淺談廣州市番禺區(qū)智慧水務配電能效平臺遠程監(jiān)控系統(tǒng)與產品選型

任運業(yè)

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘 要：依據(jù)廣州市番禺區(qū)排水工程現(xiàn)狀，探討了區(qū)內遠程監(jiān)控系統(tǒng)與智慧管控系統(tǒng)的建設。通過設置管網監(jiān)控報警模塊、調度策略制定模塊、應急預案管理模塊，建成廠網河一體化的智慧管控系統(tǒng),可實現(xiàn)番禺區(qū)內閘站、泵站、凈水廠和管網運行狀況的遠程動態(tài)實時監(jiān)控與智慧管理。經科學合理的調度分配，充分發(fā)揮現(xiàn)有排水設施體系作用，實現(xiàn)最大限度地減少污水溢流量和污染物排放量,提高泵站,凈水廠等設施的運行效率。

關鍵詞：智慧水務;遠程監(jiān)控;動態(tài)實時監(jiān)控;智慧管理

番禺區(qū)位于廣州市中南部,地處粵港澳大灣區(qū)地理中心位置，東臨獅子洋與東莞市相望,南濱南沙珠江出?？?，西鄰佛山市順德區(qū)和中山市，北接海珠區(qū)。2000年以來番禺區(qū)的快速發(fā)展逐步融入廣州主城區(qū)；同時，軌道交通、高快速路等重要通道的建設,促使番禺區(qū)城鎮(zhèn)之間的功能聯(lián)系不斷增強，聯(lián)系的模式由“中心城區(qū)一邊緣"模式向內部城鎮(zhèn)之間通過功能和空間聯(lián)系轉變，城市聯(lián)系呈現(xiàn)日益網絡化。番禺區(qū)的排水系統(tǒng)經過多年的建設與發(fā)展，截止到2019年底,番禺區(qū)（不包括小谷圍）累計建成污水管網長度1496.1km,其中：市政污水管網長度749.7km,農村生活污水治理工程管網（含分散式）746.1km。全區(qū)合流管長度715.80km。全區(qū)污水管網（含合流）總里程為2211.90km,現(xiàn)狀雨水管道總長約為915.5km,其中分流制管道長度為199.7km。

番禺區(qū)現(xiàn)狀共有9個污水系統(tǒng)，分別為前鋒污水系統(tǒng)、鐘村污水系統(tǒng)、中部污水系統(tǒng)、大石污水系統(tǒng)、洛溪污水系統(tǒng)、南村污水系統(tǒng)、化龍污水系統(tǒng)、海鷗島污水系統(tǒng)、小谷圍污水系統(tǒng)。目前番禺區(qū)現(xiàn)狀主要有9座凈水廠，結合在建大石凈水廠三期（5萬m³/d）、南村凈水廠三期（5萬m³/d）、洛溪島凈水廠二期（2.5萬m³/d），污水處理規(guī)模達3.7萬m3/d。

1 建設目標

番禺區(qū)“智慧水務"建設項目的數(shù)據(jù)資源建設任務一方面是在番禺區(qū)水務一體化平臺的數(shù)據(jù)資源基礎上繼續(xù)進行排水數(shù)據(jù)資源擴充,實現(xiàn)對各排水領域、各類型對象的業(yè)務采集、整理、存儲和管理，包括感知數(shù)據(jù)、業(yè)務數(shù)據(jù)等，為排水工作開展奠定數(shù)據(jù)基礎;另一方面,為了進一步融合到番禺區(qū)電子政務總框架,實現(xiàn)政務信息共享和排水業(yè)務協(xié)同，在數(shù)據(jù)資源層上引入番禺區(qū)相關政務部門信息資源和共享資源,包括城管、國規(guī)委等信息資源、地理信息圖層、“四標四實"數(shù)據(jù)等共享資源。同時，在“智慧水務"建設項目中產生的數(shù)據(jù)也會通過共享平臺向其他部門進行輸出。

2 遠程監(jiān)控系統(tǒng)建設

遠程監(jiān)控子系統(tǒng)實現(xiàn)流域內閘站、泵站、凈水廠和管網運行狀況的遠程動態(tài)實時監(jiān)控，為聯(lián)合調度提供在線數(shù)據(jù)支持。

2.1泵站遠程監(jiān)控

泵站遠程監(jiān)控模塊實現(xiàn)對泵站現(xiàn)場運行信息的遠程統(tǒng)一采集、傳輸、顯示與統(tǒng)計，為排水泵站運行管理提供基礎平臺。通過在線監(jiān)控界面實時展現(xiàn)泵站運行狀態(tài)；通過報警信息及時反映設備運行異常；通過運行曲線及匯總統(tǒng)計運行數(shù)據(jù),為泵站運行調度提供數(shù)據(jù)支持。系統(tǒng)具有過程監(jiān)視、遠程控制、狀態(tài)預警、曲線查詢、運行統(tǒng)計等功能。系統(tǒng)界面示例如圖1所示。

