探討智慧水務配電能效平台係統運行架構

hth下载地址 陳聰

摘要：隨著自動化技術與(yu) 互聯網通信技術的快速發展，供水行業(ye) 已經發展到智慧水務階段，傳(chuan) 統的智慧水務架構僅(jin) 能展示層次分析數據的內(nei) 容，無法實現數據統計的反饋功能。提出一種新的智慧水務係統架構，通過該架構能夠真正實現數據的智能統計、智能分析，從(cong) 而真正實現對底層設備的智慧控製。

關(guan) 鍵詞：架構；智慧水務；智能分析；智慧控製

0 引言

隨著物聯網和雲(yun) 計算的迅速發展，水處理行業(ye) 從(cong) 最初純粹的上位機控製，發展到網絡處理，繼而發展到今天的智慧處理。智慧水務概念的提出是水務行業(ye) 智能化發展的必然趨勢。通過超級計算機和雲(yun) 計算將其整合，實現社會(hui) 與(yu) 物理世界融合。在此基礎上，人類可以更加精細和動態的方式管理生產(chan) 和生活，達到智慧狀態，提高資源利用率和生產(chan) 力水平，改善人與(yu) 自然間的關(guan) 係。智慧水務來自智慧城市，而智慧城市來自智慧地球。本文將從(cong) 連雲(yun) 港市自來水公司已有的項目建設出發，提出一種實用的智慧水務架構體(ti) 係，為(wei) 本水司智慧水務建設提供一套有效的技術方案［1］。

1 總體(ti) 架構

傳(chuan) 統的智慧水務架構僅(jin) 能打通信息孤島，實現數據的共享與(yu) 分析，但對於(yu) 智能化反饋沒有明確的表述，隻能從(cong) 理論上做一個(ge) 說明，針對這個(ge) 問題本文提出一種新的架構，見圖1。

圖1 智慧水務總體(ti) 架構圖

如圖1所示，這個(ge) 架構分為(wei) 4層，從(cong) 下到上依次為(wei) 設備層、PLC控製層、通信服務層、智慧水務層。

其中，設備層為(wei) 第1層，主要包括各種傳(chuan) 感器、數字儀(yi) 表以及現場各種設備。設備層通過不同廠商提供的通信協議與(yu) 第2層PLC進行通信，PLC層接收現場數據，根據自身程序進行控製設備運行，同時對上提供通信接口。

第3層為(wei) 通信服務層，其主要任務是建立公用的通信服務器，也就是ioseserver服務器，該服務器是核心服務器，因此使用“一用一冗”或者“多用多冗”。通信服務器主要為(wei) 最上層智慧水務層提供數據通信服務。

第4層智慧水務層主要包括：（1）SCADA調度係統，用於(yu) 實時查看各水廠、加壓泵站、二次加壓泵房、大表等設備實時數據，報警信息，給調度人員提供實時數據。係統為(wei) 分布式模式設計，分布式模式是指將SCADA服務端安裝在服務器上，客戶端通過SCADA客戶端軟件實現通信。客戶端實現顯示和控製功能，服務端實現數據處理功能，客戶端出現故障不影響服務端正常運行。另外SCADA服務端配置成雙冗餘(yu) 模式，一個(ge) 服務崩潰自動切換成另冗餘(yu) 服務，保證係統穩定性。（2）WebSCADA服務器，主要是提供Web網站的實時數據顯示，該服務器能大大降低Web端程序開發的難度，提高程序開發效率。同時該服務器還提供WebService接口，用於(yu) Web程序的智慧決(jue) 策和反饋調度。（3）Web服務器，主要提供PC端智慧水務係統各種業(ye) 務和各種數據顯示服務。（4）移動服務器，主要提供移動端數據服務。（5）GIS服務器，用於(yu) 提供GIS地圖相關(guan) 服務，存儲(chu) 相關(guan) 地圖數據。（6）大數據服務器，主要用於(yu) 提供海量數據，以提供給專(zhuan) 家係統進行智能計算和智慧決(jue) 策。

