淺談互聯網技術的智慧水務智能配電能效平台研究

hth下载地址 陳聰

摘要：為(wei) 了建構完善的智慧水務係統，本文將從(cong) 互聯網思維角度出發展開相關(guan) 研究。研究首先介紹了智慧水務係 統現狀，提出了係統建設現實需求，其次進行了係統設計。通過本文研究，設計得出的智慧水務係統可以滿足係統建設的現實需求，且係統能夠提高水務工作效率與(yu) 質量。

關(guan) 鍵詞：互聯網思維；智慧水務係統；水務管理

0引言

因為(wei) 現代水務管理工作的需求變得愈發複雜，導致工作展開難度加大，純粹的人工模式逐漸不滿足工作開展需要，容易導致工作質量、效率出現瑕疵，所以相關(guan) 組織現已開始著手建設智慧水務係統，並取得了初步成果。但初步成果上的智慧水務係統依然存在問題，其中主要問題就是係統內(nei) 各子係統之間缺乏聯係，使得很多工作依舊需要人工幹預，說明智慧水務係統還需要進一步完善。針對這種現象，相關(guan) 學者認為(wei) 智慧水務係統的進一步完善性建設應當秉持互聯網思維展開，將子係統串聯在一起，建構一個(ge) 能覆蓋水務管理需求的網絡框架才能有力解決(jue) 問題，並能大幅提高工作質量與(yu) 效率。

1 智慧水務係統現狀

目前來看，相關(guan) 組織所建立的智慧水務係統主要是以智能終端為(wei) 核心，在實際工作地點安裝傳(chuan) 感器等設備，或建立工作站來搭建業(ye) 務子係統，然後將每個(ge) 子係統連接到智能終端上，這樣智能終端就能接受來源於(yu) 每個(ge) 業(ye) 務子係統上的信息，並通過智能邏輯對信息進行識別、分析，根據信息了解業(ye) 務板塊情況，結合實際情況提出工作建議。例如水質檢測業(ye) 務子係統會(hui) 向智能終端發送水體(ti) 重金屬元素含量信息，當終端獲取該信息就會(hui) 根據預先設定好的重金屬元素含量標準進行數值對比，如果信息內(nei) 重金屬元素含量數值超過標準值，就說明水體(ti) 存在重金屬汙染超標現象，水質明顯下降，因此會(hui) 發出工作建議，讓人工盡快展開水質淨化工作。可以看出，當前的智慧水務係統確實對實際工作有幫助，但結構上卻太過簡單，是以典型的直聯結構，即每個(ge) 子係統都是單獨於(yu) 智能終端保持聯係的，彼此之間並沒有聯係，這會(hui) 導致每個(ge) 業(ye) 務子係統傳(chuan) 遞而來的信息沒有聯係，也使得智能終端隻能單獨分析某個(ge) 子係統傳(chuan) 遞而來的信息，不能很好的將所有業(ye) 務子係統信息集成進行綜合分析，故分析結果存在瑕疵，諸如水質檢測業(ye) 務子係統隻能傳(chuan) 遞水質相關(guan) 的信息，告訴工作人員水質存在問題，需要展開工作，但工作須針對水質汙染原因展開，而這種係統結構無法直接展示具體(ti) 原因（其他業(ye) 務子係統會(hui) 將具體(ti) 原因傳(chuan) 遞到智能終端，但因為(wei) 信息沒有聯係，所以在結果展示中無法告知人工水質汙染與(yu) 哪些原因有關(guan) ），大部分情況下還需要人工進行排查，說明智慧水務係統有待進一步完善。

