基于平臺(tái)的城市排水泵站管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0.前言

近年來我國城市內(nèi)澇災(zāi)害頻發(fā)，造成人員傷亡以及經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重，嚴(yán)重威脅著城市的安全。數(shù)據(jù)顯示，2015-2018年我國平均每年受淹或發(fā)生內(nèi)澇城市的數(shù)量約占我國城市數(shù)量的1/5；人民生命財(cái)產(chǎn)也損失嚴(yán)重，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2021年截至上半年，我國因洪澇災(zāi)害所死亡失蹤人數(shù)達(dá)26人，造成經(jīng)濟(jì)損失達(dá)135億元。一方面，我們需要積極建設(shè)和管理排水設(shè)施；另一方面，建立城市防洪排澇監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。它不僅可以為管理部門提供城市河流和道路水位的實(shí)時(shí)信息，還可以為城市防洪管理提供技術(shù)和數(shù)據(jù)支持。泵站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)和邊緣計(jì)算等技術(shù)，以本地自控結(jié)合大數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)，為城市洪澇災(zāi)情監(jiān)測、內(nèi)澇預(yù)警和治理等方面提供解決方案。

1.城市泵站的分類

從應(yīng)用場景劃分，城市泵站可以分為三大類：排水泵站、污水泵站和供水泵站，排水泵站主要用以排水、排澇的泵站；污水泵站用來輸送生活廢水；而供水泵站主要用于城市生活供水。這三類泵站對(duì)于城市運(yùn)轉(zhuǎn)都必不可少，如何讓泵站有效、安全、低耗運(yùn)行是管理者首先需要關(guān)注的問題。泵站管理平臺(tái)通過現(xiàn)場監(jiān)測控制傳感器、邊緣計(jì)算、云平臺(tái)結(jié)合本地PLC為城市泵站的管理提供解決方案。

2.城市排水泵站的電氣設(shè)計(jì)

根據(jù)DJG 08-22-2018《城鎮(zhèn)排水泵站設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，排水泵站根據(jù)功率需求和當(dāng)?shù)?a target="_blank">供電條件，一般采用35kV或10kV供電。城市排水泵站負(fù)荷等級(jí)為二級(jí)負(fù)荷，重要地區(qū)的泵站應(yīng)按照yi級(jí)負(fù)荷設(shè)計(jì)。二級(jí)負(fù)荷的泵站一般需要有兩路電源互為備用或一路常用一路備用；yi級(jí)負(fù)荷的泵站需要有兩路獨(dú)立的電源，一路電源故障時(shí)另外一路電源可以不受影響?yīng)毩⒐╇姡厥馇闆r下還需要設(shè)置自備電源。以一個(gè)排水泵站為例，設(shè)置3臺(tái)10kV高壓異步電動(dòng)機(jī)和2臺(tái)0.4kV異步電動(dòng)機(jī)，平時(shí)2臺(tái)0.4kV異步電機(jī)運(yùn)行即可滿足排澇要求，在汛期*大可以5臺(tái)電機(jī)同時(shí)運(yùn)行，見圖1。

10kV母線采用單母分段接線，0.4kV母線采用單母線或單母分段接線。為了減小電機(jī)啟動(dòng)對(duì)系統(tǒng)造成的沖擊，功率較大的電機(jī)采用軟啟動(dòng)器啟動(dòng)。10kV電動(dòng)機(jī)無功補(bǔ)償采用就地補(bǔ)償機(jī)制，并確保補(bǔ)償后功率因數(shù)為0.95左右；0.4kV電動(dòng)機(jī)采用集中式無功補(bǔ)償，補(bǔ)償后功率因數(shù)不低于0.9。

圖1 中小型排水泵站電氣接線示意圖

3.泵站的電氣自動(dòng)化二次設(shè)計(jì)

3.1 泵站電氣設(shè)備的自動(dòng)控制、測量、保護(hù)、監(jiān)視、通訊方面。其內(nèi)容包括：泵站高壓送、變電系統(tǒng)；泵站0.4kV配電系統(tǒng)；泵站直流系統(tǒng)；電機(jī)的綜合保護(hù)系統(tǒng)。泵站的保護(hù)測控裝置配置如圖2所示。所有裝置均具備通訊接口，可通過智能網(wǎng)關(guān)接入本地監(jiān)控系統(tǒng)或者區(qū)域泵站管理平臺(tái)，智能網(wǎng)關(guān)具備邊緣計(jì)算和邏輯控制功能，可根據(jù)現(xiàn)場運(yùn)行工況進(jìn)行自動(dòng)控制。

