智慧水務配電能效云平臺技術的發展

【摘要】基于云平臺的智慧水務強調基于業互聯網平臺的應用，挖掘大量的實時生產數據，與技術人員所掌握的知識領域相結合，并以數字孿生等直觀表達方式為企業各個決策部門提供數據分析與應用。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水務行業智慧化發展的需求

1.1水務行業的智慧化現狀

目前大多數地區水處理設施的運行調控方式較為粗放，控制精度低，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、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據為依托。這就需要形成針對水務行業數字化、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，為集團式水務企業提供的數據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

以水行業數字化、網絡化、智能化為目標，構建以海量數據采集、匯聚、分析和服務體系為基礎，支撐水行業業務能力提升、資源配置的開放式平臺，構建水務行業生態體系的核心。其實質是通過構建精確、實時數據收集和連接系統，構建業大數據的存儲、集成、訪問、分析、管理等開發環境，實現業技術、經驗、知識的模型化、標準化、軟件化、復用化，不斷優化研發設計、生產制造、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、協同演進的水務行業新生態（見圖1）。

圖1 智慧水務云平臺技術的價值體現

通過云計算、大數據和人智能等新代的互聯網技術，加上水務集團多年積累的行業知識和藝技術，結合智慧化的運營管理理念，推出面向水務行業的智慧水務運營管理平臺，面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系，實現運營管理能力的深度提升。基于信息流的集成，構建具有“感知、設備互聯、數字集成、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

智慧水務云平臺的數據基礎主要是利用各種通訊方式，對各種設備、系統、產品進行訪問，對大量數據進行收集，并利用協議變換技術，對不同來源的數據進行標準化和邊緣整合。

業PaaS層是以業模型、數據管理、數據處理、業數據分析、業微服務為基礎的開放平臺。其中，業PaaS系統具有三大功能：①通過對業數據的處理，使其與業機構的數據相結合，從而建立起對行業數據的分析能力，并對其進行價值挖掘；②將業技術原理、行業知識、藝基礎、模型具等進行規范化、軟件化、模型化，并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、業模型及應用開發具，實現對業APP的快速定制。

SaaS層針對水務行業場景，開發業務邏輯功能，通過調用邊緣層和平臺層的微服務，推動業技術、經驗、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APP，包括數字雙胞胎、藝運行仿真、專家診斷服務、能耗管理優化、運營管理調優與運營咨詢、生產優化和智能控制、設備大修與預測性維護、監測與數據分析等，從而形成智慧水務云管理平臺的終使用價值。

2.2平臺數采/數據存儲架構

2.2.1數據采集方案設計

在水廠側部署智能網關，支持前端設備和傳感器協議接入，設備接入協議可定制開發。

智能網關通過5G無線通訊或VPN有線通訊方式將數據直接傳輸入云。數據傳輸過程中通過VPN等手段進行加密。

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

圖3 數據采集示意圖

2.2.2數據存儲架構設計

針對業數據異構性、海量規模的特點，根據每種數據特性選擇合適的存儲方式，采用數據湖技術實現數據統存儲方案，滿足了水務行業場景下異構、海量數據高并發、高吞吐、低延時、高可用的數據使用要求（見圖4）。

圖4 數據存儲架構設計

3具體應用場景和應用模式

3.1基于物聯網平臺功能和數據模型管理，實現工業實時大數據的采集、監控和分析

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和儀表實時數據。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表的告警時，可實時獲取告警信息，第時間展示給現場操作人員。

關鍵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表運行維護提供數據分析支持。

3.2基于大數據分析技術，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，對異常數據進行多維度統計，剖析。

平臺可按照各類清洗規則對大數據進行清洗，為數據分析、數據挖掘、數據模型開發等創造條件。

3.3基于平臺，整合數據、模型、工具，開發實現智慧水務的數字孿生

作為水務集團運行“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、靜態數據與機理模型、BIM模型進行整合開發，實現物理資產及其運營狀態的數字透徹可感知地呈現。

結合業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、控制參數優化、設備狀態監測、能效分析等進行深入剖析和可視化展示，結合各類況預測、仿真模擬和控制優化等功能，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，追求實現的、穩定運行和人的化利用。

3.4開發全套云化管理系統，實現大集團數字化全業態管控模式

基于智慧水務云平臺，部署污水廠運營管理成套系統、供水業務運營管理成套系統、水環境運營管理系統、統數據管控系統、自控化管控系統等運營管理全套云化系統，并基于系統的快速應用，探索、實現數字化“組團式”管理模式。

3.5基于大數據、人工智能等技術，結合平臺實現各類業務解決方案

智慧水務云平臺將大數據、人智能等技術與業務理論和經驗相結合，開發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境；利用大數據技術與業務數據的合理關聯，對水廠進水流量進行預測，實現智能提升控制；開發總磷虛擬儀表，實現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，為水廠運行提供預判信息。

