城市智慧水务智能配电能效平台分析

摘要：阐述城市智慧水务的特点，发展现状，存在的问题、应对的措施和方案，探讨城市智慧水务建设中的整体框架设计，包括基础设施层、数据层、服务支撑层、集成层、应用层，实现生产业务数字化，资产管理、运维管理、报表管理、安全管理、应急管理、综合调度的业务功能。

关键词：智慧城市，智慧水务，计算机系统，数字化管理。

0引言

在水务数字化进展过程中，水务部门及水务企业根据自身需要建设了不同功能的应用系统支撑日常工作，常见系统包括管网GIS系统、厂站SCADA系统和营账收费系统等。但是，由于缺少顶层规划和统一的标准体系，各个应用系统之间相互独立，数据无法打通，业务难以协同。同时，由于智慧水务发展较晚，系统功能尚未完善，现有应用系统往往数据价值挖掘不深，智能化智慧化应用场景不足。

因此，在建设数字中国、智慧城市、智慧水务的大背景下，结合水务行业信息化智慧化发展需求，应当加强水务顶层规划和建设统一的标准体系，充分利用新一代信息技术构建标准化、精细化、智能化的水务综合管理平台，通过水务综合管理平台打通信息孤岛，实现数据共享，挖掘数据价值，增强对水务业务的运营和监管的能力，实现城市水务智慧运行、智慧监管，助力城市管理体系和管理能力向现代化转变。

1研究背景

2014年8月，国家发改委、工信部、科技部、公安部、财政部、国土部、住建部、交通部八部委印发《关于增进智慧城市健康发展的指导意见》，提出加速建设智能化基础设施，建设全过程智能水务管理系统。2020年4月，国家开始明确“新型基础设施建设”（新基建）范围，对信息基础设施、融汇基础设施、创新基础设施三方面提出建设理念和要求，以新发展理念为领导，以技术创新为驱动，以信息网络为基础，面向高质量发展需求，提供数字转型、智能升级、融汇创新等服务的基础设施体系。新基建的发展，为水务现代化管理提供了强有力的技术支撑。2021年12月，网络安全和信息化委员会印发《“十四五”国家信息化规划》，明确要求分级分类有序推进新型智慧城市建设，因地制宜推进智慧城市群一体化发展，围绕公共交通、快递物流、就诊就学、城市运行管理、自然环保、证照管理、市场监管、公共安全、应急管理等要点领域，推动一批智慧应用区域协同联动，增进区域信息化协调发展。智慧水务是自然环保领域的重要组成部分，是推进新型智慧城市高质量发展的重要抓手之一。

城市智慧水务的特点。目前，学术界对智慧水务的特征进行了不同层次的探讨，但其定义尚未达成统一共识。张世滨认为，智慧水务通过传感器、网络和移动系统与水务信息系统的结合，构建成全方面的智能水务管理系统。杨明祥认为，智慧水务以新信息技术应用带动水务信息化技术水平的全方面提升，为水务管理的智慧化提供信息化技术支撑。本文从实际应用出发，认为智慧水务是依托物联网、大数据、人工智能、移动互联网等新一代信息化技术，实现水务行业应用场景“可视”“可知”“可控”“可预测”的一体化综合管控平台，赋能水务行业全要素全过程运维监管。

城市智慧水务发展现状。随着水务业务的变化和科学技术的发展，水务管理的思路不断创新，自动化和信息化技术在城市水务部门管理中的应用也越来越深入和广泛，为我国城市水务信息化智慧化的进一步发展打下了良好的基础。大体来看，我国城市水务信息化的发展主要分为自动化、信息化和智慧化三个阶段。

水务自动化阶段，以自动化控制为核心，着眼于工艺优化以及生产效率的提升；水务信息化阶段，以企业信息化为核心，在企业资源管理、业务协同、移动应用方面进行突破；水务智慧化阶段，以智慧化“水务大脑”为核心，融汇大数据、人工智能、区块链、5G、工业互联网等先进技术深化应用场景，建立了一批高质量的技术平台和技术体系，有成效提升了水务管理工作效率与公共服务水平。目前，我国相当一部分城市水务部门的信息化建设处在信息化水务阶段，并正在向智慧化水务阶段进行尝试。但是，仍有不少城市水务部门的信息化建设处在自动化阶段，智慧水务建设缺乏统筹和顶层规划，推进缓慢。

