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淺談在線監測系統在水廠水質管理工程中的應用與研究
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【摘要】：隨著水廠水質管理技術和管理水平的提升，達到了在線監測系統通過監測數據的反饋，及時發現問題，快速處理事故，優化了水資源的利用率，提高了供水系統的穩定性和安全性，從而有效地提高供水安全，為水廠工藝調整提供保障。
【關鍵詞】：在線監測設備；水質管理平臺；研究
1.水廠在線水質自動監測系統的管理模式
現通過舉例烏魯木齊市紅雁池水廠中在線水質自動監測系統的應用，來說明在線水質自動監測系統在水質管理中的作用。烏魯木齊市紅雁池水廠是烏魯木齊烏拉泊水庫供水，將水送到水廠，水處理合格后，再輸送給用戶。該水廠分為東廠區和西廠區，目前供水量為17萬立方，可供51萬戶居民日常用水。
本水廠中在線水質監測是由在線監測設備（濁度計、PH計、余氯分析儀、氨氮在線監測儀、電導率儀、溶解氧測定儀、出水顆粒儀等監測設備）為主，通過相關的專用分析軟件、網絡，將水樣采集、水樣預處理、水樣測量、數據處理的過程動態監測，形成數據后發送至水質管理平臺，為有效保障水廠生產、工藝調節提供可靠保障。
2.水廠水質管理中在線水質監測系統的應用
2.1在線水質監測系統的構成
在線水質監測系統主要是由在線監測設備、遠程監測控制器、數據傳輸、水質管理平臺組成。在線監測系統分為采樣模塊、配水模塊、分析模塊和控制模塊四大模塊，系統的主要功能就是自動完成樣品的采集、分析以及數據的采集和傳輸任務。整個系統啟動后，就會按系統設定的程序自動開始采集水樣、分析水樣，然后監測數據由數據采集傳輸傳到水質管理平臺的服務器并保存在系統數據庫。
2.2在線監測系統的管理
紅雁池水廠在線檢測系統中在線設備數量較多，在原水、澄清池、濾后水、出水等主要環節均安裝有在線監測設備，并將監測數據實時傳送至水質管理平臺，水質監測中心管理本水廠水質管理工程平臺，通過實驗室數據檢測與在線設備監測數據比對，確定在線監測設備的穩定性。該廠在線監測設備為安科瑞生產的網絡電力儀表APM520、智能操控裝置ASD500、0.4kV電流互感器AKH-0.66、智能網關Anet系列等。
2.2.1遠程監測控制器
本水廠中，采用安科瑞Anet系列遠程在線監測傳輸終端設備，該設備支持接收上級主站系統下達的命令，并轉發給目標區域內的智能系列單元，完成對廠站內各開關設備的分合閘遠程控制或裝置的參數整定，實現遙控和遙調功能，以達到遠動輸出調度命令的目標。
2.2.2網絡電力儀表
水體的濁度主要來源于上游水源中的原水，水在流動過程中帶動水底泥沙會增加水體的濁度。在本水廠中，在線監測系統的且全部為安科瑞制造，APM5系列網絡電力儀表（以下簡稱儀表）按IEC國際標準設計，具有全電量測量、電能統計、電能質量分析（包括諧波、間諧波、閃變）、故障錄波功能(包括電壓暫升暫降中斷、沖擊電流等記錄)、事件記錄功能及網絡通訊等功能，主要用于電網供電質量的綜合監控。該系列儀表配有功能豐富的DI/DO模塊、AO模塊、無線通訊模塊、漏電測溫模塊，可以靈活實現電氣回路全電量測量及開關狀態監控。
2.2.3智能操控裝置
本水廠具有每天產出17萬方水的供水能力，水廠運用在線設備對水廠水質中ＰＨ指標進行控制。在本水廠中共計５臺，且全部為安科瑞制造，ASD系列開關柜綜合測控裝置用于3~35kV戶內開關柜，適用于中置柜、手車柜、固定柜、環網柜等多種開關柜。具有一次回路模擬圖及開關狀態指示，高壓帶電顯示及核相，自動溫濕度控制，加熱回路故障告警，分合閘回路完好指示、分合閘回路電壓測量、預分預合閃光指示、電氣節點無線測溫，人體感應自動照明，語音提示，電參數測量及RS485通訊接口等眾多功能，集操作、顯示于一體，這些功能的具備保障了ＰＨ計的使用簡單、便捷，使傳送到水質管理平臺的數據真實、可靠，達到及時調整工藝的目的。
2.2.4電流互感器
根據本水廠的生產狀況，選用安科瑞互感器配套網絡電力儀表，產品翻蓋式設計，外形美觀，接線方便。翻蓋材料選用透明聚碳酸酯，能清楚看到二次引線接線情況。立式方孔型，可穿越1-3根匯流排，不但具有Ⅰ、Ⅱ型的特點，而且可作供電系統計量電能用，以及可與電流繼電器配套作保護用。
2.2.5水質管理平臺
