探討智慧水務配電能效平臺系統運行架構

摘要：隨著自動化技術與互聯網通信技術的快速發展，供水行業已經發展到智慧水務階段，傳統的智慧水務架構僅能展示層次分析數據的內容，無法實現數據統計的反饋功能。提出一種新的智慧水務系統架構，通過該架構能夠真正實現數據的智能統計、智能分析，從而真正實現對底層設備的智慧控制。

關鍵詞：架構；智慧水務；智能分析；智慧控制

0 引言

隨著物聯網和云計算的迅速發展，水處理行業從最初純粹的上位機控制，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智能化發展的必然趨勢。通過超級計算機和云計算將其整合，實現社會與物理世界融合。在此基礎上，人類可以更加精細和動態的方式管理生產和生活，達到智慧狀態，提高資源利用率和生產力水平，改善人與自然間的關系。智慧水務來自智慧城市，而智慧城市來自智慧地球。本文將從連云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系，為本水司智慧水務建設提供一套有效的技術方案［1］。

1 總體架構

傳統的智慧水務架構僅能打通信息孤島，實現數據的共享與分析，但對于智能化反饋沒有明確的表述，只能從理論上做一個說明，針對這個問題本文提出一種新的架構，見圖1。

圖1 智慧水務總體架構圖

如圖1所示，這個架構分為4層，從下到上依次為設備層、PLC控制層、通信服務層、智慧水務層。

其中，設備層為第1層，主要包括各種傳感器、數字儀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制設備運行，同時對上提供通信接口。

第3層為通信服務層，其主要任務是建立公用的通信服務器，也就是IOServer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調度系統，用于實時查看各水廠、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。系統為分布式模式設計，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制功能，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服務端配置成雙冗余模式，一個服務崩潰自動切換成另冗余服務，保證系統穩定性。（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，用于Web程序的智慧決策和反饋調度。（3）Web服務器，主要提供PC端智慧水務系統各種業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，用于提供GIS地圖相關服務，存儲相關地圖數據。（6）大數據服務器，主要用于提供海量數據，以提供給專家系統進行智能計算和智慧決策。

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，通過該服務可以為第三方平臺提供有效接口，然后通過Web服務器結合大數據服務器實現智慧化控制，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端控制，從而實現智慧化控制，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，一個穩定、可靠、安全的通信中心是智慧水務建設的關鍵。

2.1硬件設備的可靠性

通信設備種類繁多，總體上分為有線和無線兩大類。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。通信設備的質量會在很大程度上決定通信質量的好壞，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主、超五類網線為輔的設計思路［3］。

2.2 軟件的可靠性

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

通信類軟件的可靠性直接決定數據能否準確、及時、穩定地傳輸到通信中心，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自己的產品兼容性最好，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余，對于斷網情況要有一定的處理機制，要支持斷點續傳，這能夠保證數據的完整性。

多級通信是架構的基本要求，對于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核心區域。數據中心要根據實際需求進行劃分，總體上分為兩類，一類用于存儲業務的關系數據庫，一類用于存儲生產數據的工業數據庫。

3.1關系數據庫

目前常用的關系數據庫為MySQL、MSSQLServer、0racle。MySQL一般用于小型數據處理，是很多PHP網站的數據庫；MSSQLServer是微軟公司開發的數據庫，一般用于基于C#開發的網站，同時該數據庫被廣泛用于工業控制領域；Oracle是大型數據庫，是JSP網站的數據庫，功能強大，但是很少用于工業控制領域。

關系數據庫的建立基于業務需求，是業務需求的數學邏輯模型。在智慧水務開發設計上，關系數據庫一般有兩個方面的應用：其一是從工業數據庫獲取實時數據的映像作為邏輯數據庫的最基本數據，其二是從業務中獲取手工錄入的數據作為業務處理數據［5］。

從工業數據庫或者從SCADA系統獲取的實時數據稱為自動數據，手工錄入的數據稱為手工數據，自動數據往往要經過專家系統的計算才能用于邏輯處理中，為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并與手工輸入的數據形成復雜的業務邏輯。

實時數據庫往往數據量大導致處理困難，為了解決這類問題，我們往往采用加大采集時間的方式處理，以1h為最短采集時間，并分成多個表，每個表只存儲50個左右的數據點，并且只針對有邏輯計算意義的數據點進行計算存儲，情況下要每日生成一張表，保證記錄數不超過百萬條。

3.2工業數據庫

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

4 系統設計

智慧水務系統主要包括的功能單元有如下幾點。

（1）生產運行管理系統，集成SCADA系統，實現取、供、用、排整個水生命周期的實時數據監控和管理，對生產、運行情況進行總體監控，結合視頻，更科學地進行統一調度，實現生產全面監控管理，提高公司對整體信息的掌控，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）生產調度管理系統，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，并提示故障處理方法，支持動態顯示生產的工藝過程、參數、設備工況等。

（3）管網GIS系統，包括管網排查、維護、養護、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分鐘級別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，產銷差分析，水平衡分析。

