淺談智慧配電能效管理水務平臺在城市供水中的運用

摘要：文章從多個方面分析了智慧水務系統在城市供水中的應用價值，在介紹城市智慧水務的總體框架、信息傳輸層、數據層、門戶層和數據管理平臺的構成和作用后，闡述了城市智慧水務系統的建設和運用，幫助實現城市水務管理的信息化，與水廠智慧運維互聯互通，助力城市智慧水務的發(fā)展。

      關鍵詞：智慧水務系統 ；城市供水 ；智慧水廠運維平臺

1 引言

      在信息化發(fā)展過程中，傳統水務管理體系與模式已經無法很好地應對城市供水的諸多需求，并會引發(fā)一些不利問題，對城市供水效率與質量均造成影響。智慧水務系統屬于水務信息化發(fā)展的高端階段，是未來水務的發(fā)展方向，其所發(fā)揮出的優(yōu)勢與作用是毋庸置疑的。從當前智慧水務體系的建設來說，主要依賴于云計算技術、物聯網、大數據、移動互聯網、實時動態(tài)監(jiān)測系統、BIM 監(jiān)護信息管理、GIS地理信息系統、3D 打印技術、VR 技術、人工智能?；谶@些科學技術，智慧水務系統在城市供水中的應用場景越來越豐富，讓水務企業(yè)的生產與運營發(fā)生了較大轉變。針對此，須進一步做好智慧水務系統的建設與優(yōu)化工作，切實發(fā)揮好智慧水務系統在城市供水中的價值。

2 智慧水務系統在城市供水中的運用價值

      智慧水務系統是新型水務管理系統，本質上是無線水務，終端可以隨處可見，借助云計算、射頻識別、物聯網可以將水廠的各類基礎設施聯系起來，從而構建一個智慧化的水務系統。另外，智慧水務系統可以自動采集數據，并進行數據的分析，努力讓整個水務系統成為及時反應和統一指揮決策的大腦[1] 。從當前所建設的智慧水務系統來看，可以將精細化管理、智能調度和供水服務標準化聯系起來，對水務工作實現智慧管控和動態(tài)化管理?？偟膩碚f，智慧水務系統在城市供水中的運用價值集中體現在以下方面（見圖1）。

圖1 城市智慧水務系統框圖

①與傳統的水務技術相比，智慧水務系統可以借助物聯網將制水過程清晰展示出來，直接地克服了人工監(jiān)控的局限性，在自動化操作與監(jiān)控中可以對水質情況實施 24h 的動態(tài)監(jiān)控，方便技術人員隨時掌握水質情況。

②智慧水務系統借助多種科學技術，完全改變了傳統水務工作的方式方法，可以讓管網調度更加科學高效。從管網優(yōu)化調度系統操作這一角度來說，工作人員通過打開管網優(yōu)化調度系統操作平臺，能夠全面清晰地查閱各個區(qū)域的供水與用水情況，并且可以實時監(jiān)測用水量信息。通過分析實時數據和歷史數據，可以迅速優(yōu)化調度方案，始終確保用戶用水質量。

③在智慧水務系統的幫助下，數據采集設備與傳輸設備可以在線監(jiān)測出水務系統的運行情況，同步整合水務管理部門設施，構建出“水務物聯網”。

3 城市智慧水務系統的建設路徑

3.1 總體框架

      城市智慧水務系統包括兩大部分，一是應用層，二是用戶層。用戶層主要包括業(yè)務人員、管理人員與公眾人員，可實現信息的自動化采集，應用層可以對水務業(yè)務實施集成化管理，從整體上來提升城市水務工作的科學性與合理性，城市智慧水務系統的總體框架見表1。

表1 城市智慧水務系統的總體框架

3.2 信息采集傳輸層

      物聯網是智慧水務系統信息采集傳輸層的核心技術，在物聯網的支撐下可以借助數據采集模塊、網絡設備、現場儀表實時動態(tài)監(jiān)測城市水資源信息，讓城市供水的一切因子互聯互通，確保城市供水的及時，向著信息化與高效化的方向發(fā)展。

