某地下污水厂配电能效管理平台设计与智能照明策略

时间：2023-06-30作者：安科瑞电气股份有限公司浏览：262

摘要：结合某地下污水厂项目，从结构、系统组成、系统功能、控制要求、场景模式等方面介绍了地下污水厂智能照明控制系统，探索了一套适用于地下污水厂的智能照明控制策略，以确保地下污水厂正常运行的照明需求。
关键词：智能照明控制系统；地下污水厂；控制策略；场景模式
引言
       目前，智能照明控制系统在民用建筑、工业厂房、车站机场等场所均有较为广泛的应用,其技术也日趋成熟,但在地下污水处理厂的照明设计中还处于探索阶段，因此对地下污水处理厂智能照明控制策略进行相关研究及应用具有重要的实践意义。

一、工程概况
       某污水厂建设规模为40万m3/d,采用全地 下组团形式，主要处理构筑物均位于地下，地上布局与公共绿地建设紧密结合。地下箱体平面尺寸约为350 m<350 m,主要分2层，-1F为操作层，-2F为管廊层。
       根据地下污水厂布置特点，在地下箱体区域设置智能照明控制系统，采用合理的智能照明控制策略，为污水厂正常运行提供舒服、有效的照明控制和管理方式。
二、系统结构
       该工程为集散型智能照明控制系统，采用工业现场总线、模块化结构，在中控室设置中监控与管理计算机，对整个系统实施监控，以便随时调节照明的现场效果。在地下污水处理厂的不同区域设置子网智能照明控制主机，控制相应区域的照明系统。智能照明控制系统拓扑结构如图1所示。



图1智能照明控制系统拓扑结构

三、系统组成
       该工程智能照明控制系统由系统单元、输入单元、输出单元三部分组成。系统单元为系统提供数据集中处理、指令发送、电源和通信传输**等，主要包括主机、电源模块、总线、PC接口、RS-232接口、系统时钟等;输入单元将外界的需求信息转变为信号在系统总线上传播,主要设备包含智能控制面板、移动控制平板、照度传感器、人体移动感应传感器等;输出单元用于接受信号,并按照指令对相关负载做出相应的输出动作，如调光模块、开关模块等。
       地下污水厂箱体是一个封闭空间,含有污水池体、涉水管道及其内部排水沟道，整个箱体比较潮湿，而且在预处理区、污泥处理区均会产生腐蚀性气体。因此，智能照明控制设备耐潮湿、耐腐蚀，防护等级不IP54。
四、系统功能
       根据地下污水厂运行特点， 该工程地下污水厂智能照明控制系统具有以下功能。
(1) 智能照明控制系统设有中控与管理计算机，对整个系统实施监控，以便随时调节照明的现场效果，如系统设置开灯方案模式，并在计算机屏幕上照明灯具的布置情况，显示各组灯具开关状态。
(2) 具有实时控制、故障检测和报警功能,当现场设备出现故障时，可通过软件上的实时数据、报警等方式及时通知管理人员进行维护，自动生成相关报表。
(3) 具有场景预设、亮度调节、定时、时序控制的功能。
(4) 具有消防及技术防范联动接口，应急时启动相应的应急照明系统。
(5) 系统设有自动/手动转换开关，以便必要时对各组的开、关进行手动操作。
(6) 控制主机具有显示各终端设备使用状态功能。
(7) 智能照明控制面板具有显示各场景状态功能。
(8 )具有灯具启动时间、累计记录和灯具使用寿命的统计功能。
(9) 能按需求检测照明回路实时电流值并记录运行时间，将数据记录在数据库中，可形成并打印各种报表和日志。
(10) 系统应具备定时时钟控制和天文时钟控制功能，可实现以秒、分钟、小时、天、周、年为周期的定时设定功能，实现各受控区域的自动化管理。
(11) 系统控制软件应有不同权限级别设置。
(12) 系统设置与其他系统连接的接口，以提高综合管理水平。
五、控制要求
       地下污水厂不同的功能分区对照明需求不同，在制定照明控制策略时要考虑污水厂的运行特点。 该工程智能照明控制要求如下。
(1) 大空间区域应综合考虑污水厂构筑物、工艺流程分组情况、巡检通道、参观通道、自然采光等进行回路设置和控制，便于节能。照明回路可以采用开关量控制，根据不同时段需要，采取分区、分回路控制;在预算允许范围内，也可采用单灯控制方式，按需开启相应区域的照明。
(2) 在有人值班的区域，如污泥脱水机房控制室、鼓风机房控制室等，设置区域智能控制面板，仅控制本区域灯光场景。
(3) 为了调节室内外照度差异，在车道出入口区域设计过渡照明&过渡照明具备时钟控制功能,不同时间段按需开启相应的照明。
(4) 在有光导和采光井的通道区域,可以根据照度感应器探测室外自然光照度，自动开启或关闭光导和采光井区域的照明。例如，采光井区域在自然光影响下,室内照度达到100 lx时，不开启灯光;75 lx时，开启四分之一灯光;50 lx 时，开启一半灯光;25 X时，开启全部灯光。
(5) 在箱体出入口、值班室等区域设置智能控制面板，可调用多个场景模式、一键式场景切换、灯光依次开启等。


