进行所述第二类运行异常情况判断时，其中，同一设备（提升泵或曝气机）的停机时间和后续相邻的一个启动时间之间的时间间隔为一段连续停机时间，把第二预设周期内的各段连续停机时间累加即为累计停机时间，第二预设周期内被标记为停机时间的时间点数据的数量即为停机次数。例如，若所述提升泵或所述曝气机在第二预设周期内的累计停机时间超过预设的第三时长阈值则判定存在累计停机时间过长的情况（属于第二类运行异常情况），若最大停机时间过长超过预设的第四时长阈值则判定存在连续停机时间过长的情况（属于第二类运行异常情况），若停机次数超过预设的第二停机次数阈值则判定存在停机次数过多的情况（属于第二类运行异常情况）。

在另一些实施方式中，所述第二类运行异常情况包括存在曝气机一级异常情况、曝气机二级异常情况、曝气机三级异常情况、提升泵一级异常情况、提升泵二级异常情况、提升泵三级异常情况中的至少一种情况。例如，若曝气机连续H7（H7为预设阈值）小时以上停机，或曝气机在月度内发生K5次以上持续时间超过H9（H9为预设阈值）小时的停机事件，则判定存在曝气机一级异常情况；若曝气机月度累计出现H8（H8为预设阈值）小时以上停机事件，则判定存在曝气机二级异常情况；若曝气机日运行时间累计少于M5（M5为预设阈值）分钟，或曝气机日运行次数少于K6（K6为预设阈值）次且最大连续停机时间大于S3（S3为预设阈值）小时，或曝气机月运行时间累计少于M6（M6为预设阈值）分钟，则判定存在曝气机三级异常情况。若提升泵连续H4（H4为预设阈值）小时以上停机，或曝气机在月度内发生K3次以上持续时间超过H5（H5为预设阈值）小时的停机事件，则判定存在提升泵一级异常情况；若提升泵月度累计出现H6（H6为预设阈值）小时以上停机事件，则判定存在提升泵二级异常情况；若提升泵日运行时间累计少于M3（M3为预设阈值）分钟，或提升泵日运行次数少于K4（K4为预设阈值）次且最大连续停机时间大于S2（S2为预设阈值）小时，或提升泵月运行时间累计少于M4（M4为预设阈值）分钟，则判定存在提升泵三级异常情况。

步骤A6中，可根据实际存在的具体的第二类运行异常情况的类型发出相应的第二类异常报警信号。

由上可知，该基于用电信息的分散式污水处理站监控方法，通过获取分散式污水处理站总体的用电信息；根据所述总体的用电信息判断所述分散式污水处理站是否存在第一类运行异常情况；若存在第一类运行异常情况，则发出对应的第一类异常报警信号；若不存在第一类运行异常情况，则根据所述总体的用电信息获取提升泵和曝气机的关键运行数据；根据所述提升泵和曝气机的关键运行数据判断所述分散式污水处理站否存在第二类运行异常情况；若存在第二类运行异常情况，则发出对应的第二类异常报警信号；从而所需传感器少，实施成本较低，且对采用生物法进行污水处理的分散式污水处理站的工作状态判断结果真实可靠；具体具有以下优点：

1、基于分散式污水处理站的用电信息的采集分析，低成本、高效率解决分散式污水处理设施的实时工作状态监管问题；

2、与现有技术相比，采集的是分散式污水处理站总体的用电信息，不易被欺骗造假，数据高密度、且真实可靠，可以更直接的判断分散式污水处理站当前工作状态是否正常；

3、与现有技术相比，更有利于简化监控系统架构，减少传感器的安装，从而总体成本更低，更有利于推广使用；

4、采用基于谐波系数可加性的非侵入式负荷分解算法来判断引起投切事件的用电设备类型，识别结果准确可靠，保证在只采集污水处理站总闸用电特征的基础上，重点监测提升泵、曝气机等于污水处理的核心设备的工作状态，技术及算法具有较高的先进性。

