淺析智慧水務配電能效云平臺技術的應用與發(fā)展

任運業(yè)

江蘇安科瑞微電網(wǎng)研究院有限公司 江蘇江陰 214432

【摘要】基于云平臺的智慧水務強調(diào)基于?業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的應用，挖掘大量的實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)，與專業(yè)技術人員所掌握的知識領域相結合，并以數(shù)字孿生等直觀表達方式為企業(yè)各個決策部門提供數(shù)據(jù)分析與應用。文章提出基于“智慧水務云平臺技術"的技術架構體系，并列舉出云平臺在智慧水廠中涉及的關鍵技術，結合說明了“智慧水務云平臺"技術在智慧水務中的運用價值和意義。

【關鍵詞】云平臺；智慧水務

1水務行業(yè)智慧化發(fā)展的需求

1.1水務行業(yè)的智慧化現(xiàn)狀

目前大多數(shù)地區(qū)水處理設施的運行調(diào)控方式較為粗放，控制精度低，時效性弱，運行成本居高不下。開發(fā)可有效實現(xiàn)水處理設施穩(wěn)定、低碳、運行的全流程智能控制策略很有必要，而智能控制技術又要以大量水處理設施和傳感器的實際運行數(shù)據(jù)為依托。這就需要形成針對水務行業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化的需求，以海量數(shù)據(jù)的采集、匯聚、分析、服務為基礎，建設支持資源泛在連接、彈性供給和配置的開放式云平臺，為集團式水務企業(yè)提供的數(shù)據(jù)處理與全流程水務智能控制策略。

1.2智慧水務云平臺技術的價值和意義

以水行業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化為目標，構建以海量數(shù)據(jù)采集、匯聚、分析和服務體系為基礎，支撐水行業(yè)業(yè)務能力提升、資源配置的開放式平臺，構建水務行業(yè)生態(tài)體系的核心。其實質(zhì)是通過構建精確、實時數(shù)據(jù)收集和連接系統(tǒng)，構建?業(yè)大數(shù)據(jù)的存儲、集成、訪問、分析、管理等開發(fā)環(huán)境，實現(xiàn)?業(yè)技術、經(jīng)驗、知識的模型化、標準化、軟件化、復用化，不斷優(yōu)化研發(fā)設計、生產(chǎn)制造、運營管理等資源配置效率，形成資源富集、多方參與、合作共贏、協(xié)同演進的水務行業(yè)新生態(tài)（見圖1）。

圖1 智慧水務云平臺技術的價值體現(xiàn)

通過云計算、大數(shù)據(jù)和人?智能等新?代的互聯(lián)網(wǎng)技術，加上水務集團多年積累的行業(yè)知識和?藝技術，結合智慧化的運營管理理念，推出面向水務行業(yè)的智慧水務運營管理平臺，面向地區(qū)水務集團下屬的水處理設施，建立“數(shù)字化"應用和標準化運營體系，實現(xiàn)運營管理能力的深度提升?；谛畔⒘鞯募?，構建具有“感知、設備互聯(lián)、數(shù)字集成、智能預測"等特征的智能云平臺的運行體系。

2智慧水務云平臺的技術體系

2.1系統(tǒng)總體架構設計

智慧水務運營管理平臺采用了融合邊緣計算和云計算的基礎架構，包括設備層、PaaS層(平臺服務層)和SaaS層(軟件服務層)和模式層（見圖2）。

圖2 智慧水務云平臺技術的價值體現(xiàn)

智慧水務云平臺的數(shù)據(jù)基礎主要是利用各種通訊方式，對各種設備、系統(tǒng)、產(chǎn)品進行訪問，對大量數(shù)據(jù)進行收集，并利用協(xié)議變換技術，對不同來源的數(shù)據(jù)進行標準化和邊緣整合。

?業(yè)PaaS層是以?業(yè)模型、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)處理、?業(yè)數(shù)據(jù)分析、?業(yè)微服務為基礎的開放平臺。其中，?業(yè)PaaS系統(tǒng)具有三大功能：①通過對?業(yè)數(shù)據(jù)的處理，使其與?業(yè)機構的數(shù)據(jù)相結合，從而建立起對行業(yè)數(shù)據(jù)的分析能力，并對其進行價值挖掘；②將?業(yè)技術原理、行業(yè)知識、?藝基礎、模型?具等進行規(guī)范化、軟件化、模型化，并將其包裝成可循環(huán)利用的微型服務部件；③通過搭建軟件開發(fā)環(huán)境，利用微服務部件、?業(yè)模型及應用開發(fā)?具，實現(xiàn)對?業(yè)APP的快速定制。

