淺談智慧配電能效管理水務(wù)平臺在城市供水中的運用

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

      關(guān)鍵詞：智慧水務(wù)系統 ；城市供水 ；智慧水廠(chǎng)運維平臺

1 引言

      在信息化發(fā)展過(guò)程中，傳統水務(wù)管理體系與模式已經(jīng)無(wú)法很好地應對城市供水的諸多需求，并會(huì )引發(fā)一些不利問(wèn)題，對城市供水效率與質(zhì)量均造成影響。智慧水務(wù)系統屬于水務(wù)信息化發(fā)展的高端階段，是未來(lái)水務(wù)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(wù)體系的建設來(lái)說(shuō)，主要依賴(lài)于云計算技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、大數據、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監測系統、BIM 監護信息管理、GIS地理信息系統、3D 打印技術(shù)、VR 技術(shù)、人工智能?；谶@些科學(xué)技術(shù)，智慧水務(wù)系統在城市供水中的應用場(chǎng)景越來(lái)越豐富，讓水務(wù)企業(yè)的生產(chǎn)與運營(yíng)發(fā)生了較大轉變。針對此，須進(jìn)一步做好智慧水務(wù)系統的建設與優(yōu)化工作，切實(shí)發(fā)揮好智慧水務(wù)系統在城市供水中的價(jià)值。

2 智慧水務(wù)系統在城市供水中的運用價(jià)值

      智慧水務(wù)系統是新型水務(wù)管理系統，本質(zhì)上是無(wú)線(xiàn)水務(wù)，終端可以隨處可見(jiàn)，借助云計算、射頻識別、物聯(lián)網(wǎng)可以將水廠(chǎng)的各類(lèi)基礎設施聯(lián)系起來(lái)，從而構建一個(gè)智慧化的水務(wù)系統。另外，智慧水務(wù)系統可以自動(dòng)采集數據，并進(jìn)行數據的分析，努力讓整個(gè)水務(wù)系統成為及時(shí)反應和統一指揮決策的大腦[1] 。從當前所建設的智慧水務(wù)系統來(lái)看，可以將精細化管理、智能調度和供水服務(wù)標準化聯(lián)系起來(lái)，對水務(wù)工作實(shí)現智慧管控和動(dòng)態(tài)化管理?？偟膩?lái)說(shuō)，智慧水務(wù)系統在城市供水中的運用價(jià)值集中體現在以下方面（見(jiàn)圖1）。

圖1 城市智慧水務(wù)系統框圖

①與傳統的水務(wù)技術(shù)相比，智慧水務(wù)系統可以借助物聯(lián)網(wǎng)將制水過(guò)程清晰展示出來(lái)，直接地克服了人工監控的局限性，在自動(dòng)化操作與監控中可以對水質(zhì)情況實(shí)施 24h 的動(dòng)態(tài)監控，方便技術(shù)人員隨時(shí)掌握水質(zhì)情況。

②智慧水務(wù)系統借助多種科學(xué)技術(shù)，完全改變了傳統水務(wù)工作的方式方法，可以讓管網(wǎng)調度更加科學(xué)高效。從管網(wǎng)優(yōu)化調度系統操作這一角度來(lái)說(shuō)，工作人員通過(guò)打開(kāi)管網(wǎng)優(yōu)化調度系統操作平臺，能夠全面清晰地查閱各個(gè)區域的供水與用水情況，并且可以實(shí)時(shí)監測用水量信息。通過(guò)分析實(shí)時(shí)數據和歷史數據，可以迅速優(yōu)化調度方案，始終確保用戶(hù)用水質(zhì)量。

③在智慧水務(wù)系統的幫助下，數據采集設備與傳輸設備可以在線(xiàn)監測出水務(wù)系統的運行情況，同步整合水務(wù)管理部門(mén)設施，構建出“水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)”。

3 城市智慧水務(wù)系統的建設路徑

3.1 總體框架

      城市智慧水務(wù)系統包括兩大部分，一是應用層，二是用戶(hù)層。用戶(hù)層主要包括業(yè)務(wù)人員、管理人員與公眾人員，可實(shí)現信息的自動(dòng)化采集，應用層可以對水務(wù)業(yè)務(wù)實(shí)施集成化管理，從整體上來(lái)提升城市水務(wù)工作的科學(xué)性與合理性，城市智慧水務(wù)系統的總體框架見(jiàn)表1。

表1 城市智慧水務(wù)系統的總體框架

3.2 信息采集傳輸層

      物聯(lián)網(wǎng)是智慧水務(wù)系統信息采集傳輸層的核心技術(shù)，在物聯(lián)網(wǎng)的支撐下可以借助數據采集模塊、網(wǎng)絡(luò )設備、現場(chǎng)儀表實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監測城市水資源信息，讓城市供水的一切因子互聯(lián)互通，確保城市供水的及時(shí)，向著(zhù)信息化與高效化的方向發(fā)展。

