韦晓飞
上海嘉定安科瑞电气有限公司
[摘要] 基于云平台的智慧水务强调工业互联网平台的应用，挖掘大量实时生产数据，与专业技术人员掌握的知识领域相结合，利用数字孪生等直观表达方式进行支撑各种企业决策。 该部门提供数据分析和应用。 文章提出了基于“智慧水务云平台技术”的技术架构体系，列出了智慧水厂云平台涉及的关键技术，阐述了“智慧水务云平台”技术在智慧水务中的价值和意义。
【关键词】云平台； 智慧水务
1 水务行业智能化发展需求
1.1 水务行业智能化现状
目前，大部分地区水处理设施运行控制方式较为粗放，控制精度低、时效性弱、运行成本较高。 需要制定能够有效实现水处理设施稳定、低碳、高效运行的全流程智能控制策略，而智能控制技术必须基于大量水处理设施的实际运行数据和传感器。 这就需要建立一个开放的云平台，基于海量数据的采集、汇聚、分析和服务，支持资源的泛在连接、灵活供给和配置，满足水务行业数字化、网络化、智能化的需求。 水务公司提供的数据处理和全流程水智能控制策略。
1.2 智慧水务云平台技术的价值和意义
以水务行业数字化、网络化、智能化为目标，打造基于海量数据采集、汇聚、分析和服务系统的开放平台，支撑水务行业业务能力提升和资源配置，构建水工业生产体系的核心。 。 其本质是通过构建精密、实时的数据采集和连接系统以及工业大数据存储、集成、访问、分析和管理的开发环境，实现工业技术、经验和知识的建模化、标准化和软件化。 、再利用，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、协同进化的水工业新状态（见图 1）。
图1 智慧水务云平台技术价值
通过云计算、大数据、人工智能等新一代互联网技术，加上水务集团多年积累的行业知识和工艺技术，结合智慧运营管理理念，打造智慧水务运营管理水务行业平台上线。 建立区域水务集团所属水处理设施“数字化”应用和标准化运营体系，实现运营管理能力深度提升。 基于信息流融合，构建具有“感知、设备互联、数字集成、智能预测”等特点的智能云平台操作系统。
2智慧水务云平台技术体系
2.1 系统总体架构设计
智慧水务运营管理平台采用边缘计算和云计算融合的基础设施，包括设备层、PaaS层（平台服务层）、SaaS层（软件服务层）和模型层（见图2）。
图2 智慧水务云平台技术价值
智慧水务云平台的数据基础主要是利用各种通信方式接入各种设备、系统和产品，采集大量数据，并利用协议转换技术对不同来源的数据进行标准化和边缘整合。
工业PaaS层是基于工业模型、数据管理、数据处理、工业数据分析、工业微服务的开放平台。 其中，工业PaaS系统具有三大功能：①通过对工业数据的处理，与工业机构的数据结合，从而建立分析行业数据并挖掘其价值的能力； ②将工业技术原理、行业知识、流程基础、模型工具等标准化、软件化、模型化，封装成可循环的微服务组件； ③ 通过搭建软件开发环境，利用微服务组件、工业模型和应用开发工具，实现工业APP的快速定制。
SaaS层开发水务行业场景的业务逻辑功能。 通过在边缘层和平台层调用微服务，促进行业技术、经验、知识和最佳实践的建模、软件化和重新封装，从而形成满足不同场景的解决方案。 工业APP，包括数字孪生、流程运行模拟、专家诊断服务、能耗管理优化、运行管理调优和运行咨询、生产优化和智能控制、设备检修和预测性维护、监控和数据分析等，从而形成智慧水务云管理平台的最终使用价值。
2.2 平台数据采集/数据存储架构
2.2.1 数据采集方案设计
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无线通信或VPN有线通信将数据直接传输到云端。 通过VPN等方式传输数据时，数据会被加密。
云平台通过标准协议支持更多厂家的智能网关接入，并提供接口开发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，根据每个数据的特点选择合适的存储方式，利用数据湖技术实现统一的数据存储解决方案，满足高并发、高并发的要求。水务行业场景异构海量数据并发。 吞吐量、低延迟和高可用性的数据使用要求（参见图 4）。
图4 数据存储架构设计
3 具体应用场景及应用模式
3.1 基于物联网平台功能和专业化数据模型管理，实现工业实时大数据的采集、监控和分析
水处理设施不同工艺段的图形化显示，可以实时显示各工艺段的设备实时状态和实时仪表数据。 提高数据反馈的及时性，及时展示实时数据的变化。 当现场设备或仪器发生报警时，可以实时获取报警信息并第一时间显示给现场操作人员。