3.6搭建遠程協助平臺，實現遠程指揮設備運維模式

部分水務設施的運維作人員缺乏技術能力，難以獨立開展設備的日常運維，如對設備維修等，需要技術人員遠程指導和實時監督。

結合AR、遠程協助和機器識別等技術，配合成套輔助具實現遠程實時指導系統，針對水廠、村污、鄉鎮泵站的遠程維護和日常巡檢，提供遠程視頻指揮，增強現實(AR)指導等創新交互（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。

4.3平臺拓撲圖

4.4平臺子系統

4.4.1 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。

4.4.2 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。

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。

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/國際先進指標對標，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。

4.4.5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。

4.6電氣安全

4.6.1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。

4.6.2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。

4.6.3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。

4.6.4 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。

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。

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。

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。

5 相關平臺部署硬件選型清單

1.電力監控、電能質量、電動機管理及配電室環境監控系統

應用場合（10KV）		產品	型號	功能
	10KV進/饋線		AM6-L	相間電流速斷保護，相間限時電流速斷保護（可帶低壓閉鎖），相間過電流保護（可帶低壓閉鎖），兩段式零序過流保護，反時限相間過流保護（可帶低壓閉鎖），零序反時限過流保護，過負荷保護，控制回路異常告警。
	10/0.4KV變壓器		AM6-S	分合閘位置、手車工作/試驗位置、接地刀閘位置、硬接 點信號(保護跳閘、裝置告警、控制回路斷線、 裝置異常、未儲能、事故總等)、報文(過流、過負荷、超溫報警、過溫報警、裝置告警、PT 斷線、CT 斷線、對時異常等) 、遙控 開關、故障波形分析(故障錄波、故障波形、故障記錄、 跳閘、故障電流電壓)等。
	智能操控裝置		ASD500	一次回路動態模擬圖、彈簧儲能指示、高壓帶電顯示及閉鎖、驗電、核相、自動溫濕度控制及顯示（標配一路強制加熱）、遠方/就地旋鈕、分合閘旋鈕、儲能旋鈕、人體感應、柜內照明控制、RS485接口、高壓柜內電氣接點無線測溫。
	10KV計量		APM520	該儀表采用交流采樣技術，能分別測量電網中的電流、電壓、功率、功率因數和電能等參數，可通過面板薄膜開關設置倍率。帶RS-485通訊接口，采用Modbus協議;也可將電量信號轉換成標準的直流模擬信號輸出;或帶開關量輸入/輸出，繼電器報警輸出等功能。
	弧光保護		ARB5-M	主控單元，可接20路弧光信號或4個擴展單元，配置弧光保護（8組）、失靈保護（4組）、TA斷線監測（4組）、11個跳閘出口；
			ARB5-E	擴展單元，多可以插接6塊擴展插件，每個擴展插件可以采集5路弧光信號：
			ARB5-S	弧光探頭，可安裝于中壓開關柜的母線室、斷路器室或電纜室，也可于低壓柜。弧光探頭的檢測范圍為180°，半徑0.5m的扇形區域；

應用場合（0.4KV）		產品	型號	功能
	0.4KV進/出線		APView500	相電壓電流＋零序電壓零序電流，電壓電流不平衡度，有功無功功率及電能、事件告警及故障錄波，諧波（電壓/電流63次諧波、63組間諧波、諧波相角、諧波含有率、諧波功率、諧波畸變率、K因子）、波動/閃變、電壓暫升、電壓暫降、電壓瞬態、電壓中斷、1024點波形采樣、觸發及定時錄波，波形實時顯示及故障波形查看，PQDIF格式文件存儲，內存32G，16D0＋22D1，通訊2RS485＋1RS232＋1GPS，3以太網接口（＋1維護網口）＋1USB接口支持U盤讀取數據，支持61850協議
			APM520	該儀表采用交流采樣技術，能分別測量電網中的電流、電壓、功率、功率因數和電能等參數，可通過面板薄膜開關設置倍率。帶RS-485通訊接口，采用Modbus協議;也可將電量信號轉換成標準的直流模擬信號輸出;或帶開關量輸入/輸出，繼電器報警輸出等功能。
	電能質量		ARC	測量I、U、Hz、cosΦ，具備過電壓保護、欠流鎖定、電網諧波過大保護功能,可控制電容器的投切，RS485/Modbus協議
			ANSVC	ANSVC低壓無功功率補償裝置并聯在整個供電系統中，能根據電網中負載功率因數的變化通過控制器控制電力電容器投切進行補償,無功功率補償裝置采用散件組成方案，主要以電容電抗、投切開關、控制器等組成。
			ANAPF	ANAPF系列有源電力濾波器通過電流互感器采集系統諧波電流，經控制器快速計算并提取各次諧波電流的含量，產生諧波電流指令，通過功率執行器件產生與諧波電流幅值相等方向相反的補償電流，并注入電力系統中，從而抵消非線性負載所產生的諧波電流。
電動機保護器	電機回路		ARD3M	智能電動機保護器（以下簡稱保護器）適用于額定電壓至 660V 的低壓電動機回路，集保護、測量、控制、通訊、運維于一體。其完善的保護功能確保電動機安全運行，帶有邏輯可編程功能，可以滿足多種控制方式。可選配不同通訊模塊適應現場通訊需求。該產品采用分體式結構，由主體、顯示單元、互感器組成，可適應各種柜體的安裝。具有許昌開普研究院有限公司、國家繼電保護及自動化設備質量監督檢驗中心檢測合格的型式檢驗報告證書和電磁兼容檢驗證書，
配套附件	0.4kV電流互感器		AKH-0.66	測量型互感器，采集交流電流信號
智能網關			Anet系列	8個RS485串口 2kV隔離， 2個以太網接口，支持Modbus RTU、IEC-60870-5-101/103/ 104、CJ/T188、DL/T645等通訊協議設備的接入，支持Modbus RTU、Modbus TCP、IEC-60870-5 -104等上傳協議、支持多中心不同數據服務要求，支持斷點續傳，裝置電源:220V AC/DC。