圖2 泵站保護(hù)測控裝置配置圖

名稱	圖片	型號(hào)	功能	應(yīng)用
微機(jī)保護(hù)裝置		AM6	提供35kV和10kV線路、變壓器、電動(dòng)機(jī)、電容器、母聯(lián)保護(hù)備自投	保護(hù)測控裝置
多功能綜合測量儀表		APM520	三相電流、線電壓/三相相電壓、雙方向有功/無功功率、雙方向有功/無功電能、功率因數(shù)、頻率、諧波畸變率、電壓合格率統(tǒng)計(jì)，RS485/Modbus-RTU接口	高低壓回路電氣參數(shù)測量
電動(dòng)機(jī)測控裝置		ARD3M	適用于額定電壓至 660V 的低壓電動(dòng)機(jī)回路，集保護(hù)、測量、控制、通訊、運(yùn)維于一體。（過流、欠流）、電壓的（過壓、欠壓）及斷相、堵轉(zhuǎn)、短路、漏電、三相不平衡、過熱、接地、軸承磨損、定轉(zhuǎn)子偏心時(shí)、繞組老化予以報(bào)警或保護(hù)控制。	低壓電動(dòng)機(jī)保護(hù)控制
抗晃電裝置		ARD-KHD	電壓短暫失壓時(shí)防止接觸器脫扣，電壓恢復(fù)后不間斷運(yùn)行，避免系統(tǒng)受到?jīng)_擊。	抗晃電
無功補(bǔ)償控制器		ARC	根據(jù)目標(biāo)功率因數(shù)投切電容器實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償	無功補(bǔ)償控制
無線測溫傳感器		ATE400	監(jiān)測35kV及以下電壓等級(jí)配電系統(tǒng)母排、線纜連接點(diǎn)溫度和溫升預(yù)警。	適用于35kV及以下電壓等級(jí)開關(guān)柜母排、斷路器、電纜接頭等接點(diǎn)溫度監(jiān)測
無線測溫接收器		ATC600	接收無線測溫傳感器數(shù)據(jù)并通過RS485上傳。
智能網(wǎng)關(guān)		ANet-2E4SM	邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)，嵌入式linux系統(tǒng)，提供AES加密及MD5身份認(rèn)證等安全需求，支持?jǐn)帱c(diǎn)續(xù)傳，支持Modbus、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、101、103、104協(xié)議，支持邏輯判斷和控制。	數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換和邏輯判斷

表1 泵站保護(hù)測控裝置選型

3.2泵站及重要輔機(jī)系統(tǒng)的自動(dòng)控制、測量、監(jiān)視、通訊方面。其內(nèi)容包括：為主機(jī)配套的油系統(tǒng)的控制（例如：水泵葉片調(diào)節(jié)壓力油系統(tǒng)、快速閘門液（油）壓操作系統(tǒng)、油系統(tǒng)、齒輪箱冷卻油系統(tǒng)等）；為主機(jī)配套的氣系統(tǒng)的控制（為真空破壞閥（虹吸式泵站）所配的低壓氣系統(tǒng)、為水泵葉片調(diào)節(jié)配套的壓力油及其它氣動(dòng)工具用的中壓儲(chǔ)能氣系統(tǒng)）；泵站水系統(tǒng)（為主機(jī)組配套的冷卻水系統(tǒng)、泵站排水系統(tǒng)和消防用水系統(tǒng)等）。

3.3 各種非電量的自動(dòng)測量、監(jiān)視、通訊方面。其內(nèi)容如下：水工安全方面的位移、沉降、揚(yáng)壓力、應(yīng)力等各種監(jiān)測；水文、水位、水情、水量、水質(zhì)等各種監(jiān)測；各種溫度、濕度的監(jiān)測；絕緣監(jiān)測；各閘門開度、荷重等監(jiān)測。

這些信號(hào)均為模擬量和開關(guān)量形式輸出，采集信號(hào)為4-20mA模擬量信號(hào)和開關(guān)量信號(hào)，這些信號(hào)主要PLC裝置采集并進(jìn)行相應(yīng)的告警和控制，數(shù)據(jù)可上傳泵站管理平臺(tái)。

為了提高可靠性，4-20mA或者0-5V模擬量信號(hào)需要增加信號(hào)隔離裝置來實(shí)現(xiàn)限壓、限流、隔離等措施，增加系統(tǒng)的抗干擾能力。

