浅谈在线监测系统在水厂水质管理工程中的应用与研究

【摘要】：随着水厂水质管理技术和管理水平的提升，达到了在线监测系统通过监测数据的反馈，及时发现问题，快速处理事故，优化了水资源的利用率，提高了供水系统的稳定性和安全性，从而有效地提高供水安全，为水厂工艺调整提供保障。

【关键词】：在线监测设备；水质管理平台；研究

1.水厂在线水质自动监测系统的管理模式

现通过举例乌鲁木齐市红雁池水厂中在线水质自动监测系统的应用，来说明在线水质自动监测系统在水质管理中的作用。乌鲁木齐市红雁池水厂是乌鲁木齐乌拉泊水库供水，将水送到水厂，水处理合格后，再输送给用户。该水厂分为东厂区和西厂区，目前供水量为17万立方，可供51万户居民日常用水。

本水厂中在线水质监测是由在线监测设备（浊度计、PH计、余氯分析仪、氨氮在线监测仪、电导率仪、溶解氧测定仪、出水颗粒仪等监测设备）为主，通过相关的专用分析软件、网络，将水样采集、水样预处理、水样测量、数据处理的过程动态监测，形成数据后发送至水质管理平台，为有效保障水厂生产、工艺调节提供可靠保障。

2.水厂水质管理中在线水质监测系统的应用

2.1在线水质监测系统的构成

在线水质监测系统主要是由在线监测设备、远程监测控制器、数据传输、水质管理平台组成。在线监测系统分为采样模块、配水模块、分析模块和控制模块四大模块，系统的主要功能就是自动完成样品的采集、分析以及数据的采集和传输任务。整个系统启动后，就会按系统设定的程序自动开始采集水样、分析水样，然后监测数据由数据采集传输传到水质管理平台的服务器并保存在系统数据库。

2.2在线监测系统的管理

红雁池水厂在线检测系统中在线设备数量较多，在原水、澄清池、滤后水、出水等主要环节均安装有在线监测设备，并将监测数据实时传送至水质管理平台，水质监测中心管理本水厂水质管理工程平台，通过实验室数据检测与在线设备监测数据比对，确定在线监测设备的稳定性。该厂在线监测设备为安科瑞生产的网络电力仪表APM520、智能操控装置ASD500、0.4kV电流互感器AKH-0.66、智能网关Anet系列等。

2.2.1远程监测控制器

本水厂中，采用安科瑞Anet系列远程在线监测传输终端设备，该设备支持接收上级主站系统下达的命令，并转发给目标区域内的智能系列单元，完成对厂站内各开关设备的分合闸远程控制或装置的参数整定，实现遥控和遥调功能，以达到远动输出调度命令的目标。

2.2.2网络电力仪表

水体的浊度主要来源于上游水源中的原水，水在流动过程中带动水底泥沙会增加水体的浊度。在本水厂中，在线监测系统的且全部为安科瑞制造，APM5系列网络电力仪表（以下简称仪表）按IEC国际标准设计，具有全电量测量、电能统计、电能质量分析（包括谐波、间谐波、闪变）、故障录波功能(包括电压暂升暂降中断、冲击电流等记录)、事件记录功能及网络通讯等功能，主要用于电网供电质量的综合监控。该系列仪表配有功能丰富的DI/DO模块、AO模块、无线通讯模块、漏电测温模块，可以灵活实现电气回路全电量测量及开关状态监控。

2.2.3智能操控装置

本水厂具有每天产出17万方水的供水能力，水厂运用在线设备对水厂水质中ＰＨ指标进行控制。在本水厂中共计５台，且全部为安科瑞制造，ASD系列开关柜综合测控装置用于3~35kV户内开关柜，适用于中置柜、手车柜、固定柜、环网柜等多种开关柜。具有一次回路模拟图及开关状态指示，高压带电显示及核相，自动温湿度控制，加热回路故障告警，分合闸回路完好指示、分合闸回路电压测量、预分预合闪光指示、电气节点无线测温，人体感应自动照明，语音提示，电参数测量及RS485通讯接口等众多功能，集操作、显示于一体，这些功能的具备保障了ＰＨ计的使用简单、便捷，使传送到水质管理平台的数据真实、可靠，达到及时调整工艺的目的。

2.2.4电流互感器

根据本水厂的生产状况，选用安科瑞互感器配套网络电力仪表，产品翻盖式设计，外形美观，接线方便。翻盖材料选用透明聚碳酸酯，能清楚看到二次引线接线情况。立式方孔型，可穿越1-3根汇流排，不但具有Ⅰ、Ⅱ型的特点，而且可作供电系统计量电能用，以及可与电流继电器配套作保护用。