请参阅图2，本申请实施例提供一种基于用电信息的分散式污水处理站监控系统，用于对采用生物法进行污水处理的分散式污水处理站进行监控，包括用电信息采集装置1、数据存储和管理平台2、数据分析和处理系统3、显示和告警系统4；所述用电信息采集装置1与所述数据存储和管理平台2通信连接，所述数据存储和管理平台2、所述显示和告警系统4均与所述数据分析和处理系统3通信连接；

所述用电信息采集装置1用于从分散式污水处理站输电总闸处采集所述分散式污水处理站总体的用电信息，并把所述总体的用电信息上传至所述数据存储和管理平台2；

所述数据分析和处理系统3用于从所述数据存储和管理平台2获取分散式污水处理站总体的用电信息，根据所述总体的用电信息判断所述分散式污水处理站是否存在第一类运行异常情况，若存在第一类运行异常情况，则向所述显示和告警系统4发送对应的第一类异常报警信号，若不存在第一类运行异常情况，则根据所述总体的用电信息获取提升泵和曝气机的关键运行数据，根据所述提升泵和曝气机的关键运行数据判断所述分散式污水处理站否存在第二类运行异常情况，若存在第二类运行异常情况，则向所述显示和告警系统4发送对应的第二类异常报警信号（具体步骤参考前述的基于用电信息的分散式污水处理站监控方法）；所述用电信息包括用电量、电压、电流、有功功率、功率因数、用电波形中的至少一项；所述第一类运行异常情况包括第一预设周期内的累计停机时间、最长停机时间、停机次数中的至少一项达到或超过对应的预设阈值；所述关键运行数据包括第二预设周期内的累计停机时间、停机次数、最大停机时间中的至少一项；所述第二类运行异常情况包括所述提升泵或所述曝气机在第二预设周期内的累计停机时间、停机次数、最大停机时间中的至少一项达到或超过对应的预设阈值；

所述显示和告警系统4用于显示所述数据分析和处理系统3发送的报警信号。

其中，用电信息采集装置1包括互感器、取电端子、信号采集和变换电路、测量和计量芯片、A/D转换芯片、CPU、存储器、通讯模块等，其中互感器、取电端子与分散式污水处理站输电总闸连接。

其中，数据存储和管理平台2为云端平台，除用于存储用电信息采集装置1采集的用电信息外，还用于存储分散式污水处理站的污水处理设施设备类型信息和工艺方法信息。

其中，数据分析和处理系统3为云端服务器。

其中，显示和告警系统4可以但不限于是电脑、移动终端等；显示和告警系统4还用于从数据分析和处理系统3获取分散式污水处理站的用电信息，并通过柱状图、曲线图等方式显示该用电信息。

由上可知，该基于用电信息的分散式污水处理站监控系统可用于实现如上所述基于用电信息的分散式污水处理站监控方法，通过获取分散式污水处理站总体的用电信息；根据所述总体的用电信息判断所述分散式污水处理站是否存在第一类运行异常情况；若存在第一类运行异常情况，则发出对应的第一类异常报警信号；若不存在第一类运行异常情况，则根据所述总体的用电信息获取提升泵和曝气机的关键运行数据；根据所述提升泵和曝气机的关键运行数据判断所述分散式污水处理站否存在第二类运行异常情况；若存在第二类运行异常情况，则发出对应的第二类异常报警信号；从而所需传感器少，实施成本较低，且对采用生物法进行污水处理的分散式污水处理站的工作状态判断结果真实可靠；具体具有以下优点：

1、基于分散式污水处理站的用电信息的采集分析，低成本、高效率解决分散式污水处理设施的实时工作状态监管问题；

2、与现有技术相比，采集的是分散式污水处理站总体的用电信息，不易被欺骗造假，数据高密度、且真实可靠，可以更直接的判断分散式污水处理站当前工作状态是否正常；

3、与现有技术相比，更有利于简化监控系统架构，减少传感器的安装，从而总体成本更低，更有利于推广使用；

4、采用基于谐波系数可加性的非侵入式负荷分解算法来判断引起投切事件的用电设备类型，识别结果准确可靠，保证在只采集污水处理站总闸用电特征的基础上，重点监测提升泵、曝气机等于污水处理的核心设备的工作状态，技术及算法具有较高的先进性。

