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(jié)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(shù)構(gòu)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(zhuǎn)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(shù)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(zhuǎn)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(shù)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(shù)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(jié)合，構(gòu)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(shù)應用帶動水務信息化技術(shù)水平的全方面提升，為水務管理的智慧化提供信息化技術(shù)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(shù)，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(shù)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(shù)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(shù)深化應用場景，建立了一批高質(zhì)量的技術(shù)平臺和技術(shù)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(shù)，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(zhuǎn)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(gòu)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(quán)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(shù)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(shù)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(zhuǎn)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(quán)，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(shù)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(zhuǎn)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(shù)，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(jié)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(shù)，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(quán)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(gòu)，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(cè)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(jié)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(zhuǎn)、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(jié)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(shù)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(shù)難關，提高智慧水務系統(tǒng)的安全性與準確性。

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