淺析流域治理工程的智慧水務智能配電能效平臺設計與實踐

安科瑞 陳聰

摘要:近幾年，我國城市化的發(fā)展、河道水體水質(zhì)、水景觀治理之間的不協(xié)調(diào)成為城市發(fā)展要著重解決的一項問題，主要是因為河流域水體受污染，不僅破壞了人與自然和諧相處的人居環(huán)境，而且給城區(qū)居民的身心健康帶來了不利的影響，同時也嚴重影響了城區(qū)形象，不利于經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展。然而，隨著各項先進技術的發(fā)展，河流域治理工程為了提升治理的效果，逐漸將智慧水務系統(tǒng)應用到其中。文章基于智慧水務系統(tǒng)的概念及設計內(nèi)容，對智慧水務系統(tǒng)架構設計展開了分析和闡述，并且結合案例對其應用實踐進行了闡述，以期為智慧水務系統(tǒng)的發(fā)展，給予一定的參考意見。

關鍵詞:智慧水務系統(tǒng);河流域治理工程;生態(tài)環(huán)境

0引言

智慧水務系統(tǒng)主要是以BIM和GIS等技術為基礎架構，并且通過利用各項信息技術，對河流域生態(tài)環(huán)境情況進行實時監(jiān)測，并且將各項監(jiān)測數(shù)據(jù)進行收集和處理，為具體的治理作業(yè)展開提供了重要的參考依據(jù)。但是，智慧水務系統(tǒng)結構相對較為復雜，因此在設計的時候需要明確其設計目的及設計架構，并且加強其實踐力度，以此突顯出智慧水務系統(tǒng)存在的價值，為河流域治理工程的發(fā)展，給予了重要的技術支撐。

1智慧水務系統(tǒng)分析

智慧水務系統(tǒng)在城市水體治理工程中得到了廣泛的應用，其應用效果也是非常好的。因此，在智慧水務系統(tǒng)設計之前，需要對系統(tǒng)概念以及設計內(nèi)容等方面進行明確，這樣才能更好地開展設計工作，滿足河流域治理工程的需求。

1.1系統(tǒng)概念

(1)智慧水務系統(tǒng)通過利用傳感器、電子標簽、BIM、GIS等技術，實現(xiàn)信息和時空尺度的信息感知網(wǎng)絡。同時，智慧水務系統(tǒng)主要是對湖泊、水資源、污水等方面進行監(jiān)測，分析水體環(huán)境的具體情況，這樣可以為治理工程的展開提供重要的參考。智慧水務系統(tǒng)利用數(shù)采儀、無線網(wǎng)絡、水質(zhì)水壓等方面，并且利用可視化方式，對各項數(shù)據(jù)進行有機整合。另外，在整合以后，將大量的數(shù)據(jù)和信息進行分析和超處理，進而做出相應的河流域治理方案，以此達到“智慧”的狀態(tài)。

(2)智慧水務系統(tǒng)在設計的時候，主要是構建集成運行管理、監(jiān)督管理、工業(yè)污染源監(jiān)測、防洪排澇、水生態(tài)與水環(huán)境監(jiān)控、應急指揮與調(diào)度、數(shù)字化巡查與養(yǎng)護、三維展示等功能于一

體的智慧水務管理平臺。同時，智慧水務系統(tǒng)的出現(xiàn)，可以提升城市水務統(tǒng)一化管理，并且在水安全、水環(huán)境等方面的日常運行、智慧管控與運營、監(jiān)督與應急指揮保障能力，為運行單位以及水務相關主管部門的日常管理和監(jiān)督提供技術支撐，以此實現(xiàn)城市水務信息化、數(shù)字化、智能化等管理模式。

(3)通過智慧水務系統(tǒng)的設計，可以完善環(huán)保水務設備的管理、實時監(jiān)測水務管網(wǎng)以及河流河道水質(zhì)在線監(jiān)測，并且對城市水務相關運行系統(tǒng)進行維護、調(diào)度、巡查養(yǎng)護、管理考核等閉環(huán)管理，以此提供好的服務體系。

1.2設計內(nèi)容

(1)智慧水務系統(tǒng)設計較為復雜，主要包括“一監(jiān)測、一個平臺、一大廳”，換句話說就是全方面立體化的河道監(jiān)測和智能感知系統(tǒng)、一河兩岸生態(tài)治理信息服務平臺以及信息化綜合服務展示大廳。