圖1泵站遠程監(jiān)控界面示意

2.2凈水廠遠程監(jiān)控

凈水廠遠程監(jiān)控系統(tǒng)（如圖2）實現(xiàn)對流域內各凈水廠工藝運行過程的實時監(jiān)視,對各凈水廠運行數(shù)據(jù)的實時展示。將現(xiàn)場采集的信息無縫集成到監(jiān)控系統(tǒng)動態(tài)模擬畫面中,通過監(jiān)控畫面實時顯示凈水廠生產運行過程重要工藝參數(shù)與大型設備的運行狀態(tài)信號。監(jiān)控畫面模擬凈水廠工藝設計布局，形象而直觀地體現(xiàn)污水處理構筑物、管道的布置情況、設備儀表安裝位置等。

當凈水廠生產運行過程中發(fā)生異常（如儀表設備故障、工藝參數(shù)異常等情況）時,系統(tǒng)通過檢測各類在線儀表監(jiān)測數(shù)據(jù)與歷史變化趨勢，對比預設超標限值及報警條件，及時發(fā)布預警。系統(tǒng)通過調用存儲于數(shù)據(jù)庫內的生產運行數(shù)據(jù),生成實時曲線與歷史曲線系列畫面。用戶可根據(jù)需要動態(tài)選擇參數(shù)曲線,查看運行參數(shù)變化趨勢圖。并可以選擇顯示報警限曲線與參數(shù)標準值曲線，以作對比參考。

圖2凈水廠遠程調控

統(tǒng)計分析模塊實現(xiàn)對水質、水量等工藝生產信息,以及關鍵設備的運行時間、啟停次數(shù)等設備運行信息的統(tǒng)計，并通過曲線圖、柱狀圖、餅圖、數(shù)據(jù)表等多種方式進行展示。

2.3管網遠程監(jiān)控

管網在線監(jiān)控模塊實現(xiàn)對于分散在管網系統(tǒng)的干管、溢流點、易澇點等關鍵節(jié)點監(jiān)測設備采集的管網運行數(shù)據(jù)的顯示、查詢、分析和可視化信息管理,并可對管網運行故障進行報警。主要包括監(jiān)測信息查詢、監(jiān)測報警和運行統(tǒng)計3個功能。

1）監(jiān)測信息查詢。監(jiān)測信息查詢提供對分散在管網系統(tǒng)主干管、溢流點、易澇點等關鍵節(jié)點的在線液位計、流量計、水質等監(jiān)測設備采集的數(shù)據(jù)的顯示、查詢、儲存和管理功能。系統(tǒng)提供地圖、曲線、表格等方式直觀顯示液位、流量等在線監(jiān)測數(shù)據(jù),支持歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)查看,以便全面了解整個排水管網的運行狀況。

2）監(jiān)測報警。監(jiān)測報警實現(xiàn)管網設施運行狀態(tài)異?；虮O(jiān)測指標超出警戒值，將異常所在的位置進行顯示,并以地圖閃爍等方式向用戶發(fā)出警報信息，確保異常的快速處理;此外,支持對歷史警情信息的查詢和管理。

3）行統(tǒng)計。運行統(tǒng)計支持對監(jiān)測數(shù)據(jù)生成各類運行專題圖（如曲線圖、柱狀圖等）,實現(xiàn)對于排水管網運行信息的匯總統(tǒng)計，輔助管理人員掌握管網總體運行狀況。決策支持子系統(tǒng)通過對流域調度運行監(jiān)測數(shù)據(jù)進行匯總統(tǒng)計,全面分析流域排水系統(tǒng)運行狀況,評估排水系統(tǒng)設施設備調度能力，為管理決策提供統(tǒng)計數(shù)據(jù)支持。

1）管網負荷分析。管網負荷分析模塊實現(xiàn)對排水管網運行負荷監(jiān)測數(shù)據(jù)的匯總統(tǒng)計（如圖3）。通過繪制管道充滿度、流速、節(jié)點水深專題圖,分析不同降雨情景、不同調度策略支持下,管網水力負荷變化情況,統(tǒng)計管網負荷運行區(qū)間分布，統(tǒng)計滿負荷運行管線,評估管網運行效率和安全性,為提高管網的運行效率,均衡管網的排水負荷,發(fā)揮排水管網排水能力提供統(tǒng)計數(shù)據(jù)支持。