2 互聯網思維下智慧水務係統設計方案

2.1 框架建設

為(wei) 了在智慧水務係統進一步建設中滿足所有現實需求，本文提出了一種全新的係統框架，具體(ti) 如圖 1 所示。

圖 1 本文智慧水務係統總體(ti) 框架

結合圖 1 可以看到，本係統共分四個(ge) 層次：首先為(wei) 設備層，也被稱為(wei) “物理層”，主要由各種物理設備建構而成，設備指傳(chuan) 感器、檢測儀(yi) 表等。這些設備的主要功能各不相同，但實際作用統一，均是對現實信息進行采集，然後將信息傳(chuan) 遞到 PLC 總線中進行傳(chuan) 輸，因此這些設備還充當了信息發出端，均具備信號發射功能，即任意設備都能將信息轉換成相關(guan) 的信號，並將信號對外發射，發射出的信號會(hui) 被 PLC 總線接收；然後為(wei) PLC 控製層，該層的核心是 PLC 總線，能夠接收現場載有信息的信號，信號會(hui) 在總線內(nei) 傳(chuan) 遞，並且在單片機控製作用下進入對應的分支通信渠道中，這樣相關(guan) 的信號會(hui) 被集成，然後通過分支通信渠道向通信服務層傳(chuan) 遞。另外，因為(wei) 通信服務層的主要設備是物理服務器，隻能讀取數字格式的信號，而初始化信號的格式為(wei) 電的信號，所以在 PLC 控製層中還會(hui) 將初始化信號的格式轉換為(wei) 數字格式，這一功能主要通過換能器來實現；第三為(wei) 通信服務層，主要功能是作為(wei) 智慧水務係統的公用通信服務器，能夠解譯在 PLC 控製層中初步集成的信號，獲得對應信息組，然後根據編號、標簽對信息組進行分類，分類後進行儲(chu) 存。通信服務層主要建立於(yu) 以太網環境中，本文在網絡搭建中所使用的網絡協議為(wei) CSMA/CD 協議，其具有多點接入的特點，滿足業(ye) 務子係統相互連接的需求，且該網絡能作為(wei) 智慧水務係統的專(zhuan) 用網絡來使用；第四為(wei) 智慧水務層，該層的核心是智能終端係統，而該係統能夠通過功能開發成為(wei) 水務信息分析、水務工作統一化信息指揮的雙用係統。本文在該係統建設中，首先依托於(yu) Web SCADA 服務器來獲得 Web Service 服務，其次通過該服務反饋到 PLC端控製，實現了交互互聯的通信與(yu) 智慧化控製，同時該方法下得出的智能終端係統將具備安全性高、人機交互性好的優(you) 勢。

2.2 數據庫建設

任何係統的運作都須建立在數據支撐的基礎上，因此為(wei) 了獲得數據支撐，本文在框架搭建完畢後展開了數據庫建設工作。結合係統運作需要，數據庫建設工作一共分為(wei) 兩(liang) 個(ge) 步驟：首先是搭建關(guan) 係數據庫，該數據庫在類型上有很多選擇，諸如 MySQL、MSSQLServer、Oracle 等，但這些數據庫在容量及自帶功能上存在一定的差別，即 My SQL 容量比較有限，但功能相對豐(feng) 富，一般用於(yu) 儲(chu) 存量級較小，但類型複雜的數據；MSSQLServer 容量較高，但功能單一，無法對數據進行準確分類，常用於(yu) 儲(chu) 存大型數據；Oracle 容量高、功能強大，但使用流程繁瑣。係統數據庫建設應當優(you) 先滿足實際數據儲(chu) 存與(yu) 應用需求，而後再考慮使用流程是否繁瑣等問題，所以選擇 Oracle 數據庫作為(wei) 關(guan) 係數據庫，其在實際應用中主要負責從(cong) 工業(ye) 數據庫獲取實時數據映像，然後將這些數據提供給智能終端係統，作為(wei) 智能終端係統的智能邏輯支撐，同時也負責獲取業(ye) 務子係統中手動錄入的數據，這一部分數據將作為(wei) 業(ye) 務處理數據來使用；其次是搭建工業(ye) 數據庫，該數據庫須具有龐大的數據儲(chu) 存容量，用於(yu) 支撐高速數據采集、數據壓縮等功能，這些功能可以對數據進行預先處理，使智能終端係統的運作效率增快。需要注意的是，工業(ye) 數據庫的數據儲(chu) 存容量需求比關(guan) 係數據庫儲(chu) 存容量需求更高，原因在於(yu) 工業(ye) 數據是不斷更新的，說明工業(ye) 數據量級在不斷增長，因此工業(ye) 數據庫的儲(chu) 存容量也要不斷增長，這一需求下 Oracle 無法滿足需求，故選擇雲(yun) 數據庫作為(wei) 工業(ye) 數據庫，該數據庫屬於(yu) 虛擬數據庫，可以將數據儲(chu) 存在公開的網絡環境中，因為(wei) 公開網絡環境的資源，所以雲(yun) 數據庫的容量可以無限增長。但雲(yun) 數據庫的應用會(hui) 導致工業(ye) 數據暴露在公開網絡環境中，為(wei) 解決(jue) 這一問題，可以先將一部分雲(yun) 數據庫儲(chu) 存資源封裝，儲(chu) 存在封閉式網絡環境中，該環境中的數據不會(hui) 對外公開，而當內(nei) 部數據儲(chu) 存容量接近頂點時，可以人工增加封閉式網絡環境中的雲(yun) 數據庫資源來實現容量擴張。

