智慧水務配電能效系統(tǒng)的開發(fā)

未曉妃

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定  201801

隨著城市化進程的步伐大大變快，城市建設與科學信息技術的融*程度也在不斷提升，尤其是大數據信息技術的迅猛發(fā)展，為民生工程由信息化向智能化轉型提供了條件。以城市的水務系統(tǒng)為例，依托大數據信息技術構建智慧水務系統(tǒng)是智慧城市的表現之一，象征著城市水務事業(yè)在信息時代的轉型升級，與城市的公共服務水平息息相關。

隨著科學信息技術滲*進水務事業(yè)，以云計算、大數據、物聯網、移動互聯網和人工智能為代表的新一代信息技術與城市供水相結合，推動了城市供水的快速發(fā)展，不僅推動了供水全過程的數字化、可視化，而且使得水務公司了解城市供水管網的健康狀況和用水需求，有指向性地提供供水服務，滿足社會生產和人民生活的基本需求。

1概述智慧水務系統(tǒng)

在大數據背景下，智慧水務系統(tǒng)是智慧城市規(guī)劃中的一部分。為了更好的滿足社會生產和人們日常生活需要，智慧水務系統(tǒng)是水務事業(yè)在新時期以物聯網感知為基礎、以應用場景為媒介、以大數據分析為抓手，統(tǒng)籌整合供水全鏈條數據，預測供水需求，進行科學調度，減少爆管和漏損，實現更優(yōu)*的供水。

2智慧水務系統(tǒng)的現狀及發(fā)展趨勢

2.1智慧水務系統(tǒng)的發(fā)展現狀

在大數據時代背景以及社會、人民生產生活的實際需求下，構建智慧水務系統(tǒng)來提高水資源利用率和水務服務能力勢在必行。然而，就目前的發(fā)展情況來看，我國部分城市的水務系統(tǒng)構建還面臨著一些尚未解決的限制性因素，嚴重阻礙了智慧水務系統(tǒng)功能的有*發(fā)揮。首先，水務數據孤島問題凸顯。現階段，城市智慧水務系統(tǒng)在應用過程中經常出現業(yè)務系統(tǒng)重復建設，煙囪系統(tǒng)和僵尸系統(tǒng)普遍存在，導致水務數據獲取不及時、數據統(tǒng)籌不完善，數據價值難以體現。其次，水務數據的準確性、可用性問題突出。不少水司尚未建立管網GIS系統(tǒng)或管網GIS數據準確率和覆蓋率不高，給管網分區(qū)、管網檢漏及供水調度帶來困擾。然后，設備維護、管理難度大。不少水司尚未建設企業(yè)資產管理系統(tǒng)，也缺乏設備全生命周期管理和健康度評價，造成設備分散管理、被動維護、使用成本高。

2.2智慧水務系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

2.21智慧水務=軟件+平臺

智慧水務建設的本質是一場管理理念和管理方式的變革，不單單是利用信息技術簡單地代替人工管理模式，而且還需要對業(yè)務流程進行優(yōu)化和重組，這一過程是企業(yè)改革、實現現代化管理的過程，在這個過程中會涉及到企業(yè)的體制、人員、規(guī)章制度的調整。智慧水務作為融入智慧城市的重要組成部分，必然會以“智慧"為導向形成一些相關的產業(yè)鏈，推動軟件與硬件、平臺與企業(yè)的融*。在此發(fā)展趨勢下，水務企業(yè)想要在大數據背景下實現精細化管理和企業(yè)數字化轉型，就需要擁抱新技術，挖掘數據價值，從信息化走向智能化，用數據驅動決策，實現更加智慧的應用。

2.22水務數據的深入挖掘與數據之間的互聯互通

在城市的智慧水務系統(tǒng)中，數據層是該系統(tǒng)的核心規(guī)劃工程，也是系統(tǒng)信息的來源所在。數據層能對水務信息數據進行統(tǒng)籌整合，從而為水務企業(yè)有針對性地提供水務服務奠定了堅實的數據基礎。物聯網結構中的產業(yè)均是以應用為導向構建市場，所以城市智慧水務系統(tǒng)在未來的發(fā)展過程中會進一步加大對數據挖掘的力度，為城市的交通、環(huán)保等市政工程的建設提供更加具有指向性的服務。隨著物聯網的不斷發(fā)展以及大數據和云計算技術的日趨成熟，城市智慧水務系統(tǒng)也將會與政務平臺、供應鏈企業(yè)信息平臺等第三信息平臺實現數據交換，以達到對信息數據進行集約化管理、實現數據價值的目標。