水質監測中心作為制水廠水質數據管理部門，管理該水質管理工程平臺，通過實驗室數據檢測與在線設備監測數據比對，確定在線監測設備的穩定性。水質管理平臺是在線監測系統的數據集中反饋、集合的中心層面，在線水質監測系統中水質管理平臺是由２臺監控電腦、數據控制軟件、數據庫服務器、現場控制單元ＥＣＵ、ＰＬＣ控制站等組成，通過多連接途徑的傳輸系統，對供水生產工藝，水質變化情況進行控制。水質管理平臺具有調節液位、壓力、流量、流速等參數，故障判斷、報警等功能。水質管理平臺通過計算機網絡技術能夠得到有效可靠的數據，實現了在線實時監測、監控和網絡化管理。
3.AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平臺
3.1平臺概述
安科瑞電氣具備從終端感知、邊緣計算到能效管理平臺的產品生態體系，AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平臺通過在污水廠源、網、荷、儲、充的各個關鍵節點安裝保護、監測、分析、治理裝置，用于監測污水廠能耗總量和能耗強度，監測主要用能設備能效，保護污水廠運行安全可靠，提高污水廠能效，為污水處理的能效管理提供科學、精細的解決方案。
3.2平臺組成
AcrelEMS智慧水務綜合能效管理系統由變電站綜合自動化系統、電力監控及能效管理系統組成，涵蓋了水務中壓變配電系統、電氣安全、應急電源、能源管理、照明控制、設備運維等，貫穿水務能源流的始終，幫助運維管理人員通過一套平臺、一個APP實時了解水務配電系統運行狀況，并且根據權限可以適用于水務后勤部門管理需要。
3.3平臺拓撲圖
3.4平臺子系統
3.4.1變電站綜合自動化系統及電力監控
對水務配電系統中35kV、10kV電壓等級配置繼電保護和弧光保護，實現遙測、遙信、遙控、遙調等功能，對異常情況及時預警。
監測變壓器、水泵、鼓風機的電流、電壓、有功/無功功率、功率因數、負荷率、溫度、三相平衡、異常報警等數據。
3.4.2電能質量監測與治理
水務中大量的大功率電機、水泵變頻啟動導致配電系統中存在大量諧波，通過監測其配電系統的諧波畸變、電壓波動、閃變和容忍度指標分析其電能質量，并配置對應的電能質量治理措施提高供電電能質量。
3.4.3電動機管理
馬達監控實現水務中電機的保護、遙測、遙信、遙控功能，電動機保護器能對過載、短路、缺相、漏電等異常情況進行保護、監測和報警。準確地反映出故障狀態、故障時間、故障地點、及相關信息，對電機進行健康診斷和預防性維護。同時支持與PLC、軟啟、變頻器等配合，實現電動機自動或遠程控制，監視、控制各個工藝設備,保障正常生產。
3.4.4能耗管理
為水務搭建計量體系，顯示水務的能源流向和能源損耗，通過能源流向圖幫助水務分析能源消耗去向，找出能源消耗異常區域。
將所有有關能源的參數集中在一個看板中，從多個維度對比分析，實現各個工藝環節的能耗對比，幫助領導掌控整個工廠的能源消耗，能源成本，標煤排放等的情況。
能耗數據統計采集水務中污水廠、自來水廠、水泵站等的用電、用水、燃氣、冷熱量消耗量，同環比對比分析，能耗總量和能耗強度計算，標煤計算和CO2排放統計趨勢。
能效分析按三級計量架構，分別進行能效分析，契合能源管理體系要求，可對各車間/職能部門的能效水平進行分析，同比、環比、對標等。通過污水處理產量以及系統采集的能耗數據，在污水單耗中生成污水單耗趨勢圖，并進行同比和環比分析，同時將污水的單耗與行業/國家/國際先進指標對標，以便企業能夠根據產品單耗情況來調整生產工藝，從而降低能耗。
3.4.6電氣安全
監測配電系統回路的漏電電流和線纜溫度，實現對污水廠、自來水廠、水泵站的電氣安全預警。
根據預先設置的應急預案快速啟動疏散方案引導人員疏散。系統接入消防應急照明指示系統數據，通過平面圖顯示疏散指示燈具工作狀態和異常情況。
監測消防設備的工作電源是否正常，保障在發生火災時消防設備可以正常投入使用。
防火門監控系統集中控制其各終端設備即防火門監控模塊、電動閉門器、電磁釋放器的工作狀態，實時監測疏散通道防火門的開啟、關閉及故障狀態，顯示終端設備開路、短路等故障信號。系統采用消防二總線將具有通信功能的監控模塊相互連接起來，當終端設備發生短路、斷路等故障時，防火門監控器能發出報警信號，能指示報警部位并保存報警信息，保障了電氣安全的可靠性。
3.4.7環境監測
污水廠、自來水廠、水泵站等場所溫濕度、煙霧、積水浸水、視頻、UPS電池間可燃氣體濃度展示和預警，保障污水廠、自來水廠、水泵站等安全運行。當可燃氣體或有害氣體濃度超標可自動啟動排風風機或新風系統，排除隱患，保持良好的水處理環境。
