淺談智慧水務配電能效雲平台的應用與發展

hth下载地址 陳聰

摘要：基於(yu) 雲(yun) 平台的智慧水務強調基於(yu) 工業(ye) 互聯網平台的應用，挖掘大量高效的實時生產(chan) 數據，與(yu) 專(zhuan) 業(ye) 技術人品所掌握的知識領域相結合，並以數字孿生等直觀表達方式為(wei) 企業(ye) 各個(ge) 決(jue) 策部門提供數據分析與(yu) 應用。文章提出基於(yu) “智慧水務雲(yun) 平台技術"的技術架構體(ti) 係，並列舉(ju) 出雲(yun) 平台在智慧水廠中涉及的關(guan) 鍵技術，結合說明了"智慧水務雲(yun) 平台"技術在智慧水務中的運用價(jia) 值和意義(yi) 。

　　關(guan) 鍵詞：雲(yun) 平台；智慧水務

1水務行業(ye) 智慧化發展的需求

1.1水務行業(ye) 的智慧化現狀

　　目前大多數地區水處理設施的運行調控方式較為(wei) 粗放，控製精度低，時效性弱，運行成本居高不下。開發可有效實現水處理設施穩定、低碳、高效運行的全流程智能控製策略很有必要，而智能控製技術又要以大量水處理設施和傳(chuan) 感器的實際運行數據為(wei) 依托。這就需要形成針對水務行業(ye) 數字化、網絡化、智能化的需求，以海量數據的采集、匯聚、分析、服務為(wei) 基礎，建設支持資源泛在連接、彈性供給和高效配置的開放式雲(yun) 平台，為(wei) 集團式水務企業(ye) 提供高效的數據處理與(yu) 全流程水務智能控製策略。

1.2智慧水務雲(yun) 平台技術的價(jia) 值和意義(yi)

　　以水行業(ye) 數字化、網絡化、智能化為(wei) 目標，構建以海量數據采集、匯聚、分析和服務體(ti) 係為(wei) 基礎，支撐水行業(ye) 業(ye) 務能力提升、資源配置的開放式平台，構建水務行業(ye) 生態體(ti) 係的核心。其實質是通過構建實時、高效的數據收集和連接係統，構建工業(ye) 大數據的存儲(chu) 、集成、訪問、分析、管理等開發環境，實現⼯業(ye) 技術、經驗、知識的模型化、標準化、軟件化、複用化，不斷優(you) 化研發設計、生產(chan) 製造、運營管理等資源配置效率，形成資源富集、多方參與(yu) 、合作共贏、協同演進的水務行業(ye) 新生態。

通過雲(yun) 計算、大數據和人工智能等新一代的互聯網技術，加上水務集團多年積累的行業(ye) 知識和工藝技術，結合智慧化的運營管理理念，推出麵向水務行業(ye) 的智慧水務運營管理平台，麵向地區水務集團下屬的水處理設施，建立“數字化”應用和標準化運營體(ti) 係，實現運營管理能力的深度提升。基於(yu) 信息流的集成，構建具有"設備互聯、數字集成、智能預測"等特征的智能雲(yun) 平台的運行體(ti) 係。

2智慧水務雲(yun) 平台的技術體(ti) 係

2.1 係統總體(ti) 架構設計

　　智慧水務運營管理平台采用了融合邊緣計算和雲(yun) 計算的基礎架構，包括設備層、PaaS層（平台服務層）和SaaS層（軟件服務層）和模式層。

　　智慧水務雲(yun) 平台的數據基礎主要是利用各種通訊方式，對各種設備、係統、產(chan) 品進行訪問，對大量數據進行收集，並利用協議變換技術，對不同來源的數據進行標準化和邊緣整合。

　　工業(ye) PaaS層是以工業(ye) 模型、數據管理、數據處理、工業(ye) 數據分析、工業(ye) 微服務為(wei) 基礎的開放平台。其中，工業(ye) PaaS係統具有三大功能：①通過對工業(ye) 數據的處理，使其與(yu) 工業(ye) 機構的數據相結合，從(cong) 而建立起對行業(ye) 數據的分析能力，並對其進行價(jia) 值挖掘；②將工業(ye) 技術原理、行業(ye) 知識、工藝基礎、模型工具等進行規範化、軟件化、模型化，並將其包裝成可循環利用的微型服務部件：③通過搭建軟件開發環境. 利用微服務部件、工業(ye) 模型及應用開發工具，實現對工業(ye) APP的快速定製。

　　SaaS層針對水務行業(ye) 場景，開發業(ye) 務邏輯功能，通過調用邊緣層和平台層的微服務，推動工業(ye) 技術、經驗、知識和實踐的模型化、軟件化和再封裝，從(cong) 而形成滿足不同場景的工業(ye) APP，包括數字雙胞胎、工藝運行仿真、專(zhuan) 家診斷服務、能耗管理優(you) 化、運營管理調優(you) 與(yu) 運營谘詢、生產(chan) 優(you) 化和智能控製、設備大修與(yu) 預測性維護、監測與(yu) 數據分析等，從(cong) 而形成智慧水務雲(yun) 管理平台的最終使用價(jia) 值。

2.2平台數采/數據存儲(chu) 架構

2.2.1數據采集方案設計

　　在水廠側(ce) 部署智能網關(guan) ，支持前端設備和傳(chuan) 感器協議接入，設備接入協議可定製開發。

　　智能網關(guan) 通過5G無線通訊或VPN有線通訊方式將數據直接傳(chuan) 輸入雲(yun) 。數據傳(chuan) 輸過程中通過VPN 等手段進行安全加密。

