基于平臺的城市排水泵站管理系統(tǒng)設計

近年來我國城市內澇災害頻發(fā)，造成人員傷亡以及經濟損失嚴重，嚴重威脅著城市的安全。數據顯示，2015-2018年我國平均每年受淹或發(fā)生內澇城市的數量約占我國城市數量的1/5；人民生命財產也損失嚴重.一方面，我們需要建設和管理排水設施；另一方面，建立城市防洪排澇監(jiān)測預警系統(tǒng)。它不僅可以為管理部門提供城市河流和道路水位的實時信息，還可以為城市防洪管理提供技術和數據支持。泵站遠程監(jiān)控系統(tǒng)基于物聯(lián)網和邊緣計算等技術，以本地自控結合大數據遠程監(jiān)控平臺，為城市洪澇災情監(jiān)測、內澇預警和治理等方面提供解決方案。

1. 城市泵站的分類

從應用場景劃分，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，如何讓泵站安全、低耗運行是管理者首先需要關注的問題。泵站管理平臺通過現場監(jiān)測控制傳感器、邊緣計算、云平臺結合本地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計

根據DJG 08-22-2018《城鎮(zhèn)排水泵站設計標準》，排水泵站根據功率需求和當地供電條件，一般采用35kV或10kV供電。城市排水泵站負荷等級為二級負荷，重要地區(qū)的泵站應按照負荷設計。二級負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；負荷的泵站需要有兩路獨立的電源，一路電源故障時另外一路電源可以不受影響獨立供電，特殊情況下還需要設置自備電源。以一個排水泵站為例，設置3臺10kV高壓異步電動機和2臺0.4kV異步電動機，平時2臺0.4kV異步電機運行即可滿足排澇要求，在汛期至大可以5臺電機同時運行，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。為了減小電機啟動對系統(tǒng)造成的沖擊，功率較大的電機采用軟啟動器啟動。10kV電動機無功補償采用就地補償機制，并確保補償后功率因數為0.95左右；0.4kV電動機采用集中式無功補償，補償后功率因數不低于0.9。

圖1 中小型排水泵站電氣接線示意圖

3. 泵站的電氣自動化二次設計

3.1 泵站電氣設備的自動控制、測量、保護、監(jiān)視、通訊方面。其內容包括：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)；電機的綜合保護系統(tǒng)。泵站的保護測控裝置配置如圖2所示。所有裝置均具備通訊接口，可通過智能網關接入本地監(jiān)控系統(tǒng)或者區(qū)域泵站管理平臺，智能網關具備邊緣計算和邏輯控制功能，可根據現場運行工況進行自動控制。

圖2 泵站保護測控裝置配置圖

表1 泵站保護測控裝置選型

3.2泵站及重要輔機系統(tǒng)的自動控制、測量、監(jiān)視、通訊方面。其內容包括：為主機配套的油系統(tǒng)的控制（例如：水泵葉片調節(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)、為水泵葉片調節(jié)配套的壓力油及其它氣動工具用的中壓儲能氣系統(tǒng)）；泵站水系統(tǒng)（為主機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 各種非電量的自動測量、監(jiān)視、通訊方面。其內容如下：水工安全方面的位移、沉降、揚壓力、應力等各種監(jiān)測；水文、水位、水情、水量、水質等各種監(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。

這些信號均為模擬量和開關量形式輸出，采集信號為4-20mA模擬量信號和開關量信號，這些信號主要PLC裝置采集并進行相應的告警和控制，數據可上傳泵站管理平臺。

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

表2 泵站信號采集及隔離裝置選型

3.4 泵站應設置正常工作照明和應急照明，并滿足各場所照度要求，應急照明持續(xù)供電時間應不少于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控制、定時控制、遠程控制等控制方式，滿足泵站工作照明要求。應急照明和疏散指示系統(tǒng)提供不少于90min的應急照明，采用集中電源供電，確保消防安全。消防應急照明和工作照明控制均可接入泵站管理平臺實現集中監(jiān)測和控制。

圖3 泵站消防應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)

泵站管理平臺由本地保護測控裝置、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)域泵站管理平臺組成。通過泵站管理平臺可以實現對區(qū)域內泵站的數據采集、運行監(jiān)測、控制調節(jié)、能耗分析、事故預告報警、事件記錄、運維管理等功能，實現泵站無人值守、集中運維管理，提高泵站的運行可靠性。

