針對電磁流量計兩路供電的改進措施與實時監控運行的設計研析
來(lai)源：珠海水務集團(tuan)有限公(gong)司作者：黃佩(pei)利 肖(xiao) 云發(fa)表(biao)時(shi)間：2022-01-20 10:59:19【小中大】
【本文主要內容】：針對現有電磁流量計供(gong)電(dian)(dian)穩(wen)定(ding)(ding)性差的問(wen)題(ti)，提出了在(zai)原有供(gong)電(dian)(dian)模(mo)式(shi)的基礎上加(jia)裝太陽能電(dian)(dian)源作(zuo)為輔助電(dian)(dian)源進(jin)(jin)行(xing)兩路供(gong)電(dian)(dian)的改進(jin)(jin)措施(shi)(shi)，并加(jia)裝SCADA系統對(dui)電(dian)(dian)磁流量(liang)計(ji)的供(gong)電(dian)(dian)情況、儀表運行(xing)狀態(tai)及流量(liang)數據進(jin)(jin)行(xing)實時(shi)監控。實踐證(zheng)明，該(gai)改進(jin)(jin)措施(shi)(shi)可解決電(dian)(dian)磁流量(liang)計(ji)傳統單(dan)一供(gong)電(dian)(dian)不(bu)穩(wen)定(ding)(ding)、維護(hu)不(bu)及時(shi)的問(wen)題(ti)。
前言
為了彌補機械式水表固有計量特性的不足，電磁流量計被大量用于供水領域，但因無持續供電、雷擊故障所帶來的無法計量問題卻是讓許多供水企業望而止步，更是持一種否認的態度。２０１１年，珠海水司根據自有電磁流量計（電磁流量計口徑分布在ＤＮ１５０～１２００之間）的用電現狀，努力尋找扭轉電磁流量計用電困難的被動局面，為保證可持續供電等進行了一系列的探索，并最終以在原有供電模式的基礎上加裝太陽能電源作為輔助電源進行兩路供電的模式及結合實時監控的管理方法對部分電磁流量計進行了改造。
１太陽能輔助電源系統的設計
１．１蓄電池容量和太陽能電池組件功率選取
１．１．１蓄電池容量計算
該水司現用電磁流量計耗電功率在１２～１８Ｗ，電源轉換器（負載電壓為２４Ｖ）、無線終端等輔助電子設備耗電功率合計１２～１５Ｗ，因此，系統總計功率約３０Ｗ。考慮現行的電磁流量計每周巡檢管理制度、可能遇上的連續陰雨天氣、線路故障維修的復雜性等因素，輔助電源必須滿足系統工作≥７ｄ的要求。蓄電池容量按式（１）計算：
ＢＣ＝Ａ×ＱＬ×ＮＬ×Ｔ０／ＣＣ（１）
式中ＢＣ———蓄電池容量，ＡＨ；Ａ———安全系數，一般取１．１～１．４，本工程取１．４；ＱＬ———負載日平均耗電量，等于工作耗電功率乘以日工作小時數，Ｗ·ｈ；ＮＬ———最長連續陰雨天數，本工程取７ｄ；Ｔ０———溫度修正系數，一般在０℃以上取１；ＣＣ———蓄電池放電深度，一般鉛酸蓄電池取０．７５。經計算，蓄電池容量ＢＣ≈３０８ＡＨ，選用４個規格為１２Ｖ、１５０ＡＨ鉛酸免維護蓄電池，以先串后并（２＋２）的組合方式組成２４Ｖ、３００ＡＨ的蓄電池組。
１．１．２太陽能電池組件功率選取
電磁流量計系統總耗電功率約為３０Ｗ，每天工作時間為２４ｈ，每天有日照時間５ｈ，太陽能電池組件的實際使用功率系數取０．７，蓄電池轉換效率取０．８，驅動器效率取０．８。則太陽能峰值功率計算見式（２）：