　　雲(yun) 平台端通過標準協議支持更多廠家智能網關(guan) 接入，提供接口開發SDK。

2.2.2 數據存儲(chu) 架構設計

　　針對工業(ye) 數據異構性、海量規模的特點，根據每種數據特性選擇合適的存儲(chu) 方式，采用數據湖技術實現數據統一存儲(chu) 方案，滿足了水務行業(ye) 場景下異構、海量數據高並發、高吞吐、低延時、高可用的數據使用要求。

3 具體(ti) 應用場景和應用模式

3.1 基於(yu) 物聯網平台功能和專(zhuan) 業(ye) 數據模型管理，實現工業(ye) 實時大數據的采集、監控和分析

　　對水處理設施不同種工藝段圖形化展示，可以實時展示每種工藝段中設備實時狀態和儀(yi) 表實時數據。提高數據反饋時效性，將實時數據的變化情況及時展示，當現場出現設備或儀(yi) 表的告警時，可實時獲取告警信息，展示給現場操作人員。

關(guan) 鍵工藝參數以趨勢曲線方式展示數據實時情況，分析實時數據當前及過去曲線走勢，可以對同一數據指標進行環比和同比數據分析，通過分析數據對現場的設備和儀(yi) 表運行維護提供數據分析支持。

3.2基於(yu) 大數據分析技術，實現數據判別和清洗

　　通過圖形化方式展示異常數據，通過對異常數據的統計分析，延長設備和儀(yi) 表使用壽命，降低設備維護成本。在地圖上看到所有汙水廠分布以及在線情況，對異常數據進行多維度統計剖析。

平台可按照各類清洗規則對大數據進行清洗，為(wei) 數據分析、數據挖掘、數據模型開發等創造條件四。

3.3基於(yu) 平台，整合數據、模型、工具，開發實現智慧水務的數字孿生

　　作為(wei) 水務集團運行"智慧大腦"的核心模塊，數字孿生其實質是通過智慧水務將實時數據、靜態數據與(yu) 機理模型、BIM模型進行整合開發，實現物理資產(chan) 及其運營狀態的數字透徹可感知地呈現。

　　結合業(ye) 務和大數據分析技術，通過建模和數據挖掘、將數據分析、水質預測、生化分析、控製參數優(you) 化、設備狀態監測、能效分析等進行深入剖析和可視化展示，結合各類工況預測、仿真模擬和控製優(you) 化等功能，為(wei) 集團水務的運營管理提供運營輔助決(jue) 策，並探索基於(yu) 雲(yun) 端的實時控製，追求實現高效、穩定運行和人工的優(you) 化利用。

3.4 開發全套雲(yun) 化管理係統，實現大集團高效數字化全業(ye) 態管控模式

　　基於(yu) 智慧水務雲(yun) 平台，部署汙水廠運營管理成套係統、供水業(ye) 務運營管理成套係統、水環境運營管理係統、統一數據管控係統、自控專(zhuan) 業(ye) 化管控係統等運營管理全套雲(yun) 化係統，並基於(yu) 係統的快速應用，探索、實現數字化"組團式"管理模式。

3.5 基於(yu) 大數據、人工智能等技術，結合平台實現各類業(ye) 務解決(jue) 方案

　　智慧水務雲(yun) 平台將大數據、人工智能等技術與(yu) 業(ye) 務理論和經驗相結合，開發汙水生化全流程智能控製解決(jue) 方案，保證厭氧、缺氧、好氧等各工藝段的工藝環境；利用大數據技術與(yu) 業(ye) 務數據的合理關(guan) 聯，對水廠進水流量進行預測，實現智能提升控製；開發總磷虛擬儀(yi) 表，實現對生化除磷的預測和智能加藥控製；基於(yu) 人工智能及其識別基礎，對活性汙泥中的指示性生物進行分析判別為(wei) 工藝人員提供水廠運行依據，為(wei) 水廠運行提供預判信息。3.6搭建遠程協助平台，實現遠程指揮設備運維模式

部分水務設施的運維工作人員缺乏專(zhuan) 業(ye) 技術能力，難以獨立開展設備的日常運維，如對專(zhuan) 業(ye) 設備維修等，需要專(zhuan) 業(ye) 人員遠程指導和實時監督。

4 AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平台

4.1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。

4.2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。

4.3平台拓撲圖

4.4平台子係統

4.4.1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。

4.4.2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。

4.4.3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) 。

4.4.4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。

4.4.5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。

4.4.6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。

4.4.7 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。

4.4.8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。

4.4.9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) 。

5 相關(guan) 平台部署硬件選型清單

6 總結與(yu) 展望

　　通過智慧水務雲(yun) 管理平台的建設，實現運營大數據的收集；利用新一代信息化技術打破傳(chuan) 統水務係統的數據孤島，實現數據共享，增強對水務全業(ye) 務流程的智能化監管能力。大數據分析開發出與(yu) 項目實際條件和工況相適應的管理模型和機理模型，建立水務設施數字孿生和專(zhuan) 家決(jue) 策係統，實現運營輔助決(jue) 策和控製；應用智慧化全業(ye) 務管理係統，建立高效流轉的運營管理體(ti) 係，實現一體(ti) 化、組團式管理模式；基於(yu) 人機協同的可靠性配套方案，打造固若金湯的水務智慧化安全管理模式。

參考文獻

[1]王豔華，董舒，劉娟，楊勇，熊毅，陳邦.現代化汙水處理項目智慧水務管理雲(yun) 平台[J].項目管理技術，2021，19 (5): 154-158.

[2]羅賢偉(wei) ，龐子山，譚鬆柏，張曄明，蔣懷德.基於(yu) 雲(yun) 計算的水務大數據平台係統設計與(yu) 實踐[J].給水排水，2022, 58(1):144-150.

[3]hth下载地址企業(ye) 微電網設計與(yu) 應用手冊(ce) .2022.05版