2.2.5水质管理平台

水质监测中心作为制水厂水质数据管理部门，管理该水质管理工程平台，通过实验室数据检测与在线设备监测数据比对，确定在线监测设备的稳定性。水质管理平台是在线监测系统的数据集中反馈、集合的中心层面，在线水质监测系统中水质管理平台是由２台监控电脑、数据控制软件、数据库服务器、现场控制单元ＥＣＵ、ＰＬＣ控制站等组成，通过多连接途径的传输系统，对供水生产工艺，水质变化情况进行控制。水质管理平台具有调节液位、压力、流量、流速等参数，故障判断、报警等功能。水质管理平台通过计算机网络技术能够得到有效可靠的数据，实现了在线实时监测、监控和网络化管理。

3.AcrelEMS-SW智慧水务能效管理平台

3.1平台概述

安科瑞电气具备从终端感知、边缘计算到能效管理平台的产品生态体系，AcrelEMS-SW智慧水务能效管理平台通过在污水厂源、网、荷、储、充的各个关键节点安装保护、监测、分析、治理装置，用于监测污水厂能耗总量和能耗强度，监测主要用能设备能效，保护污水厂运行安全可靠，提高污水厂能效，为污水处理的能效管理提供科学、精细的解决方案。

3.2平台组成

AcrelEMS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，涵盖了水务中压变配电系统、电气安全、应急电源、能源管理、照明控制、设备运维等，贯穿水务能源流的始终，帮助运维管理人员通过一套平台、一个APP实时了解水务配电系统运行状况，并且根据权限可以适用于水务后勤部门管理需要。

3.3平台拓扑图

3.4平台子系统

3.4.1变电站综合自动化系统及电力监控

对水务配电系统中35kV、10kV电压等级配置继电保护和弧光保护，实现遥测、遥信、遥控、遥调等功能，对异常情况及时预警。

监测变压器、水泵、鼓风机的电流、电压、有功/无功功率、功率因数、负荷率、温度、三相平衡、异常报警等数据。

3.4.2电能质量监测与治理

水务中大量的大功率电机、水泵变频启动导致配电系统中存在大量谐波，通过监测其配电系统的谐波畸变、电压波动、闪变和容忍度指标分析其电能质量，并配置对应的电能质量治理措施提高供电电能质量。

3.4.3电动机管理

马达监控实现水务中电机的保护、遥测、遥信、遥控功能，电动机保护器能对过载、短路、缺相、漏电等异常情况进行保护、监测和报警。准确地反映出故障状态、故障时间、故障地点、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、变频器等配合，实现电动机自动或远程控制，监视、控制各个工艺设备,保障正常生产。

3.4.4能耗管理

为水务搭建计量体系，显示水务的能源流向和能源损耗，通过能源流向图帮助水务分析能源消耗去向，找出能源消耗异常区域。

将所有有关能源的参数集中在一个看板中，从多个维度对比分析，实现各个工艺环节的能耗对比，帮助领导掌控整个工厂的能源消耗，能源成本，标煤排放等的情况。

能耗数据统计采集水务中污水厂、自来水厂、水泵站等的用电、用水、燃气、冷热量消耗量，同环比对比分析，能耗总量和能耗强度计算，标煤计算和CO2排放统计趋势。

能效分析按三级计量架构，分别进行能效分析，契合能源管理体系要求，可对各车间/职能部门的能效水平进行分析，同比、环比、对标等。通过污水处理产量以及系统采集的能耗数据，在污水单耗中生成污水单耗趋势图，并进行同比和环比分析，同时将污水的单耗与行业/国家/国际先进指标对标，以便企业能够根据产品单耗情况来调整生产工艺，从而降低能耗。

3.4.5智能照明控制

系统为污水厂、自来水厂、水泵站等提供了照明控制管理方案，支持单控、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，模块可根据经纬度自动识别日出日落时间实现自动控制功能，尽量利用自然光照，实现室内、厂区照明的智能控制达到安全、节能、舒适目的。

3.4.6电气安全

3.4.6.1电气火灾监测

监测配电系统回路的漏电电流和线缆温度，实现对污水厂、自来水厂、水泵站的电气安全预警。

3.4.6.2消防应急照明和疏散指示

根据预先设置的应急预案快速启动疏散方案引导人员疏散。系统接入消防应急照明指示系统数据，通过平面图显示疏散指示灯具工作状态和异常情况。

3.4.6.3消防设备电源监测

监测消防设备的工作电源是否正常，保障在发生火灾时消防设备可以正常投入使用。

3.4.6.4防火门监控系统

防火门监控系统集中控制其各终端设备即防火门监控模块、电动闭门器、电磁释放器的工作状态，实时监测疏散通道防火门的开启、关闭及故障状态，显示终端设备开路、短路等故障信号。系统采用消防二总线将具有通信功能的监控模块相互连接起来，当终端设备发生短路、断路等故障时，防火门监控器能发出报警信号，能指示报警部位并保存报警信息，保障了电气安全的可靠性。

