城市智慧水務智能配電能效平臺分析

江蘇安科瑞微電網(wǎng)研究院有限公司江蘇江陰214432

摘要：闡述城市智慧水務的特點，發(fā)展現(xiàn)狀，存在的問題、應對的措施和方案，探討城市智慧水務建設中的整體框架設計，包括基礎設施層、數(shù)據(jù)層、服務支撐層、集成層、應用層，實現(xiàn)生產(chǎn)業(yè)務數(shù)字化，資產(chǎn)管理、運維管理、報表管理、安全管理、應急管理、綜合調(diào)度的業(yè)務功能。

關鍵詞：智慧城市，智慧水務，計算機系統(tǒng)，數(shù)字化管理。

0引言

在水務數(shù)字化進展過程中，水務部門及水務企業(yè)根據(jù)自身需要建設了不同功能的應用系統(tǒng)支撐日常工作，常見系統(tǒng)包括管網(wǎng)GIS系統(tǒng)、廠站SCADA系統(tǒng)和營賬收費系統(tǒng)等。但是，由于缺少頂層規(guī)劃和統(tǒng)一的標準體系，各個應用系統(tǒng)之間相互獨立，數(shù)據(jù)無法打通，業(yè)務難以協(xié)同。同時，由于智慧水務發(fā)展較晚，系統(tǒng)功能尚未完善，現(xiàn)有應用系統(tǒng)往往數(shù)據(jù)價值挖掘不深，智能化智慧化應用場景不足。

因此，在建設數(shù)字中國、智慧城市、智慧水務的大背景下，結合水務行業(yè)信息化智慧化發(fā)展需求，應當加強水務頂層規(guī)劃和建設統(tǒng)一的標準體系，充分利用新一代信息技術構建標準化、精細化、智能化的水務綜合管理平臺，通過水務綜合管理平臺打通信息孤島，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，挖掘數(shù)據(jù)價值，增強對水務業(yè)務的運營和監(jiān)管的能力，實現(xiàn)城市水務智慧運行、智慧監(jiān)管，助力城市管理體系和管理能力向現(xiàn)代化轉變。

1研究背景

2014年8月，國家發(fā)改委、工信部、科技部、公安部、財政部、國土部、住建部、交通部八部委印發(fā)《關于增進智慧城市健康發(fā)展的指導意見》，提出加速建設智能化基礎設施，建設全過程智能水務管理系統(tǒng)。2020年4月，國家開始明確“新型基礎設施建設"（新基建）范圍，對信息基礎設施、融匯基礎設施、創(chuàng)新基礎設施三方面提出建設理念和要求，以新發(fā)展理念為領導，以技術創(chuàng)新為驅(qū)動，以信息網(wǎng)絡為基礎，面向高質(zhì)量發(fā)展需求，提供數(shù)字轉型、智能升級、融匯創(chuàng)新等服務的基礎設施體系。新基建的發(fā)展，為水務現(xiàn)代化管理提供了強有力的技術支撐。2021年12月，網(wǎng)絡安全和信息化委員會印發(fā)《“十四五"國家信息化規(guī)劃》，明確要求分級分類有序推進新型智慧城市建設，因地制宜推進智慧城市群一體化發(fā)展，圍繞公共交通、快遞物流、就診就學、城市運行管理、自然環(huán)保、證照管理、市場監(jiān)管、公共安全、應急管理等要點領域，推動一批智慧應用區(qū)域協(xié)同聯(lián)動，增進區(qū)域信息化協(xié)調(diào)發(fā)展。智慧水務是自然環(huán)保領域的重要組成部分，是推進新型智慧城市高質(zhì)量發(fā)展的重要抓手之一。

城市智慧水務的特點。目前，學術界對智慧水務的特征進行了不同層次的探討，但其定義尚未達成統(tǒng)一共識。張世濱認為，智慧水務通過傳感器、網(wǎng)絡和移動系統(tǒng)與水務信息系統(tǒng)的結合，構建成全方面的智能水務管理系統(tǒng)。楊明祥認為，智慧水務以新信息技術應用帶動水務信息化技術水平的全方面提升，為水務管理的智慧化提供信息化技術支撐。本文從實際應用出發(fā)，認為智慧水務是依托物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、移動互聯(lián)網(wǎng)等新一代信息化技術，實現(xiàn)水務行業(yè)應用場景“可視"“可知"“可控"“可預測"的一體化綜合管控平臺，賦能水務行業(yè)全要素全過程運維監(jiān)管。

城市智慧水務發(fā)展現(xiàn)狀。隨著水務業(yè)務的變化和科學技術的發(fā)展，水務管理的思路不斷創(chuàng)新，自動化和信息化技術在城市水務部門管理中的應用也越來越深入和廣泛，為我國城市水務信息化智慧化的進一步發(fā)展打下了良好的基礎。大體來看，我國城市水務信息化的發(fā)展主要分為自動化、信息化和智慧化三個階段。