2.23從購買硬件產品轉為購買云服務

在大數據背景下，云計算技術滲*進城市水務系統(tǒng)中改變了傳統(tǒng)水務事業(yè)的消費模式與服務模式，在水務系統(tǒng)的未來發(fā)展過程中或將以提供和購買云服務、IT服務來取締傳統(tǒng)軟硬件產品，水務企業(yè)可以通過網絡渠道來自主獲取和使用服務。但是想要真*落實這一趨勢性目標，對現有的水務信息化廠商攻克技術難關，充分掌握和運用云計算技術對現有的技術產品進行改造與升級提出了更高的要求。

3基于大數據的智慧水務系統(tǒng)開發(fā)

在新IT技術與水務系統(tǒng)的融*下，推動了水務作業(yè)向智慧化方向的深入發(fā)展，在城市內部的供排水工作中呈現出典型4V特征，即體量大(Volume)、類型豐富(Variety)、價值密度低(Value)以及實時在線(Velocity)。這種水務系統(tǒng)智慧化的發(fā)展趨勢也給水務企業(yè)在大數據背景下實現創(chuàng)新發(fā)展提出了更高的要求。

3.1結合具體案例探究大數據在水務系統(tǒng)中的實際應用

3.1.1應用場景

A城某供水泵站的規(guī)模為10×104m3/d,共有11臺水泵機組，通過對給水泵進行排列組合再對產出的數據進行分析之后發(fā)現，調節(jié)機組的水位高度與機組的運行效率呈線性關系。高頻變頻泵的運行狀態(tài)隨著水泵運行狀態(tài)的變化而變化，在變頻泵與水泵的工作運行中觀察發(fā)現，不同功率頻率的泵的工作頻率可以降低配合效率，在降低能耗方面起到了一定效果，但是并沒有完*達到變頻泵設計的預期目標，所以該水務企業(yè)的水泵機組還有可以開拓的節(jié)能空間。基于此案例，水務企業(yè)可利用大數據技術對運行數據進行定量分析，尋找出在不影響供水任務的情況下找出不同供水方式下的節(jié)能方案，降低水務企業(yè)的成本開支和能源損耗。

3.1.2應用算法

對該案例內容進行大數據分析只考慮泵壓的影響，根據相應的曲線和流量曲線，在不同的泵壓試驗中達到泵壓和流量控制的目標口。利用實驗測量法和基于數據的方法能夠確定差異化流量下的泵的工作頻率。基于機器學習模型，建立了水泵機組轉速預測仿真系統(tǒng)，用于叫停水泵機組的運行和探索水泵機組的任務。消*漏失數據的研究過程主要是由于調壓室水位數據缺失以及泵壓前后缺件造的。接下來為了試驗啟動方式類型對泵是否會產生不同的影響，需要輸入參數建立對泵啟動狀態(tài)的顯式函數，其中變頻器的輸出頻率變量數值受泵的直接影響。同時，探究差異化轉速對總功耗結果的影響，也需要搭建顯式函數。基于上述兩個功能，提出一種快速搜索算法，在調節(jié)池液位和輸水量都不同的情況下，節(jié)能效果較好的泵組啟行方案。

3.1.3應用效果分析

結合總供水量與平均用電量的變動關系，搭建了水泵能效的基本模型，可以獲得在總供水量相同的單位時間內水泵的能耗變化程度較大的結論。可以通過調整水泵機組的運行方式來降低總能耗，但是在實際研究過程中沒有對每臺泵在連續(xù)運行中的具體情況進行了解，所以有必要對每臺泵的數據進行分析。在泵送出后，泵壓力傳感器傳來的數據存在缺失現象，這就又需要用同樣的方法及時進行校正，以2號泵數據為例。如果泵前壓力傳感器出現故障，泵出口流量傳感器的壓力傳感器有時會產生數值較大的讀數，需要從檢查控制下位機至上位機通訊、檢查控制系統(tǒng)上位機至數據庫通訊、檢查傳感器狀況這三方面對壓力傳感器的運行狀態(tài)進行核查。6號泵的工作效率在0.2～0.35的區(qū)間范圍內，7號泵的工作效率區(qū)間是0.3～0.35,8號泵工作效率區(qū)間是0.2～0.35,9號、10號、11號的泵工作效率區(qū)間都是0.4～0.6。通過分析泵組運行組合的效率發(fā)現，9號、10號和11號總管機組的工作效率高于其他總管“變頻+工頻同時開啟"時的效率。