（6）設備管理系統，包括設備采購、設備檔案、設備運行、設備巡檢、設備保養、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）生產統計分析，包括實時生產的展示，提供日、周、月生產曲線，生產數據，同比環比等，還包括能耗分析和水量異常提醒。

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

（10）移動平臺，要有可定制化的移動平臺實現具體業務的在線處理，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臺

5.1平臺概述

安科瑞電氣具備從終端感知、邊緣計算到能效管理平臺的產品生態體系，AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平臺通過在污水廠源、網、荷、儲、充的各個關鍵節點安裝保護、監測、分析、治理裝置，用于監測污水廠能耗總量和能耗強度，監測主要用能設備能效，保護污水廠運行可靠，提高污水廠能效，為污水處理的能效管理提供科學、精細的解決方案。

5.2平臺組成

AcrelEMS智慧水務綜合能效管理系統由變電站綜合自動化系統、電力監控及能效管理系統組成，涵蓋了水務中壓變配電系統、電氣安全、應急電源、能源管理、照明控制、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臺、一個APP實時了解水務配電系統運行狀況，并且根據權限可以適用于水務后勤部門管理需要。

5.3平臺拓撲圖

5.4平臺子系統

5.4.1變電站綜合自動化系統及電力監控

對水務配電系統中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電能質量監測與治理

水務中大量的大功率電機、水泵變頻啟動導致配電系統中存在大量諧波，通過監測其配電系統的諧波畸變、電壓波動、閃變和容忍度指標分析其電能質量，并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、及相關信息，對電機進行健康診斷和預防性維護。同時支持與PLC、軟啟、變頻器等配合，實現電動機自動或遠程控制，監視、控制各個工藝設備,保障正常生產。

5.4.4能耗管理

為水務搭建計量體系，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。

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

能耗數據統計采集水務中污水廠、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，契合能源管理體系要求，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。通過污水處理產量以及系統采集的能耗數據，在污水單耗中生成污水單耗趨勢圖，并進行同比和環比分析，同時將污水的單耗與行業/國家指標對標，以便企業能夠根據產品單耗情況來調整生產工藝，從而降低能耗。

5.4.5智能照明控制

系統為污水廠、自來水廠、水泵站等提供了照明控制管理方案，支持單控、區域控制、自動控制、感應控制、定時控制、場景控制、調光控制等多種控制方式，模塊可根據經緯度自動識別日出日落時間實現自動控制功能，盡量利用自然光照，實現室內、廠區照明的智能控制達到安全、節能的目的。

5.4.6電氣安全

①電氣火災監測：監測配電系統回路的漏電電流和線纜溫度，實現對污水廠、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。系統接入消防應急照明指示系統數據，通過平面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防火門監控系統：防火門監控系統集中控制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、關閉及故障狀態，顯示終端設備開路、短路等故障信號。系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，能指示報警部位并保存報警信息，保障了電氣安全的可靠性。

5.4.7 環境監測

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

5.4.8分布式光伏監測

實時監測低壓并網柜每路的電流、電壓、功率等電氣參數及斷路器開關狀態，逆變器運行監視，對逆變器直流側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，以曲線方式繪制上述監測的各個參量的歷史數據。

平臺結合廠區實際分布情況，通過3D或2.5D平面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、并網點位置，各個屋頂的裝機容量。

5.4.9工藝仿真監控

平臺通過2D、3D方式實時監視粗格柵、污水提升、細格柵、曝氣沉砂、改良生化處理、二沉、加氯接觸消毒、污泥濃縮壓濾、生物除臭等工藝設備運行狀態。在格柵清渣機、污水提升泵、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制柜或低壓饋電柜安裝電動機保護，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PLC、軟啟、變頻器等配合，實現電動機自動或遠程控制，監視、控制各個工藝設備,保障正常生產。

6 相關平臺部署硬件選型清單

7 結語

通過構建智慧水務可以有效解決水務管理者面臨的各種問題，并把生產和水循環過程的各個領域都變得直觀透明，智慧水務的解決方案幫助企業更有效地從事水務管理。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業務，建立適合自己的智慧水務系統。

參考文獻

[1]沈南.智慧水務系統在城市供水中的運用研究[J].科技與創新，2021（7）：158-159.

[2]張瑩.智慧水務GIS管網快速關閥分析系統設計與實現[J]. 智能城市，2021，7（5）：1-3.

[3]宋濤，楊進進.NB-IoT技術以及在智慧水務系統應用的探討[J]. 電子世界，2018（18）：182-183.

[4]陳健，蒲杰，程容濤．關于智慧水務運營管理系統設計及實施的幾點探討[J].給水排水，2018，54（S2）：261-263.

[5]王寶令，張美玲，張青山．智慧水務建設評價指標體系的構建[J].沈陽建筑大學學報（社會科學版），2018，20（2）：154-162.

[6]吳巍.智慧水務系統在城市供水中的應用[J].中小企業管理與科技（下旬刊），2018（3）：152-153.

[7]安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2022.05版