SaaS層針對水務行業(yè)場景，開發(fā)業(yè)務邏輯功能，通過調(diào)用邊緣層和平臺層的微服務，推動?業(yè)技術、經(jīng)驗、知識和佳實踐的模型化、軟件化和再封裝，從而形成滿足不同場景的?業(yè)APP，包括數(shù)字雙胞胎、?藝運行仿真、專家診斷服務、能耗管理優(yōu)化、運營管理調(diào)優(yōu)與運營咨詢、生產(chǎn)優(yōu)化和智能控制、設備大修與預測性維護、監(jiān)測與數(shù)據(jù)分析等，從而形成智慧水務云管理平臺的終使用價值。

2.2平臺數(shù)采/數(shù)據(jù)存儲架構

2.2.1數(shù)據(jù)采集方案設計

在水廠側(cè)部署智能網(wǎng)關，支持前端設備和傳感器協(xié)議接入，設備接入?yún)f(xié)議可定制開發(fā)。

智能網(wǎng)關通過5G無線通訊或VPN有線通訊方式將數(shù)據(jù)直接傳輸入云。數(shù)據(jù)傳輸過程中通過VPN等手段進行加密。

云平臺端通過標準協(xié)議支持更多廠家智能網(wǎng)關接入，提供接口開發(fā)SDK（見圖3）。

圖3 數(shù)據(jù)采集示意圖

2.2.2數(shù)據(jù)存儲架構設計

針對?業(yè)數(shù)據(jù)異構性、海量規(guī)模的特點，根據(jù)每種數(shù)據(jù)特性選擇合適的存儲方式，采用數(shù)據(jù)湖技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)?存儲方案，滿足了水務行業(yè)場景下異構、海量數(shù)據(jù)高并發(fā)、高吞吐、低延時、高可用的數(shù)據(jù)使用要求（見圖4）。

圖4 數(shù)據(jù)存儲架構設計

3具體應用場景和應用模式

3.1基于物聯(lián)網(wǎng)平臺功能和專業(yè)數(shù)據(jù)模型管理，實現(xiàn)工業(yè)實時大數(shù)據(jù)的采集、監(jiān)控和分析

對水處理設施不同種?藝段圖形化展示，可以實時展示每種?藝段中設備實時狀態(tài)和儀表實時數(shù)據(jù)。提高數(shù)據(jù)反饋時效性，將實時數(shù)據(jù)的變化情況及時展示，當現(xiàn)場出現(xiàn)設備或儀表的告警時，可實時獲取告警信息，第?時間展示給現(xiàn)場操作人員。

關鍵?藝參數(shù)以趨勢曲線方式展示數(shù)據(jù)實時情況，分析實時數(shù)據(jù)當前及過去曲線走勢，可以對同?數(shù)據(jù)指標進行環(huán)比和同比數(shù)據(jù)分析，通過分析數(shù)據(jù)對現(xiàn)場的設備和儀表運行維護提供數(shù)據(jù)分析支持。

3.2基于大數(shù)據(jù)分析技術，實現(xiàn)數(shù)據(jù)判別和清洗

通過圖形化方式展示異常數(shù)據(jù)，通過對異常數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，延長設備和儀表使用壽命，降低設備維護成本。在地圖上看到所有污水廠分布以及在線情況，對異常數(shù)據(jù)進行多維度統(tǒng)計，剖析。

平臺可按照各類清洗規(guī)則對大數(shù)據(jù)進行清洗，為數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)模型開發(fā)等創(chuàng)造條件。

3.3基于平臺，整合數(shù)據(jù)、模型、工具，開發(fā)實現(xiàn)智慧水務的數(shù)字孿生

作為水務集團運行“智慧大腦"的核心模塊，數(shù)字孿生其實質(zhì)是通過智慧水務將實時數(shù)據(jù)、靜態(tài)數(shù)據(jù)與機理模型、BIM模型進行整合開發(fā)，實現(xiàn)物理資產(chǎn)及其運營狀態(tài)的數(shù)字透徹可感知地呈現(xiàn)。