Ｐｋ＝Ｐ×ｔｕ／（ｔｅ×ηｕ×ηｃ×ηＤ）（２）式中Ｐｋ———太陽能電池組件功率，Ｗ；Ｐ———用電設備功率，Ｗ；ｔｕ———每日使用時間，ｈ；ｔｅ———每日有效日照時間，ｈ；ηｕ———太陽能電池方陣實際使用功率系數；ηｃ———蓄電池轉換效率；ηＤ———驅動器效率。經計算，太陽能電池組件功率Ｐｋ＝３２１．４３Ｗ。
１．２太陽能充放電控制系統的設計
太陽能充放電控制系統作為電磁流量計電源供應的核心部件，設計具有充放電控制、市電互補、欠電壓保護、瞬態過電壓保護、運行電壓顯示、運行狀態指示等多種功能。另外，為避免電壓轉換帶來過大的損耗功率，１２ＶＤＣ轉２２０ＶＡＣ逆變器采用２倍于用電功率（即８０Ｗ）的純正弦波逆變控制器。根據電磁流量計使用電壓的不同，其功能不同，設備的組合設計見圖１、圖２。
系統中各部分功能如下：
①參數顯示器：顯示充電電壓、逆變電壓、電瓶電量等；為便于系統的日常維護，通過測量不同的模塊電壓，即可判斷各個模塊的運行參量；
②無計量累時器：用于電磁流量計在故障期間無計量計時，作為水量追收的依據；
③無線測控終端：用于在１５ｍｉｎ采集并發送１次儀表運行數據；
④電涌保護器：用于限制瞬態過電壓和對電涌電流進行分流，電壓保護水平Ｕｐ≤１．５ｋＶ；
⑤充放電控制器：對蓄電池進行脈沖式充電、瞬態過充保護；
⑥模塊狀態指示燈：指示充、放電狀態、蓄電池低電量等。
１．３電源儀表箱及基座的尺寸與要求
儀表箱定制尺寸為８００ｍｍ×６００ｍｍ×１００ｍｍ，箱體內同時并排存放４塊尺寸為３４９ｍｍ×１６７
ｍｍ×１７４ｍｍ的蓄電池。因各設備在運行期間產生一定的熱量以及箱體長時間暴曬極易造成箱內溫度
過高，為盡量減少高溫影響設備運行及其壽命，根據熱空氣上升原理，在箱體自上而下設計一定數量的空氣對流排氣孔。此外，為便于抄表員、流量計技術管理員進行巡表、抄表等，在箱門上設計相應的觀察窗口以及為增加防盜性能采用上下連桿天地鎖。基座尺寸為８００ｍｍ×７００ｍｍ×３００ｍｍ，露出地面高度１００ｍｍ，注重基座外表的美觀及統一，在基座表面貼用相同的陶瓷片。
１．４太陽能電池組件立桿基座的抗風設計與避雷設計
１．４．１抗風設計
立桿水泥基座尺寸為７００ｍｍ×７００ｍｍ×８００ｍｍ，并采用４根Ｍ１２×６００地腳螺栓固定立桿。為防止積水、泥土覆蓋等對立桿根部造成一定的腐蝕，水泥基座上表面露出地面約５０ｍｍ。由于該水司大部分電磁流量計轉換器安裝于市政綠化帶等空曠地帶，其土層疏松，水平抗力差，需因地制宜對部分基座在原設計基礎上適度加大底部尺寸以增加安全性。
１．４．２避雷設計
為避免在雷雨天時立桿引起雷電對電磁流量計產生破壞，因此，在澆筑立桿水泥基座時應在基座底深埋接地線。根據熱穩定條件，未考慮腐蝕時，接地導體的最小截面積應按式（３）要求進行計算：
Ｓ≥Ｉ×ｔ０．５×Ｋ（３）
式中Ｓ———接地導體的最小截面積，ｍｍ２；Ｉ———流過接地導體的短路電流穩定值，Ａ，本工程取２００Ａ；ｔ———接地短路的等效持續時間，取斷路器開斷時間，漏電保護開關動作時間ｔ≤０．１ｓ；Ｋ———接地導體材料的熱穩定系數，對于裸鋼導體取７０，裸銅導體取２１０，本工程使用裸鋼。
經計算，接地導體的最小截面積為０．９ｍｍ２。