圖4 泵站管理平臺網絡結構示意圖

4.1 泵站管理系統(tǒng)(就地部署)

Acrel-2000M泵站管理系統(tǒng)部署在泵站內部，實現對泵站的監(jiān)視、控制和運行記錄，在異常時可及時發(fā)出報警信號，保障泵站運行安全。

①　泵閘全景圖

泵閘全景圖可以幫助用戶進行的監(jiān)測泵閘的運行狀態(tài)，比如內外河水位、節(jié)制閘東西方向的開度、內外側閘門的開度、水泵運行的狀態(tài)以及電流。

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。主要數據包括：三相電流，三相電壓，功率、電能、功率因數、回路名稱。

③　節(jié)制閘監(jiān)控

監(jiān)測節(jié)制閘運行狀態(tài)，比如閘門開度，是否鎖定解鎖等狀態(tài)，同時具備監(jiān)測內外河水位的趨勢、油泵的運行情況。另外在該功能模塊可以實現對節(jié)制閘、油泵的遠程控制功能，并可以進行遠方/就地控制的切換。

④　水泵運行監(jiān)控

監(jiān)測水泵運行狀態(tài)，比如運行、停止、保護裝置故障等狀態(tài)，實現對水泵遠程控制、排水引水聯(lián)動控制，在實現遠程控制功能之前將水泵、工作閘門PLC控制柜選擇遠方。排水引水聯(lián)動時，系統(tǒng)將下發(fā)進水閘門打開命令，直至進水閘門全開狀態(tài)。

⑤　閘門監(jiān)控

監(jiān)測工作門、油泵運行狀態(tài)，比如運行、停止等狀態(tài)，在該功能模塊可以實現對工作門、油泵遠程控制。

⑥　趨勢曲線分析

可以監(jiān)測電機運行負荷曲線、內外水位曲線等等，幫助用戶分析和記錄運行趨勢。

此外，系統(tǒng)還具備異常報警、報表制表等功能，使管理人員及時了解電站運行情況。

4.2 區(qū)域泵站管理平臺

AcrelEMS泵站管理平臺設置在云服務器或者區(qū)域指揮中心，實現對區(qū)域內不同類型泵站的統(tǒng)一監(jiān)控，提高管理效率。平臺具備泵站地理位置顯示、泵站3D展示、電力監(jiān)控、數據查詢、控制調節(jié)、能耗分析、視頻監(jiān)控、報警管理、設備管理、運維管理等功能。數據可通過4G無線專網或網絡傳輸。

①　泵站地理位置標識

可在地圖標識泵站位置，點擊地圖上圖標可直接進入泵站監(jiān)視界面。

②　泵站工藝3D展示

通過2.5D或3D界面實時展示泵站運行狀態(tài)，包括電氣數據、管網、水位、閘門狀態(tài)等。

③　電力監(jiān)控

實時監(jiān)測泵站配電系統(tǒng)運行狀況，包括電氣參數，越限/異常報警等等。

④　泵站非電量監(jiān)控

平臺可展示泵站變壓器、電機、線纜等關鍵接點溫度，另外可對泵站電機振動、環(huán)境溫濕度、水位、閘門狀態(tài)、視頻、門禁等各種參量，并可設置越限報警。

⑤　能耗分析

分析各泵站電能消耗數據和碳排放分析，對標水泵能效指標，為管理者進行設備能效升級改造提供數據支持。

⑥　報警分析

平臺可對區(qū)域內泵站的報警進行分級：普通、嚴重、事故三個級別，并對所有事故進行分析，幫助管理者更好了解泵站的運行狀況，避免錯過重要的報警信息。

⑦　設備檔案及運維管理

平臺針對泵站設備建立設備檔案庫，記錄設備生產廠家、性能參數、維護保養(yǎng)信息，并生成設備二維碼，支持運維巡檢、缺陷記錄、工單管理、事故搶修等運維管理流程，幫助用戶管理泵站運維。

此外平臺可接入各泵站的照明控制系統(tǒng)、應急照明和疏散指示系統(tǒng)數據，通過平臺進行統(tǒng)一監(jiān)控管理，提高泵站的運行安全和管理效率。