應用場合（配電室）		產品	型號	功能
環境監測	溫濕度		/	用于配電房溫度和濕度。工作電源：AC/DC 85～265V 工作溫度：-40.0℃～99.9℃ 工作濕度：0%RH～99%RH
	煙霧		/	光電式煙霧傳感; 電源正極（DC 12V）：+12V，繼電器輸出：常開觸點
	水侵		/	接觸式水浸傳感器，監測變電所、電纜溝、控制室等場所積水情況，工作電源：DC 10-30V 工作溫度：-20℃~+60℃ 工作濕度：0%RH~80%RH 響應時間：1s 繼電器輸出：常開觸點
	局方檢測		/	監測變壓器、開關、開關柜的局部放電
	門禁		/	常開型；感應距離：30-50mm 材質：鋅合金，銀灰色電度 干接點輸出
	攝像機		/	視頻監控
	開關量模塊		ARTU-KJ8	8路開關量輸入,8路繼電器輸出
智能網關			ANet-2E4SM	4路RS485 串口，光耦隔離，2路以太網接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPC UA、ModbusTCP（主、從）、104（主、從）、建筑能耗、SNMP、MQTT；（主模塊）輸入電源：DC 12 V ～36 V 。支持4G擴展模塊，485擴展模塊,*多可擴展16路。

 

2.電氣火災監控系統

應用場合（0.4KV出線、工藝動力箱）		產品	型號	功能
各變電所、各動力箱	0.4KV出線		ARCM200系列	用于檢測TN-C-S、TN-S及局部TT系統中的剩余電流、溫度等電氣參數，從而預防電氣火災的發生。
區域 變電所	區域分機		Acrel-6000/B3	接收電氣火災監控探測器信號，實現對被保護電氣線路的報警、監視、控制與管理，采用485通訊
主變點所 監控中心	控制主機		Acrel-6000/B	接收電氣火災監控探測器信號和各區域分機數據，實現對被保護電氣線路的報警、監視、控制與管理，可采用485通訊。
配套附件	0.4kV電流 互感器		AKH-0.66	測量型互感器，采集交流電流信號。

6總結與展望

通過智慧水務云管理平臺的建設，實現運營大數據的收集；利用新代信息化技術打破傳統水務系統的數據孤島，實現數據共享，增強對水務全業務流程的智能化監管能力。大數據分析開發出與項目實際條件和況相適應的管理模型和機理模型，建立水務設施數字孿生和專家決策系統，實現運營輔助決策和控制；應用智慧化全業務管理系統，建立流轉的運營管理體系，實現體化、組團式管理模式；基于人機協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。

參考文獻

[1]鄭宇祺.智慧水務云平臺技術的應用與發展[J].城市設施智慧化，2023，175-177.

[2]王艷華，董舒，劉娟，楊勇，熊毅，陳邦.現代化污水處理項目智慧水務管理云平臺[J].項目管理技術，2021，19(5)：154-158.

[3]羅賢偉，龐子山，譚松柏，張曄明，蔣懷德.基于云計算的水務大數據平臺系統設計與實踐[J].給水排水，2022，58(1)：144-150.

[4]安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2022.05版

作者簡介

陳芳芳，女，安科瑞電氣股份有限公司，從事電氣相關及智慧水務系統研發工作；