水務自動化階段，以自動化控制為核心，著眼于工藝優(yōu)化以及生產(chǎn)效率的提升；水務信息化階段，以企業(yè)信息化為核心，在企業(yè)資源管理、業(yè)務協(xié)同、移動應用方面進行突破；水務智慧化階段，以智慧化“水務大腦"為核心，融匯大數(shù)據(jù)、人工智能、區(qū)塊鏈、5G、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等先進技術深化應用場景，建立了一批高質(zhì)量的技術平臺和技術體系，有成效提升了水務管理工作效率與公共服務水平。目前，我國相當一部分城市水務部門的信息化建設處在信息化水務階段，并正在向智慧化水務階段進行嘗試。但是，仍有不少城市水務部門的信息化建設處在自動化階段，智慧水務建設缺乏統(tǒng)籌和頂層規(guī)劃，推進緩慢。

2城市智慧水務系統(tǒng)建設的必要性

智慧水務是貫徹落實“網(wǎng)絡強國"“數(shù)字中國"戰(zhàn)略，加速“智慧城市"建設的重要抓手?！丁笆奈?國家信息化規(guī)劃》明確要求分級分類有序推進新型智慧城市建設，因地制宜推進智慧城市群一體化發(fā)展，圍繞公共交通、快遞物流、就診就學、城市運行管理、自然環(huán)保、證照管理、市場監(jiān)管、公共安全、應急管理等要點領域，推動一批智慧應用區(qū)域協(xié)同聯(lián)動，增進區(qū)域信息化協(xié)調(diào)發(fā)展。智慧水務是自然環(huán)保領域的重要組成部分，是推進新型智慧城市高質(zhì)量發(fā)展的重要抓手之一。通過智慧水務建設作為重要抓手，加速智慧城市在水務領域的有成效落地，是貫徹落實“網(wǎng)絡強國"“數(shù)字中國"戰(zhàn)略的集中體現(xiàn)。

智慧水務是提升運營管理水平，實現(xiàn)水務管理數(shù)字化的必由之路。通過智慧水務平臺實現(xiàn)水務業(yè)務“源-廠-網(wǎng)-河湖"全鏈路標準化、精細化管理。依托物聯(lián)感知、云計算、大數(shù)據(jù)分析、模型分析、人工智能等新一代信息技術，提升水務業(yè)務“智治"能力，實現(xiàn)減員增效、節(jié)能降耗和科學決策。智慧水務平臺建設是水務業(yè)務由“經(jīng)驗式管理"向“數(shù)字化智治"轉變的必由之路。

智慧水務是提升政府服務效能，建設服務型政府的重要內(nèi)容。建設人民滿意的服務型政府，群眾辦事“只跑一趟"“只進一扇門"，是數(shù)字政府建設的目標，是深化行政體制改革、加強政府自身建設的核心追求，水務行業(yè)行政單位須加強行政服務能力和服務管理體系，向高能服務型政府的目標推進。構建智慧水務一體化平臺，提升水務公眾服務品質(zhì)，建設民生水務體系，是提升政府服務效能，建設服務型政府的重要內(nèi)容。

3城市智慧水務系統(tǒng)建設中的問題

智慧水務的頂層規(guī)劃。當前，水務部門及水務企業(yè)根據(jù)自身需要建設了不同功能的應用系統(tǒng)支撐日常工作，常見系統(tǒng)包括管網(wǎng)GIS系統(tǒng)、廠站SCADA系統(tǒng)和營賬收費系統(tǒng)等。但是，由于缺少頂層規(guī)劃和統(tǒng)一的標準體系，各個應用系統(tǒng)之間相互獨立，數(shù)據(jù)無法打通，業(yè)務難以協(xié)同，導致各個系統(tǒng)“煙林立"“數(shù)據(jù)孤島"，數(shù)據(jù)無法共享，業(yè)務無法共通。

管理部門的協(xié)同問題。管理上的“部門分割"，導致水務系統(tǒng)缺乏整體規(guī)劃，水務行業(yè)效率低下。許多城市采取的管理體制是：水源歸水利部門管，供水歸國資部門管，排水歸城建部門管，水污染整治歸環(huán)保部門管。如此“多龍治水"，各部門責權利交織，無法形成合力以解決日益嚴重的城市水危機問題；部門間業(yè)務協(xié)同難，重復建設時有發(fā)生，阻礙了技術創(chuàng)新，并造成資源浪費。