(6) 工作人员通过移动控制平板(iPAD)、手机APP等来调用需要的照明场景模式。例如，当运行人员巡检到某个区域时发现可疑问题,可通过iPAD、手机APP等打开该区域全部灯光并进行检查。

(7)在中控室内设置中控与管理计算机，实现对整个箱体内所有灯光回路、灯光场景的状态实时管理和监控。计算机采用图形化界面，可以加入箱体内各个区域的平面图，显示各个区域灯光场景状态。每个区域都可以独立控制，都具有不同场景模式。当箱体内某个区域需要检修时，可以通过中控与管理计算机对区域的灯光进行切换到检修模式，该区域检修模式开启该区域的全部灯光。

(8)在检修模式下，开启检修区域所有照明，检修人员离开后自动恢复至正常照明状态,既方便又节能。
(9) 巡检模式下，当运行人员进入箱体内巡检时，通过箱体入口处的智能控制面板开启巡检模式，打开巡检通道上方照明，开启箱体内一半回路灯光，同时启动人体移动感应传感器功能。当巡检人员通过某个区域,人体移动感应传感器检测到人员时，将开启该区域的灯光；当巡检人员离开后，人体移动感应传感器再将该区域的灯光恢复到原灯光亮度。人体移动感应传感器的延迟、关闭时间可分别设置，当人体移动感应传感器负责的区域较小，可设置延迟5 min恢复原灯光亮度；当人体移动感应传感器负责区域较大时，设置延迟10 min恢复原灯光亮度。
(10) 应急处理模式下，在接到安保系统的警报后自动切换到应急照明场景。
(11) 在参观通道入口处设置调光模块，根据需要调节灯光照度并设置移动感应器，实现灯光自动跟随调光的功能。
(12) 智能照明控制系统提供端口与系统对接,当人员定位系统检测到人员活动时发送信号给智能照明控制系统，智能照明控制系统根据指令开启相应区域的照明。
六、场景模式


       根据地下污水处理厂的特点及运行方式，设定不同的场景模式，工作人员可以根据实际需要,通过中控与管理计算机、智能控制面板、移动控制平板、手机APP等，调整各个区域不同时段、不同用途的灯光场景模式，使用时只需调用预先设置好的场景模式。场景模式的设定由污水厂运营单位、设计院及建设单位等共同协商确定,并可根据现场实际情况适当调整。地下污水厂场景模式设置如下。

        (1) 对于整个地下箱体，可根据地下污水厂的运行方式,设置以下大场景模式。

① 全开模式:开启箱体内的回路灯光。

② 全关模式:关闭箱体内的回路灯光。

③ 节能模式一:开启箱体内一半回路灯光,自然采光区域可结合照度感应控制。
④ 节能模式二:开启箱体内四分之一回路灯光，自然采光区域可结合照度感应控制,设备区域保持一半回路灯光。
⑤ 节能模式三:开启箱体内十分之一回路灯光,自然采光区域可结合照度感应控制,设备区域保持一半回路灯光。
⑥ 节能模式四:开启主通道照明,设备区域保持一半回路灯光。
⑦ 迎宾模式:对人员参观通道及需要参观的区域开启的全部回路灯光;对那些不会对参观人员开放的区域，采用四分之一回路点亮的节能操作。
⑧ 巡检模式:打开巡检通道上方的照明，开启箱体内一半回路灯光，并结合人体移动感应传感器使用。
       (2) 对于地下污水厂的各个生产区域，可以分别设置不同的场景模式。对于地下污水厂不同的功能区域(预处理区、生反池、二沉池、有效沉淀池、反硝化深床滤池、污泥脱水机房等)，可根据地下污水厂的工艺流程分成不同的区域，面积较大的功能区还可根据工艺分组情况分成几个小区域,每个区域可以设置以下场景模式。
① 检修模式:开启本区域内全部回路灯光。
② 全关模式:关闭本区域内全部回路灯光。
③ 节能模式一：开启本区域内一半回路灯光。
④ 节能模式二:开启本区域内四分之一回路灯光，设备区域保持一半回路灯光。
⑤ 节能模式三:开启本区域内十分之一回路灯光，设备区域保持一半回路灯光。
⑥ 巡检模式:打开巡检通道上方的照明,并开启本区域内一半回路灯光，并结合人体移动感应传感器使用。
       (3)对于操作层中间通道和车行道,根据车行方向和面积大小分成不同的区域，每个区域可以设置以下场景模式。