3.3 數據層

      在整個城市供水智慧水務系統中，數據層是核心所在，包含著大量的數據信息，同時也是智慧水務系統的信息來源。為切實發(fā)揮好智慧水務系統的價值，要著重建設完整的基礎設施與數據庫，增強數據層的資源整合水平，為水務工作的開展提供良好的基礎條件[3] 。在城市化進程不斷加速的大背景下，在進一步發(fā)展智慧水務系統的過程中，要做好水務業(yè)務的數據挖掘工作，將智慧水務系統應用到城市供水中。

3.4 門戶層

      從當前所建設的智慧水務系統來看，門戶層主要可以分為兩種，一種是行業(yè)門戶，另一種是公共信息門戶。內部門戶由管理人員直接負責，開展日常的運營與維修工作，同時業(yè)務人員可以借助行業(yè)門戶與其他的業(yè)務人員展開溝通交流，確保各項水務工作均有序展開，增強智慧水務系統的服務能力。值得一提的是，所建立的公共信息門戶能夠為城市用戶的咨詢提供渠道，用戶可以及時且動態(tài)地獲取水務信息，參與水務建設。

3.5 數據管理平臺

      之所以要建立數據管理平臺，主要的原因是能整理與存儲智慧水務系統中的數據信息，一方面確保水務工作開展，另一方面為相關部門的水務工作開展提供數據支撐。從當前智慧水務系統的數據管理平臺的應用來看，可以從兩個方面來開展數據的整合。①通過數據整合可以確保數據信息的存儲實現完整性，完成數據信息的備份與存儲②通過數據整合可以實現數據的集約化管理，存儲空間也可以得到節(jié)約，有利于降低數據信息的存儲成本。

4 智慧水務系統在城市供水中的運用

4.1 發(fā)揮好相關科學技術的優(yōu)勢

      城市供水有著復雜性與專業(yè)性的特點，要想確保智慧水務系統可以在城市供水中獲得良好的運用，須發(fā)揮好相關科學技術的優(yōu)勢，不斷增強智慧水務系統的運用效果。

      在應用云計算技術的過程中，可以謀求改進智慧水務系統的消費模式與服務模式，從之前的“購買軟硬件產品”朝著“提供和購買IT服務”轉變。在物聯網的應用中，要努力將水務業(yè)務與相關的部門和設施連接起來，實現信息交換與通信，帶領水務行業(yè)實現“智慧升級”。

      大數據在智慧水務系統中發(fā)揮著重要作用，可以更好地整合與處理水務信息，且可以實現水務工作的傳統結構化數據管理模式與非結構化數據管理模式的結合，推動智慧水務系統不斷發(fā)展。

      在實時動態(tài)監(jiān)測系統的應用中，要將要點放在水污染事件的監(jiān)測上，一方面要實時動態(tài)監(jiān)測供水與排水情況，另一方面要及時排查所潛在的風險，切實實現水質信息的實時追蹤。

      GIS地理信息系統在智慧水務系統中也發(fā)揮著較好的作用，尤其是可以對管網基礎數據資源實施數字化管理與可視化管理[5] 。具體來說，GIS地理信息系統能夠發(fā)揮三維模擬技術的優(yōu)勢展示地下管線的詳況，克服了以往管網管理過程中存在的重疊度較差與隱蔽性強的局限性。

      人工智能是智慧水務系統得以發(fā)展的關鍵之一，所具備的故障診斷、優(yōu)化設計、智能檢測的功能均是智慧水務系統所缺失的?？梢哉f，在人工智能的幫助下，智慧水務系統在水務領域的應用會越來越廣泛，改變水務企業(yè)的生產理念與運營模式。

4.2 建立供水管理智慧服務平臺

      在運用智慧水務系統的過程中，要考慮使用網絡技術和數字化技術建立城市供水管理智慧服務平臺，形成數字化的供水管理體系。通過建立城市供水管理智慧服務平臺，一方面可以實現視頻監(jiān)控和資源共享，另一方面可以為工作人員的水務業(yè)務開展提供諸多便利。需要注意一點，在建立城市供水管理智慧服務平臺時，要對城市居民的實際生活需求多加考慮，借助智慧服務平臺向居民提供更多人性化與便利化的服務[6] 。

4.3 建立信息資源系統

      信息資源系統對智慧水務系統的運用有較大影響，要考慮使用多種科學技術優(yōu)化信息資源系統，尤其是要使用好物聯網、大數據、人工智能等技術。比如，在使用大數據技術的過程中，要做好水務信息的收集與處理，建立基礎信息數據庫，不斷增強信息資源系統對智慧水務系統的支撐能力。