3.4.8分布式光伏監測
實時監測低壓并網柜每路的電流、電壓、功率等電氣參數及斷路器開關狀態，逆變器運行監視，對逆變器直流側每一光伏組串的輸入直流電壓、直流電流、直流功率，逆變器交流電壓、交流電流、頻率、功率因數、當前發電功率、累計發電量進行監測，以曲線方式繪制上述監測的各個參量的歷史數據。
平臺結合廠區實際分布情況，通過3D或2.5D平面圖顯示分布式光伏組件在屋頂、車棚的分布情況，顯示匯流箱、并網點位置，各個屋頂的裝機容量。
平臺通過2D、3D方式實時監視粗格柵、污水提升、細格柵、曝氣沉砂、改良生化處理、二沉、加氯接觸消毒、污泥濃縮壓濾、生物除臭等工藝設備運行狀態。在格柵清渣機、污水提升泵、回流泵、曝氣風機、加藥泵、濃縮壓濾機、吸沙泵、吸泥泵等低壓電動機控制柜或低壓饋電柜安裝電動機保護，進行短路、過流、過載、起動超時、斷相、不平衡、低功率、接地/漏電、te保護、堵轉、逆序、溫度等保護以及外部故障連鎖停機，與PLC、軟啟、變頻器等配合，實現電動機自動或遠程控制，監視、控制各個工藝設備,保障正常生產。
應用場合（10KV） | 產品 | 型號 | 功能 | |
| 10KV進/饋線 |
| AM6-L | 相間電流速斷保護，相間限時電流速斷保護（可帶低壓閉鎖），相間過電流保護（可帶低壓閉鎖），兩段式零序過流保護，反時限相間過流保護（可帶低壓閉鎖），零序反時限過流保護，過負荷保護，控制回路異常告警。 |
10/0.4KV變壓器 | AM6-S | 分合閘位置、手車工作/試驗位置、接地刀閘位置、硬接點信號(保護跳閘、裝置告警、控制回路斷線、裝置異常、未儲能、事故總等)、報文(過流、過負荷、超溫報警、過溫報警、裝置告警、PT斷線、CT斷線、對時異常等)、遙控開關、故障波形分析(故障錄波、故障波形、故障記錄、跳閘、故障電流電壓)等。 | ||
智能操控裝置 |
| ASD500 | 一次回路動態模擬圖、彈簧儲能指示、高壓帶電顯示及閉鎖、驗電、核相、自動溫濕度控制及顯示（標配一路強制加熱）、遠方/就地旋鈕、分合閘旋鈕、儲能旋鈕、人體感應、柜內照明控制、RS485接口、高壓柜內電氣接點無線測溫。 | |
10KV計量 |
| APM520 | 該儀表采用交流采樣技術，能分別測量電網中的電流、電壓、功率、功率因數和電能等參數，可通過面板薄膜開關設置倍率。帶RS-485通訊接口，采用Modbus協議;也可將電量信號轉換成標準的直流模擬信號輸出;或帶開關量輸入/輸出，繼電器報警輸出等功能。 | |
弧光保護 |
| ARB5-M | 主控單元，可接20路弧光信號或4個擴展單元，配置弧光保護（8組）、失靈保護（4組）、TA斷線監測（4組）、11個跳閘出口； | |
ARB5-E | 擴展單元，多可以插接6塊擴展插件，每個擴展插件可以采集5路弧光信號： | |||
| ARB5-S | 弧光探頭，可安裝于中壓開關柜的母線室、斷路器室或電纜室，也可于低壓柜。弧光探頭的檢測范圍為180°，半徑0.5m的扇形區域； | ||
應用場合（0.4KV） | 產品 | 型號 | 功能 | |
0.4KV進/出線 |
| APView500 | 相電壓電流＋零序電壓零序電流，電壓電流不平衡度，有功無功功率及電能、事件告警及故障錄波，諧波（電壓/電流63次諧波、63組間諧波、諧波相角、諧波含有率、諧波功率、諧波畸變率、K因子）、波動/閃變、電壓暫升、電壓暫降、電壓瞬態、電壓中斷、1024點波形采樣、觸發及定時錄波，波形實時顯示及故障波形查看，PQDIF格式文件存儲，內存32G，16D0＋22D1，通訊2RS485＋1RS232＋1GPS，3以太網接口（＋1維護網口）＋1USB接口支持U盤讀取數據，支持61850協議 | |
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| APM520 | 該儀表采用交流采樣技術，能分別測量電網中的電流、電壓、功率、功率因數和電能等參數，可通過面板薄膜開關設置倍率。帶RS-485通訊接口，采用Modbus協議;也可將電量信號轉換成標準的直流模擬信號輸出;或帶開關量輸入/輸出，繼電器報警輸出等功能。 | |
電能質量 |
| ARC | 測量I、U、Hz、cosΦ，具備過電壓保護、欠流鎖定、電網諧波過大保護功能,可控制電容器的投切，RS485/Modbus協議 | |