① 检修模式:开启本区域内全部回路灯光

② 全关模式:关闭本区域内全部回路灯光。

③ 节能模式一:开启本区域内一半回路灯光，自然采光区域可结合照度感应控制。
④ 节能模式二：开启本区域内四分之一回路灯光。
      (4)对于管廊层，根据巡检路线和面积大小分成不同的区域，每个区域可以设置以下场景模式。
① 检修模式:开启本区域内全部回路灯光。
② 全关模式:关闭本区域内全部回路灯光。
③ 节能模式一:开启本区域内一半回路灯光，可结合照度感应控制。
④ 节能模式二：开启本区域内四分之一回路灯光。
        设备区域主要包括粗格栅及进水泵房、细格栅及曝气沉砂池、有效沉淀池设备间、反硝化深床滤池设备间、加药间、鼓风机房、回用水泵房、出水泵房、脱水机房等。
七、工程设计实例


        二沉池及地下通道照明设计图如图2所示。






图2二沉池及地下通道照明设计图
       工程项目中，在巡检通道出入口设置人体移动感应探头,根据人体移动感应探头探测到的人像,自动开启二沉池的照明,待人离开后自动关闭;在有光导或采光井的通道区域，可以根据照度感应器感应室外的自然光照度，自动开启或关闭光导或采光井区域的照明;大空间区域照明回路采用开关量控制，根据不同时段需要，采取分区、分回路控制照明。
       二沉池及地下通道一般照明配电箱系统图如图3所示。配电箱内设置2个8通道开关模块，同时预留1个4通道开关模块，为后期扩展使用。照明配电箱通过系统总线与控制面板、照度感应器、人体移动感应传感器等相连,完成与控制操作。









图3二沉池及地下通道照明配电箱系统图
       根据工艺流程，通过现场控制面板、时钟控制、人体移动感应器等多种自动控制手段，实现对二沉池区域照明智能控制。二沉池区域场景模式设置:①检修模式,开启本区域内全部回路灯光;②全关模式,关闭本区域内全部回路灯光;③节能模式一,开启本区域内一半回路灯光;④节能模式二，开启本区域内四分之一回路灯光;⑤节能模式三，开启本区域内百分之十回路灯光;⑥巡检模式，打开巡检通道上方的照明，开启本区域内一半回路灯光，并结合人体移动感应传感器使用。
八、地下污水厂智能照明控制策略优势
       合理的智能照明控制策略可实现对地下污水厂多层次、多方位的智能管理，既能保证正常运行的照明需求，又能达到节能环保的目的，具体有以下主要优势。
(1) 控制范围修改灵活。当遇到工艺设备布局调整时，只需要对编制程序进行修改，不需要对已有线路进行改造，这将降低扩建费用和改造工期。
(2) 根据污水厂运行计划调整照明控制策略。根据污水厂运行计划,设定照明控制程序，当运行计划调整时可以通过软件控制策略,从而保证污水厂正常运行的照明需求。
(3) 扩展性好。智能照明控制系统的规模可灵活地随着照明系统的大小而改变，如需要扩充时不必更改原有线路，只需将增加的模块用数据线接入原有网络，通过程序修改进行重新配置。
九、AcrelEMS-SW智慧水务能效管理平台
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，重点监测主要用能设备能效，保护污水厂运行，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。
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平台拓扑图






4平台子系统
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。



4.2电能质量监测与治理
       水务*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。



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,**正常生产。



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/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。



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、的目的。



4.6电气安全
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。
4.6.2消防应急照明和疏散指示
       根据预先设置的应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。
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，**在发生火灾时消防设备可以正常投入使用。



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，**了电气安全的可靠性。
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，**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。



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、车棚的分布情况，显示汇流箱、并网点位置，各个屋的装机容量。



4.9工艺监控
       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、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,**正常生产。



十 、 相关平台部署硬件选型清单
1.电力监控、电能质量系统







2.电气火灾监控系统



3.消防设备电源监控系统



4.防火门监控系统





5.消防应急照明和疏散指示系统















十一、结语
       本文结合实际案例，阐述了智能照明控制系统在地下污水厂的运用，探索出一套适用于地下污水厂的智能照明控制策略，为智能照明控制系统应用于类似地下污水厂提供借鉴。

参考文献
[1] 林承鑫.地下污水厂智能照明控制策略.中国建筑*八工程局有限公司 设计管理总院.上海 .201206
[2] 邱维.地下污水处理厂的适应性探讨[J].中国给水排水.2017,33 (8) ：26-31.
[3] 安科瑞企业微电网设计应用手册.2020.06版


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