关键工艺参数以趋势曲线的形式显示实时数据，分析实时数据当前和过去的曲线趋势，对相同数据指标进行环比和同比数据分析，提供数据通过分析数据，为现场设备、仪器的操作和维护提供分析支持。 。
3.2 基于大数据分析技术，实现数据识别和清洗
以图形方式显示异常数据，并对异常数据进行统计分析，延长设备仪器的使用寿命，降低设备维护成本。 在地图上查看所有污水厂分布及在线状态，对异常数据进行多维度统计分析。
平台可以根据各种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，集成数据、模型和工具，开发智慧水务数字孪生
作为水务集团运营的“智慧大脑”的核心模块，数字孪生的本质是通过智慧水务将实时数据、静态数据、机理模型、BIM模型等进行集成开发，实现透明可感知的数字化实物资产及其运营状况的列报。 。
结合业务和大数据分析技术，通过建模和数据挖掘，对数据分析、水质预测、生化分析、控制参数优化、设备状态监测、能效分析等进行深度分析和可视化展示，结合具备各种工况预测、仿真、控制优化等功能，为集团水务运营管理提供运营辅助决策，探索基于云端的实时控制，追求高效稳定运行和劳动力优化利用。
3.4 开发完整的云管理系统，实现大型集团数字化全业务管控模式
基于智慧水务云平台，成套污水厂运营管理系统、成套供水业务运营管理系统、水环境运营管理系统等整套运营管理云系统，部署统一数据管控系统、自动控制专业管控系统，并基于系统快速应用，探索实现数字化“集团化”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，开发污水生化全过程智能控制解决方案，保证厌氧、缺氧、好氧等工艺阶段的工艺环境； 利用大数据技术与业务数据的合理关联，预测水厂进水流量，实现智能改善控制； 开发总磷虚拟仪器，实现生化除磷预测和智能加药控制； 基于人工智能及其识别基础，对活污泥中的指示生物进行分析和识别，为工作人员提供水厂运行的依据，并为水厂运行提供预测信息。
3.6 搭建远程协助平台，实现远程指挥设备运维模式
一些水设施运维人员缺乏专业技术能力，难以独立进行设备的日常运维。 例如，专业设备的维护需要专业人员远程指导和实时监督。
结合AR、远程协助、机器识别等技术，以及一整套辅助工具，实现远程实时引导系统，为水厂、村庄的远程维护和日常检查提供远程视频指挥和增强现实（AR）污水、乡镇泵站。 指导等创新互动（见图 5）。
图5 远程引导设备运维模式
4-SW智慧水务能效管理平台
4.1 平台概述
安科瑞电气拥有从终端感知、边缘计算到能效管理平台的产品状态体系。 -SW智慧水务能效管理平台安装保护、监测和分析处理装置，用于监测污水厂能耗总量和能耗强度，监测主要耗能设备能效，保障污水厂可靠运行污水厂节能改造，提高污水厂能效，为污水处理能效管理提供科学、完善的解决方案。 。
4.2 平台构成
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，涵盖水务中压变配电系统、电气安全、应急供电、能源管理、照明控制、设备运行和维护等。维护等，并贯穿水务能源信息流，帮助运维管理人员通过平台和APP实时了解配水系统的运行状态，并可适应水务的管理需求后勤部门以权力为基础。
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
对配水系统35kV、10kV电压等级配置继电保护和弧闪保护，实现遥测、遥信、遥控、遥调等功能，对异常情况及时报警。
监测变压器、水泵、风机的电流、电压、有功/无功功率、功率因数、负载因数、温度、三相平衡、异常报警等数据。
4.4.2 电能质量监测与管理
水务中大量大功率电机、水泵采用变频启动，导致配水系统产生大量谐波。 通过监测配电系统的谐波畸变、电压波动、闪变及容差指标，分析电能质量，并采取相应的电能质量控制措施，提高供电的电能质量。
4.4.3 电机管理
电机监控实现水务中电机的保护、遥测、遥信、遥控等功能。 电机保护器可对过载、短路、缺相、漏电等异常情况进行保护、监测和报警。 准确反映故障状态、故障时间、故障部位及相关信息，对电机进行健康诊断和预防性维护。 同时支持与PLC、软启动、变频器等配合，实现对电机的自动或远程控制，监视和控制各种工艺设备，保证正常生产。
4.4.4 能源消耗管理
建立水务计量系统，显示水务能量流动和能量损失。 利用能流图帮助水务分析能源消耗方向，识别能源消耗异常区域。
将所有与能源相关的参数集中在一个仪表盘上，从多个维度进行对比分析，实现各个工艺环节的能耗对比，帮助控制整个工厂的能源消耗、能源成本、标准煤排放等。
