安科瑞淺談智慧水務架構及配電建設應用
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易允恒
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
隨著新時期治水方針的逐步落實，水利現代化、智能化建設已開啟，物聯網、圖像識別、數字孿生等新技術的成熟，也為智慧水務體系的搭建提供了技術保障，新時代治水新思路正逐步得到落實。本文對智慧水務的總體架構與包含的建設內容進行研究，力圖為智慧水務體系搭建及項目建設提供部分借鑒。
1 研究背景
新時期治水方針要求將傳統(tǒng)水務與現代信息化技術進行，提升涉水業(yè)務管理能力和水平，使水務參與相關方及社會公眾享受到水務的智慧化服務，實現防汛減災、水管理、水資源利用等方面的涉水業(yè)務綜合管控。當前水務監(jiān)測體系已基本實現對水文信息采集、水資源水環(huán)境信息采集、工情信息采集、工程信息采集以及監(jiān)控站點等覆蓋，但由于分屬不同業(yè)務部門，在不同時期建設，導致實時數據未得到很好整合，未能發(fā)揮整體效益，具體表現為監(jiān)測站點布設缺乏統(tǒng)籌考慮，監(jiān)測
手段單一，缺少創(chuàng)新監(jiān)測手段應用，以及數據資源整合利用程度低，業(yè)務應用不夠深化靈活等。因此，在新一代信息技術賦能下，搭建智慧水務體系，成為了必然趨勢，也具備了可落地基礎。
2 智慧水務內涵
2.1 智慧水務內涵
站在水務管理部門的視角，智慧水務即緊密圍繞水、水資源、水環(huán)境、水工程、水事務、水公共服務6大核心業(yè)務的需求，云計算、大數據、物聯網、人工智能、數字孿生等新一代信息技術，推進涉水業(yè)務智能應用，提升信息整合共享和業(yè)務智能管理水平，驅動和支撐水務治理體系和治理能力現代化[1]。
(1)水。主要包括水災防御、飲用水管理兩部分內容。水災主要為雨季型洪水、臺風型洪水造成的雨澇，當有大洪水來時，通過模型進行預報預警，可以提前采取措施，預報各水庫水位，騰出庫容調蓄洪水，減輕庫區(qū)周邊和下游的防洪壓力。在后汛期，根據來水預測及時攔蓄洪尾水量，盡可能多的儲備水量。當預測來水量較少時，可根據水庫蓄水情況和需水量分析，提前采取抗旱措施，減少旱災的影響。飲水工程則是統(tǒng)籌城鄉(xiāng)發(fā)展，和提高民眾生活質量，城鄉(xiāng)經濟社會發(fā)展的重要民生基礎設施，城鄉(xiāng)飲用水密切關系到群眾的身體健康，防范飲水風險十分必要。通過對人飲工程增加水質和水位自動監(jiān)測，可實現城鄉(xiāng)飲水工程供水自動預警，同時加強城鄉(xiāng)飲水工程日常業(yè)務管理，提升城鄉(xiāng)供水和應急處置能力。(2)水資源。是指有利用價值且可被利用的水源，包括地表水及地下水等。在信息化中，水資源信息包括水質信息、監(jiān)測信息、供水廠監(jiān)測信息、排污口信息、取水戶信息、水庫信息、水電站信息、流量監(jiān)測信息、水利工程信息等。水資源優(yōu)化配置包含了水資源管理、供水管理、灌區(qū)管理的綜合優(yōu)化。(3)水環(huán)境。主要通過監(jiān)測站網進行監(jiān)測，監(jiān)測站網是指在流域內或者區(qū)域內，由適量的水質監(jiān)測實驗室與地表水、地下水、大氣降水水質站組成的監(jiān)測信息收集系統(tǒng)。在水環(huán)境管理及保護上，又可分為河湖長制綜合管理、采砂管理、水土保持管理等。(4)水工程。包括涉水的水利工程建設管理、水利工程運行管理。(5)水事務。即以水行政事件為主線，涉及到的對象、業(yè)務流程等，主要為水行政，包括對象、巡查管理、辦案管理、案件辦理管理、隊伍和裝備管理、指揮調度等。(6)水公共服務。即水務部門面向公眾提供的涉水政務服務，通過互聯網、移動端、辦理窗口、戶外展示引導等提供，主要包括行政審批事項處理、公眾水務事項解答、公眾水務事項投訴處理、公眾預報預警、公眾節(jié)水教育、公眾河湖治理宣傳教育、引導公眾參與河湖治理、公眾水情教育等。
2.2 智慧水務總體架構
智慧水務建設可按照“四橫兩縱”總體架構進行，即基礎設施、水務大數據、應用支撐平臺、智能應用，以及機制保障、技術保障。智慧水務整體架構圖。
基礎設施包括水務智能感知網和基礎運行環(huán)境。
(1)水務智能感知網。水務智能感知網即運用無人機、無人船、物聯網、5G等新一代技術，通過構建“空-天-地-水”監(jiān)測感知網，實現水務要素全感知，區(qū)域感知全覆蓋、感知手段全應用，支撐水務工作。智能感知網需要在傳統(tǒng)水雨情、水資源、工情監(jiān)測站點基礎上，強化無人機、無人船等技術的綜合應用，豐富采集種類、加密采集覆蓋、整合采集站點、規(guī)范采集數據，進一步加強水文、水資源、水環(huán)境、水工程、農村水利等方面的信息采集，提高信息的完備性、真實性和時效性，滿足精細化水務業(yè)務管理應用要求。廣義上說，水務智能感知網包括河道監(jiān)測站網、人飲工程監(jiān)測站網、在建水利工程監(jiān)測站網、水庫及水電站監(jiān)測站網。