2城市智慧水务系统建设的必要性

智慧水务是贯彻落实“网络强国”“数字中国”战略，加速“智慧城市”建设的重要抓手。《“十四五”国家信息化规划》明确要求分级分类有序推进新型智慧城市建设，因地制宜推进智慧城市群一体化发展，围绕公共交通、快递物流、就诊就学、城市运行管理、自然环保、证照管理、市场监管、公共安全、应急管理等要点领域，推动一批智慧应用区域协同联动，增进区域信息化协调发展。智慧水务是自然环保领域的重要组成部分，是推进新型智慧城市高质量发展的重要抓手之一。通过智慧水务建设作为重要抓手，加速智慧城市在水务领域的有成效落地，是贯彻落实“网络强国”“数字中国”战略的集中体现。

智慧水务是提升运营管理水平，实现水务管理数字化的必由之路。通过智慧水务平台实现水务业务“源-厂-网-河湖”全链路标准化、精细化管理。依托物联感知、云计算、大数据分析、模型分析、人工智能等新一代信息技术，提升水务业务“智治”能力，实现减员增效、节能降耗和科学决策。智慧水务平台建设是水务业务由“经验式管理”向“数字化智治”转变的必由之路。

智慧水务是提升政府服务效能，建设服务型政府的重要内容。建设人民满意的服务型政府，群众办事“只跑一趟”“只进一扇门”，是数字政府建设的目标，是深化行政体制改革、加强政府自身建设的核心追求，水务行业行政单位须加强行政服务能力和服务管理体系，向高能服务型政府的目标推进。构建智慧水务一体化平台，提升水务公众服务品质，建设民生水务体系，是提升政府服务效能，建设服务型政府的重要内容。

3城市智慧水务系统建设中的问题

智慧水务的顶层规划。当前，水务部门及水务企业根据自身需要建设了不同功能的应用系统支撑日常工作，常见系统包括管网GIS系统、厂站SCADA系统和营账收费系统等。但是，由于缺少顶层规划和统一的标准体系，各个应用系统之间相互独立，数据无法打通，业务难以协同，导致各个系统“烟林立”“数据孤岛”，数据无法共享，业务无法共通。

管理部门的协同问题。管理上的“部门分割”，导致水务系统缺乏整体规划，水务行业效率低下。许多城市采取的管理体制是：水源归水利部门管，供水归国资部门管，排水归城建部门管，水污染整治归环保部门管。如此“多龙治水”，各部门责权利交织，无法形成合力以解决日益严重的城市水危机问题；部门间业务协同难，重复建设时有发生，阻碍了技术创新，并造成资源浪费。

智慧化程度的问题。我国城市智慧水务的发展较晚，系统功能尚未完善，智慧化程度有待提高。一方面，较多城市水务系统的基础硬件设备仍然比较陈旧，信息化程度较低，不能满足城市智慧水务系统建设的基本需求；另一方面，现在的智慧水务软件系统基本上还停留在信息化水平，大数据分析、人工智能等新技术还没有在水务行业得到很好的应用。

建立相应的管理体制和机制中的问题。城市智慧水务系统的管理人员并未充分关注水务系统的建设及自身在建设过程中的职责，也没有深入研究管理智慧水务系统的方法，没有成立与智慧水务平台运维相关的信息部门，导致很多智慧水务平台“重建轻管”。

4城市智慧水务方案

以人为本、服务民生。从满足城乡居民对用水安全和用水品质的提升需求出发，强化“人人”管理，即做好管理“人”与服务“人”，实现员工的智慧化管理与服务对象的智慧化服务，不断提升公共服务水平和群众满意度。

问题导向、创新发展。坚持问题导向，创新工作思路，以信息化手段为抓手实现环节简化、流程优化、服务强化，融汇物联网、人工智能、大数据、云计算、区块链等数字科技手段增进产业转型升级与均衡发展，全域化、高质量解决水务业务管理问题。

