探讨智慧水务配电能效平台系统运行架构

摘要：随着自动化技术与互联网通信技术的快速发展，供水行业已经发展到智慧水务阶段，传统的智慧水务架构仅能展示层次分析数据的内容，无法实现数据统计的反馈功能。提出一种新的智慧水务系统架构，通过该架构能够真正实现数据的智能统计、智能分析，从而真正实现对底层设备的智慧控制。

关键词：架构；智慧水务；智能分析；智慧控制

引言

随着物联网和云计算的迅速发展，水处理行业从最初纯粹的上位机控制，发展到网络处理，继而发展到今天的智慧处理。智慧水务概念的提出是水务行业智能化发展的必然趋势。通过超级计算机和云计算将其整合，实现社会与物理世界融合。在此基础上，人类可以更加精细和动态的方式管理生产和生活，达到智慧状态，提高资源利用率和生产力水平，改善人与自然间的关系。智慧水务来自智慧城市，而智慧城市来自智慧地球。本文将从连云港市自来水公司已有的项目建设出发，提出一种实用的智慧水务架构体系，为本水司智慧水务建设提供一套有效的技术方案［1］。

1 总体架构

传统的智慧水务架构仅能打通信息孤岛，实现数据的共享与分析，但对于智能化反馈没有明确的表述，只能从理论上做一个说明，针对这个问题本文提出一种新的架构，见图1。

图1 智慧水务总体架构图

如图1所示，这个架构分为4层，从下到上依次为设备层、PLC控制层、通信服务层、智慧水务层。

其中，设备层为第1层，主要包括各种传感器、数字仪表以及现场各种设备。设备层通过不同厂商提供的通信协议与第2层PLC进行通信，PLC层接收现场数据，根据自身程序进行控制设备运行，同时对上提供通信接口。

第3层为通信服务层，其主要任务是建立公用的通信服务器，也就是IOServer服务器，该服务器是核心服务器，因此使用“一用一冗”或者“多用多冗”。通信服务器主要为最上层智慧水务层提供数据通信服务。

第4层智慧水务层主要包括：（1）SCADA调度系统，用于实时查看各水厂、加压泵站、二次加压泵房、大表等设备实时数据，报警信息，给调度人员提供实时数据。系统为分布式模式设计，分布式模式是指将SCADA服务端安装在服务器上，客户端通过SCADA客户端软件实现通信。客户端实现显示和控制功能，服务端实现数据处理功能，客户端出现故障不影响服务端正常运行。另外SCADA服务端配置成双冗余模式，一个服务崩溃自动切换成另冗余服务，保证系统稳定性。（2）WebSCADA服务器，主要是提供Web网站的实时数据显示，该服务器能大大降低Web端程序开发的难度，提高程序开发效率。同时该服务器还提供WebService接口，用于Web程序的智慧决策和反馈调度。（3）Web服务器，主要提供PC端智慧水务系统各种业务和各种数据显示服务。（4）移动服务器，主要提供移动端数据服务。（5）GIS服务器，用于提供GIS地图相关服务，存储相关地图数据。（6）大数据服务器，主要用于提供海量数据，以提供给专家系统进行智能计算和智慧决策。

该架构最大的不同是强化了通信服务层，通信服务层可以设置具有API功能的服务，通过该服务可以为第三方平台提供有效接口，然后通过Web服务器结合大数据服务器实现智慧化控制，这种方案实现简单［2］。第2种方案是通过WebSCADA服务器提供WebService服务，该服务可以直接反馈到底层的PLC端控制，从而实现智慧化控制，这种方法安全性高，可操作性强。

2通信中心设计

通信中心是智慧水务建设的核心功能层，一个稳定、可靠、安全的通信中心是智慧水务建设的关键。

2.1硬件设备的可靠性

通信设备种类繁多，总体上分为有线和无线两大类。有线类包括双绞线网络和光纤网络，无线类则通过2G、4G技术进行通信。通信设备的质量会在很大程度上决定通信质量的好坏，因此在工程施工中应尽量使用稳定可靠的通信设备，通信线路应尽量以光纤为主、超五类网线为辅的设计思路［3］。

2.2 软件的可靠性

软件系统的稳定性直接决定数据能否稳定读取，软件主要包括：操作系统软件、数据库软件、通信软件。往往最新的操作系统稳定性无法保证，因此在操作系统的选择上一般会选择成熟稳定的版本。另外，操作系统还要与服务器硬件相互匹配，这样才能发挥最优的性能。

通信类软件的可靠性直接决定数据能否准确、及时、稳定地传输到通信中心，通信类软件种类繁多。一般而言，同一厂家提供的通信软件与自己的产品兼容性最好，不同厂家通信软件往往不相互兼容，容易出现数据中断现象。另外，通信类软件要支持冗余，对于断网情况要有一定的处理机制，要支持断点续传，这能够保证数据的完整性。