水务污水厂、水厂、水泵站等的电、水、气、冷、热等能耗数据统计，同比对比分析，能耗总量及能耗强度计算，标准煤计算和CO2排放统计趋势。
按照三级计量结构单独进行能效分析，满足能源管理体系的要求。 可以分析各车间/职能部门的能效水平、同比、环比、对标等。通过污水处理产量和系统采集的能耗数据，得出污水单耗趋势对污水单耗生成图表，并进行同比、环比分析，以便公司根据产品单耗调整生产工艺，从而降低能耗。
4.4.5 智能照明控制
系统为污水厂、水厂、水泵站等提供照明控制管理解决方案，支持单点控制、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定制自动识别日出和日落时间，实现自动控制功能，充分利用自然采光，实现室内和工厂照明的智能控制，达到安全、节能的目的。
4.4.6 电气安全
①电气火灾监测：监测配电系统回路漏电流、电缆温度，实现污水厂、水厂、水泵站的电气安全预警。
②火灾应急照明及疏散指示：快速启动疏散预案，按照预设的应急预案指导人员疏散。 系统连接消防应急照明指示系统数据，通过平面图显示疏散指示灯的工作状态和异常情况。
③消防设备电源监控：监控消防设备工作电源是否正常，确保发生火灾时消防设备能够正常使用。
④防火门监控系统：防火门监控系统集中控制其终端设备，即防火门监控模块、电动闭门器、电磁脱扣器的工作状态，监控疏散时防火门的开启、关闭及故障状态。通道实时显示，并显示终端设备开路、短路等故障信号。 系统采用第二消防总线将具有通信功能的监控模块相互连接。 当终端设备出现短路、断路等故障时，防火门监控器可发出报警信号，指示报警位置并保存报警信息，确保用电安全。 可靠性。
4.4.7 环境监测
污水厂、水厂、水泵站等场所温湿度、烟雾、水浸、视频、UPS电池房可燃气体浓度显示及预警，保障污水厂、水厂、水泵站安全运行，当可燃气体或有害气体浓度超标时，可自动启动排风机或新风系统，消除隐患，保持良好的水处理环境。
4.4.8 分布式光伏监控
实时监测低压并网柜各路电流、电压、功率、断路器分合状态等电气参数，监控逆变器运行情况，以及各路输入直流电压、直流电流、直流功率逆变器直流侧的光伏组串。 ，监测逆变器交流电压、交流电流、频率、功率因数、当前发电量、累计发电量，并将上述各监测参数的历史数据绘制成曲线。
平台根据厂区实际分布，通过3D或2.5D平面图展示屋顶和车棚分布式光伏组件的分布情况，显示汇流箱和并网点的位置，以及每个屋顶的装机容量。
4.4.9 过程模拟监控
平台通过实时监控粗筛、污水提升、细筛、曝气沉砂、改良生化处理、二沉、氯接触消毒、污泥浓缩及压滤、生物去除等工艺设备的运行情况。 2D 和 3D 方法。 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、吸砂泵、挖泥泵等低压电机控制柜或低压馈电柜安装电机保护，防止短路、过流、过载、启动超时、缺相、不平衡、低功率、接地/漏电、TE保护、堵转、逆序、温度等保护及外部故障连锁停机，配合PLC、软启动、变频器等.实现电机的自动或远程控制，监视和控制各种工艺设备，保证正常生产。
5 相关平台的部署硬件选型表
2、电气火灾监控系统
6总结与展望
通过建设智慧水务云管理平台，实现运营大数据的采集； 利用新一代信息技术，打破传统水务系统的数据孤岛，实现数据共享，增强水务业务全流程的智能化监管。 大数据分析开发与项目实际情况和工况相适应的管理模型和机制模型，建立水设施数字孪生和专家决策系统，实现运营辅助决策和控制； 应用智能化全业务管理系统，建立流通业务管理系统，实现一体化、集团化管理模式； 基于人机协作的可靠性支撑方案，打造坚不可摧的水务智能管理模式。
参考
[1] 郑钰琪. 智慧水务云平台技术应用与发展[J]. 智能城市设施，2023 年，175-177。
[2] 王艳华，董舒，刘娟，杨勇，熊毅，陈邦。 现代污水处理工程智慧水务管理云平台[J]. 项目管理技术, 2021, 19(5): 154-158.
[3] 罗贤伟楼宇能耗自控系统设计方案，庞子善，谭松柏，张业明，蒋怀德。 基于云计算的水利大数据平台系统设计与实践[J]. 供水与污水处理，2022，58(1)：144-150。
[4]安科瑞企业微电网设计与应用手册。 版本2022.05
关于作者
魏晓飞，安科瑞电气股份有限公司，主要研究方向为微电网能效管理及环境保护与安全用电。
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