名稱	圖片	型號(hào)	功能	應(yīng)用
隔離式安全柵		BM200	采用了限壓、限流、隔離等措施，防止危險(xiǎn)能量從本安端子進(jìn)入危險(xiǎn)現(xiàn)場，提高系統(tǒng)的本安防爆性能，增加了系統(tǒng)的抗干擾能力。輸入4-20mA、0-5V、PT100/0-10kΩ等信號(hào)，輸出4-20mA、0-5V等信號(hào)。	模擬量信號(hào)安全隔離
信號(hào)隔離器		BM100	對(duì)電流、電壓等電量參數(shù)或溫度、電阻等非電量參數(shù)進(jìn)行快速測量，經(jīng)隔離轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的模擬信號(hào)輸出。既可以直接與指針表、數(shù)顯表相接，也可以與自控儀表（如PLC）、各種A/D轉(zhuǎn)換器以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等設(shè)備配接。	信號(hào)轉(zhuǎn)換隔離
遙信單元		ARTU100-K8 ARTU100-K16 ARTU100-K32	可采集8~32路開關(guān)量，具備SOE事件順序記錄，RS485/Modbus-RTU接口。	開關(guān)量采集
遙信遙控單元		ARTU100-KJ8	8路開關(guān)量采集和8路繼電器輸出，RS485/Modbus-RTU接口。	開關(guān)量采集 繼電器輸出
模擬量采集單元		ARTU100-MA84	8路4-20mA/0-5V采集和4路4-20mA/0-5V輸出，RS485/Modbus-RTU接口。	模擬量采集輸出

表2 泵站信號(hào)采集及隔離裝置選型

3.4 泵站應(yīng)設(shè)置正常工作照明和應(yīng)急照明，并滿足各場所照度要求，應(yīng)急照明持續(xù)供電時(shí)間應(yīng)不少于30min。

表3 泵站照明系統(tǒng)要求

安科瑞為泵站提供消防應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)和智能照明控制系統(tǒng)解決方案。正常工作照明可以采用感應(yīng)控制、定時(shí)控制、遠(yuǎn)程控制等控制方式，滿足泵站工作照明要求。應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)提供不少于90min的應(yīng)急照明，采用集中電源供電，確保消防安全。消防應(yīng)急照明和工作照明控制均可接入泵站管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)測和控制。

圖3 泵站消防應(yīng)急照明和工作照明系統(tǒng)

3.5全站的視頻監(jiān)視系統(tǒng)及視頻信息上傳。

4.泵站管理系統(tǒng)

泵站管理平臺(tái)由本地保護(hù)測控裝置、測量采集儀表、PLC自控裝置、視頻安防、本地控制系統(tǒng)以及區(qū)域泵站管理平臺(tái)組成。通過泵站管理平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域內(nèi)泵站的數(shù)據(jù)采集、運(yùn)行監(jiān)測、控制調(diào)節(jié)、能耗分析、事故預(yù)告報(bào)警、事件記錄、運(yùn)維管理等功能，實(shí)現(xiàn)泵站無人值守、集中運(yùn)維管理，提高泵站的運(yùn)行可靠性。

圖4 泵站管理平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

4.1 泵站管理系統(tǒng)(就地部署)

Acrel-2000M泵站管理系統(tǒng)部署在泵站內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)對(duì)泵站的整體監(jiān)視、控制和運(yùn)行記錄，在異常時(shí)可及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，保障泵站運(yùn)行安全。

4.1.1泵閘全景圖

泵閘全景圖可以幫助用戶進(jìn)行整體的監(jiān)測泵閘整體的運(yùn)行狀態(tài)，比如內(nèi)外河水位、節(jié)制閘東西方向的開度、內(nèi)外側(cè)閘門的開度、水泵運(yùn)行的狀態(tài)以及電流。

4.1.2泵站總覽及單線圖顯示

查看泵站配電回路的分布和連接情況以及主要的電參量。主要數(shù)據(jù)包括：三相電流，三相電壓，功率、電能、功率因數(shù)、回路名稱。

4.1.3節(jié)制閘監(jiān)控

監(jiān)測節(jié)制閘運(yùn)行狀態(tài)，比如閘門開度，是否鎖定解鎖等狀態(tài)，同時(shí)具備監(jiān)測內(nèi)外河水位的趨勢(shì)、油泵的運(yùn)行情況。另外在該功能模塊可以實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)制閘、油泵的遠(yuǎn)程控制功能，并可以進(jìn)行遠(yuǎn)方/就地控制的切換。

