智慧水务配电能效系统的开发与功能介绍

随着城市化进程的步伐大大变快，城市建设与科学信息技术的融合程度也在不断提升，尤其是大数据信息技术的迅猛发展，为民生工程由信息化向智能化转型提供了条件。以城市的水务系统为例，依托大数据信息技术构建智慧水务系统是智慧城市的表现之一，象征着城市水务事业在信息时代的转型升级，与城市的公共服务水平息息相关。

随着科学信息技术渗透进水务事业，以云计算、大数据、物联网、移动互联网和人工智能为代表的新一代信息技术与城市供水相结合，推动了城市供水的快速发展，不仅推动了供水全过程的数字化、可视化，而且使得水务公司了解城市供水管网的健康状况和用水需求，有指向性地提供供水服务，满足社会生产和人民生活的基本需求。

1概述智慧水务系统

在大数据背景下，智慧水务系统是智慧城市规划中不可或缺的一部分。为了更好的满足社会生产和人们日常生活需要，智慧水务系统是水务事业在新时期以物联网感知为基础、以应用场景为媒介、以大数据分析为抓手，统筹整合供水全链条数据，预测供水需求，进行科学调度，减少爆管和漏损，实现更优质的供水。

2智慧水务系统的现状及发展趋势

2.1智慧水务系统的发展现状

在大数据时代背景以及社会、人民生产生活的实际需求下，构建智慧水务系统来提高水资源利用率和水务服务能力势在必行。然而，就目前的发展情况来看，我国部分城市的水务系统构建还面临着一些尚未解决的限制性因素，严重阻碍了智慧水务系统功能的有效发挥。首先，水务数据孤岛问题凸显。现阶段，城市智慧水务系统在应用过程中经常出现业务系统重复建设，烟囱系统和僵尸系统普遍存在，导致水务数据获取不及时、数据统筹不完善，数据价值难以体现。其次，水务数据的准确性、可用性问题突出。不少水司尚未建立管网GIS系统或管网GIS数据准确率和覆盖率不高，给管网分区、管网检漏及供水调度带来困扰。然后，设备维护、管理难度大。不少水司尚未建设企业资产管理系统，也缺乏设备全生命周期管理和健康度评价，造成设备分散管理、被动维护、使用成本高。

2.2智慧水务系统的发展趋势

2.21智慧水务=软件+平台

智慧水务建设的本质是一场管理理念和管理方式的变革，不单单是利用信息技术简单地代替人工管理模式，而且还需要对业务流程进行优化和重组，这一过程是企业改革、实现现代化管理的过程，在这个过程中会涉及到企业的体制、人员、规章制度的调整。智慧水务作为融入智慧城市的重要组成部分，必然会以“智慧”为导向形成一些相关的产业链，推动软件与硬件、平台与企业的融合。在此发展趋势下，水务企业想要在大数据背景下实现精细化管理和企业数字化转型，就需要拥抱新技术，挖掘数据价值，从信息化走向智能化，用数据驱动决策，实现更加智慧的应用。

2.22水务数据的深入挖掘与数据之间的互联互通

在城市的智慧水务系统中，数据层是该系统的核心规划工程，也是系统信息的来源所在。数据层能对水务信息数据进行统筹整合，从而为水务企业有针对性地提供水务服务奠定了坚实的数据基础。物联网结构中的产业均是以应用为导向构建市场，所以城市智慧水务系统在未来的发展过程中会进一步加大对数据挖掘的力度，为城市的交通、环保等市政工程的建设提供更加具有指向性的服务。随着物联网的不断发展以及大数据和云计算技术的日趋成熟，城市智慧水务系统也将会与政务平台、供应链企业信息平台等第三信息平台实现数据交换，以达到对信息数据进行集约化管理、实现数据价值的目标。

2.23从购买硬件产品转为购买云服务

在大数据背景下，云计算技术渗透进城市水务系统中改变了传统水务事业的消费模式与服务模式，在水务系统的未来发展过程中或将以提供和购买云服务、IT服务来取缔传统软硬件产品，水务企业可以通过网络渠道来自主获取和使用服务。但是想要真正落实这一趋势性目标，对现有的水务信息化厂商攻克技术难关，充分掌握和运用云计算技术对现有的技术产品进行改造与升级提出了更高的要求。

