王蘭
安科瑞電氣股份有限公司 201801
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)濟損失嚴重,嚴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;人民生命財產(chǎn)也損失嚴重,據(jù)統(tǒng)計,2021年截至上半年,我國因洪澇災(zāi)害所死亡失蹤人數(shù)達26人,造成經(jīng)濟損失達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時信息,還可以為城市防洪管理提供技術(shù)和數(shù)據(jù)支持。泵站遠程監(jiān)控系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)和邊緣計算等技術(shù),以本地自控結(jié)合大數(shù)據(jù)遠程監(jiān)控平臺,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。
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。如何讓泵站高效、安全、低耗運行是管理者首先需要關(guān)注的問題。泵站管理平臺通過現(xiàn)場監(jiān)測控制傳感器、邊緣計算、云平臺結(jié)合本地PLC為城市泵站的管理提供解決方案。
城市排水泵站的電氣設(shè)計
根據(jù)DJG 08-22-2018《城鎮(zhèn)排水泵站設(shè)計標準》,排水泵站根據(jù)功率需求和當(dāng)?shù)毓╇姉l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(yīng)按照一級負荷設(shè)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;一級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?yīng)毩⒐╇?,特殊情況下還需要設(shè)置自備電源。以一個排水泵站為例,設(shè)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*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(shù)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(shù)不低于0.9。
圖1 中小型排水泵站電氣接線示意圖
泵站的電氣自動化二次設(shè)計
3.1 泵站電氣設(shè)備的自動控制、測量、保護、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(wǎng)關(guān)接入本地監(jiān)控系統(tǒng)或者區(qū)域泵站管理平臺,智能網(wǎng)關(guān)具備邊緣計算和邏輯控制功能,可根據(jù)現(xiàn)場運行工況進行自動控制。
圖2 泵站保護測控裝置配置圖
名稱 | 圖片 | 型號 | 功能 | 應(yīng)用 |
微機保護裝置 | AM6 | 提供35kV和10kV線路、變壓器、電動機、電容器、母聯(lián)保護備自投 | 保護測控裝置 | |
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,RS485/Modbus-RTU接口 | 高低壓回路電氣參數(shù)測量 | |
電動機測控裝置 | ARD3M | 適用于額定電壓至 660V 的低壓電動機回路,集保護、測量、控制、通訊、運維于一體。(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、繞組老化予以報警或保護控制。 | 低壓電動機保護控制 | |
抗晃電裝置 | ARD-KHD | 電壓短暫失壓時防止接觸器脫扣,電壓恢復(fù)后不間斷運行,避免系統(tǒng)受到?jīng)_擊。 | 抗晃電 | |
無功補償控制器 | ARC | 根據(jù)目標功率因數(shù)投切電容器實現(xiàn)無功補償 | 無功補償控制 | |
無線測溫傳感器 | ATE400 | 監(jiān)測35kV及以下電壓等級配電系統(tǒng)母排、線纜連接點溫度和溫升預(yù)警。 | 適用于35kV及以下電壓等級開關(guān)柜母排、斷路器、電纜接頭等接點溫度監(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 | 邊緣計算網(wǎng)關(guān),嵌入式linux系統(tǒng),提供AES加密及MD5身份認證等安全需求,支持斷點續(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(nèi)容包括:為主機配套的油系統(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(nèi)容如下:水工安全方面的位移、沉降、揚壓力、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。
這些信號均為模擬量和開關(guān)量形式輸出,采集信號為4-20mA模擬量信號和開關(guān)量信號,這些信號主要PLC裝置采集并進行相應(yīng)的告警和控制,數(shù)據(jù)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(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 | 功能 | 應(yīng)用 |
隔離式安全柵 | BM200 | 采用了限壓、限流、隔離等措施,防止危險能量從本安端子進入危險現(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,輸出4-20mA、0-5V等信號。 | 模擬量信號安全隔離 | |
信號隔離器 | BM100 | 對電流、電壓等電量參數(shù)或溫度、電阻等非電量參數(shù)進行快速測量,經(jīng)隔離轉(zhuǎn)換成標準的模擬信號輸出。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)換器以及計算機系統(tǒng)等設(shè)備配接。 | 信號轉(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)供電時間應(yīng)不少于30min。
工作場所 | 工作面名稱 | 規(guī)定照度被照面 | 工作照明(lx) | 應(yīng)急照明(lx) |
泵房間、格柵間 | 設(shè)備布置和維護地區(qū) | 離地0.8m水平面 | 150 | 10 |
高低壓配電裝置室 | 設(shè)備布置和維護地區(qū) | 離地0.8m水平面 | 200 | 15 |
控制室 | 設(shè)備布置和維護地區(qū) | 離地0.8m水平面 | 300 | 30 |
變壓器室 | 設(shè)備布置和維護地區(qū) | 離地0.8m水平面 | 100 | 15 |
樓梯 | 離地0.8m水平面 | 50 | 5.0 | |
通道 | 離地0.8m水平面 | 50 | 1.0 |
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、定時控制、遠程控制等控制方式,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實現(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。
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(xiàn)對區(qū)域內(nèi)泵站的數(shù)據(jù)采集、運行監(jiān)測、控制調(diào)節(jié)、能耗分析、事故預(yù)告報警、事件記錄、運維管理等功能,實現(xiàn)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(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,實現(xiàn)對泵站的全面監(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。
泵閘全景圖可以幫助用戶進行全面的監(jiān)測泵閘全面的運行狀態(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、水泵運行的狀態(tài)以及電流。
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。
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(nèi)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(xiàn)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。
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(xiàn)對水泵遠程控制、排水引水聯(lián)動控制,在實現(xiàn)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)。
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(xiàn)對工作門、油泵遠程控制。
趨勢曲線分析
可以監(jiān)測電機運行負荷曲線、內(nèi)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(shè)置在云服務(wù)器或者區(qū)域指揮中心,實現(xiàn)對區(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、報警管理、設(shè)備管理、運維管理等功能。數(shù)據(jù)可通過4G無線專網(wǎng)或網(wǎng)絡(luò)傳輸。
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。
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(shù)據(jù)、管網(wǎng)、水位、閘門狀態(tài)等。
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(shù),越限/異常報警等等。
泵站非電量監(jiān)控
平臺可展示泵站變壓器、電機、線纜等關(guān)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(shè)置越限報警。
能耗分析
分析各泵站電能消耗數(shù)據(jù)和碳排放分析,對標水泵能效指標,為管理者進行設(shè)備能效升級改造提供數(shù)據(jù)支持。
報警分析
平臺可對區(qū)域內(nèi)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。
設(shè)備檔案及運維管理
平臺針對泵站設(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)、維護保養(yǎng)信息,并生成設(shè)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,幫助用戶更高效的管理泵站運維。
此外平臺可接入各泵站的照明控制系統(tǒng)、應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)數(shù)據(jù),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。