3.4.7环境监测

污水厂、自来水厂、水泵站等场所温湿度、烟雾、积水浸水、视频、UPS电池间可燃气体浓度展示和预警，保障污水厂、自来水厂、水泵站等安全运行。当可燃气体或有害气体浓度超标可自动启动排风风机或新风系统，排除隐患，保持良好的水处理环境。

3.4.8分布式光伏监测

实时监测低压并网柜每路的电流、电压、功率等电气参数及断路器开关状态，逆变器运行监视，对逆变器直流侧每一光伏组串的输入直流电压、直流电流、直流功率，逆变器交流电压、交流电流、频率、功率因数、当前发电功率、累计发电量进行监测，以曲线方式绘制上述监测的各个参量的历史数据。

平台结合厂区实际分布情况，通过3D或2.5D平面图显示分布式光伏组件在屋顶、车棚的分布情况，显示汇流箱、并网点位置，各个屋顶的装机容量。

3.4.9工艺仿真监控

平台通过2D、3D方式实时监视粗格栅、污水提升、细格栅、曝气沉砂、改良生化处理、二沉、加氯接触消毒、污泥浓缩压滤、生物除臭等工艺设备运行状态。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、吸沙泵、吸泥泵等低压电动机控制柜或低压馈电柜安装电动机保护，进行短路、过流、过载、起动超时、断相、不平衡、低功率、接地/漏电、te保护、堵转、逆序、温度等保护以及外部故障连锁停机，与PLC、软启、变频器等配合，实现电动机自动或远程控制，监视、控制各个工艺设备,保障正常生产。