综上所述，虽然本发明已以优选实施例揭露如上，但上述优选实施例并非用以限制本发明，本领域的普通技术佩戴人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与润饰，其方案与本发明实质上相同。

Claims (10)

1.一种基于用电信息的分散式污水处理站监控方法，用于对采用生物法进行污水处理的分散式污水处理站进行监控，其特征在于，包括步骤：

A1.获取分散式污水处理站总体的用电信息;所述用电信息包括用电量、电压、电流、有功功率、功率因数、用电波形中的至少一项；

A2.根据所述总体的用电信息判断所述分散式污水处理站是否存在第一类运行异常情况；所述第一类运行异常情况包括第一预设周期内的累计停机时间、最长停机时间、停机次数中的至少一项达到或超过对应的预设阈值；

A3.若存在第一类运行异常情况，则发出对应的第一类异常报警信号；

A4.若不存在第一类运行异常情况，则根据所述总体的用电信息获取提升泵和曝气机的关键运行数据；所述关键运行数据包括第二预设周期内的累计停机时间、停机次数、最大停机时间中的至少一项；

A5.根据所述提升泵和曝气机的关键运行数据判断所述分散式污水处理站否存在第二类运行异常情况；所述第二类运行异常情况包括所述提升泵或所述曝气机在第二预设周期内的累计停机时间、停机次数、最大停机时间中的至少一项达到或超过对应的预设阈值；

A6.若存在第二类运行异常情况，则发出对应的第二类异常报警信号。

2.根据权利要求1所述的基于用电信息的分散式污水处理站监控方法，其特征在于，所述第一类运行异常情况还包括用电信息异常。

3.根据权利要求1所述的基于用电信息的分散式污水处理站监控方法，其特征在于，所述总体的用电信息包括总体的有功功率和电流；

步骤A4包括：

A401.根据测量的有功功率判断是否发生投切事件；所述投切事件为设备启动事件或设备停机事件；

A402.若发生投切事件，则根据测量的有功功率判断引起投切事件的设备是否为提升泵或曝气机；

A403.若引起投切事件的设备是提升泵或曝气机则记录发生投切事件的时间点数据并判定所述投切事件的类型；

A404.根据所述投切事件的类型把所述时间点数据标记为启动时间或停机时间；

A405.根据所述时间点数据计算所述关键运行数据。

4.根据权利要求3所述的基于用电信息的分散式污水处理站监控方法，其特征在于，步骤A401包括：

以1为步长、2g+1为窗口长度滑窗选取总体的有功功率中的多个数据，并计算所述多个数据的方差值；其中，g为预设的正整数；

根据所述方差值是否超过突变阈值判断是否有功率突变事件发生；

若有功率突变事件发生，则提取功率突变前的稳态功率和功率突变后的稳态功率；

根据功率突变前的稳态功率和功率突变后的稳态功率之间的偏差判断是否发生投切事件。

5.根据权利要求4所述的基于用电信息的分散式污水处理站监控方法，其特征在于，所述若有功率突变事件发生，则提取功率突变前的稳态功率和功率突变后的稳态功率的步骤包括：

获取功率突变事件的起始时间点和结束时间点；

以起始时间点前最近的N个总体的有功功率数据的均值为功率突变前的稳态功率，以结束时间点后最近的N个总体的有功功率数据的均值为功率突变后的稳态功率；其中，N为预设的正整数，N≥1。

6.根据权利要求3所述的基于用电信息的分散式污水处理站监控方法，其特征在于，步骤A402包括：

S1.获取第一稳态电流和第二稳态电流，所述第一稳态电流为投切事件发生前的稳态的电流，所述第二稳态电流为投切事件发生后的稳态的电流；

S2.分别对所述第一稳态电流和所述第二稳态电流进行快速傅里叶变换以提取对应的前k次谐波系数；

S3.分别用所述第一稳态电流的前k次谐波系数和所述第二稳态电流的前k次谐波系数与谐波系数矩阵数据库中的各工作模式的谐波系数矩阵进行匹配，以确定分散式污水处理站的与第一稳态电流对应的工作模式、与第二稳态电流对应的工作模式；其中，分散式污水处理站的各用电设备的不同开关状态的组合构成不同的工作模式，所述谐波系数矩阵数据库中包含所有工作模式对应的谐波系数矩阵；