(2)智慧水務系統(tǒng)在設計的時候，將“互聯(lián)網(wǎng)＋水利生態(tài)＋河長制”作為基礎理念，并且基于相關的治理規(guī)范，將一河兩岸綜合治理工程作為設計目標，將河湖涉水作為主線，將日常巡查和公眾監(jiān)督作為核心，實現(xiàn)全方面、立體化的河流域智能監(jiān)測系統(tǒng)。另外，智慧水務系統(tǒng)設計可以實現(xiàn)“一河兩岸”生態(tài)治理信息服務平臺，為一河兩岸水資源、水環(huán)境、水生態(tài)的治理和體系建設提供智能化、智慧化的管理手段。

(3)智慧水務系統(tǒng)的設計，可以實現(xiàn)全方面的智能感知體系，實時對河流域水位、流量、水量、水質(zhì)狀況等方面進行全方面監(jiān)測，并且為河流域治理工程的實施提供實時數(shù)據(jù)的支持。另外，智慧水務系統(tǒng)在設計的時候，通過利用監(jiān)控平臺與管理考核機制，實現(xiàn)管理的信息化、自動化與標準化，這樣大大提升河流域治理工程建設的效果。

2系統(tǒng)架構設計與實踐

智慧水務系統(tǒng)主要包括采集層、網(wǎng)絡層、數(shù)據(jù)層、支撐層、應用層、用戶層以及巡視平臺。下面就針對這幾點內(nèi)容，展開分析和闡述。

2.1采集層

采集層是智慧水務系統(tǒng)設計的要點，并且主要是將自動監(jiān)測數(shù)據(jù)、人工錄入數(shù)據(jù)、外部接入數(shù)據(jù)等方面進行整合。同時，在采集層設計的時候，根據(jù)河流域水體的實際情況，設置采集終端，例如水文以及水質(zhì)監(jiān)測設備等方面。

2.2網(wǎng)絡層

在設計網(wǎng)絡層的時候，需簡要對采集層終端部署的可靠性進行綜合性的考慮，并且在設計的時候，以光纖覆蓋為主，以此形成有線網(wǎng)絡和4G、5G無線網(wǎng)絡系統(tǒng)。同時，在設計的時候，結合數(shù)據(jù)回傳網(wǎng)絡應用到其中，可以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性以及及時性，為河流域治理工程建設的及時性提供了重要的保障。

2.3數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層在智慧水務系統(tǒng)設計中占據(jù)著非常重要的地位，主要是將采集層所采集的數(shù)據(jù)，進行分析、處理以及儲存，以此保證各項數(shù)據(jù)的完整性和安全性。同時，在數(shù)據(jù)層設計的時候，應當根據(jù)不同的業(yè)務類型，建立設備數(shù)據(jù)庫、基礎信息庫、水文數(shù)據(jù)庫、水質(zhì)數(shù)據(jù)庫、BIM數(shù)據(jù)庫等，這樣可以根據(jù)數(shù)據(jù)不同的屬性及類型，有針對性地進行儲存，也為后期的使用提供了相對便利的條件。

2.4支撐層

支撐層的設計，主要是將數(shù)據(jù)庫作為基礎，并且將web服務、應用服務、文件服務、BIM服務、GIS服務等方面應用到其中，這樣不僅為系統(tǒng)的運行提供有力支撐，而且也可提升系統(tǒng)的服務性。

2.5應用層

應用層在智慧水務系統(tǒng)設計中，主要是實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)資源以及業(yè)務功能集成管理，并且構建統(tǒng)一的用戶訪問界面，這樣在操作智慧水務系統(tǒng)的時候，就會相對較為便利。另外，在設計應用層的時候，將BIM系統(tǒng)、水文監(jiān)測、水質(zhì)監(jiān)測等系統(tǒng)應用到其中，并且與外部系統(tǒng)接口連接，這樣可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時共享，以此保證數(shù)據(jù)獲取的及時性。