2.3 業(ye) 務子係統設計

為(wei) 了增強智慧水務係統的功能性，使其對水務管理工作需求進行全覆蓋，需要在框架基礎上設計業(ye) 務子係統，業(ye) 務子係統主要集成在智慧水務層。需要設計的業(ye) 務子係統有：首先是生產(chan) 運行管理係統，設計主要參考集成 SCADA 係統結構，能夠對水體(ti) 取用、供給、排放、引入等基礎業(ye) 務進行實時數據監控，也促使相關(guan) 組織能夠實行生命周期管理，做到生產(chan) 、運作全方麵管控。該子係統主要由水源地監控、自來水廠監控、供水泵站監控、用戶用水監測等功能單元組成；其次是生產(chan) 調度管理係統，該子係統主要負責展示生產(chan) 運行管理係統的監測數據，數據展示主要由該子係統的數據可視化模塊實現，通過該模塊能夠將實時數據繪製成數據曲線，提高數據展示的直觀性。同時該係統還需要具備故障報警、故障情況展示、故障處理建議輸出等功能單元；第三是管網 GIS 係統，該子係統主要與(yu) 相關(guan) 組織的管網排查、維護、養(yang) 護、巡檢等業(ye) 務對接，能夠幫助工作人員了解管網情況，發現問題能通過GIS 技術獲得信息，確認問題所在位置，方便人工直接前往現場處理，提高相關(guan) 業(ye) 務工作效率。該子係統在 GIS 技術的作用下具有良好的數據準確性與(yu) 數據反饋及時性，因此係統可靠性較高。該子係統主要包含管網信息係統、管網數字采集係統、管網工程管理、管網巡檢管理功能、管網應急處理、供水管網模型等功能單元；第四是 DMA 分區計量管理子係統，該子係統需要具備漏損評估、漏損預警、產(chan) 銷差分析、水平衡分析等功能單元，這些功能單元能使得相關(guan) 組織對自身經濟效益進行把控。以漏損評估、漏損預警兩(liang) 大功能單元為(wei) 例，因為(wei) 漏損問題是水務經濟效益影響的主要因素，漏損越小、越少則水務經濟效益越高，所以首先通過漏損評估，能夠讓相關(guan) 組織了解各個(ge) 管理區域的漏損情況是否超標、是否已經接近標準，這樣相關(guan) 組織就能做好預先防控或對應處理工作，其次通過漏損預警功能能更好的通知人工做出有針對性的工作計劃，即漏損預警功能會(hui) 通過漏損報告來通知人工，報告中會(hui) 顯示水量分析、夜間低流量分析、異常分析，統計漏失率等重要信息，方便人工排查；第五是設備管理係統，該子係統主要負責展示水務管理工作中所有設備的情況信息，包括設備使用年限、設備數量、設備型號、設備維修記錄、設備報廢記錄等，這些信息能夠幫助人工做好設備采購、維修、保養(yang) 、檔案、運行、巡檢等重要工作；第六是水質管理係統，該子係統主要與(yu) 水質化驗業(ye) 務掛鉤，以便相關(guan) 組織保障水質安全，定期進行水質取樣，然後對水質樣本進行化驗分析，而在該子係統幫助下，水質化驗整個(ge) 過程中的數據以及化驗結果能迅速傳(chuan) 輸到智能終端係統中，終端係統將結合標準對數據進一步分析，如果化驗結果中某個(ge) 數據項目超出安全標準，會(hui) 馬上通知人工，並且給出處理建議。該子係統主要由項目分組、檢測數據上報、檢測報告生成三個(ge) 功能單元組成；第七是交互通信係統，該係統比較特殊並不與(yu) 任何水務管理業(ye) 務對接，主要功能是支撐以上六大子係統的交互連接，實現各大子係統交互通信，將信息集成後發送到 PLC 總線內(nei) ，這樣就能彌補以往智慧水務係統的不足。交互通信係統一般建議采用點對點的網絡協議來完成，這也是本文選擇 CSMA/CD 協議的主要原因。