S4.对比第二稳态电流对应的工作模式和第一稳态电流对应的工作模式，以判定引起投切事件的设备是否为提升泵或曝气机。

7.根据权利要求6所述的基于用电信息的分散式污水处理站监控方法，其特征在于，所述谐波系数矩阵为：

其中，

为谐波系数矩阵，

为第i个用电设备电流的第j次谐波系数,n为用电设备的总数量；

步骤S3包括：

根据以下公式计算目标稳态电流的前k次谐波系数与所述谐波系数矩阵数据库中的各工作模式的谐波系数矩阵的匹配系数：

其中，所述目标稳态电流为第一稳态电流或第二稳态电流，

为所述匹配系数，

为目标稳态电流的第s次谐波系数，

为第i个用电设备的工作状态值，

为0或1,

为0表示第i个用电设备关闭，

为1表示第i个用电设备开启，

表示对应的谐波系数矩阵中的第i列、第s行的谐波系数；

以计算得到的各匹配系数

中的最小值对应的工作模式作为所述目标稳态电流对应的工作模式。

8.根据权利要求6所述的基于用电信息的分散式污水处理站监控方法，其特征在于，步骤A403包括：

若引起投切事件的设备为提升泵或曝气机，则根据第二稳态电流对应的工作模式和第一稳态电流对应的工作模式中提升泵或曝气机的开关状态判断所述投切事件为设备启动事件还是设备停机事件。

9.根据权利要求8所述的基于用电信息的分散式污水处理站监控方法，其特征在于，步骤A404包括：

若所述投切事件为设备启动事件则把对应的发生投切事件的时间点数据标记为提升泵或曝气机的启动时间；

若所述投切事件为设备停机事件则把对应的发生投切事件的时间点数据标记为提升泵或曝气机的停机时间。

10.一种基于用电信息的分散式污水处理站监控系统，用于对采用生物法进行污水处理的分散式污水处理站进行监控，其特征在于，包括用电信息采集装置、数据存储和管理平台、数据分析和处理系统、显示和告警系统；所述用电信息采集装置与所述数据存储和管理平台通信连接，所述数据存储和管理平台、所述显示和告警系统均与所述数据分析和处理系统通信连接；

所述用电信息采集装置用于从分散式污水处理站输电总闸处采集所述分散式污水处理站总体的用电信息，并把所述总体的用电信息上传至所述数据存储和管理平台；

所述数据分析和处理系统用于从所述数据存储和管理平台获取分散式污水处理站总体的用电信息，根据所述总体的用电信息判断所述分散式污水处理站是否存在第一类运行异常情况，若存在第一类运行异常情况，则向所述显示和告警系统发送对应的第一类异常报警信号，若不存在第一类运行异常情况，则根据所述总体的用电信息获取提升泵和曝气机的关键运行数据，根据所述提升泵和曝气机的关键运行数据判断所述分散式污水处理站否存在第二类运行异常情况，若存在第二类运行异常情况，则向所述显示和告警系统发送对应的第二类异常报警信号；所述用电信息包括用电量、电压、电流、有功功率、功率因数、用电波形中的至少一项；所述第一类运行异常情况包括第一预设周期内的累计停机时间、最长停机时间、停机次数中的至少一项达到或超过对应的预设阈值；所述关键运行数据包括第二预设周期内的累计停机时间、停机次数、最大停机时间中的至少一项；所述第二类运行异常情况包括所述提升泵或所述曝气机在第二预设周期内的累计停机时间、停机次数、最大停机时间中的至少一项达到或超过对应的预设阈值；

所述显示和告警系统用于显示所述数据分析和处理系统发送的报警信号。

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