4相关平台部署硬件选型清单

4.1电力监控、电能质量、电动机管理及配电室环境监控系统

应用场合（10KV）		产品	型号	功能
	10KV进/馈线		AM6-L	相间电流速断保护，相间限时电流速断保护（可带低压闭锁），相间过电流保护（可带低压闭锁），两段式零序过流保护，反时限相间过流保护（可带低压闭锁），零序反时限过流保护，过负荷保护，控制回路异常告警。
	10/0.4KV变压器		AM6-S	分合闸位置、手车工作/试验位置、接地刀闸位置、硬接点信号(保护跳闸、装置告警、控制回路断线、装置异常、未储能、事故总等)、报文(过流、过负荷、超温报警、过温报警、装置告警、PT断线、CT断线、对时异常等)、遥控开关、故障波形分析(故障录波、故障波形、故障记录、跳闸、故障电流电压)等。
	智能操控装置		ASD500	一次回路动态模拟图、弹簧储能指示、高压带电显示及闭锁、验电、核相、自动温湿度控制及显示（标配一路强制加热）、远方/就地旋钮、分合闸旋钮、储能旋钮、人体感应、柜内照明控制、RS485接口、高压柜内电气接点无线测温。
	10KV计量		APM520	该仪表采用交流采样技术，能分别测量电网中的电流、电压、功率、功率因数和电能等参数，可通过面板薄膜开关设置倍率。带RS-485通讯接口，采用Modbus协议;也可将电量信号转换成标准的直流模拟信号输出;或带开关量输入/输出，继电器报警输出等功能。
	弧光保护		ARB5-M	主控单元，可接20路弧光信号或4个扩展单元，配置弧光保护（8组）、失灵保护（4组）、TA断线监测（4组）、11个跳闸出口；
			ARB5-E	扩展单元，多可以插接6块扩展插件，每个扩展插件可以采集5路弧光信号：
			ARB5-S	弧光探头，可安装于中压开关柜的母线室、断路器室或电缆室，也可于低压柜。弧光探头的检测范围为180°，半径0.5m的扇形区域；
应用场合（0.4KV）		产品	型号	功能
	0.4KV进/出线		APView500	相电压电流＋零序电压零序电流，电压电流不平衡度，有功无功功率及电能、事件告警及故障录波，谐波（电压/电流63次谐波、63组间谐波、谐波相角、谐波含有率、谐波功率、谐波畸变率、K因子）、波动/闪变、电压暂升、电压暂降、电压瞬态、电压中断、1024点波形采样、触发及定时录波，波形实时显示及故障波形查看，PQDIF格式文件存储，内存32G，16D0＋22D1，通讯2RS485＋1RS232＋1GPS，3以太网接口（＋1维护网口）＋1USB接口支持U盘读取数据，支持61850协议
			APM520	该仪表采用交流采样技术，能分别测量电网中的电流、电压、功率、功率因数和电能等参数，可通过面板薄膜开关设置倍率。带RS-485通讯接口，采用Modbus协议;也可将电量信号转换成标准的直流模拟信号输出;或带开关量输入/输出，继电器报警输出等功能。
	电能质量		ARC	测量I、U、Hz、cosΦ，具备过电压保护、欠流锁定、电网谐波过大保护功能,可控制电容器的投切，RS485/Modbus协议
			ANSVC	ANSVC低压无功功率补偿装置并联在整个供电系统中，能根据电网中负载功率因数的变化通过控制器控制电力电容器投切进行补偿,无功功率补偿装置采用散件组成方案，主要以电容电抗、投切开关、控制器等组成。
			ANAPF	ANAPF系列有源电力滤波器通过电流互感器采集系统谐波电流，经控制器快速计算并提取各次谐波电流的含量，产生谐波电流指令，通过功率执行器件产生与谐波电流幅值相等方向相反的补偿电流，并注入电力系统中，从而抵消非线性负载所产生的谐波电流。
电动机保护器	电机回路		ARD3M	智能电动机保护器（以下简称保护器）适用于额定电压至660V的低压电动机回路，集保护、测量、控制、通讯、运维于一体。其完善的保护功能确保电动机安全运行，带有逻辑可编程功能，可以满足多种控制方式。可选配不同通讯模块适应现场通讯需求。该产品采用分体式结构，由主体、显示单元、互感器组成，可适应各种柜体的安装。具有许昌开普研究院有限公司、国家继电保护及自动化设备质量监督检验中心检测合格的型式检验报告证书和电磁兼容检验证书，
配套附件	0.4kV电流互感器		AKH-0.66	测量型互感器，采集交流电流信号
智能网关			Anet系列	8个RS485串口2kV隔离，2个以太网接口，支持ModbusRTU、IEC-60870-5-101/103/104、CJ/T188、DL/T645等通讯协议设备的接入，支持ModbusRTU、ModbusTCP、IEC-60870-5-104等上传协议、支持多中心不同数据服务要求，支持断点续传，装置电源:220VAC/DC。
应用场合（配电室）		产品	型号	功能
环境监测	温湿度		/	用于配电房温度和湿度。工作电源：AC/DC85～265V工作温度：-40.0℃～99.9℃工作湿度：0%RH～99%RH
	烟雾		/	光电式烟雾传感;电源正极（DC12V）：+12V，继电器输出：常开触点
	水侵		/	接触式水浸传感器，监测变电所、电缆沟、控制室等场所积水情况，工作电源：DC10-30V工作温度：-20℃~+60℃工作湿度：0%RH~80%RH响应时间：1s继电器输出：常开触点
	局方检测		/	监测变压器、开关、开关柜的局部放电
	门禁		/	常开型；感应距离：30-50mm材质：锌合金，银灰色电度干接点输出
	摄像机		/	视频监控
	开关量模块		ARTU-KJ8	8路开关量输入,8路继电器输出
智能网关			ANet-2E4SM	4路RS485串口，光耦隔离，2路以太网接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPCUA、ModbusTCP（主、从）、104（主、从）、建筑能耗、SNMP、MQTT；（主模块）输入电源：DC12V～36V。支持4G扩展模块，485扩展模块,最多可扩展16路。

5.结语

针对水源水水质的特点，乌鲁木齐红雁池水厂选择了３９台在线水质监测设备，建立了完整的在线水质监测系统。通过在线水质监测系统的应用，在线水质监测设备均能够及时准确地反映水质实际变化情况，监测数据准确可靠，系统运行稳定，将现代化技术和信息化手段融为一体，大大优化了水质变化情况的控制率，同时对水厂生产及工艺调整过程中水质变化进行了实时监控，从而提高了供水的可靠性、安全性。通过本水厂在线监测系统对水质管理工程中的应用的研究发现，水厂要按照水厂水质的实际情况，选择合适的在线水质监测系统，为水厂工艺调整和供水安全提供有利保障。

参考文献：

［1］赵喆，侯根然．从一个典型案例谈城镇饮用水水质状况［J］．杨凌职业技术学院技学报

［2］杨大勇，林奎．环境监测自动监测系统信息共享技术研究［J］．中国环境监测

［3］杨奥．饮用水源水水质在线监测应用研究［D］．济南：济南大学

［4］安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022.05版

［5］王茹.在线监测系统在水厂水质管理工程中的应用与研究

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审核编辑 黄宇