多级通信是架构的基本要求，对于水厂要有独立的通信服务器，调度中心要有调度中心通信服务器，如果网络出现中断，要能保证水厂等核心单元正常运转［4］。

3 数据中心设计

数据中心是智慧水务的另一个核心区域。数据中心要根据实际需求进行划分，总体上分为两类，一类用于存储业务的关系数据库，一类用于存储生产数据的工业数据库。

3.1关系数据库

目前常用的关系数据库为MySQL、MSSQLServer、0racle。MySQL一般用于小型数据处理，是很多PHP网站首选的数据库；MSSQLServer是微软公司开发的数据库，一般用于基于C#开发的网站，同时该数据库被广泛用于工业控制领域；Oracle是大型数据库，是JSP网站的首选数据库，功能强大，但是很少用于工业控制领域。

关系数据库的建立基于业务需求，是业务需求的数学逻辑模型。在智慧水务开发设计上，关系数据库一般有两个方面的应用：其一是从工业数据库获取实时数据的映像作为逻辑数据库的最基本数据，其二是从业务中获取手工录入的数据作为业务处理数据［5］。

从工业数据库或者从SCADA系统获取的实时数据称为自动数据，手工录入的数据称为手工数据，自动数据往往要经过专家系统的计算才能用于逻辑处理中，为了保证数据的真实性自动获取的数据一般不允许改动，逻辑处理过的数据可以修改并与手工输入的数据形成复杂的业务逻辑。

实时数据库往往数据量大导致处理困难，为了解决这类问题，我们往往采用加大采集时间的方式处理，以1h为最短采集时间，并分成多个表，每个表只存储50个左右的数据点，并且只针对有逻辑计算意义的数据点进行计算存储，极端情况下要每日生成一张表，保证记录数不超过百万条。

3.2工业数据库

工业数据库一般用于存储大批量数据，其特点是高速数据采集、数据压缩、海量驱动。工业库可以存储高密集数据，其数据内容是智能分析的依据，一般情况下工业数据库可以用于趋势图分析，实时数据采集以及智能分析，是智慧水务的数据来源。

4 系统设计

智慧水务系统主要包括的功能单元有如下几点。

（1）生产运行管理系统，集成SCADA系统，实现取、供、用、排整个水生命周期的实时数据监控和管理，对生产、运行情况进行全方位总体监控，结合视频，更科学地进行统一调度，实现生产全面监控管理，提高公司对整体信息的掌控，提高管理水平。主要包括模块有水源地监控、自来水厂监控、供水泵站监控、供水管网监控、DMA分区监测、二次供水监控、用户用水监测。

（2）生产调度管理系统，支持监测数据的实时显示，具备故障报警功能，显示故障点和故障状态，并提示故障处理方法，支持动态显示生产的工艺过程、参数、设备工况等。

（3）管网GIS系统，包括管网排查、维护、养护、巡检以及统计分析等。

（4）供水管网模型，实现水压、水量、流速、流量、水质等全要素的动态模拟显示，具有10分钟级别SCADA 在线校验功能。

（5）DMA分区计量管理，具有漏损评估，漏损预警，产销差分析，水平衡分析。

（6）设备管理系统，包括设备采购、设备档案、设备运行、设备巡检、设备保养、设备维修、设备改造、设备报废等全周期设备管理。

（7）水质管理，包括化验室管理和水质分析管理。

（8）生产统计分析，包括实时生产的展示，提供日、周、月生产曲线，生产数据，同比环比等，还包括能耗分析和水量异常提醒。

（9）热线管理，根据系统提供的数据提供热线管理功能。热线系统不但要具备完善的业务流程，还要能够与底层设备数据对接，实现完整的派单下发功能。

（10）移动平台，要有可定制化的移动平台实现具体业务的在线处理，数据的实时显示，报警数据的提醒，巡检数据的上报，工单处理的接收和数据上报等功能［6］。

5 AcrelEMS-SW智慧水务能效管理平台

5.1平台概述

安科瑞电气具备从终端感知、边缘计算到能效管理平台的产品生态体系，AcrelEMS-SW智慧水务能效管理平台通过在污水厂源、网、荷、储、充的各个关键节点安装保护、监测、分析、治理装置，用于监测污水厂能耗总量和能耗强度，监测主要用能设备能效，保护污水厂运行可靠，提高污水厂能效，为污水处理的能效管理提供科学、精细的解决方案。

5.2平台组成

AcrelEMS智慧水务综合能效管理系统由变电站综合自动化系统、电力监控及能效管理系统组成，涵盖了水务中压变配电系统、电气安全、应急电源、能源管理、照明控制、设备运维等，贯穿水务能源流的始终，帮助运维管理人员通过一套平台、一个APP实时了解水务配电系统运行状况，并且根据权限可以适用于水务后勤部门管理需要。

5.3平台拓扑图

5.4平台子系统

5.4.1变电站综合自动化系统及电力监控

对水务配电系统中35kV、10kV电压等级配置继电保护和弧光保护，实现遥测、遥信、遥控、遥调等功能，对异常情况及时预警。

监测变压器、水泵、鼓风机的电流、电压、有功/无功功率、功率因数、负荷率、温度、三相平衡、异常报警等数据。

5.4.2电能质量监测与治理

水务中大量的大功率电机、水泵变频启动导致配电系统中存在大量谐波，通过监测其配电系统的谐波畸变、电压波动、闪变和容忍度指标分析其电能质量，并配置对应的电能质量治理措施提高供电电能质量。