3基于大数据的智慧水务系统开发

在新IT技术与水务系统的融合下，推动了水务作业向智慧化方向的深入发展，在城市内部的供排水工作中呈现出典型4V特征，即体量大(Volume)、类型丰富(Variety)、价值密度低(Value)以及实时在线(Velocity)。这种水务系统智慧化的发展趋势也给水务企业在大数据背景下实现创新发展提出了更高的要求。

3.1结合具体案例探究大数据在水务系统中的实际应用

3.1.1应用场景

A城某供水泵站的规模为10×104m³/d,共有11台水泵机组，通过对给水泵进行排列组合再对产出的数据进行分析之后发现，调节机组的水位高度与机组的运行效率呈线性关系。高频变频泵的运行状态随着水泵运行状态的变化而变化，在变频泵与水泵的工作运行中观察发现，不同功率频率的泵的工作频率可以降低配合效率，在降低能耗方面起到了一定效果，但是并没有完全达到变频泵设计的预期目标，所以该水务企业的水泵机组还有可以开拓的节能空间。基于此案例，水务企业可利用大数据技术对运行数据进行定量分析，寻找出在不影响供水任务的情况下找出不同供水方式下的节能方案，降低水务企业的成本开支和能源损耗。

3.1.2应用算法

对该案例内容进行大数据分析只考虑泵压的影响，根据相应的曲线和流量曲线，在不同的泵压试验中达到泵压和流量控制的目标口。利用实验测量法和基于数据的方法能够确定差异化流量下的泵的工作频率。基于机器学习模型，建立了水泵机组转速预测仿真系统，用于叫停水泵机组的运行和探索水泵机组的任务。消除漏失数据的研究过程主要是由于调压室水位数据缺失以及泵压前后缺件造的。接下来为了试验启动方式类型对泵是否会产生不同的影响，需要输入参数建立对泵启动状态的显式函数，其中变频器的输出频率变量数值受泵的直接影响。同时，探究差异化转速对总功耗结果的影响，也需要搭建显式函数。基于上述两个功能，提出一种快速搜索算法，在调节池液位和输水量都不同的情况下，节能效果较好的泵组启行方案。

3.1.3应用效果分析

结合总供水量与平均用电量的变动关系，搭建了水泵能效的基本模型，可以获得在总供水量相同的单位时间内水泵的能耗变化程度较大的结论。可以通过调整水泵机组的运行方式来降低总能耗，但是在实际研究过程中没有对每台泵在连续运行中的具体情况进行了解，所以有必要对每台泵的数据进行分析。在泵送出后，泵压力传感器传来的数据存在缺失现象，这就又需要用同样的方法及时进行校正，以2号泵数据为例。如果泵前压力传感器出现故障，泵出口流量传感器的压力传感器有时会产生数值较大的读数，需要从检查控制下位机至上位机通讯、检查控制系统上位机至数据库通讯、检查传感器状况这三方面对压力传感器的运行状态进行核查。6号泵的工作效率在0.2～0.35的区间范围内，7号泵的工作效率区间是0.3～0.35,8号泵工作效率区间是0.2～0.35,9号、10号、11号的泵工作效率区间都是0.4～0.6。通过分析泵组运行组合的效率发现，9号、10号和11号总管机组的工作效率高于其他总管“变频+工频同时开启”时的效率。

3.2智慧化水务系统开发过程中的顶层设计

3.2.1水务调度一体可视化管理模式

水务调度一体可视化管理模式的实现过程可以分为“三步走”。先是通过采集接口层借助数据维护工具，以元数据管理、数据采集、数据维护、定时调度、接口发布和综合数据平台为抓手实现对数据的采集、整合及加工处理；其次是设计师可需要在数据处理层利用控制台对进行指标计算和图形服务，创设动态化、具有交互性的表现形式；第三步是在展现功能层，利用可视化设计器，如可视化播放器中的WRF/Flex、三维、SVG、Python或组件库中的图表、雷达图、泡泡图和地图等处理数据的方式将数据以可视化的方式呈现出来。以水量数据监测的可视化为例，根据不同区域的水务管理实际需求情况，通过对区域内的水量、压力等信息进行综合展示分析，捕获各区域的用水需求和产销差的动态变化情况，并根据采集得到的信息数据生成与之对应的可视化图表，能够大大提升水务单位对水量数据的精准性和即时性。

