浅析智慧水务配电能效云平台技术的应用与发展

【摘要】基于云平台的智慧水务强调基于⼯业互联网平台的应用，挖掘大量的实时生产数据，与专业技术人员所掌握的知识领域相结合，并以数字孪生等直观表达方式为企业各个决策部门提供数据分析与应用。文章提出基于“智慧水务云平台技术"的技术架构体系，并列举出云平台在智慧水厂中涉及的关键技术，结合说明了“智慧水务云平台"技术在智慧水务中的运用价值和意义。

【关键词】云平台；智慧水务

1水务行业智慧化发展的需求

1.1水务行业的智慧化现状

目前大多数地区水处理设施的运行调控方式较为粗放，控制精度低，时效性弱，运行成本居高不下。开发可有效实现水处理设施稳定、低碳、运行的全流程智能控制策略很有必要，而智能控制技术又要以大量水处理设施和传感器的实际运行数据为依托。这就需要形成针对水务行业数字化、网络化、智能化的需求，以海量数据的采集、汇聚、分析、服务为基础，建设支持资源泛在连接、弹性供给和配置的开放式云平台，为集团式水务企业提供的数据处理与全流程水务智能控制策略。

1.2智慧水务云平台技术的价值和意义

以水行业数字化、网络化、智能化为目标，构建以海量数据采集、汇聚、分析和服务体系为基础，支撑水行业业务能力提升、资源配置的开放式平台，构建水务行业生态体系的核心。其实质是通过构建精确、实时数据收集和连接系统，构建⼯业大数据的存储、集成、访问、分析、管理等开发环境，实现⼯业技术、经验、知识的模型化、标准化、软件化、复用化，不断优化研发设计、生产制造、运营管理等资源配置效率，形成资源富集、多方参与、合作共赢、协同演进的水务行业新生态（见图1）。

图1 智慧水务云平台技术的价值体现

通过云计算、大数据和人⼯智能等新⼀代的互联网技术，加上水务集团多年积累的行业知识和⼯艺技术，结合智慧化的运营管理理念，推出面向水务行业的智慧水务运营管理平台，面向地区水务集团下属的水处理设施，建立“数字化"应用和标准化运营体系，实现运营管理能力的深度提升。基于信息流的集成，构建具有“感知、设备互联、数字集成、智能预测"等特征的智能云平台的运行体系。

2智慧水务云平台的技术体系

2.1系统总体架构设计

智慧水务运营管理平台采用了融合边缘计算和云计算的基础架构，包括设备层、PaaS层(平台服务层)和SaaS层(软件服务层)和模式层（见图2）。

图2 智慧水务云平台技术的价值体现

智慧水务云平台的数据基础主要是利用各种通讯方式，对各种设备、系统、产品进行访问，对大量数据进行收集，并利用协议变换技术，对不同来源的数据进行标准化和边缘整合。

⼯业PaaS层是以⼯业模型、数据管理、数据处理、⼯业数据分析、⼯业微服务为基础的开放平台。其中，⼯业PaaS系统具有三大功能：①通过对⼯业数据的处理，使其与⼯业机构的数据相结合，从而建立起对行业数据的分析能力，并对其进行价值挖掘；②将⼯业技术原理、行业知识、⼯艺基础、模型⼯具等进行规范化、软件化、模型化，并将其包装成可循环利用的微型服务部件；③通过搭建软件开发环境，利用微服务部件、⼯业模型及应用开发⼯具，实现对⼯业APP的快速定制。

SaaS层针对水务行业场景，开发业务逻辑功能，通过调用边缘层和平台层的微服务，推动⼯业技术、经验、知识和佳实践的模型化、软件化和再封装，从而形成满足不同场景的⼯业APP，包括数字双胞胎、⼯艺运行仿真、专家诊断服务、能耗管理优化、运营管理调优与运营咨询、生产优化和智能控制、设备大修与预测性维护、监测与数据分析等，从而形成智慧水务云管理平台的终使用价值。

2.2平台数采/数据存储架构

2.2.1数据采集方案设计

在水厂侧部署智能网关，支持前端设备和传感器协议接入，设备接入协议可定制开发。

智能网关通过5G无线通讯或VPN有线通讯方式将数据直接传输入云。数据传输过程中通过VPN等手段进行加密。

云平台端通过标准协议支持更多厂家智能网关接入，提供接口开发SDK（见图3）。

图3 数据采集示意图

2.2.2数据存储架构设计

针对⼯业数据异构性、海量规模的特点，根据每种数据特性选择合适的存储方式，采用数据湖技术实现数据统⼀存储方案，满足了水务行业场景下异构、海量数据高并发、高吞吐、低延时、高可用的数据使用要求（见图4）。