結合業(yè)務和大數(shù)據(jù)分析技術，通過建模和數(shù)據(jù)挖掘，將數(shù)據(jù)分析、水質(zhì)預測、生化分析、控制參數(shù)優(yōu)化、設備狀態(tài)監(jiān)測、能效分析等進行深入剖析和可視化展示，結合各類?況預測、仿真模擬和控制優(yōu)化等功能，為集團水務的運營管理提供的運營輔助決策，并探索基于云端的實時控制，追求實現(xiàn)的、穩(wěn)定運行和人?的化利用。

3.4開發(fā)全套云化管理系統(tǒng)，實現(xiàn)大集團數(shù)字化全業(yè)態(tài)管控模式

基于智慧水務云平臺，部署污水廠運營管理成套系統(tǒng)、供水業(yè)務運營管理成套系統(tǒng)、水環(huán)境運營管理系統(tǒng)、統(tǒng)?數(shù)據(jù)管控系統(tǒng)、自控專業(yè)化管控系統(tǒng)等運營管理全套云化系統(tǒng)，并基于系統(tǒng)的快速應用，探索、實現(xiàn)數(shù)字化“組團式"管理模式。

3.5基于大數(shù)據(jù)、人工智能等技術，結合平臺實現(xiàn)各類業(yè)務解決方案

智慧水務云平臺將大數(shù)據(jù)、人?智能等技術與業(yè)務理論和經(jīng)驗相結合，開發(fā)污水生化全流程智能控制解決方案，保證厭氧、缺氧、好氧等各?藝段的?藝環(huán)境；利用大數(shù)據(jù)技術與業(yè)務數(shù)據(jù)的合理關聯(lián)，對水廠進水流量進行預測，實現(xiàn)智能提升控制；開發(fā)總磷虛擬儀表，實現(xiàn)對生化除磷的預測和智能加藥控制；基于人?智能及其識別基礎，對活性污泥中的指示性生物進行分析判別為?藝人員提供水廠運行依據(jù)，為水廠運行提供預判信息。

3.6搭建遠程協(xié)助平臺，實現(xiàn)遠程指揮設備運維模式

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

結合AR、遠程協(xié)助和機器識別等技術，配合成套輔助?具實現(xiàn)遠程實時指導系統(tǒng)，針對水廠、村污、鄉(xiāng)鎮(zhèn)泵站的遠程維護和日常巡檢，提供遠程視頻指揮，增強現(xiàn)實(AR)指導等創(chuàng)新交互（見圖5）。

圖5 遠程指導設備運維模式

4 AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平臺

4.1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(chǎn)品生態(tài)體系，AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平臺通過在污水廠源、網(wǎng)、荷、儲、充的各個關鍵節(jié)點安裝保護、監(jiān)測、分析、治理裝置，用于監(jiān)測污水廠能耗總量和能耗強度，監(jiān)測主要用能設備能效，保護污水廠運行安全可靠，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。

4.2平臺組成

AcrelEMS智慧水務綜合能效管理系統(tǒng)由變電站綜合自動化系統(tǒng)、電力監(jiān)控及能效管理系統(tǒng)組成，涵蓋了水務中壓變配電系統(tǒng)、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(tǒng)運行狀況，并且根據(jù)權限可以適用于水務后勤部門管理需要。

4.3平臺拓撲圖

4.4平臺子系統(tǒng)

4.4.1 變電站綜合自動化系統(tǒng)及電力監(jiān)控

對水務配電系統(tǒng)中35kV、10kV電壓等級配置繼電保護和弧光保護，實現(xiàn)遙測、遙信、遙控、遙調(diào)等功能，對異常情況及時預警。

監(jiān)測變壓器、水泵、鼓風機的電流、電壓、有功/無功功率、功率因數(shù)、負荷率、溫度、三相平衡、異常報警等數(shù)據(jù)。

4.4.2 電能質(zhì)量監(jiān)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(tǒng)中存在大量諧波，通過監(jiān)測其配電系統(tǒng)的諧波畸變、電壓波動、閃變和容忍度指標分析其電能質(zhì)量，并配置對應的電能質(zhì)量治理措施提高供電電能質(zhì)量。

4.4.3 電動機管理

馬達監(jiān)控實現(xiàn)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(jiān)測和報警。準確地反映出故障狀態(tài)、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(xiàn)電動機自動或遠程控制，監(jiān)視、控制各個工藝設備,保障正常生產(chǎn)。