(2)基礎運行環(huán)境。1)水務大數據。建設水務大數據，可豐富數據資源，實現各部門數據資源整合共享，提升數據共享和服務能力。2)水務模型。基本的公共服務基礎模型，方便應用軟件開發(fā)時在其上層捷地搭建業(yè)務應用流程和構造信息門戶，水務模型為應用層提供統(tǒng)一的支撐服務。應用支撐平臺為應用層提供統(tǒng)一的支撐服務，是實現水務事件推理、水務事件協同、水務實景仿真、水務時空分析、水務行政服務等公共服務的基礎平臺。智慧應用為基于模型構建的應用，包括水專題、水資源優(yōu)化專題、水環(huán)境保護專題等，配合綜合決策大屏、移動應用平臺和統(tǒng)一門戶使用。3)機制體制保障。標準規(guī)范的機制建設是工程建設重要的基礎性工作，是實現智慧水務運行管理的目標，保證信息交換、共享和應用支持性和可行性的重要前提。4)技術保障。技術應用是系統(tǒng)運行的支柱，貫穿于整個體系架構各層的建設過程中。
3 易慧水務建設內容
3.1 智能感知網
根據水務業(yè)務應用建設需求，以水雨情、水資源、工情監(jiān)測站點為核心基礎，強化無人機、無人船等技術的綜合應用。智能感知網具體建設為河道監(jiān)測站網、人飲工程監(jiān)測站網、在建水利設施監(jiān)測站網、水庫監(jiān)測站網等。監(jiān)測數據包括水位、流量、雨量、濁度、酸堿度、余值、實時畫面等。
3.2 水務大數據
(1)水務數據資源目錄。水務數據資源目錄建設是開展數據共享的重要手段和途徑，各級在建立數據資源目錄時，應保持基本維度分類體系的一致，并在水務數據建立統(tǒng)一的目錄服務系統(tǒng)，解決各自領域范圍的數據資源目錄管理與發(fā)布。根據水務系統(tǒng)的實際情況，水務數據資源目錄可分為基礎數據目錄、監(jiān)測數據目錄、業(yè)務數據目錄。(2)制定數據標準規(guī)范體系。按照“一數一源”的原則，進行相關標準規(guī)范制定，主要包括數據庫設計規(guī)范、數據加工存儲規(guī)范、數據資源共享規(guī)范、數據接入規(guī)范等。(3)數據資料制作。數據資料制作包括河湖現場全景圖、城鄉(xiāng)供水三維場景、線上虛擬館等。
3.3 應用支撐平臺
(1)水務事件推理能力。可分為洪水預報模型、水庫來水及調度模型、圖像分析模型等。洪水預報模型的構建是為了實現將實時或預報水雨情數據作為輸入，通過預報模型，來實現對流域內重要節(jié)點的洪水過程的預報。水庫來水預報及調度模型則通過選取水庫并運用相關建模技術，搭建水庫來水預報模型、工程調度模型、水資源優(yōu)化配置模型。圖像分析模型即由具備智能分析功能的設備組成的智能監(jiān)控系統(tǒng)，可以按需求監(jiān)控。(2)水務事件協同能力。通過搭建一個統(tǒng)一的綜合集成門戶，在實現統(tǒng)一認證、單點登錄的同時，可以根據登錄用戶的身份，確定用戶的權限，自動呈現不同的功能界面。另外，將應用及展示需求通過界面整合集成到門戶中，如將水務數據、水務一張圖、水務綜合決策大屏、水科學保障專題、水資源優(yōu)化配置專題、水環(huán)境保護專題、水工程精細調度專題、水事務管理專題和水公共服務專題集成在一起。(3)水務實景仿真能力。可分為實景及數字孿生等，實景即通過720°全景技術對各場景點進行多角度環(huán)視拍攝取景，使用軟件進行圖片拼合等處理，將平面照及計算機圖變?yōu)槿埃糜谔摂M現實瀏覽。數字孿生為新一代信息技術，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射、虛實交互，為水務業(yè)務管理呈現可視化場景，輔助水務管理決策。(4)水務時空分析。通過搭建GIS平臺，為業(yè)務管理提供地圖信息的操作、瀏覽和管理等功能。(5)水務行政服務。主要包括門戶和智能問答等，門戶可通過分權分域設置，對不同角色、不同級別、不同崗位用戶所關注的信息做不同呈現，做到千人千面。智能問答面向內部工作人員和社會公眾用戶，以問答形式，定位用戶所需要的提問知識，為用戶提供個性化的信息服務。
3.4 水務專題應用
(1)水科學保障專題。聚焦水災防御工作需要，圍繞預案、預報、預警、預演等因素建設，實現與水災防御工作精細化管理要求。預案應做到結構化管理，由靜態(tài)預案向動態(tài)預案轉變。預報則通過多模型耦合方式，由經驗預報向科學預報過渡。通過自動監(jiān)測預警和預警回執(zhí)，打造預警工作的閉環(huán)流程。在人飲工程上增加水質和水位自動監(jiān)測，實現飲水工程供水自動預警，提升供水和應急處置能力。(2)水資源優(yōu)化配置專題。基于GIS平臺的展示基礎，實現水質、監(jiān)控、水位、雨量等監(jiān)測站點以及水文局、氣象局、環(huán)境局共享的監(jiān)測站點等監(jiān)測數據的疊加展示，為水質、水資源業(yè)務協同、水資源優(yōu)化配置、動態(tài)評價、供水監(jiān)控預警、供水運營管理、供水統(tǒng)計分析、灌區(qū)管理等應用服務。(3)水環(huán)境保護專題。聚焦河湖長制管理、采砂管理、水土保持管理等應用，建設投訴、采砂計劃管理、采砂許可證管理、采砂量動態(tài)監(jiān)控、水土流失情況分析及呈現、政策法規(guī)宣傳等模塊。(4)水工程精細調度專題。引入信息化手段，將招投標管理、工程資料、工資支付、工程過程等文件數字化，實現工程業(yè)務數字化，同時基于GIS平臺，將在建項目、已建項目、規(guī)劃項目做疊加展示，實現工程全景可視化、工程自動預警、調度管理可視化等目標。(5)水事務管理專題。以水行政事件為主線，主要建設監(jiān)視、巡查計劃制定和下達、信息(包括隊伍、艇、車、裝備等)的動態(tài)新、調度指揮等模塊。(6)水事務公共服務專題。建設審批事項服務、智能問答、公眾投訴服務、水務信息服務、水務資訊、節(jié)水宣傳等模塊。(7)移動應用，開發(fā)移動應用系統(tǒng)，通過移動辦公，實現無時無刻、隨時隨地信息查詢和辦公管理。