3.2智慧化水務系統(tǒng)開發(fā)過程中的頂層設計

3.2.1水務調度一體可視化管理模式

水務調度一體可視化管理模式的實現過程可以分為“三步走"。先是通過采集接口層借助數據維護工具，以元數據管理、數據采集、數據維護、定時調度、接口發(fā)布和綜合數據平臺為抓手實現對數據的采集、整合及加工處理；其次是設計師可需要在數據處理層利用控制臺對進行指標計算和圖形服務，創(chuàng)設動態(tài)化、具有交互性的表現形式；第三步是在展現功能層，利用可視化設計器，如可視化播放器中的WRF/Flex、三維、SVG、Python或組件庫中的圖表、雷達圖、泡泡圖和地圖等處理數據的方式將數據以可視化的方式呈現出來。以水量數據監(jiān)測的可視化為例，根據不同區(qū)域的水務管理實際需求情況，通過對區(qū)域內的水量、壓力等信息進行綜合展示分析，捕獲各區(qū)域的用水需求和產銷差的動態(tài)變化情況，并根據采集得到的信息數據生成與之對應的可視化圖表，能夠大大提升水務單位對水量數據的精*性和即時性。

3.2.2水務大數據集成分析平臺構建

在大數據背景下，水務企業(yè)順應時代發(fā)展趨勢，將科學信息技術融入到傳統(tǒng)的水務業(yè)務工作中，推動了智慧水務系統(tǒng)的構建。同時，這也就意味著在稅務企業(yè)內部已經建成了一定數量的信息系統(tǒng)，這些信息系統(tǒng)在水務系統(tǒng)的營運過程中生成大量的數據信息，而且受到當下水務系統(tǒng)內部信息系統(tǒng)的相互獨立性影響，所生成的龐大數據信息不乏重復的人員勞動信息和冗余的水務數據，導致水務系統(tǒng)對數據的處理效率受到了一定程度的遏制，得不到有力提升。基于此，在開發(fā)智慧水務系統(tǒng)的過程中應當引入一個能夠提高數據處理效率和有力管控數據信息的平臺，即水務大數據集成分析平臺。WaterBDI作為典型的水務大數據分析平臺具有強大的數據管控能力，能通過對水務工作領域中產生的數據進行訪問、過濾、暫緩和加載等EIL過程，以觸發(fā)器、時間戳、全文比對和日志的不同數據模式同步，來提供實時、定時和批量抽取等多元化數據抽取執(zhí)行策略，為水務系統(tǒng)內部的異構數據進行整合提供了條件，為差異化系統(tǒng)中的信息資源實現交換和共享創(chuàng)設了平臺基礎。水務大數據集成分析平臺主要用于水務企業(yè)搭建數據倉庫、數據集市等大數據、對各類數據信息的格式和建庫標準進行規(guī)范、消彌水務企業(yè)系統(tǒng)構建過程中出現的信息數據孤島現象，能夠有力提升水務企業(yè)II投資的效益。現階段，一些水務企業(yè)運用的水務大數據集成分析平臺，是基于B/S架構的輕量級ETL工具，無論是在平臺的初期開發(fā)階段還是后期的運維階段，難度系數并不高，能夠有力搭建數據平臺，所存在的數據源具有較強的兼容性，可以支持多樣化的SPA、WebServie、文本文件等。

3.2.3統(tǒng)一數據中*的構建

城市智慧水務系統(tǒng)智慧中*的構建囊括了數據的采集、整理、建庫、備份等多項流程。為了解決水務系統(tǒng)中存在信息孤島現象、降低數據維護和系統(tǒng)開發(fā)的成本以及提高決策者對企業(yè)運行情況的洞察能力，有必要構建起統(tǒng)一的數據中*，從水務設施管理、運行管理、養(yǎng)護管理和數據的存儲管理等多種不同管理角度為基礎，嚴格遵循標準、設計、規(guī)劃全部統(tǒng)一的原則和數據互通、信息共享的理念，保證水務系統(tǒng)所采集到的數據信息能夠發(fā)揮出更加可觀的成效。