建管并重、注重运维。打破固有观念，建管并重，注重智慧水务平台后期运维。尤其是水务行政管理部门，往往平台建设单位与使用单位不一致，导致系统在使用过程中运维跟不上、不到位，造成系统运行故障，数据不准、决策不精，严重制约了智慧水务平台的作用。

完善机制、科学评价。水务管理人员需要搜集关于城市水务发展实际状况的信息，建立完善的评价体系，用时间管理效果反映水务系统的工作性能，制定科学可行的调整方案，在更广阔的范围之内加以推广，给城市水务工作做出贡献。

5城市智慧水务建设中的整体框架设计

城市智慧水务建设系统的总体框架，可以如下叙述。（1）基础设施层，主要包括数据库、操作系统等开发性框架，给系统运行提供强有力支撑。（2）数据层。数据层是智慧水务建设系统的核心，可以完成存储数据与处理数据的任务，在现有资料中抽取并调用有用信息，建立综合化程度较高的数据库，实现数据管理、数据共享等目标。（3）服务支撑层。该层主要包括关于管理用户将地理信息服务的信息，可以提高信息化建设程度，给使用规范的用户授权，给其地理信息服务部门提供必要支撑。（4）集成层。该层可以将各位用户的信息整合起来，创建起符合标准及规范的应用信息系统。（5）应用层。该层能够实现人机交互的目标，面对各项工作完成定制开发的任务。

城市智慧水务的实际应用案例。随着城市智慧水务的建设范围不断扩大，水务技术得到较好点发展空间，目前我国越来越多的城市开始接纳信息化、智能化的管理理念，对城市供排水系统进行改进调整，踊跃探索建设智慧水务平台，为水务行业运维监管赋能。安徽省芜湖市依托长江大保护战略，紧握契机，开展城市智慧水务平台建设。芜湖智慧水务平台以辅助污水系统“提质增效”为近期目标，打造“全方面感知、科学评估、智能预警、辅助决策”的实用、管用、好用的厂站网一体化智慧水务系统。平台服务于“长江大保护”试点城市芜湖市城区污水系统，服务区面积720km²，人口约251万人，含6座污水处理厂（总规模71.5万吨/天），35座污水提升泵站，663km污水管网。

平台显著提高了水务业务全过程管理效率，实现从被动响应到主动应对、从传统人工到智能自动的转变，实现准确溯源、准确诊断、精明施策、精细管理、精益治理，为芜湖长江大保护工程长治久清提供了有力保障。

该平台实现的具体功能如下：（1）信息服务：建立排水系统物联感知系统，全方面监测系统运行状态，并利用GIS+BIM实现数字李生，为用户提供基础信息、监测数据、信息发布、信息交换等信息服务功能。（2）生产管理：将生产业务数字化，实现资产管理、运维管理、报表管理、安全管理、应急管理、综合调度等业务功能。（3）决策支持：通过应用物联网、数值模拟、大数据分析等技术，开发运行监测、大数据分析、数值模型服务、专家库与知识库、决策分析等功能，为污水系统生产运行提供智能预警并辅助决策。（4）监督考核：紧密结合各级部门和单位对排水系统考核要求，建立科学评估体系，实现水务全业务的动态在线考核功能。（5）移动应用：采用移动互联网技术，通过手机等移动设备实现信息查询、巡检养护、工单处理、公众服务等功能。

6 AcrelEMS-SW智慧水务能效管理平台

6.1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。

6.2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、电气安全、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。

6.3平台拓扑图

6.4平台子系统

6.4.1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。

6.4.2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。

6.4.3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。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。

6.4.4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。

6.4.5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安全、节能的目的。

6.4.6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。

6.4.7 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。

6.4.8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。

6.4.9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。

7 相关平台部署硬件选型清单

8结语

在城市水务建设发展过程中，智慧水务是必然趋势。智慧水务的效用关系人们生活与生产的基本需求，可以有成效减缓出现水资源紧缺、水环境污染、洪水内涝等各类问题发生，推动国家经济的稳定发展。现代科学技术的进步给智慧水务系统的发展提供了必要支持，需要增加对智慧水务系统的资金投入水平，制定科学完善的评价机制，逐步突破技术难关，提高智慧水务系统的安全性与准确性。