3.3 數據層

      在整個(gè)城市供水智慧水務(wù)系統中，數據層是核心所在，包含著(zhù)大量的數據信息，同時(shí)也是智慧水務(wù)系統的信息來(lái)源。為切實(shí)發(fā)揮好智慧水務(wù)系統的價(jià)值，要著(zhù)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(wù)工作的開(kāi)展提供良好的基礎條件[3] 。在城市化進(jìn)程不斷加速的大背景下，在進(jìn)一步發(fā)展智慧水務(wù)系統的過(guò)程中，要做好水務(wù)業(yè)務(wù)的數據挖掘工作，將智慧水務(wù)系統應用到城市供水中。

3.4 門(mén)戶(hù)層

      從當前所建設的智慧水務(wù)系統來(lái)看，門(mén)戶(hù)層主要可以分為兩種，一種是行業(yè)門(mén)戶(hù)，另一種是公共信息門(mén)戶(hù)。內部門(mén)戶(hù)由管理人員直接負責，開(kāi)展日常的運營(yíng)與維修工作，同時(shí)業(yè)務(wù)人員可以借助行業(yè)門(mén)戶(hù)與其他的業(yè)務(wù)人員展開(kāi)溝通交流，確保各項水務(wù)工作均有序展開(kāi)，增強智慧水務(wù)系統的服務(wù)能力。值得一提的是，所建立的公共信息門(mén)戶(hù)能夠為城市用戶(hù)的咨詢(xún)提供渠道，用戶(hù)可以及時(shí)且動(dòng)態(tài)地獲取水務(wù)信息，參與水務(wù)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(wù)系統中的數據信息，一方面確保水務(wù)工作開(kāi)展，另一方面為相關(guān)部門(mén)的水務(wù)工作開(kāi)展提供數據支撐。從當前智慧水務(wù)系統的數據管理平臺的應用來(lái)看，可以從兩個(gè)方面來(lái)開(kāi)展數據的整合。①通過(guò)數據整合可以確保數據信息的存儲實(shí)現完整性，完成數據信息的備份與存儲②通過(guò)數據整合可以實(shí)現數據的集約化管理，存儲空間也可以得到節約，有利于降低數據信息的存儲成本。

4 智慧水務(wù)系統在城市供水中的運用

4.1 發(fā)揮好相關(guān)科學(xué)技術(shù)的優(yōu)勢

      城市供水有著(zhù)復雜性與專(zhuān)業(yè)性的特點(diǎn)，要想確保智慧水務(wù)系統可以在城市供水中獲得良好的運用，須發(fā)揮好相關(guān)科學(xué)技術(shù)的優(yōu)勢，不斷增強智慧水務(wù)系統的運用效果。

      在應用云計算技術(shù)的過(guò)程中，可以謀求改進(jìn)智慧水務(wù)系統的消費模式與服務(wù)模式，從之前的“購買(mǎi)軟硬件產(chǎn)品”朝著(zhù)“提供和購買(mǎi)IT服務(wù)”轉變。在物聯(lián)網(wǎng)的應用中，要努力將水務(wù)業(yè)務(wù)與相關(guān)的部門(mén)和設施連接起來(lái)，實(shí)現信息交換與通信，帶領(lǐng)水務(wù)行業(yè)實(shí)現“智慧升級”。

      大數據在智慧水務(wù)系統中發(fā)揮著(zhù)重要作用，可以更好地整合與處理水務(wù)信息，且可以實(shí)現水務(wù)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(dòng)智慧水務(wù)系統不斷發(fā)展。

      在實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監測系統的應用中，要將要點(diǎn)放在水污染事件的監測上，一方面要實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監測供水與排水情況，另一方面要及時(shí)排查所潛在的風(fēng)險，切實(shí)實(shí)現水質(zhì)信息的實(shí)時(shí)追蹤。

      GIS地理信息系統在智慧水務(wù)系統中也發(fā)揮著(zhù)較好的作用，尤其是可以對管網(wǎng)基礎數據資源實(shí)施數字化管理與可視化管理[5] 。具體來(lái)說(shuō)，GIS地理信息系統能夠發(fā)揮三維模擬技術(shù)的優(yōu)勢展示地下管線(xiàn)的詳況，克服了以往管網(wǎng)管理過(guò)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(wù)系統得以發(fā)展的關(guān)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(wù)系統所缺失的?？梢哉f(shuō)，在人工智能的幫助下，智慧水務(wù)系統在水務(wù)領(lǐng)域的應用會(huì )越來(lái)越廣泛，改變水務(wù)企業(yè)的生產(chǎn)理念與運營(yíng)模式。