人工接地極、接地導體采用鍍鋅件垂直接地。因該水司電磁流量計在安裝傳感器時已有良好的接地且與管件連接，該類接地可類似看成為水平接地。為了減少相鄰接地的屏蔽作用（相互之間的磁場影響電流散流效果），人工垂直接地極間的距離及人工水平接地極間的距離不宜小于５ｍ。為了減少外界溫度和溫度變化對流散電阻的影響，人工接地極在土壤中的埋設深度一般為０．６～０．８ｍ。太陽能立桿接地為垂直接地，立桿與流量儀表的距離需≥５ｍ。為避免太陽能電源線與儀表設備連接距離過長而增加線路的故障率，計量儀表箱與立桿的設計距離在５～１０ｍ之間，當因受地方限制時應適當減少距離。
１．５太陽能電池組件立桿的設計與角度安裝
太陽能電池組件立桿設計高度為３．５ｍ，電池方陣的放置采用固定安裝。為了讓太陽能電池方陣有盡可能多的太陽輻射能，方便選擇最佳安裝方位角與傾斜角，電池方陣支架被設計成可在立桿上實現人工方位角調節、傾斜角調節以及高度調節，見圖３、圖４。
１．５．１方位角計算
太陽能電池方陣的方位角是方陣的垂直面與正南方向的夾角（向東偏設定為負角度，向西偏設定為正角度）。一般在北半球，方陣朝向正南（即方陣垂直面與正南的夾角為０°）時，太陽能電池發電量最大。珠海市區坐標為東經１１３．５６°，北緯２２．２７°；一天中負荷的峰值時刻取１３點。方位角按式（４）計算。
∠Ａ＝（Ｔｐ－１２）×１５＋（Ｌ－１１６）（４）
式中∠Ａ———方位角，°；Ｔｐ———一天中負荷的峰值時刻（２４小時制）；Ｌ———經度，°。經計算，∠Ａ＝１２．５６°。
１．５．２傾斜角計算
傾斜角是太陽能電池方陣平面與水平地面的夾角，并希望此夾角是方陣一年中發電量為最大時的最佳傾斜角度。一年中的最佳傾斜角與當地的地理緯度有關，當緯度較高時，相應的傾斜角也大。在緯度０°～２５°時，太陽能電池組件的傾斜角與緯度相同；方陣的傾斜角常取成整數。傾斜角＝緯度＝２２．２７°≈２２°
２ＳＣＡＤＡ系統的運行模式與無線終端設備的選型
２．１ＳＣＡＤＡ系統現狀
目前，該水司ＳＣＡＤＡ系統（數據采集與監視控制系統）主要采集水廠、泵站的生產數據，水源（庫）的水質、水位、氣象等數據，管網運行的水壓、流量、水質等數據，數據采集系統的終端設備和遠傳通訊設備由不同的廠家提供。如有的以中心站軟件與數據終端（含通訊設備，下同）同時成套提供；有的只是提供數據終端，中心站前臺軟件由公司信息中心自行開發。通訊方式采用中心站主動呼叫問答方式、終端設備定時自報方式。通訊信道采用傳統的超短波無線電數傳、移動通信公眾數據網（ＧＰＲＳ、ＣＤＭＡ）、城市光纖網絡實現數據交換等多種形式。盡管出現終端設備不同、信道不同、通訊方式不同，但最終采集的數據都統一存放到指定的數據庫服務器中，而后由信息管理中心將各數據整理成報表的形式向各使用單位發布。在供水調度室同時運行的幾套ＳＣＡＤＡ系統：
①自主開發的超短波無線電數傳系統，用于市區測壓，采用主從問答循環呼叫方式；
②自主開發的中心站軟件，以ＣＤＭＡ公眾數據網作為信道的數據采集系統，采用主從問答循環呼叫方式；
③深圳拓安信公司成套提供的分區流量ＧＰＲＳ遙測系統，采用終端站自報上傳方式；
④上海三高公司成套提供的管網壓力ＧＰＲＳ遙測系統，采用終端站自報上傳方式；
⑤成套采購的水庫氣象ＧＰＲＳ遙測系統，采用終端站自報上傳方式。
２．２ＳＣＡＤＡ系統運行模式的選擇
本項目ＳＣＡＤＡ系統主要采集各站點流量計的
實時計量數據。考慮因改造后電磁流量計現場可保證有充足的電源，則采用上述的第②套系統，中心站軟件由信息管理人員進行維護，而設備供應商僅需提供數據終端設備、安裝、調試，無 xu再提供中
心站軟件。
２．３無線終端監控設備的選型由于該水司在計量分區電磁流量計中曾使用一批