| ANSVC | ANSVC低壓無功功率補償裝置并聯在整個供電系統中，能根據電網中負載功率因數的變化通過控制器控制電力電容器投切進行補償,無功功率補償裝置采用散件組成方案，主要以電容電抗、投切開關、控制器等組成。 | ||
| ANAPF | ANAPF系列有源電力濾波器通過電流互感器采集系統諧波電流，經控制器快速計算并提取各次諧波電流的含量，產生諧波電流指令，通過功率執行器件產生與諧波電流幅值相等方向相反的補償電流，并注入電力系統中，從而抵消非線性負載所產生的諧波電流。 | ||
電動機保護器 | 電機回路 |
| ARD3M | 智能電動機保護器（以下簡稱保護器）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。其完善的保護功能確保電動機安全運行，帶有邏輯可編程功能，可以滿足多種控制方式。可選配不同通訊模塊適應現場通訊需求。該產品采用分體式結構，由主體、顯示單元、互感器組成，可適應各種柜體的安裝。具有許昌開普研究院有限公司、國家繼電保護及自動化設備質量監督檢驗中心檢測合格的型式檢驗報告證書和電磁兼容檢驗證書， |
配套附件 | 0.4kV電流互感器 |
| AKH-0.66 | 測量型互感器，采集交流電流信號 |
智能網關 |
| Anet系列 | 8個RS485串口2kV隔離，2個以太網接口，支持ModbusRTU、IEC-60870-5-101/103/104、CJ/T188、DL/T645等通訊協議設備的接入，支持ModbusRTU、ModbusTCP、IEC-60870-5-104等上傳協議、支持多中心不同數據服務要求，支持斷點續傳，裝置電源:220VAC/DC。 | |
應用場合（配電室） | 產品 | 型號 | 功能 | |
環境監測 | 溫濕度 |
| / | 用于配電房溫度和濕度。工作電源：AC/DC85～265V工作溫度：-40.0℃～99.9℃工作濕度：0%RH～99%RH |
煙霧 |
| / | 光電式煙霧傳感;電源正極（DC12V）：+12V，繼電器輸出：常開觸點 | |
水侵 |
| / | 接觸式水浸傳感器，監測變電所、電纜溝、控制室等場所積水情況，工作電源：DC10-30V工作溫度：-20℃~+60℃工作濕度：0%RH~80%RH響應時間：1s繼電器輸出：常開觸點 | |
局方檢測 |
| / | 監測變壓器、開關、開關柜的局部放電 | |
門禁 |
| / | 常開型；感應距離：30-50mm材質：鋅合金，銀灰色電度干接點輸出 | |
攝像機 |
| / | 視頻監控 | |
開關量模塊 |
| ARTU-KJ8 | 8路開關量輸入,8路繼電器輸出 | |
智能網關 |
| ANet-2E4SM | 4路RS485串口，光耦隔離，2路以太網接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPCUA、ModbusTCP（主、從）、104（主、從）、建筑能耗、SNMP、MQTT；（主模塊）輸入電源：DC12V～36V。支持4G擴展模塊，485擴展模塊,最多可擴展16路。 | |
5.結語
針對水源水水質的特點，烏魯木齊紅雁池水廠選擇了３９臺在線水質監測設備，建立了完整的在線水質監測系統。通過在線水質監測系統的應用，在線水質監測設備均能夠及時準確地反映水質實際變化情況，監測數據準確可靠，系統運行穩定，將現代化技術和信息化手段融為一體，大大優化了水質變化情況的控制率，同時對水廠生產及工藝調整過程中水質變化進行了實時監控，從而提高了供水的可靠性、安全性。通過本水廠在線監測系統對水質管理工程中的應用的研究發現，水廠要按照水廠水質的實際情況，選擇合適的在線水質監測系統，為水廠工藝調整和供水安全提供有利保障。
參考文獻：
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［2］楊大勇，林奎．環境監測自動監測系統信息共享技術研究［J］．中國環境監測
［3］楊奧．飲用水源水水質在線監測應用研究［D］．濟南：濟南大學
［4］安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2022.05版
［5］王茹.在線監測系統在水廠水質管理工程中的應用與研究
安科瑞唐曉娟13774431042