智慧化程度的問題。我國城市智慧水務的發(fā)展較晚，系統(tǒng)功能尚未完善，智慧化程度有待提高。一方面，較多城市水務系統(tǒng)的基礎硬件設備仍然比較陳舊，信息化程度較低，不能滿足城市智慧水務系統(tǒng)建設的基本需求；另一方面，現(xiàn)在的智慧水務軟件系統(tǒng)基本上還停留在信息化水平，大數(shù)據(jù)分析、人工智能等新技術還沒有在水務行業(yè)得到很好的應用。

建立相應的管理體制和機制中的問題。城市智慧水務系統(tǒng)的管理人員并未充分關注水務系統(tǒng)的建設及自身在建設過程中的職責，也沒有深入研究管理智慧水務系統(tǒng)的方法，沒有成立與智慧水務平臺運維相關的信息部門，導致很多智慧水務平臺“重建輕管"。

4城市智慧水務方案

以人為本、服務民生。從滿足城鄉(xiāng)居民對用水安全和用水品質(zhì)的提升需求出發(fā)，強化“人人"管理，即做好管理“人"與服務“人"，實現(xiàn)員工的智慧化管理與服務對象的智慧化服務，不斷提升公共服務水平和群眾滿意度。

問題導向、創(chuàng)新發(fā)展。堅持問題導向，創(chuàng)新工作思路，以信息化手段為抓手實現(xiàn)環(huán)節(jié)簡化、流程優(yōu)化、服務強化，融匯物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算、區(qū)塊鏈等數(shù)字科技手段增進產(chǎn)業(yè)轉型升級與均衡發(fā)展，全域化、高質(zhì)量解決水務業(yè)務管理問題。

建管并重、注重運維。打破固有觀念，建管并重，注重智慧水務平臺后期運維。尤其是水務行政管理部門，往往平臺建設單位與使用單位不一致，導致系統(tǒng)在使用過程中運維跟不上、不到位，造成系統(tǒng)運行故障，數(shù)據(jù)不準、決策不精，嚴重制約了智慧水務平臺的作用。

完善機制、科學評價。水務管理人員需要搜集關于城市水務發(fā)展實際狀況的信息，建立完善的評價體系，用時間管理效果反映水務系統(tǒng)的工作性能，制定科學可行的調(diào)整方案，在更廣闊的范圍之內(nèi)加以推廣，給城市水務工作做出貢獻。

5城市智慧水務建設中的整體框架設計

城市智慧水務建設系統(tǒng)的總體框架，可以如下敘述。（1）基礎設施層，主要包括數(shù)據(jù)庫、操作系統(tǒng)等開發(fā)性框架，給系統(tǒng)運行提供強有力支撐。（2）數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層是智慧水務建設系統(tǒng)的核心，可以完成存儲數(shù)據(jù)與處理數(shù)據(jù)的任務，在現(xiàn)有資料中抽取并調(diào)用有用信息，建立綜合化程度較高的數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)共享等目標。（3）服務支撐層。該層主要包括關于管理用戶將地理信息服務的信息，可以提高信息化建設程度，給使用規(guī)范的用戶授權，給其地理信息服務部門提供必要支撐。（4）集成層。該層可以將各位用戶的信息整合起來，創(chuàng)建起符合標準及規(guī)范的應用信息系統(tǒng)。（5）應用層。該層能夠?qū)崿F(xiàn)人機交互的目標，面對各項工作完成定制開發(fā)的任務。

城市智慧水務的實際應用案例。隨著城市智慧水務的建設范圍不斷擴大，水務技術得到較好點發(fā)展空間，目前我國越來越多的城市開始接納信息化、智能化的管理理念，對城市供排水系統(tǒng)進行改進調(diào)整，踴躍探索建設智慧水務平臺，為水務行業(yè)運維監(jiān)管賦能。安徽省蕪湖市依托長江大保護戰(zhàn)略，緊握契機，開展城市智慧水務平臺建設。蕪湖智慧水務平臺以輔助污水系統(tǒng)“提質(zhì)增效"為近期目標，打造“全方面感知、科學評估、智能預警、輔助決策"的實用、管用、好用的廠站網(wǎng)一體化智慧水務系統(tǒng)。平臺服務于“長江大保護"試點城市蕪湖市城區(qū)污水系統(tǒng)，服務區(qū)面積720km2，人口約251萬人，含6座污水處理廠（總規(guī)模71.5萬噸/天），35座污水提升泵站，663km污水管網(wǎng)。

平臺顯著提高了水務業(yè)務全過程管理效率，實現(xiàn)從被動響應到主動應對、從傳統(tǒng)人工到智能自動的轉變，實現(xiàn)準確溯源、準確診斷、精明施策、精細管理、精益治理，為蕪湖長江大保護工程長治久清提供了有力保障。