該架構最大的不同是強化了通信服務層，通信服務層可以設置具有API功能的服務，通過該服務可以為(wei) 第三方平台提供有效接口，然後通過Web服務器結合大數據服務器實現智慧化控製，這種方案實現簡單［2］。第2種方案是通過WebSCADA服務器提供WebService服務，該服務可以直接反饋到底層的PLC端控製，從(cong) 而實現智慧化控製，這種方法安全性高，可操作性強。

2通信中心設計

通信中心是智慧水務建設的核心功能層，一個(ge) 穩定、可靠、安全的通信中心是智慧水務建設的關(guan) 鍵。

2.1硬件設備的可靠性

通信設備種類繁多，總體(ti) 上分為(wei) 有線和無線兩(liang) 大類。有線類包括雙絞線網絡和光纖網絡，無線類則通過2G、4G技術進行通信。通信設備的質量會(hui) 在很大程度上決(jue) 定通信質量的好壞，因此在工程施工中應盡量使用穩定可靠的通信設備，通信線路應盡量以光纖為(wei) 主、超五類網線為(wei) 輔的設計思路［3］。

2.2 軟件的可靠性

軟件係統的穩定性直接決(jue) 定數據能否穩定讀取，軟件主要包括：操作係統軟件、數據庫軟件、通信軟件。往往最新的操作係統穩定性無法保證，因此在操作係統的選擇上一般會(hui) 選擇成熟穩定的版本。另外，操作係統還要與(yu) 服務器硬件相互匹配，這樣才能發揮的性能。

通信類軟件的可靠性直接決(jue) 定數據能否準確、及時、穩定地傳(chuan) 輸到通信中心，通信類軟件種類繁多。一般而言，同一廠家提供的通信軟件與(yu) 自己的產(chan) 品兼容性最好，不同廠家通信軟件往往不相互兼容，容易出現數據中斷現象。另外，通信類軟件要支持冗餘(yu) ，對於(yu) 斷網情況要有一定的處理機製，要支持斷點續傳(chuan) ，這能夠保證數據的完整性。

多級通信是架構的基本要求，對於(yu) 水廠要有獨立的通信服務器，調度中心要有調度中心通信服務器，如果網絡出現中斷，要能保證水廠等核心單元正常運轉［4］。

3 數據中心設計

數據中心是智慧水務的另一個(ge) 核心區域。數據中心要根據實際需求進行劃分，總體(ti) 上分為(wei) 兩(liang) 類，一類用於(yu) 存儲(chu) 業(ye) 務的關(guan) 係數據庫，一類用於(yu) 存儲(chu) 生產(chan) 數據的工業(ye) 數據庫。

3.1關(guan) 係數據庫

目前常用的關(guan) 係數據庫為(wei) MySQL、MSSQLServer、0racle。MySQL一般用於(yu) 小型數據處理，是很多PHP網站的數據庫；MSSQLServer是微軟公司開發的數據庫，一般用於(yu) 基於(yu) C#開發的網站，同時該數據庫被廣泛用於(yu) 工業(ye) 控製領域；Oracle是大型數據庫，是JSP網站的數據庫，功能強大，但是很少用於(yu) 工業(ye) 控製領域。

關(guan) 係數據庫的建立基於(yu) 業(ye) 務需求，是業(ye) 務需求的數學邏輯模型。在智慧水務開發設計上，關(guan) 係數據庫一般有兩(liang) 個(ge) 方麵的應用：其一是從(cong) 工業(ye) 數據庫獲取實時數據的映像作為(wei) 邏輯數據庫的最基本數據，其二是從(cong) 業(ye) 務中獲取手工錄入的數據作為(wei) 業(ye) 務處理數據［5］。

從(cong) 工業(ye) 數據庫或者從(cong) SCADA係統獲取的實時數據稱為(wei) 自動數據，手工錄入的數據稱為(wei) 手工數據，自動數據往往要經過專(zhuan) 家係統的計算才能用於(yu) 邏輯處理中，為(wei) 了保證數據的真實性自動獲取的數據一般不允許改動，邏輯處理過的數據可以修改並與(yu) 手工輸入的數據形成複雜的業(ye) 務邏輯。