图4 数据存储架构设计

3具体应用场景和应用模式

3.1基于物联网平台功能和专业数据模型管理，实现工业实时大数据的采集、监控和分析

对水处理设施不同种⼯艺段图形化展示，可以实时展示每种⼯艺段中设备实时状态和仪表实时数据。提高数据反馈时效性，将实时数据的变化情况及时展示，当现场出现设备或仪表的告警时，可实时获取告警信息，第⼀时间展示给现场操作人员。

关键⼯艺参数以趋势曲线方式展示数据实时情况，分析实时数据当前及过去曲线走势，可以对同⼀数据指标进行环比和同比数据分析，通过分析数据对现场的设备和仪表运行维护提供数据分析支持。

3.2基于大数据分析技术，实现数据判别和清洗

通过图形化方式展示异常数据，通过对异常数据的统计分析，延长设备和仪表使用寿命，降低设备维护成本。在地图上看到所有污水厂分布以及在线情况，对异常数据进行多维度统计，剖析。

平台可按照各类清洗规则对大数据进行清洗，为数据分析、数据挖掘、数据模型开发等创造条件。

3.3基于平台，整合数据、模型、工具，开发实现智慧水务的数字孪生

作为水务集团运行“智慧大脑"的核心模块，数字孪生其实质是通过智慧水务将实时数据、静态数据与机理模型、BIM模型进行整合开发，实现物理资产及其运营状态的数字透彻可感知地呈现。

结合业务和大数据分析技术，通过建模和数据挖掘，将数据分析、水质预测、生化分析、控制参数优化、设备状态监测、能效分析等进行深入剖析和可视化展示，结合各类⼯况预测、仿真模拟和控制优化等功能，为集团水务的运营管理提供的运营辅助决策，并探索基于云端的实时控制，追求实现的、稳定运行和人⼯的化利用。

3.4开发全套云化管理系统，实现大集团数字化全业态管控模式

基于智慧水务云平台，部署污水厂运营管理成套系统、供水业务运营管理成套系统、水环境运营管理系统、统⼀数据管控系统、自控专业化管控系统等运营管理全套云化系统，并基于系统的快速应用，探索、实现数字化“组团式"管理模式。

3.5基于大数据、人工智能等技术，结合平台实现各类业务解决方案

智慧水务云平台将大数据、人⼯智能等技术与业务理论和经验相结合，开发污水生化全流程智能控制解决方案，保证厌氧、缺氧、好氧等各⼯艺段的⼯艺环境；利用大数据技术与业务数据的合理关联，对水厂进水流量进行预测，实现智能提升控制；开发总磷虚拟仪表，实现对生化除磷的预测和智能加药控制；基于人⼯智能及其识别基础，对活性污泥中的指示性生物进行分析判别为⼯艺人员提供水厂运行依据，为水厂运行提供预判信息。

3.6搭建远程协助平台，实现远程指挥设备运维模式

部分水务设施的运维⼯作人员缺乏专业技术能力，难以独立开展设备的日常运维，如对专业设备维修等，需要专业人员远程指导和实时监督。

结合AR、远程协助和机器识别等技术，配合成套辅助⼯具实现远程实时指导系统，针对水厂、村污、乡镇泵站的远程维护和日常巡检，提供远程视频指挥，增强现实(AR)指导等创新交互（见图5）。

图5 远程指导设备运维模式

4 AcrelEMS-SW智慧水务能效管理平台

4.1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，保护污水厂运行安全可靠，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。

4.2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。

4.3平台拓扑图

4.4平台子系统

4.4.1 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。

4.4.2 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。

4.4.3 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。

4.4.4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/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。

4.4.5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。

4.6电气安全

4.6.1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。

4.6.2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。

4.6.3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。

4.6.4 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。

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。

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。

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。

5 相关平台部署硬件选型清单

1.电力监控、电能质量、电动机管理及配电室环境监控系统

2.电气火灾监控系统

6总结与展望

通过智慧水务云管理平台的建设，实现运营大数据的收集；利用新⼀代信息化技术打破传统水务系统的数据孤岛，实现数据共享，增强对水务全业务流程的智能化监管能力。大数据分析开发出与项目实际条件和⼯况相适应的管理模型和机理模型，建立水务设施数字孪生和专家决策系统，实现运营辅助决策和控制；应用智慧化全业务管理系统，建立流转的运营管理体系，实现⼀体化、组团式管理模式；基于人机协同的可靠性配套方案，打造固若金汤的水务智慧化管理模式。

参考文献

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