4.4 落實智慧水廠運維平臺的建設

      為了讓智慧水務系統可以更加數字化與智慧化，須完全融入水廠管理中，落實好智慧水廠運維平臺的建設工作。在建設智慧水廠運維平臺時，要將要點放在三個方面：①數字三維仿真；②巡檢及設備管理系統；③水廠生產運維管理和能耗監(jiān)測與節(jié)能分析。比如，在巡檢及設備管理系統中，須對水廠運行設備實施動態(tài)化監(jiān)測，掌握動態(tài)化的運行信息，實現完整生命周期的管理[7] 。再比如，開展水廠生產運維管理和能耗監(jiān)測與節(jié)能分析時，需要對水廠的生產經營、數據建模、過程優(yōu)化、耗能指標、故障診斷開展綜合性處理，始終確保城市供水處于穩(wěn)定和快捷狀態(tài)，為用戶提供優(yōu)質的用水。

5 AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平臺

5.1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(tài)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(jié)點安裝保護、監(jiān)測、分析、治理裝置，用于監(jiān)測污水廠能耗總量和能耗強度，監(jiān)測主要用能設備能效，保護污水廠運行可靠，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。

5.2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(jiān)控及能效管理系統組成，涵蓋了水務中壓變配電系統、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。

5.3平臺拓撲圖

5.4平臺子系統

5.4.1變電站綜合自動化系統及電力監(jiān)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(jiān)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。

5.4.2電能質量監(jiān)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(jiān)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。

5.4.3電動機管理

      馬達監(jiān)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(jiān)測和報警?？旖?、準確地反映出故障狀態(tài)、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(jiān)視、控制各個工藝設備,保障正常生產。

5.4.4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(qū)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(huán)節(jié)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(huán)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(huán)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(huán)比分析，同時將污水的單耗與行業(yè)/國家/國際先進指標對標，以便企業(yè)能夠根據產品單耗情況來調整生產工藝，從而降低能耗。

5.4.5智能照明控制

      系統為污水廠、自來水廠、水泵站等提供了照明控制管理方案，支持單控、區(qū)域控制、自動控制、感應控制、定時控制、場景控制、調光控制等多種控制方式，模塊可根據經緯度自動識別日出日落時間實現自動控制功能，盡量利用自然光照，實現室內、廠區(qū)照明的智能控制達到節(jié)能的目的。

5.4.6電氣安全

①電氣火災監(jiān)測：監(jiān)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。

②消防應急照明和疏散指示：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(tài)和異常情況。

③消防設備電源監(jiān)測：監(jiān)測消防設備的工作電源是否正常，保障在發(fā)生火災時消防設備可以正常投入使用。

④防火門監(jiān)控系統：防火門監(jiān)控系統集中控制其各終端設備即防火門監(jiān)控模塊、電動閉門器、電磁釋放器的工作狀態(tài)，實時監(jiān)測疏散通道防火門的開啟、關閉及故障狀態(tài)，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(jiān)控模塊相互連接起來，當終端設備發(fā)生短路、斷路等故障時，防火門監(jiān)控器能發(fā)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。

5.4.7 環(huán)境監(jiān)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(huán)境。

5.4.8分布式光伏監(jiān)測

      實時監(jiān)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(tài)，逆變器運行監(jiān)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(fā)電功率、累計發(fā)電量進行監(jiān)測，以曲線方式繪制上述監(jiān)測的各個參量的歷史數據。

      平臺結合廠區(qū)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。

5.4.9工藝仿真監(jiān)控

      平臺通過2D、3D方式實時監(jiān)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(tài)。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(jiān)視、控制各個工藝設備,保障正常生產。

6 相關平臺部署硬件選型清單

7 結語

      智慧水務系統在城市供水中的運用效果與優(yōu)勢是毋庸置疑的，對推進水務工作規(guī)范化、科學化與高效化十分有益。為發(fā)揮出智慧水務系統的最大優(yōu)勢，要注重相關科學技術的應用，幫助智慧水務實現信息化，破解水務行業(yè)發(fā)展困局，助力城市智慧水務的發(fā)展。在智慧水廠運維平臺的建設中，要做好智慧水務的規(guī)劃，努力與水廠互聯互通，實現信息的即時獲取與共享 ，為城市供水發(fā)展奠定良好的基礎條件。