3.5 基礎資源及網絡
包括應用服務器，數據庫服務器，數據采集服務器，數字孿生應用服務器，線上虛擬館應用服務器，以及存儲、網絡、等設備，一般結合建設及租用成本、自身維護能力綜合分析，可采用租用外部云資源的方式建設。
3.6 體系
信息系統(tǒng)要求的體系，包括系統(tǒng)物理、網絡、信息、系統(tǒng)、運行、制度等。
4 AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平臺
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。
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、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，并且根據權限可以適用于水務后勤部門管理需要。
5 平臺子系統(tǒng)
5.1 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、異常等數據。
5.2 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(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。
5.3 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。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 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(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(tǒng)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/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。
5.5 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、舒心的目的。
5.6 電氣
5.6.1 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，實現對污水廠、自來水廠、水泵站的電氣預警。
5.6.2 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(tǒng)接入消防應急照明指示系統(tǒng)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。
5.6.3 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。
5.6.4 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，防火門能發(fā)出信號，能指示部位并保存信息，保障了電氣的可靠性。
5.6.5 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、、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。
5.6.6 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。
5.6.7 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、加接觸、污泥濃縮壓濾、生物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。
5.7 產品清單
6 結語
總之，智慧水務建設是一個長期、動態(tài)的過程，涵蓋領導決策人員、業(yè)務人員、橫向相關單位、專家、巡查人員、企業(yè)單位、社會公眾等眾多用戶對象，因此做好頂層規(guī)劃和基礎平臺、模型的搭建，為不同用戶提供個性化業(yè)務支持是建設過程中的聚焦方向。此外，在建設中還應重視項目建設的后評估分析，及時調整。
參考文獻
[1]SL219-2013,水環(huán)境檢測規(guī)范[S].
[2]安科瑞企業(yè)微電網設計與應用手冊.2022.05版
作者簡介：
易允恒，男，本科 安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為智能電網供配電
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