3 AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平台

3.1平台概述

hth下载地址電氣具備從(cong) 終端感知、邊緣計算到能效管理平台的產(chan) 品生態體(ti) 係，AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平台通過在汙水廠源、網、荷、儲(chu) 、充的各個(ge) 關(guan) 鍵節點安裝保護、監測、分析、治理裝置，用於(yu) 監測汙水廠能耗總量和能耗強度，監測主要用能設備能效，保護汙水廠運行可靠，提高汙水廠能效，為(wei) 汙水處理的能效管理提供科學、精細的解決(jue) 方案。

3.2平台組成

AcrelEMS智慧水務綜合能效管理係統由變電站綜合自動化係統、電力監控及能效管理係統組成，涵蓋了水務中壓變配電係統、電氣安全、應急電源、能源管理、照明控製、設備運維等，貫穿水務能源流的始終，幫助運維管理人員通過一套平台、一個(ge) APP實時了解水務配電係統運行狀況，並且根據權限可以適用於(yu) 水務後勤部門管理需要。

3.3平台拓撲圖

3.4平台子係統

3.4.1變電站綜合自動化係統及電力監控

對水務配電係統中35kV、10kV電壓等級配置繼電保護和弧光保護，實現遙測、遙信、遙控、遙調等功能，對異常情況及時預警。

監測變壓器、水泵、鼓風機的電流、電壓、有功/無功功率、功率因數、負荷率、溫度、三相平衡、異常報警等數據。

3.4.2電能質量監測與(yu) 治理

水務中大量的大功率電機、水泵變頻啟動導致配電係統中存在大量諧波，通過監測其配電係統的諧波畸變、電壓波動、閃變和容忍度指標分析其電能質量，並配置對應的電能質量治理措施提高供電電能質量。

3.4.3電動機管理

馬達監控實現水務中電機的保護、遙測、遙信、遙控功能，電動機保護器能對過載、短路、缺相、漏電等異常情況進行保護、監測和報警。準確地反映出故障狀態、故障時間、故障地點、及相關(guan) 信息，對電機進行健康診斷和預防性維護。同時支持與(yu) PLC、軟啟、變頻器等配合，實現電動機自動或遠程控製，監視、控製各個(ge) 工藝設備,保障正常生產(chan) 。

3.4.4能耗管理

為(wei) 水務搭建計量體(ti) 係，顯示水務的能源流向和能源損耗，通過能源流向圖幫助水務分析能源消耗去向，找出能源消耗異常區域。

將所有有關(guan) 能源的參數集中在一個(ge) 看板中，從(cong) 多個(ge) 維度對比分析，實現各個(ge) 工藝環節的能耗對比，幫助領導掌控整個(ge) 工廠的能源消耗，能源成本，標煤排放等的情況。

能耗數據統計采集水務中汙水廠、自來水廠、水泵站等的用電、用水、燃氣、冷熱量消耗量，同環比對比分析，能耗總量和能耗強度計算，標煤計算和CO2排放統計趨勢。

能效分析按三級計量架構，分別進行能效分析，契合能源管理體(ti) 係要求，可對各車間/職能部門的能效水平進行分析，同比、環比、對標等。通過汙水處理產(chan) 量以及係統采集的能耗數據，在汙水單耗中生成汙水單耗趨勢圖，並進行同比和環比分析，同時將汙水的單耗與(yu) 行業(ye) /國家指標對標，以便企業(ye) 能夠根據產(chan) 品單耗情況來調整生產(chan) 工藝，從(cong) 而降低能耗。