4.4.4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(qū)域。

將所有有關能源的參數(shù)集中在一個看板中，從多個維度對比分析，實現(xiàn)各個工藝環(huán)節(jié)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(shù)據(jù)統(tǒng)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(huán)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(tǒng)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(huán)比、對標等。通過污水處理產(chǎn)量以及系統(tǒng)采集的能耗數(shù)據(jù)，在污水單耗中生成污水單耗趨勢圖，并進行同比和環(huán)比分析，同時將污水的單耗與行業(yè)/國家/先進指標對標，以便企業(yè)能夠根據(jù)產(chǎn)品單耗情況來調(diào)整生產(chǎn)工藝，從而降低能耗。

4.4.5智能照明控制

系統(tǒng)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(qū)域控制、自動控制、感應控制、定時控制、場景控制、調(diào)光控制等多種控制方式，模塊可根據(jù)經(jīng)緯度自動識別日出日落時間實現(xiàn)自動控制功能，盡量利用自然光照，實現(xiàn)室內(nèi)、廠區(qū)照明的智能控制達到安全、節(jié)能的目的。

4.6電氣安全

4.6.1電氣火災監(jiān)測

監(jiān)測配電系統(tǒng)回路的漏電電流和線纜溫度，實現(xiàn)對污水廠、自來水廠、水泵站的電氣安全預警。

4.6.2消防應急照明和疏散指示

根據(jù)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(tǒng)接入消防應急照明指示系統(tǒng)數(shù)據(jù)，通過平面圖顯示疏散指示燈具工作狀態(tài)和異常情況。

4.6.3消防設備電源監(jiān)測

監(jiān)測消防設備的工作電源是否正常，保障在發(fā)生火災時消防設備可以正常投入使用。

4.6.4 防火門監(jiān)控系統(tǒng)

防火門監(jiān)控系統(tǒng)集中控制其各終端設備即防火門監(jiān)控模塊、電動閉門器、電磁釋放器的工作狀態(tài)，實時監(jiān)測疏散通道防火門的開啟、關閉及故障狀態(tài)，顯示終端設備開路、短路等故障信號。系統(tǒng)采用消防二總線將具有通信功能的監(jiān)控模塊相互連接起來，當終端設備發(fā)生短路、斷路等故障時，防火門監(jiān)控器能發(fā)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。

4.7 環(huán)境監(jiān)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(tǒng)，排除隱患，保持良好的水處理環(huán)境。

4.8分布式光伏監(jiān)測

實時監(jiān)測低壓并網(wǎng)柜每路的電流、電壓、功率等電氣參數(shù)及斷路器開關狀態(tài)，逆變器運行監(jiān)視，對逆變器直流側(cè)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(shù)、當前發(fā)電功率、累計發(fā)電量進行監(jiān)測，以曲線方式繪制上述監(jiān)測的各個參量的歷史數(shù)據(jù)。

平臺結合廠區(qū)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(wǎng)點位置，各個屋頂?shù)难b機容量。

4.9工藝仿真監(jiān)控

平臺通過2D、3D方式實時監(jiān)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(tài)。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(zhuǎn)、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(xiàn)電動機自動或遠程控制，監(jiān)視、控制各個工藝設備,保障正常。

5 相關平臺部署硬件選型清單

1.電力監(jiān)控、電能質(zhì)量、電動機管理及配電室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)

2.電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)

6總結與展望

通過智慧水務云管理平臺的建設，實現(xiàn)運營大數(shù)據(jù)的收集；利用新?代信息化技術打破傳統(tǒng)水務系統(tǒng)的數(shù)據(jù)孤島，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，增強對水務全業(yè)務流程的智能化監(jiān)管能力。大數(shù)據(jù)分析開發(fā)出與項目實際條件和?況相適應的管理模型和機理模型，建立水務設施數(shù)字孿生和專家決策系統(tǒng)，實現(xiàn)運營輔助決策和控制；應用智慧化全業(yè)務管理系統(tǒng)，建立流轉(zhuǎn)的運營管理體系，實現(xiàn)?體化、組團式管理模式；基于人機協(xié)同的可靠性配套方案，打造固若金湯的水務智慧化管理模式。

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[4]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2022.05版

作者簡介

任運業(yè)，男，江蘇安科瑞微電網(wǎng)研究院有限公司，從事電氣相關及智慧水務系統(tǒng)研發(fā)工作。