5.4.3电动机管理

马达监控实现水务中电机的保护、遥测、遥信、遥控功能，电动机保护器能对过载、短路、缺相、漏电等异常情况进行保护、监测和报警。准确地反映出故障状态、故障时间、故障地点、及相关信息，对电机进行健康诊断和预防性维护。同时支持与PLC、软启、变频器等配合，实现电动机自动或远程控制，监视、控制各个工艺设备,保障正常生产。

5.4.4能耗管理

为水务搭建计量体系，显示水务的能源流向和能源损耗，通过能源流向图帮助水务分析能源消耗去向，找出能源消耗异常区域。

将所有有关能源的参数集中在一个看板中，从多个维度对比分析，实现各个工艺环节的能耗对比，帮助领导掌控整个工厂的能源消耗，能源成本，标煤排放等的情况。

能耗数据统计采集水务中污水厂、自来水厂、水泵站等的用电、用水、燃气、冷热量消耗量，同环比对比分析，能耗总量和能耗强度计算，标煤计算和CO2排放统计趋势。

能效分析按三级计量架构，分别进行能效分析，契合能源管理体系要求，可对各车间/职能部门的能效水平进行分析，同比、环比、对标等。通过污水处理产量以及系统采集的能耗数据，在污水单耗中生成污水单耗趋势图，并进行同比和环比分析，同时将污水的单耗与行业/国家/国际先进指标对标，以便企业能够根据产品单耗情况来调整生产工艺，从而降低能耗。

5.4.5智能照明控制

系统为污水厂、自来水厂、水泵站等提供了照明控制管理方案，支持单控、区域控制、自动控制、感应控制、定时控制、场景控制、调光控制等多种控制方式，模块可根据经纬度自动识别日出日落时间实现自动控制功能，尽量利用自然光照，实现室内、厂区照明的智能控制达到安全、节能的目的。

5.4.6电气安全

①电气火灾监测：监测配电系统回路的漏电电流和线缆温度，实现对污水厂、自来水厂、水泵站的电气安全预警。

②消防应急照明和疏散指示：根据预先设置的应急预案快速启动疏散方案引导人员疏散。系统接入消防应急照明指示系统数据，通过平面图显示疏散指示灯具工作状态和异常情况。

③消防设备电源监测：监测消防设备的工作电源是否正常，保障在发生火灾时消防设备可以正常投入使用。

④防火门监控系统：防火门监控系统集中控制其各终端设备即防火门监控模块、电动闭门器、电磁释放器的工作状态，实时监测疏散通道防火门的开启、关闭及故障状态，显示终端设备开路、短路等故障信号。系统采用消防二总线将具有通信功能的监控模块相互连接起来，当终端设备发生短路、断路等故障时，防火门监控器能发出报警信号，能指示报警部位并保存报警信息，保障了电气安全的可靠性。

5.4.7 环境监测

污水厂、自来水厂、水泵站等场所温湿度、烟雾、积水浸水、视频、UPS电池间可燃气体浓度展示和预警，保障污水厂、自来水厂、水泵站等安全运行。当可燃气体或有害气体浓度超标可自动启动排风风机或新风系统，排除隐患，保持良好的水处理环境。

5.4.8分布式光伏监测

实时监测低压并网柜每路的电流、电压、功率等电气参数及断路器开关状态，逆变器运行监视，对逆变器直流侧每一光伏组串的输入直流电压、直流电流、直流功率，逆变器交流电压、交流电流、频率、功率因数、当前发电功率、累计发电量进行监测，以曲线方式绘制上述监测的各个参量的历史数据。

平台结合厂区实际分布情况，通过3D或2.5D平面图显示分布式光伏组件在屋顶、车棚的分布情况，显示汇流箱、并网点位置，各个屋顶的装机容量。

5.4.9工艺仿真监控

平台通过2D、3D方式实时监视粗格栅、污水提升、细格栅、曝气沉砂、改良生化处理、二沉、加氯接触消毒、污泥浓缩压滤、生物除臭等工艺设备运行状态。在格栅清渣机、污水提升泵、回流泵、曝气风机、加药泵、浓缩压滤机、吸沙泵、吸泥泵等低压电动机控制柜或低压馈电柜安装电动机保护，进行短路、过流、过载、起动超时、断相、不平衡、低功率、接地/漏电、te保护、堵转、逆序、温度等保护以及外部故障连锁停机，与PLC、软启、变频器等配合，实现电动机自动或远程控制，监视、控制各个工艺设备,保障正常生产。

6 相关平台部署硬件选型清单

7 结语

通过构建智慧水务可以有效解决水务管理者面临的各种问题，并把生产和水循环过程的各个领域都变得直观透明，智慧水务的解决方案帮助企业更有效地从事水务管理。未来几年将是智慧水务高速发展的时间，各水司应抓住机遇深耕公司生产业务，建立适合自己的智慧水务系统。