3.2.2水务大数据集成分析平台构建

在大数据背景下，水务企业顺应时代发展趋势，将科学信息技术融入到传统的水务业务工作中，推动了智慧水务系统的构建。同时，这也就意味着在税务企业内部已经建成了一定数量的信息系统，这些信息系统在水务系统的营运过程中生成大量的数据信息，而且受到当下水务系统内部信息系统的相互独立性影响，所生成的庞大数据信息不乏重复的人员劳动信息和冗余的水务数据，导致水务系统对数据的处理效率受到了一定程度的遏制，得不到有力提升。基于此，在开发智慧水务系统的过程中应当引入一个能够提高数据处理效率和有力管控数据信息的平台，即水务大数据集成分析平台。WaterBDI作为典型的水务大数据分析平台具有强大的数据管控能力，能通过对水务工作领域中产生的数据进行访问、过滤、暂缓和加载等EIL过程，以触发器、时间戳、全文比对和日志的不同数据模式同步，来提供实时、定时和批量抽取等多元化数据抽取执行策略，为水务系统内部的异构数据进行整合提供了条件，为差异化系统中的信息资源实现交换和共享创设了平台基础。水务大数据集成分析平台主要用于水务企业搭建数据仓库、数据集市等大数据、对各类数据信息的格式和建库标准进行规范、消弥水务企业系统构建过程中出现的信息数据孤岛现象，能够有力提升水务企业II投资的效益。现阶段，一些水务企业运用的水务大数据集成分析平台，是基于B/S架构的轻量级ETL工具，无论是在平台的初期开发阶段还是后期的运维阶段，难度系数并不高，能够有力搭建数据平台，所存在的数据源具有较强的兼容性，可以支持多样化的SPA、WebServie、文本文件等。

3.2.3统一数据中心的构建

城市智慧水务系统智慧中心的构建囊括了数据的采集、整理、建库、备份等多项流程。为了解决水务系统中存在信息孤岛现象、降低数据维护和系统开发的成本以及提高决策者对企业运行情况的洞察能力，有必要构建起统一的数据中心，从水务设施管理、运行管理、养护管理和数据的存储管理等多种不同管理角度为基础，严格遵循标准、设计、规划全部统一的原则和数据互通、信息共享的理念，保证水务系统所采集到的数据信息能够发挥出更加可观的成效。

3.2.4智慧运营系统的构建

智慧水务运营系统能够向水务企业提供直观化的显示界面，实现对生产工艺图形化的动态化监管以及各种能耗的实时显示。以污水处理厂为例，智慧运营系统的一大关注点就是采取有力的措施对污水处理厂的节能降耗问题予以解决。结合目前城市污水处理厂在监督管理过程中存在问题，有必要在大数据背景下，采取新型的信息技术实现对智慧运营系统的规划，例如采用力控科技ForeeCon工业软件平台来实现智慧运营系统的构建。首先，利用SCADA监控子系统。SCADA系统覆盖了“从水源地到排污口的全过程监控”。对各个管网监测点和水源井监测点以及水厂生产实际情况进行统一化的监控，重点对于液位、压力、流量、水质以及水泵等实时数据信息进行采集，之后再通过HTML5格式将流程画面集成到运营系统的平台上。其次，对水务系统下的设备实现从台账、保养、检修、检定、报废等生命周期的处理。再次，动态监测水域的水质情况，并对不同类型的水质及时进行化验，按照供水标准进行判定，如果水质未达标应当立即采取处理。然后，对系统的能源消耗情况进行监测，并统计不同时间段，不同工艺和能耗设备的能耗情况，生成周报、月报和年报。

3.2.5水务系统设备故障报警系统的构建

智慧水务系统功能的有力执行是建立在各个子系统设备正常运行的前提下。一旦设备在运行过程中出现了故障现象，势必会对水务系统的营运产生波及。因此，有必要在大数据背景下构建一套水务系统设备的故障报警系统。首先，可以将设备的运行状态接入水务系统网站或手机客户端，一旦设备出现故障现象，水务系统能够检测并判定故障类型，通过网站或手机客户端将故障信息传递给工作人员；其次，应当设立远程修改功能。工作人员在接受到故障信息之后，为了避免工作人员在处理设备故障时受到空间限制，可以凭借远程修改功能对控制器进行参数修改，或控制故障的设备的停运；然后，及时开展巡检维保，积极响应设备故障处理的调配任务，提高人员调动的效率，有力落实水务系统设备的巡检维保工作。