3.2.4智慧運營系統(tǒng)的構建

智慧水務運營系統(tǒng)能夠向水務企業(yè)提供直觀化的顯示界面，實現對生產工藝圖形化的動態(tài)化監(jiān)管以及各種能耗的實時顯示。以污水處理廠為例，智慧運營系統(tǒng)的一大關注點就是采取有力的措施對污水處理廠的節(jié)能降耗問題予以解決。結合目前城市污水處理廠在監(jiān)督管理過程中存在問題，有必要在大數據背景下，采取新型的信息技術實現對智慧運營系統(tǒng)的規(guī)劃，例如采用力控科技ForeeCon工業(yè)軟件平臺來實現智慧運營系統(tǒng)的構建。首先，利用SCADA監(jiān)控子系統(tǒng)。SCADA系統(tǒng)覆蓋了“從水源地到排污口的全過程監(jiān)控"。對各個管網監(jiān)測點和水源井監(jiān)測點以及水廠生產實際情況進行統(tǒng)一化的監(jiān)控，重*對于液位、壓力、流量、水質以及水泵等實時數據信息進行采集，之后再通過HTML5格式將流程畫面集成到運營系統(tǒng)的平臺上。其次，對水務系統(tǒng)下的設備實現從臺賬、保養(yǎng)、檢修、檢定、報廢等生命周期的處理。再次，動態(tài)監(jiān)測水域的水質情況，并對不同類型的水質及時進行化驗，按照供水標準進行判定，如果水質未達標應當立即采取處理。然后，對系統(tǒng)的能源消耗情況進行監(jiān)測，并統(tǒng)計不同時間段，不同工藝和能耗設備的能耗情況，生成周報、月報和年報。

3.2.5水務系統(tǒng)設備故障報警系統(tǒng)的構建

智慧水務系統(tǒng)功能的有力執(zhí)行是建立在各個子系統(tǒng)設備正常運行的前提下。一旦設備在運行過程中出現了故障現象，勢必會對水務系統(tǒng)的營運產生波及。因此，有必要在大數據背景下構建一套水務系統(tǒng)設備的故障報警系統(tǒng)。首先，可以將設備的運行狀態(tài)接入水務系統(tǒng)網站或手機客戶端，一旦設備出現故障現象，水務系統(tǒng)能夠檢測并判定故障類型，通過網站或手機客戶端將故障信息傳遞給工作人員；其次，應當設立遠程修改功能。工作人員在接受到故障信息之后，為了避免工作人員在處理設備故障時受到空間限制，可以憑借遠程修改功能對控制器進行參數修改，或控制故障的設備的停運；然后，及時開展巡檢維保，積*響應設備故障處理的調配任務，提高人員調動的效率，有力落實水務系統(tǒng)設備的巡檢維保工作。

4 AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平臺

4.1 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*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，保護污水廠運行安全可靠，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。

4.2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，并且根據權限可以適用于水務后勤部門管理需要。

4.3平臺拓撲圖

4.4平臺子系統(tǒng)

4.4.1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。

4.4.2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(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量，并配置對應的電能質量治理措施提高供電電能質量。

4.4.3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。高*、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。

4.4.4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(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。

4.4.5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安*、節(jié)能、舒*、高*的目的。

4.4.6電氣安*

（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、水泵站的電氣安*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(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。

（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*的可靠性。

4.4.7 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*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。

4.4.8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。

4.4.9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*、污泥濃縮壓濾、生物除*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 相關平臺部署硬件選型清單

6結論

綜上所述，隨著城市化進程的不斷向前推進以及社會生產和人民生活對水資源的供應需求不斷增加，水務企業(yè)應當充分利用大數據和云計算技術明晰水務系統(tǒng)的總體框架和應用系統(tǒng)，研發(fā)高質量的智慧水務系統(tǒng)，并在使用過程中不斷發(fā)展和完善。

參考文獻

[1]喬盎.智慧水務平臺建設應用[J].現代信息科技，2021(8):142-145+149.

[2]張文體.大數據背景下的智慧水務開發(fā)分析[J]

[3]孔祥文.城市水環(huán)境智慧水務系統(tǒng)建設探索[J].環(huán)境與發(fā)展，2020(2):239-240.

[4]安科瑞企業(yè)微電網設計與應用手冊.2022.05版

作者介紹

未曉妃，安科瑞電氣股份有限公司，17821170311（微信同號）QQ2881068603,主要研究方向為微電網能效管理和環(huán)保安全用電。