4.2 建立供水管理智慧服務(wù)平臺

      在運用智慧水務(wù)系統的過(guò)程中，要考慮使用網(wǎng)絡(luò )技術(shù)和數字化技術(shù)建立城市供水管理智慧服務(wù)平臺，形成數字化的供水管理體系。通過(guò)建立城市供水管理智慧服務(wù)平臺，一方面可以實(shí)現視頻監控和資源共享，另一方面可以為工作人員的水務(wù)業(yè)務(wù)開(kāi)展提供諸多便利。需要注意一點(diǎn)，在建立城市供水管理智慧服務(wù)平臺時(shí)，要對城市居民的實(shí)際生活需求多加考慮，借助智慧服務(wù)平臺向居民提供更多人性化與便利化的服務(wù)[6] 。

4.3 建立信息資源系統

      信息資源系統對智慧水務(wù)系統的運用有較大影響，要考慮使用多種科學(xué)技術(shù)優(yōu)化信息資源系統，尤其是要使用好物聯(lián)網(wǎng)、大數據、人工智能等技術(shù)。比如，在使用大數據技術(shù)的過(guò)程中，要做好水務(wù)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(wù)系統的支撐能力。

4.4 落實(shí)智慧水廠(chǎng)運維平臺的建設

      為了讓智慧水務(wù)系統可以更加數字化與智慧化，須完全融入水廠(chǎng)管理中，落實(shí)好智慧水廠(chǎng)運維平臺的建設工作。在建設智慧水廠(chǎng)運維平臺時(shí)，要將要點(diǎn)放在三個(gè)方面：①數字三維仿真；②巡檢及設備管理系統；③水廠(chǎng)生產(chǎn)運維管理和能耗監測與節能分析。比如，在巡檢及設備管理系統中，須對水廠(chǎng)運行設備實(shí)施動(dòng)態(tài)化監測，掌握動(dòng)態(tài)化的運行信息，實(shí)現完整生命周期的管理[7] 。再比如，開(kāi)展水廠(chǎng)生產(chǎn)運維管理和能耗監測與節能分析時(shí)，需要對水廠(chǎng)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)、數據建模、過(guò)程優(yōu)化、耗能指標、故障診斷開(kāi)展綜合性處理，始終確保城市供水處于穩定和快捷狀態(tài)，為用戶(hù)提供優(yōu)質(zhì)的用水。

5 AcrelEMS-SW智慧水務(wù)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(chǎn)品生態(tài)體系，AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺通過(guò)在污水廠(chǎng)源、網(wǎng)、荷、儲、充的各個(gè)關(guān)鍵節點(diǎn)安裝保護、監測、分析、治理裝置，用于監測污水廠(chǎng)能耗總量和能耗強度，監測主要用能設備能效，保護污水廠(chǎng)運行可靠，提高污水廠(chǎng)能效，為污水處理的能效管理提供科學(xué)、精細的解決方案。

5.2平臺組成

      AcrelEMS智慧水務(wù)綜合能效管理系統由變電站綜合自動(dòng)化系統、電力監控及能效管理系統組成，涵蓋了水務(wù)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(wù)能源流的始終，幫助運維管理人員通過(guò)一套平臺、一個(gè)APP實(shí)時(shí)了解水務(wù)配電系統運行狀況，并且根據權限可以適用于水務(wù)后勤部門(mén)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(dòng)化系統及電力監控

      對水務(wù)配電系統中35kV、10kV電壓等級配置繼電保護和弧光保護，實(shí)現遙測、遙信、遙控、遙調等功能，對異常情況及時(shí)預警。

      監測變壓器、水泵、鼓風(fēng)機的電流、電壓、有功/無(wú)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(zhì)量監測與治理

      水務(wù)中大量的大功率電機、水泵變頻啟動(dòng)導致配電系統中存在大量諧波，通過(guò)監測其配電系統的諧波畸變、電壓波動(dòng)、閃變和容忍度指標分析其電能質(zhì)量，并配置對應的電能質(zhì)量治理措施提高供電電能質(zhì)量。

5.4.3電動(dòng)機管理

      馬達監控實(shí)現水務(wù)中電機的保護、遙測、遙信、遙控功能，電動(dòng)機保護器能對過(guò)載、短路、缺相、漏電等異常情況進(jìn)行保護、監測和報警?？旖?、準確地反映出故障狀態(tài)、故障時(shí)間、故障地點(diǎn)、及相關(guān)信息，對電機進(jìn)行健康診斷和預防性維護。同時(shí)支持與PLC、軟啟、變頻器等配合，實(shí)現電動(dòng)機自動(dòng)或遠程控制，監視、控制各個(gè)工藝設備,保障正常生產(chǎn)。