4 AcrelEMS-SW智慧水务能效管理平台

4.1平台概述

安科瑞电气具备从终端感知、边缘计算到能效管理平台的产品生态体系，AcrelEMS-SW智慧水务能效管理平台通过在污水厂源、网、荷、储、充的各个关键节点安装保护、监测、分析、治理装置，用于监测污水厂能耗总量和能耗强度，监测主要用能设备能效，保护污水厂运行可靠，提高污水厂能效，为污水处理的能效管理提供科学、精细的解决方案。

4.2平台组成

AcrelEMS智慧水务综合能效管理系统由变电站综合自动化系统、电力监控及能效管理系统组成，涵盖了水务中压变配电系统、应急电源、能源管理、照明控制、设备运维等，贯穿水务能源流的始终，帮助运维管理人员通过一套平台、一个APP实时了解水务配电系统运行状况，并且根据权限可以适用于水务后勤部门管理需要。

4.3平台拓扑图

4.4平台子系统

4.4.1变电站综合自动化系统及电力监控

对水务配电系统中35kV、10kV电压等级配置继电保护和弧光保护，实现遥测、遥信、遥控、遥调等功能，对异常情况及时预警。

监测变压器、水泵、鼓风机的电流、电压、有功/无功功率、功率因数、负荷率、温度、三相平衡、异常报警等数据。

4.4.2电能质量监测与治理

水务中大量的大功率电机、水泵变频启动导致配电系统中存在大量谐波，通过监测其配电系统的谐波畸变、电压波动、闪变和容忍度指标分析其电能质量，并配置对应的电能质量治理措施提高供电电能质量。

4.4.3电动机管理

马达监控实现水务中电机的保护、遥测、遥信、遥控功能，电动机保护器能对过载、短路、缺相、漏电等异常情况进行保护、监测和报警。快捷、准确地反映出故障状态、故障时间、故障地点、及相关信息，对电机进行健康诊断和预防性维护。同时支持与PLC、软启、变频器等配合，实现电动机自动或远程控制，监视、控制各个工艺设备,保障正常生产。

4.4.4能耗管理

为水务搭建计量体系，显示水务的能源流向和能源损耗，通过能源流向图帮助水务分析能源消耗去向，找出能源消耗异常区域。

将所有有关能源的参数集中在一个看板中，从多个维度对比分析，实现各个工艺环节的能耗对比，帮助领导掌控整个工厂的能源消耗，能源成本，标煤排放等的情况。

能耗数据统计采集水务中污水厂、自来水厂、水泵站等的用电、用水、燃气、冷热量消耗量，同环比对比分析，能耗总量和能耗强度计算，标煤计算和CO2排放统计趋势。

能效分析按三级计量架构，分别进行能效分析，契合能源管理体系要求，可对各车间/职能部门的能效水平进行分析，同比、环比、对标等。通过污水处理产量以及系统采集的能耗数据，在污水单耗中生成污水单耗趋势图，并进行同比和环比分析，同时将污水的单耗与行业/国家/国际先进指标对标，以便企业能够根据产品单耗情况来调整生产工艺，从而降低能耗。

4.4.5智能照明控制

系统为污水厂、自来水厂、水泵站等提供了照明控制管理方案，支持单控、区域控制、自动控制、感应控制、定时控制、场景控制、调光控制等多种控制方式，模块可根据经纬度自动识别日出日落时间实现自动控制功能，尽量利用自然光照，实现室内、厂区照明的智能控制达到节能的目的。

