淺析智慧水務配電能效雲平台技術的應用與發展

【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，挖掘大量的實時生產(chan) 數據，與(yu) 專(zhuan) 業(ye) 技術人員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、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、彈性供給和配置的開放式雲(yun) 平台，為(wei) 集團式水務企業(ye) 提供的數據處理與(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。其實質是通過構建精確、實時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（見圖1）。

圖1 智慧水務雲(yun) 平台技術的價(jia) 值體(ti) 現

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“感知、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（見圖2）。

圖2 智慧水務雲(yun) 平台技術的價(jia) 值體(ti) 現

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、知識和佳實踐的模型化、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（見圖3）。

圖3 數據采集示意圖

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（見圖4）。

圖4 數據存儲(chu) 架構設計

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，第⼀時間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。

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的運營輔助決(jue) 策，並探索基於(yu) 雲(yun) 端的實時控製，追求實現的、穩定運行和人⼯的化利用。

3.4開發全套雲(yun) 化管理係統，實現大集團數字化全業(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。

結合AR、遠程協助和機器識別等技術，配合成套輔助⼯具實現遠程實時指導係統，針對水廠、村汙、鄉(xiang) 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台

4.1平台概述

安科瑞電氣具備從(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，保護汙水廠運行安全可靠，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、18luck新客户端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18luck新客户端

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。

4.6電氣安全

4.6.1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。

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。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。

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。

4.7 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。

4.8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。

4.9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。

5 相關平台部署硬件選型清單

1.18luck新客户端、電能質量、電動機管理及配電室環境監控係統

2.電氣火災監控係統

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管理模式。