圖3管網負荷分析界面示意

2）管網溢流分析。管網溢流分析模塊實現(xiàn)對排水管網溢流監(jiān)測數(shù)據(jù)的匯總統(tǒng)計。通過繪制檢查井溢流專題圖，分析不同降雨強度情景、不同排水調度模式下，總入流量和道路積水情況，統(tǒng)計區(qū)域溢流次數(shù)、溢流時長，分析排水負荷空間分布和時間變化規(guī)律,分析管網內部水流特征，鎖定溢流風險區(qū)域，溢流點位置、溢流量和溢流時間,以便能夠根據(jù)溢流量大小制定合理的排澇預案，為防汛搶險提供依據(jù),實現(xiàn)管網溢流管理的定量化、信息化和網絡化。

3）調度能力分析。調度能力分析模塊實現(xiàn)對排水系統(tǒng)運行調度數(shù)據(jù)的匯總統(tǒng)計，結合管網運行狀態(tài)和蓄水空間計算,分析排水設施的調蓄、輸送、處理能力，評估排水設施設備運行效率,對排水系統(tǒng)的排水性能進行總體分析和瓶頸識別，掌握系統(tǒng)可承受、可調節(jié)的排水能力和潛力，為調度策略制定和排水系統(tǒng)評價提供依據(jù)。

3 廠網河一體化智慧管控系統(tǒng)

通過科學合理的調度分配,充分發(fā)揮現(xiàn)有排水設施體系作用，實現(xiàn)最大限度地減少污水溢流量和污染物排放量，提高泵站、凈水廠等設施的運行效率。

1)調度策略制定。調度策略制定模塊實現(xiàn)對排水系統(tǒng)聯(lián)合調度方案的定制化管理。通過系統(tǒng)可以進行排水系統(tǒng)設施與設備調度規(guī)則的輸入、編輯、保存、查詢、瀏覽等操作，并可對調度策略的實施結果進行分析和預測,并能基于運行調度事件經驗實現(xiàn)調度策略優(yōu)化。同時，系統(tǒng)能夠結合排水系統(tǒng)數(shù)據(jù),進行調度條件檢測和調度參數(shù)的設置校驗，保障系統(tǒng)調度策略實施的安全性。通過編制科學合理的調度策略，為排水系統(tǒng)優(yōu)化運行提供決策支持。

2)管網監(jiān)控報警。管網監(jiān)控報警模塊實現(xiàn)對管網運行狀態(tài)的分析判斷,對運行過程中可能出現(xiàn)或已經出現(xiàn)的各類異常情況進行報警和預警的功能。系統(tǒng)根據(jù)預先定義的篩選條件對采集到的數(shù)據(jù)進行識別分析，當發(fā)現(xiàn)管網運行狀態(tài)異?；虮O(jiān)測指標超出警戒值,將以圖標閃爍、報警列表等方式向用戶發(fā)出警報信息。除了根據(jù)流量和液位等在線監(jiān)測數(shù)據(jù)進行自動報警外,還可以綜合排水管網中關鍵位置的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)和排水設施的運行信息,結合歷史積累的運行數(shù)據(jù),根據(jù)研究區(qū)內一定時間內的雨強、歷時和防范標準等實際情況，對檢查井溢流、地面積水等事故可能出現(xiàn)的時間、范圍和等級等信息進行顯示并提前進行預報。

3）應急預案管理。應急預案管理模塊實現(xiàn)對區(qū)域內聯(lián)合調度突發(fā)事件應急處理處置方案的管理和維護。建立應急預案庫、專家?guī)?、案例?通過系統(tǒng)進行應急預案報告的上傳、瀏覽、下載、導出、更新等功能操作。并對應急事件處理處置程序響應情況進行跟蹤備案記錄。針對不同情景環(huán)境和運行條件制定相應具體的預防措施和應急程序,為應急指揮調度提供分析、決策依據(jù)。

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、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量，并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(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。

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)/國家指標對標，以便企業(yè)能夠根據(jù)產品單耗情況來調整生產工藝，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、調光控制等多種控制方式，模塊可根據(jù)經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、廠區(qū)照明的智能控制達到安全、節(jié)能的目的。

4.4.6電氣安全

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。

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。

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。

4.4.7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。

4.4.8分布式光伏監(jiān)測

實時監(jiān)測低壓并網柜每路的電流、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、并網點位置，各個屋頂?shù)难b機容量。

4.4.9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、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,保障正常生產。

5 相關平臺部署硬件選型清單

參考文獻：

[1] 邱昕宇.廣州市番禺區(qū)智慧水務遠程監(jiān)控系統(tǒng)初探[J].水電與新能源,2023(2):38-41.

[2] 弓勛.城市智慧水務建設存在的問題及改進措施[J].住宅與房地產，2020(30):210 -211

[3] 劉觀生，徐文，吳響容.智慧水務管理系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[J].數(shù)字技術與應用,2020, 38(10)：131-133

[4] 安科瑞企業(yè)微電網設計與應用手冊.2022.05版

作者簡介：

任運業(yè)，男，安科瑞電氣股份有限公司。