ＥＩＰＣ２０００－Ｔ（無線測控終端）對計量數據、管網壓力進行實時監控，且該產品也已在公司的其他ＳＣＡＤＡ系統中大量使用，并已經自主開發有相對比較完善的數據采集系統，因此，為考慮日后更易進行維護與管理，繼續選購ＥＩＰＣ２０００－Ｔ。該無線終端具有信號測量、數據采集、數據計算、數據存儲、數據上傳、控制等多種功能。其功能為：
①電子盤存儲歷史數據，掉電永不丟失數據，可存儲３００００條歷史數據；
②１～８通道被測模擬信號輸入；
③１～６通道開關量輸出（繼電器觸點輸出）；
④１～９通道開關量輸入（有源或無源）；
⑤標準串行通訊接口：ＲＳ－２３２、ＲＳ－４８５；
⑥無線遠程數據上傳；
⑦可以通過ＨＡＲＴ接口采集１次儀表的數據并進行數據上傳處理；
⑧提供變送器用＋２４ＶＤＣ配電輸出，方便用戶使用。為日后監控管理的升級提供了更多的選擇。其所能構成的系｀統框架及可外接信號線端口分別如圖５、圖６所示。
３運行效果及效益分析
３．１運行效果
工程自調試運行以來，無線終端監控器１５ｍｉｎ采集并發送１次流量儀表的運行數據，數據被接收后統一存放到指定的數據庫服務器中，經過整合，然后以報表的形式在公司局域網絡發布（見表１）。當電磁流量計現場出現故障或斷電時，流量計管理人員只需通過“正常否”欄目的顯示即可發現存在異常，可在很好時間內趕至現場。表２為改造前、后電磁流量計同期停電時間對比。電磁流量計加裝輔助電源后，儀表連續運行至今已達６個月，期間未出現斷電、雷擊故障等現象，與改造前已形成鮮明的對比。
３．２經濟效益分析
本次改造只在原電磁流量計安裝位置的基礎上進行，無 xu進行市電供電線路等的遷移，投資費用明顯減少。對１５套流量計實施改造，總投資６０．３萬，其中后備電源部分投資４５萬（運行５～６年后只需更換蓄電池，蓄電池約占總電源造價的１７％），實時監控投資１５．３萬。改造以選取布點遠、月用水量高的電磁流量計作為試點（單戶月平均用水均在１００００ｍ３以上，最高達４０００００ｍ３），可收獲以下幾點效益：
（１）通過加裝太陽能電源和進行實時監控管理可減少電磁流量計現場巡檢人力、物力的消耗。
（２）減少水費糾紛，推動公司品牌形象建設。在未安裝太陽能輔助電源時，當電磁流量計出現停電、故障時，水量的計算則按照該水司現行的管理制度規定與用戶協商進行估算，但常常遭到用戶的質疑，不可避免地產生一些矛盾。
（３）杜絕拉閘斷電進行偷水的行為。如某工廠在生產期間的高峰用水量達１３００ｍ３／ｈ，但在生產時間之外，其用水較少，而計算所得的月均小時流量只達４００ｍ３。為降低生產成本，該用戶在生產用水高峰期間對電磁流量計進行拉閘斷電。
根據該水司對電磁流量計停電無計量時水量的估算方法，若月停電時間較少，則以月均時流量乘停電時間的方法進行水量補收，如此１ｈ便使該水司蒙受９００ｍ３的水損，按照珠海市現行工業用水水價１．６５元／ｍ３進行金額換算達１４８５元。由于工廠用水量長期存在較大的波動，月波動水量可達幾萬ｍ３之多，而電磁流量計在計量抄表周期內出現停電達幾十小時的現象已司空見慣，因此，出現這樣的“停電戶”，倘若未發現，很難判斷用戶是否曾進行偷水。
４結語
對于電磁流量計的可持續供電改造與實時監控雖然在改造初期投入資金較多，且在短期也不易發現其帶來的顯著利益，但隨著時間的推移，其價值將會日益顯現。另外，若利用已有的實時監控平臺，可更加快速地掌握用戶的用水實情，為科學的供水調度以及進一步優化客戶服務提供有力的幫助。
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