該平臺實現(xiàn)的具體功能如下：（1）信息服務：建立排水系統(tǒng)物聯(lián)感知系統(tǒng)，全方面監(jiān)測系統(tǒng)運行狀態(tài)，并利用GIS+BIM實現(xiàn)數(shù)字李生，為用戶提供基礎信息、監(jiān)測數(shù)據(jù)、信息發(fā)布、信息交換等信息服務功能。（2）生產(chǎn)管理：將生產(chǎn)業(yè)務數(shù)字化，實現(xiàn)資產(chǎn)管理、運維管理、報表管理、安全管理、應急管理、綜合調(diào)度等業(yè)務功能。（3）決策支持：通過應用物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)值模擬、大數(shù)據(jù)分析等技術，開發(fā)運行監(jiān)測、大數(shù)據(jù)分析、數(shù)值模型服務、專家?guī)炫c知識庫、決策分析等功能，為污水系統(tǒng)生產(chǎn)運行提供智能預警并輔助決策。（4）監(jiān)督考核：緊密結合各級部門和單位對排水系統(tǒng)考核要求，建立科學評估體系，實現(xiàn)水務全業(yè)務的動態(tài)在線考核功能。（5）移動應用：采用移動互聯(lián)網(wǎng)技術，通過手機等移動設備實現(xiàn)信息查詢、巡檢養(yǎng)護、工單處理、公眾服務等功能。

6 AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平臺

6.1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智慧水務能效管理平臺通過在污水廠源、網(wǎng)、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。

6.2平臺組成

AcrelEMS智慧水務綜合能效管理系統(tǒng)由變電站綜合自動化系統(tǒng)、電力監(jiān)控及能效管理系統(tǒng)組成，涵蓋了水務中壓變配電系統(tǒng)、電氣安全、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(tǒng)運行狀況，并且根據(jù)權限可以適用于水務后勤部門管理需要。

6.3平臺拓撲圖

6.4平臺子系統(tǒng)

6.4.1變電站綜合自動化系統(tǒng)及電力監(jiān)控

對水務配電系統(tǒng)中35kV、10kV電壓等級配置繼電保護和弧光保護，實現(xiàn)遙測、遙信、遙控、遙調(diào)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(shù)、負荷率、溫度、三相平衡、異常報警等數(shù)據(jù)。

6.4.2電能質(zhì)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(tǒng)中存在大量諧波，通過監(jiān)測其配電系統(tǒng)的諧波畸變、電壓波動、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。

6.4.3電動機管理

馬達監(jiān)控實現(xiàn)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。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(xiàn)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(chǎn)。

6.4.4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(shù)集中在一個看板中，從多個維度對比分析，實現(xiàn)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(shù)據(jù)統(tǒng)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(tǒng)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(chǎn)量以及系統(tǒng)采集的能耗數(shù)據(jù)，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/指標對標，以便企業(yè)能夠根據(jù)產(chǎn)品單耗情況來調(diào)整生產(chǎn)工藝，從而降低能耗。

6.4.5智能照明控制

系統(tǒng)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(diào)光控制等多種控制方式，模塊可根據(jù)經(jīng)緯度自動識別日出日落時間實現(xiàn)自動控制功能，盡量利用自然光照，實現(xiàn)室內(nèi)、廠區(qū)照明的智能控制達到安全、節(jié)能的目的。

6.4.6電氣安全

①電氣火災監(jiān)測：監(jiān)測配電系統(tǒng)回路的漏電電流和線纜溫度，實現(xiàn)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(jù)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(tǒng)接入消防應急照明指示系統(tǒng)數(shù)據(jù)，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(tǒng)：防火門監(jiān)控系統(tǒng)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(tǒng)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。

6.4.7 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(tǒng)，排除隱患，保持良好的水處理環(huán)境。

6.4.8分布式光伏監(jiān)測

實時監(jiān)測低壓并網(wǎng)柜每路的電流、電壓、功率等電氣參數(shù)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(shù)、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(shù)據(jù)。

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(wǎng)點位置，各個屋頂?shù)难b機容量。

6.4.9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(xiàn)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(chǎn)。

7 相關平臺部署硬件選型清單

8結語

在城市水務建設發(fā)展過程中，智慧水務是必然趨勢。智慧水務的效用關系人們生活與生產(chǎn)的基本需求，可以有成效減緩出現(xiàn)水資源緊缺、水環(huán)境污染、洪水內(nèi)澇等各類問題發(fā)生，推動國家經(jīng)濟的穩(wěn)定發(fā)展?，F(xiàn)代科學技術的進步給智慧水務系統(tǒng)的發(fā)展提供了必要支持，需要增加對智慧水務系統(tǒng)的資金投入水平，制定科學完善的評價機制，逐步突破技術難關，提高智慧水務系統(tǒng)的安全性與準確性。

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