4.4.6电气安全

①电气火灾监测：监测配电系统回路的漏电电流和线缆温度，实现对污水厂、自来水厂、水泵站的电气安全预警。

②消防应急照明和疏散指示：根据预先设置的应急预案快速启动疏散方案引导人员疏散。系统接入消防应急照明指示系统数据，通过平面图显示疏散指示灯具工作状态和异常情况。

③消防设备电源监测：监测消防设备的工作电源是否正常，保障在发生火灾时消防设备可以正常投入使用。

④防火门监控系统：防火门监控系统集中控制其各终端设备即防火门监控模块、电动闭门器、电磁释放器的工作状态，实时监测疏散通道防火门的开启、关闭及故障状态，显示终端设备开路、短路等故障信号。系统采用消防二总线将具有通信功能的监控模块相互连接起来，当终端设备发生短路、断路等故障时，防火门监控器能发出报警信号，能指示报警部位并保存报警信息，保障了电气安全的可靠性。

4.4.7 环境监测

污水厂、自来水厂、水泵站等场所温湿度、烟雾、积水浸水、视频、UPS电池间可燃气体浓度展示和预警，保障污水厂、自来水厂、水泵站等安全运行。当可燃气体或有害气体浓度超标可自动启动排风风机或新风系统，排除隐患，保持良好的水处理环境。

4.4.8分布式光伏监测

实时监测低压并网柜每路的电流、电压、功率等电气参数及断路器开关状态，逆变器运行监视，对逆变器直流侧每一光伏组串的输入直流电压、直流电流、直流功率，逆变器交流电压、交流电流、频率、功率因数、当前发电功率、累计发电量进行监测，以曲线方式绘制上述监测的各个参量的历史数据。

平台结合厂区实际分布情况，通过3D或2.5D平面图显示分布式光伏组件在屋顶、车棚的分布情况，显示汇流箱、并网点位置，各个屋顶的装机容量。

4.4.9工艺仿真监控

平台通过2D、3D方式实时监视粗格栅、污水提升、细格栅、曝气沉砂、改良生化处理、二沉、加氯接触消毒、污泥浓缩压滤、生物除臭等工艺设备运行状态。在格栅清渣机、污水提升泵、回流泵、曝气风机、加药泵、浓缩压滤机、吸沙泵、吸泥泵等低压电动机控制柜或低压馈电柜安装电动机保护，进行短路、过流、过载、起动超时、断相、不平衡、低功率、接地/漏电、te保护、堵转、逆序、温度等保护以及外部故障连锁停机，与PLC、软启、变频器等配合，实现电动机自动或远程控制，监视、控制各个工艺设备,保障正常生产。

5 相关平台部署硬件选型清单

序号	名称	型号、规格	安装位置	用途
1	电能质量监测	APview500	进线开关柜	监测市电电能质量
2	35kV、10kV回路保护	AM6	35、10kV开关柜	35、10kV回路保护、测控
3	智能操控装置	ASD500-Pn	35、10kV开关柜	35、10kV回路操作、显示和测温
4	弧光保护	ARB5	35、10kV回路母线室、断路器室、电缆室	用于监测关键电气接点弧光监测、保护
5	无线测温传感器	ATE400、ATE200	35、10、0.4kV母排、断路器、线缆接头	用于监测关键电气接点温度
6	有源滤波装置	AnSin□-M	0.4kV母线侧	滤除配电系统2~25次谐波畸变
7	无功补偿装置	AZC智能电容	0.4kV母线侧	提供无功补偿
8	多功能仪表	APM520/APM510	10kV、0.4kV回路	监测电气参数和开关状态、故障报警
9	智能照明控制器	ASL100	照明配电箱	照明单控、群控、定时/自动控制
10	电气火灾传感器	ARCM200	配电柜/配电箱	监测漏电电流和线缆温度
11	消防设备电源传感器	AFPM	消防配电箱	监测消防设备电压、电流状态
12	应急照明和疏散指示系统	A-C-A100	消防疏散通道	提供消防应急照明并指引疏散人群快速疏散
13	限流式保护器	ASCP200	照明插座回路	防止过载、短路产生火花
14	电动机保护器	ARD3M	电动机	保护电机安全稳定运行
15	环境传感器	温湿度、浸水、烟雾、有害气体等传感器	配电室、工艺区域	监测环境参数，维护环境安全
16	智能网关	ANet-2E4SM	数据采集柜	采集设备数据，逻辑控制、上传平台

6结论

综上所述，随着城市化进程的不断向前推进以及社会生产和人民生活对水资源的供应需求不断增加，水务企业应当充分利用大数据和云计算技术明晰水务系统的总体框架和应用系统，研发高质量的智慧水务系统，并在使用过程中不断发展和完善。

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