4.1.4水泵運(yùn)行監(jiān)控

監(jiān)測水泵運(yùn)行狀態(tài)，比如運(yùn)行、停止、保護(hù)裝置故障等狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵遠(yuǎn)程控制、排水引水聯(lián)動(dòng)控制，在實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能之前將水泵、工作閘門PLC控制柜選擇遠(yuǎn)方。排水引水聯(lián)動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)將下發(fā)進(jìn)水閘門打開命令，直至進(jìn)水閘門全開狀態(tài)。

4.1.5閘門監(jiān)控

監(jiān)測工作門、油泵運(yùn)行狀態(tài)，比如運(yùn)行、停止等狀態(tài)，在該功能模塊可以實(shí)現(xiàn)對(duì)工作門、油泵遠(yuǎn)程控制。

4.1.6趨勢(shì)曲線分析

可以監(jiān)測電機(jī)運(yùn)行負(fù)荷曲線、內(nèi)外水位曲線等等，幫助用戶分析和記錄運(yùn)行趨勢(shì)。

此外，系統(tǒng)還具備異常報(bào)警、報(bào)表制表等功能，使管理人員及時(shí)了解電站運(yùn)行情況。

4.2 區(qū)域泵站管理平臺(tái)

AcrelEMS泵站管理平臺(tái)設(shè)置在云服務(wù)器或者區(qū)域指揮中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域內(nèi)不同類型泵站的統(tǒng)一監(jiān)控，提高管理效率。平臺(tái)具備泵站地理位置顯示、泵站3D展示、電力監(jiān)控、數(shù)據(jù)查詢、控制調(diào)節(jié)、能耗分析、視頻監(jiān)控、報(bào)警管理、設(shè)備管理、運(yùn)維管理等功能。數(shù)據(jù)可通過4G無線專網(wǎng)或網(wǎng)絡(luò)傳輸。

4.2.1泵站地理位置標(biāo)識(shí)

可在地圖標(biāo)識(shí)泵站位置，點(diǎn)擊地圖上圖標(biāo)可直接進(jìn)入泵站監(jiān)視界面。

4.2.2泵站工藝3D展示

通過2.5D或3D界面實(shí)時(shí)展示泵站運(yùn)行狀態(tài)，包括電氣數(shù)據(jù)、管網(wǎng)、水位、閘門狀態(tài)等。

4.2.3電力監(jiān)控

實(shí)時(shí)監(jiān)測泵站配電系統(tǒng)運(yùn)行狀況，包括電氣參數(shù)，越限/異常報(bào)警等等。

4.2.4泵站非電量監(jiān)控

平臺(tái)可展示泵站變壓器、電機(jī)、線纜等關(guān)鍵接點(diǎn)溫度，另外可對(duì)泵站電機(jī)振動(dòng)、環(huán)境溫濕度、水位、閘門狀態(tài)、視頻、門禁等各種參量，并可設(shè)置越限報(bào)警。

4.2.5能耗分析

分析各泵站電能消耗數(shù)據(jù)和碳排放分析，對(duì)標(biāo)水泵能效指標(biāo)，為管理者進(jìn)行設(shè)備能效升級(jí)改造提供數(shù)據(jù)支持。

4.2.6報(bào)警分析

平臺(tái)可對(duì)區(qū)域內(nèi)泵站的報(bào)警進(jìn)行分級(jí)：普通、嚴(yán)重、事故三個(gè)級(jí)別，并對(duì)所有事故進(jìn)行分析，幫助管理者更好了解泵站的運(yùn)行狀況，避免錯(cuò)過重要的報(bào)警信息。

4.2.7設(shè)備檔案及運(yùn)維管理

平臺(tái)針對(duì)泵站設(shè)備建立設(shè)備檔案庫，記錄設(shè)備生產(chǎn)廠家、性能參數(shù)、維護(hù)保養(yǎng)信息，并生成設(shè)備二維碼，支持運(yùn)維巡檢、缺陷記錄、工單管理、事故搶修等運(yùn)維管理流程，幫助用戶更有效的管理泵站運(yùn)維。

此外平臺(tái)可接入各泵站的照明控制系統(tǒng)、應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)數(shù)據(jù)，通過平臺(tái)進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控管理，提高泵站的運(yùn)行安全和管理效率。

審核編輯 黃宇