2.6巡視平臺

巡視平臺在智慧水務系統(tǒng)設計中，主要分為三個方面:數(shù)據(jù)部門、調(diào)度指揮部門、多媒體展示部門。其中，調(diào)度指揮部門主要是將整個智慧水務系統(tǒng)所有的各類通信終端，以及信息承載部門進行整合，并且以多種業(yè)務軟件為基礎信息的基礎上，充分發(fā)揮調(diào)度指揮部門的價值。另外，在設計調(diào)度指揮部門的時候，將決策、監(jiān)察、遠程執(zhí)行等方面進行的整合，以此提升智慧水務系統(tǒng)的功能性。多媒體展示部門主要是利用直觀性較強的多媒體展示一河兩岸生態(tài)的具體情況，并且將信息化技術作為基礎，采集大量的數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)采集完成以后，結合歷史、文化、風貌、人文等方面，利用360°全息投影、全息數(shù)字沙盤系統(tǒng)、虛擬翻書系統(tǒng)、互動地幕系統(tǒng)等，進行全方面的展示。

2.7水質(zhì)監(jiān)測

為了實時獲取河流域水質(zhì)的情況，在設計智慧水務系統(tǒng)的時候，需要構建完善水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，設置水質(zhì)五參數(shù)，主要包括pH、溫度、溶解氧(DO)、電導率、濁度等方面，并且根據(jù)相關水質(zhì)監(jiān)測指標，利用手機無線網(wǎng)絡將各項數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿畡展芾砥脚_，以此完成監(jiān)測工作，這樣治理工程建設的展開，就有了重要的數(shù)據(jù)支持。另外，系統(tǒng)平臺根據(jù)監(jiān)測的數(shù)據(jù)，利用BIM技術進行三維模型的構建，以此對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行評價。同時，將評價的各項數(shù)據(jù)繪制成曲線圖，這樣可以清晰地看出河流域污染的變化趨勢，根據(jù)趨勢進行治理，并且明確治理的要點，以此保證治理的效果。

2.8網(wǎng)絡和安全系統(tǒng)

由于智慧水務系統(tǒng)中含有大量的數(shù)據(jù)，所以在設計的時候，做好智慧水務系統(tǒng)中的安全與網(wǎng)絡設計是非常必要的。在設計的時候，主要是以光纖網(wǎng)絡為主，將各項數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡脚_上，并且可以利用分層理念的設計方式，設置專項網(wǎng)、內(nèi)網(wǎng)、外網(wǎng)等三個方面，以此保證智慧水務系統(tǒng)中各項數(shù)據(jù)的安全性。

3系統(tǒng)應用與實踐

以樟樹市城區(qū)草溪河治理工程為例，本工程主要是對草溪河水體、周邊管網(wǎng)及場地條件的詳細調(diào)查，了解草溪河存在的問題，分析其水質(zhì)較差原因并提出綜合整治方案，并進行詳細設計，促使水體經(jīng)過治理以后能提升生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。同時，本工程在智慧水務系統(tǒng)應用實踐的時候，明確治理目標，根據(jù)治理目標，強化應用實踐力度，以此實現(xiàn)良好的效果。

3.1工程治理目標

明確工程治理目標，不僅有助于提升工程治理的效果，也有助于更好地將智慧水務系統(tǒng)應用到其中。

(1)預計在2023年年底，完成草溪河首期項目整治工程，治理段河道防洪標準滿足抗御20年一遇洪水，治澇標準滿足10年一遇24h暴雨24h排至不淹重要建筑物高程，河道無污水直排口。同時，采取合理的手段，構建完善的水生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)，以及治理段河道水質(zhì)長期穩(wěn)定的保持在地表Ⅳ類水標準，建設河道兩岸景觀系統(tǒng)，滿足人們休閑娛樂的需求。

(2)根據(jù)樟樹市的建設與發(fā)展情況，在適當?shù)臅r間內(nèi)啟動草溪河之后項目整治工程，使草溪河全河道防洪標準滿足抗御20年一遇洪水，治澇標準滿足10年一遇24h暴雨24h排至不淹重要建筑物高程，河道無污水直排口，構建完善的水生態(tài)系統(tǒng)，確保河段水質(zhì)長期處于地表Ⅳ類水標準，以及建設河道兩岸景觀系統(tǒng)，滿足人們休閑娛樂的需求。

3.2實踐策略

本工程為了實現(xiàn)統(tǒng)一化治理體系，從智慧水務系統(tǒng)的角度，采取了以下具體策略:

(1)本工程基于全流域統(tǒng)籌、全目標考核、全方面合作、全過程控制的原則，以及結合國家黑臭河道治理的相關政策及海綿城市建設的要求，完善水安全、水清潔、水靈動、水親近、水景觀五大方面，采取“八大、四位一體”策略，以此形成一個“以水為脈”的城市。同時，需要利用疏拓、截污、治淤、活水、生態(tài)、強化、造景、智控等手段，完成本工程的治理工作。

(2)需要著重考慮彈性水域，主要是以草溪河整體的水體作為出發(fā)點，充分發(fā)揮河湖海綿的彈性作用，并且利用疏通河道，拓寬挖深河道等手段，加強河道的宣泄能力。同時，需要根據(jù)本工程的實際情況，修建堤岸，以此解決防洪排澇的問題。另外，利用生態(tài)河道、濕地、河漫灘等，實現(xiàn)調(diào)蓄雨水，這樣可以增強水系應對防洪排澇的彈性，實現(xiàn)水體功能和景觀的和諧。

(3)可以采用“控源截污”的手段，主要沿著本工程水岸實現(xiàn)截污、雨季初期雨水收集處理，這樣可以大大降低河流污染物的總量。同時，需要沿著水岸線實施截污處理，以盡可能地提升污水的收集效率。在污水處理完成以后，將其統(tǒng)一納入到污水處理廠，避免污水直接排放到河流中。

(4)需要注重“內(nèi)源治理”，治理時主要是根據(jù)情況，在草溪河及其支流應結合河道疏拓，進行清理工作，以恢復良好的水生態(tài)環(huán)境。

(5)根據(jù)草溪河河道的情況，設置生態(tài)浮床、生態(tài)護坡、濕地等，構建河道生態(tài)系統(tǒng)，并且增強河道的水體自凈能力。另外，在河道生態(tài)恢復的時候，應當將“水清、流暢、岸固、灘綠、景美”作為恢復目標，這樣不僅可以恢復水生態(tài)環(huán)境，而且也可實現(xiàn)良好的生態(tài)景觀系統(tǒng)。

(6)本工程加大了對智慧水務系統(tǒng)的應用，主要是利用智慧水務系統(tǒng)構建集成運行管理、監(jiān)督管理、工業(yè)污染源監(jiān)測、防洪排澇、水生態(tài)及水環(huán)境監(jiān)控、三維展示等，以此實現(xiàn)統(tǒng)一化的

管理平臺。同時，通過利用智慧水務系統(tǒng)，可以將治理情況及時上傳到系統(tǒng)中，這樣在之后治理工程展開的時候，可以提供有力的數(shù)據(jù)支撐，確保治理的效果。另外，通過利用智慧水務系統(tǒng)，可以將治理期間河道環(huán)境的變化及時進行數(shù)據(jù)獲取，并根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)和信息做出適當?shù)恼{(diào)整，以保證治理的效果。

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(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。

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(jù)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(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、異常警報等數(shù)據(jù)。

4.4.2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。

4.4.3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)測和警報。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)。

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(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，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/國際指標對標，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。

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(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。

4.4.6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)出警報信號，能指示警報部位并保存警報信息，保障了電氣安全的可靠性。

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、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。

4.4.8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。

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)。

5 相關平臺部署硬件選型清單

6結束語

河流域治理工程已成為我國城市建設與發(fā)展的一項著重關注內(nèi)容，并且在對其監(jiān)測的時候，主要是以智慧水務系統(tǒng)為主。但是，在智慧水務系統(tǒng)應用之前，需要根據(jù)河流域治理工程的實際情況，展開對智慧水務系統(tǒng)的設計，構建完善的監(jiān)測系統(tǒng)。同時，需要結合具體治理工程，將智慧水務系統(tǒng)應用到其中，從而凸顯智慧水務系統(tǒng)存在的價值，為河域治理工程的展開，以及提升水生態(tài)環(huán)境的質(zhì)量，提供重要的保障。

【參考文獻】

[1]王藝曉，某流域治理工程的智慧水務系統(tǒng)設計與實踐分析[J].

[2]李冠豪，大數(shù)據(jù)背景下的智慧水務系統(tǒng)建設研究[J]．數(shù)字通信世界,2021(8):105~106.

[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,2020,32(2):239~240.

[4]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2022.05版