3.4.5智能照明控製

係統為(wei) 汙水廠、自來水廠、水泵站等提供了照明控製管理方案，支持單控、區域控製、自動控製、感應控製、定時控製、場景控製、調光控製等多種控製方式，模塊可根據經緯度自動識別日出日落時間實現自動控製功能，盡量利用自然光照，實現室內(nei) 、廠區照明的智能控製達到安全、節能的目的。

3.4.6電氣安全

①電氣火災監測：監測配電係統回路的漏電電流和線纜溫度，實現對汙水廠、自來水廠、水泵站的電氣安全預警。

②消防應急照明和疏散指示：根據預先設置的應急預案快速啟動疏散方案引導人員疏散。係統接入消防應急照明指示係統數據，通過平麵圖顯示疏散指示燈具工作狀態和異常情況。

③消防設備電源監測：監測消防設備的工作電源是否正常，保障在發生火災時消防設備可以正常投入使用。

④防火門監控係統：防火門監控係統集中控製其各終端設備即防火門監控模塊、電動閉門器、電磁釋放器的工作狀態，實時監測疏散通道防火門的開啟、關(guan) 閉及故障狀態，顯示終端設備開路、短路等故障信號。係統采用消防二總線將具有通信功能的監控模塊相互連接起來，當終端設備發生短路、斷路等故障時，防火門監控器能發出報警信號，能指示報警部位並保存報警信息，保障了電氣安全的可靠性。

3.4.7 環境監測

汙水廠、自來水廠、水泵站等場所溫濕度、煙霧、積水浸水、視頻、UPS電池間可燃氣體(ti) 濃度展示和預警，保障汙水廠、自來水廠、水泵站等安全運行。當可燃氣體(ti) 或有害氣體(ti) 濃度超標可自動啟動排風風機或新風係統，排除隱患，保持良好的水處理環境。

3.4.8分布式光伏監測

實時監測低壓並網櫃每路的電流、電壓、功率等電氣參數及斷路器開關(guan) 狀態，逆變器運行監視，對逆變器直流側(ce) 每一光伏組串的輸入直流電壓、直流電流、直流功率，逆變器交流電壓、交流電流、頻率、功率因數、當前發電功率、累計發電量進行監測，以曲線方式繪製上述監測的各個(ge) 參量的曆史數據。

平台結合廠區實際分布情況，通過3D或2.5D平麵圖顯示分布式光伏組件在屋頂、車棚的分布情況，顯示匯流箱、並網點位置，各個(ge) 屋頂的裝機容量。

3.4.9工藝仿真監控

平台通過2D、3D方式實時監視粗格柵、汙水提升、細格柵、曝氣沉砂、改良生化處理、二沉、加氯接觸消毒、汙泥濃縮壓濾、生物除臭等工藝設備運行狀態。在格柵清渣機、汙水提升泵、回流泵、曝氣風機、加藥泵、濃縮壓濾機、吸沙泵、吸泥泵等低壓電動機控製櫃或低壓饋電櫃安裝電動機保護，進行短路、過流、過載、起動超時、斷相、不平衡、低功率、接地/漏電、te保護、堵轉、逆序、溫度等保護以及外部故障連鎖停機，與(yu) PLC、軟啟、變頻器等配合，實現電動機自動或遠程控製，監視、控製各個(ge) 工藝設備,保障正常生產(chan) 。

4 相關(guan) 平台部署硬件選型清單

5 結論

綜上，傳(chuan) 統水務管理工作模式逐漸不滿足現代工作需求，因此相關(guan) 組織要努力建設智慧水務係統，而在係統建設完成後，相關(guan) 組織應當對係統實際應用情況進行分析，針對其中缺點不斷展開完善性建設工作，確保智慧水務係統滿足實際工作需要，這樣才能提高水務管理工作質量、效率。

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