5.4.4能耗管理

      為水務(wù)搭建計量體系，顯示水務(wù)的能源流向和能源損耗，通過(guò)能源流向圖幫助水務(wù)分析能源消耗去向，找出能源消耗異常區域。

      將所有有關(guān)能源的參數集中在一個(gè)看板中，從多個(gè)維度對比分析，實(shí)現各個(gè)工藝環(huán)節的能耗對比，幫助領(lǐng)導掌控整個(gè)工廠(chǎng)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(wù)中污水廠(chǎng)、自來(lái)水廠(chǎng)、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(jìn)行能效分析，契合能源管理體系要求，可對各車(chē)間/職能部門(mén)的能效水平進(jìn)行分析，同比、環(huán)比、對標等。通過(guò)污水處理產(chǎn)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(jìn)行同比和環(huán)比分析，同時(shí)將污水的單耗與行業(yè)/國家/國際先進(jìn)指標對標，以便企業(yè)能夠根據產(chǎn)品單耗情況來(lái)調整生產(chǎn)工藝，從而降低能耗。

5.4.5智能照明控制

      系統為污水廠(chǎng)、自來(lái)水廠(chǎng)、水泵站等提供了照明控制管理方案，支持單控、區域控制、自動(dòng)控制、感應控制、定時(shí)控制、場(chǎng)景控制、調光控制等多種控制方式，模塊可根據經(jīng)緯度自動(dòng)識別日出日落時(shí)間實(shí)現自動(dòng)控制功能，盡量利用自然光照，實(shí)現室內、廠(chǎng)區照明的智能控制達到節能的目的。

5.4.6電氣安全

①電氣火災監測：監測配電系統回路的漏電電流和線(xiàn)纜溫度，實(shí)現對污水廠(chǎng)、自來(lái)水廠(chǎng)、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(dòng)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(guò)平面圖顯示疏散指示燈具工作狀態(tài)和異常情況。

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

④防火門(mén)監控系統：防火門(mén)監控系統集中控制其各終端設備即防火門(mén)監控模塊、電動(dòng)閉門(mén)器、電磁釋放器的工作狀態(tài)，實(shí)時(shí)監測疏散通道防火門(mén)的開(kāi)啟、關(guān)閉及故障狀態(tài)，顯示終端設備開(kāi)路、短路等故障信號。系統采用消防二總線(xiàn)將具有通信功能的監控模塊相互連接起來(lái)，當終端設備發(fā)生短路、斷路等故障時(shí)，防火門(mén)監控器能發(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)境監測

      污水廠(chǎng)、自來(lái)水廠(chǎng)、水泵站等場(chǎng)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(chǎng)、自來(lái)水廠(chǎng)、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(dòng)啟動(dòng)排風(fēng)風(fēng)機或新風(fēng)系統，排除隱患，保持良好的水處理環(huán)境。

5.4.8分布式光伏監測

      實(shí)時(shí)監測低壓并網(wǎng)柜每路的電流、電壓、功率等電氣參數及斷路器開(kāi)關(guān)狀態(tài)，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(fā)電功率、累計發(fā)電量進(jìn)行監測，以曲線(xiàn)方式繪制上述監測的各個(gè)參量的歷史數據。

      平臺結合廠(chǎng)區實(shí)際分布情況，通過(guò)3D或2.5D平面圖顯示分布式光伏組件在屋頂、車(chē)棚的分布情況，顯示匯流箱、并網(wǎng)點(diǎn)位置，各個(gè)屋頂的裝機容量。

5.4.9工藝仿真監控

      平臺通過(guò)2D、3D方式實(shí)時(shí)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(tài)。在格柵清渣機、污水提升泵、回流泵、曝氣風(fēng)機、加藥泵、濃縮壓濾機、吸沙泵、吸泥泵等低壓電動(dòng)機控制柜或低壓饋電柜安裝電動(dòng)機保護，進(jìn)行短路、過(guò)流、過(guò)載、起動(dòng)超時(shí)、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(shí)現電動(dòng)機自動(dòng)或遠程控制，監視、控制各個(gè)工藝設備,保障正常生產(chǎn)。

6 相關(guān)平臺部署硬件選型清單

7 結語(yǔ)

      智慧水務(wù)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(jìn)水務(wù)工作規范化、科學(xué)化與高效化十分有益。為發(fā)揮出智慧水務(wù)系統的最大優(yōu)勢，要注重相關(guān)科學(xué)技術(shù)的應用，幫助智慧水務(wù)實(shí)現信息化，破解水務(wù)行業(yè)發(fā)展困局，助力城市智慧水務(wù)的發(fā)展。在智慧水廠(chǎng)運維平臺的建設中，要做好智慧水務(wù)的規劃，努力與水廠(chǎng)互聯(lián)互通，實(shí)現信息的即時(shí)獲取與共享 ，為城市供水發(fā)展奠定良好的基礎條件。