實時數據庫往往數據量大導致處理困難，為(wei) 了解決(jue) 這類問題，我們(men) 往往采用加大采集時間的方式處理，以1h為(wei) 最短采集時間，並分成多個(ge) 表，每個(ge) 表隻存儲(chu) 50個(ge) 左右的數據點，並且隻針對有邏輯計算意義(yi) 的數據點進行計算存儲(chu) ，情況下要每日生成一張表，保證記錄數不超過百萬(wan) 條。

3.2工業(ye) 數據庫

工業(ye) 數據庫一般用於(yu) 存儲(chu) 大批量數據，其特點是高速數據采集、數據壓縮、海量驅動。工業(ye) 庫可以存儲(chu) 高密集數據，其數據內(nei) 容是智能分析的依據，一般情況下工業(ye) 數據庫可以用於(yu) 趨勢圖分析，實時數據采集以及智能分析，是智慧水務的數據來源。

4 係統設計

智慧水務係統主要包括的功能單元有如下幾點。

（1）生產(chan) 運行管理係統，集成SCADA係統，實現取、供、用、排整個(ge) 水生命周期的實時數據監控和管理，對生產(chan) 、運行情況進行方位總體(ti) 監控，結合視頻，更科學地進行統一調度，實現生產(chan) 全麵監控管理，提高公司對整體(ti) 信息的掌控，提高管理水平。主要包括模塊有水源地監控、自來水廠監控、供水泵站監控、供水管網監控、DMA分區監測、二次供水監控、用戶用水監測。

（2）生產(chan) 調度管理係統，支持監測數據的實時顯示，具備故障報警功能，顯示故障點和故障狀態，並提示故障處理方法，支持動態顯示生產(chan) 的工藝過程、參數、設備工況等。

（3）管網GIS係統，包括管網排查、維護、養(yang) 護、巡檢以及統計分析等。

（4）供水管網模型，實現水壓、水量、流速、流量、水質等全要素的動態模擬顯示，具有10分鍾級別SCADA 在線校驗功能。

（5）DMA分區計量管理，具有漏損評估，漏損預警，產(chan) 銷差分析，水平衡分析。

（6）設備管理係統，包括設備采購、設備檔案、設備運行、設備巡檢、設備保養(yang) 、設備維修、設備改造、設備報廢等全周期設備管理。

（7）水質管理，包括化驗室管理和水質分析管理。

（8）生產(chan) 統計分析，包括實時生產(chan) 的展示，提供日、周、月生產(chan) 曲線，生產(chan) 數據，同比環比等，還包括能耗分析和水量異常提醒。

（9）熱線管理，根據係統提供的數據提供熱線管理功能。熱線係統不但要具備完善的業(ye) 務流程，還要能夠與(yu) 底層設備數據對接，實現完整的派單下發功能。

（10）移動平台，要有可定製化的移動平台實現具體(ti) 業(ye) 務的在線處理，數據的實時顯示，報警數據的提醒，巡檢數據的上報，工單處理的接收和數據上報等功能［6］。

5 AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平台

5.1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。

5.2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。

5.3平台拓撲圖

5.4平台子係統

5.4.1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。

5.4.2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。

5.4.3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) 。

5.4.4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。

5.4.5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。

5.4.6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。

5.4.7 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。

5.4.8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。

5.4.9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) 。

6 相關(guan) 平台部署硬件選型清單

7 結語

通過構建智慧水務可以有效解決(jue) 水務管理者麵臨(lin) 的各種問題，並把生產(chan) 和水循環過程的各個(ge) 領域都變得直觀透明，智慧水務的解決(jue) 方案幫助企業(ye) 更有效地從(cong) 事水務管理。未來幾年將是智慧水務高速發展的時間，各水司應抓住機遇深耕公司生產(chan) 業(ye) 務，建立適合自己的智慧水務係統。

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