淺談智慧水務配電能效平臺在水資源配置工程中的應用

摘 要：珠江三角洲水資源配置工程是粵港澳大灣區(qū)中具有代表性的超大型水利工程。將智慧水務理念及技術應用于該工程，創(chuàng)建"工程建設管理系統(tǒng)"，創(chuàng)新應用"BIM+GIS"支撐平臺，不僅能提高供水效率，保障城市供水安全，還能為類似工程提供參考和借鑒。

　　關鍵詞：智慧水務；珠江三角洲水資源配置工程；管理系統(tǒng)

1 智慧水務理念

智慧水務是以解決城市水務發(fā)展需求為導向，利用現(xiàn)代傳感、物聯(lián)網(wǎng)及信息技術，構(gòu)建城市水務綜合數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)水務信息充分共享，提高城市水務管理決策水平；并通過開展頂層設計、優(yōu)化水務建設目標、系統(tǒng)規(guī)劃水務建設布局，提升水務建設和運營效益[2]。智慧水務是在工程數(shù)字化建設和智能化應用后的新型管理模式和組織形態(tài)，是先進信息、工業(yè)及管理技術的深度融合，能促進工程建設管理單位內(nèi)部轉(zhuǎn)型升級，完成與“互聯(lián)網(wǎng)＋"社會生產(chǎn)力的和諧對接。智慧水務建設具有以下特點：①打造“新時代生態(tài)智慧水利工程"目標，從智慧設計、建造、運營、管理出發(fā)，建設貫穿工程全周期的水利信息化智慧管理系統(tǒng)；②通過“BIM+GIS"支撐平臺對工程設施、設備狀態(tài)及環(huán)境信息進行可視化展現(xiàn)；③建設水量調(diào)度管理系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)分析結(jié)果為工程供水調(diào)度提供科學數(shù)據(jù)支撐；④實現(xiàn)數(shù)字工程輔助建設單位開展日常運營、故障分析和維護，減少人工巡檢，加強自動化運維，提升效率[3]。

2 智慧水務系統(tǒng)的實際應用

2.1工程建設管理系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要用于工程前期報批管理，包括工程進度計劃、總體投資控制、合同費用支付、質(zhì)量控制、安全控制、工程溝通、資料審批等。項目端系統(tǒng)將建設、施工、監(jiān)理、設計等單位集成到統(tǒng)一平臺，作為實際日常業(yè)務系統(tǒng)實現(xiàn)標準化、統(tǒng)一化、集成化管理[4]。主要包括五個模塊：①前期管理?？刹樵冺椖壳捌诟黜棇徟牧线M度，查詢各工作環(huán)節(jié)狀態(tài)，及時掌握當前標段開展情況。通過獲取工程數(shù)據(jù)對項目前期進展進行整體把握。②設計管理。涵蓋工程各階段的設計及設計變更管理，可控制進度、分配與下達任務、跟蹤計劃等。③招投標信息管理。記錄項目招投標業(yè)務的跟蹤管理情況，查找招標相關資料。④合同費用管理。提供項目中所有合同事項，如合同的基礎信息、計量計價、變更、進度、結(jié)算、終止、履行統(tǒng)計查詢等。⑤質(zhì)量管理。是工程主體對參建單位在建設過程中涉及重要質(zhì)量項的控制與管理，是以質(zhì)量驗收與評價為主線，按質(zhì)量計劃對質(zhì)量控制點進行處理的過程。

2.2“BIM+GIS"支撐平臺

　　珠三角水資源配置工程覆蓋范圍大、地域分布廣、管理層級多、內(nèi)容復雜，其運行包括輸水管線、泵站、水庫、調(diào)度管理等，是一項十分復雜的系統(tǒng)工程。因此，搭建“BIM+GIS"平臺是工程規(guī)范化、協(xié)同化管理的需要，可消除信息孤島，滿足不同層級參建方的信息需求和功能需求，保障工程管理的高效有序。利用“GIS+BIM"技術. 搭建“地形地質(zhì)＋建筑物"的工程整體數(shù)字化模型，構(gòu)建三維可視化管理平臺，實時展示施工進展、盾構(gòu)機的位置和狀態(tài)等，便于工程管理人員從宏觀到微觀把控施工進程和運行狀態(tài)，追蹤質(zhì)量和安全隱患，以便做出科學決策。供水工程大都具有地域廣、人員流動性強、作業(yè)環(huán)境復雜等特點，傳統(tǒng)信息采集方式難以保障信息的真實性、完整性、時效性和可追溯性。通過信息系統(tǒng)建設，可實現(xiàn)信息實時采集、直觀查詢、快速發(fā)布和高度共享，能便捷掌握工程動態(tài)，處理業(yè)務，提高管理效率和精細化管理水平。

　　平臺搭建需注意：①實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)的準備和轉(zhuǎn)換包含兩個層面，一是GIS數(shù)據(jù)需支持從GIS數(shù)據(jù)服務器下載，同時也包含對影像、地形數(shù)據(jù)的處理；二是BIM數(shù)據(jù)其轉(zhuǎn)換需支持目前流行的主流BIM平臺。②平臺服務在考慮BIM數(shù)據(jù)的同時要兼顧GIS、文檔、協(xié)同、數(shù)據(jù)分析等部分。為了數(shù)據(jù)安全及未來需要，要滿足高可用的云架構(gòu)系統(tǒng)設計。BIM數(shù)據(jù)管理平臺不僅是BIM和GIS 數(shù)據(jù)的管理，更應是行業(yè)數(shù)據(jù)的服務平臺和大數(shù)據(jù)的基礎，因為平臺在數(shù)據(jù)收集時已對BIM模型數(shù)據(jù)進行了結(jié)構(gòu)化組織（見圖1）。

2.3安全預警管理系統(tǒng)

　　該系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)、視頻監(jiān)控、移動互聯(lián)、"BIM+GIS"等智慧工地技術，具有安全預警管理、感知信息接入、安全地圖、安全事故管理、安全隱患排查、風險管理、應急救援等主要功能、可提高工作的信息化、標準化、專業(yè)化水平。一方面，工程安全生產(chǎn)始終處于受控狀態(tài)并持續(xù)改良，從根本上降低了安全事故發(fā)生率；另一方面，水質(zhì)自動檢測系統(tǒng)保障了供水安全和供水質(zhì)量。

2.4水量調(diào)度管理系統(tǒng)

該系統(tǒng)包括水量調(diào)度日常業(yè)務處理、供水計劃編制、實時水量調(diào)度、應急水量調(diào)度、水量統(tǒng)計和水費計算、調(diào)度評價系統(tǒng)。其中，水量調(diào)度日常業(yè)務處理系統(tǒng)是核心部分，該系統(tǒng)按照同類功能合并，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，易于工程管理人員操作。

2.5合同費用管理系統(tǒng)

　　其為項目建設單位項目投資管理的核心部分。重點包括設備物資采購合同、工程施工合同的執(zhí)行管理和監(jiān)控分析，實現(xiàn)合同的結(jié)算管理、執(zhí)行進度跟蹤、合同交付質(zhì)量管理。要求可關聯(lián)項目進度管理進行進度執(zhí)行聯(lián)查，關聯(lián)供應商管理功能進行供應商合同履約質(zhì)量記錄與評估等。

2.6工程數(shù)字檔案系統(tǒng)

　　該系統(tǒng)作為完整檔案業(yè)務流程管理的信息化平臺，涵蓋檔案業(yè)務管理的“收集、管理、保存、利用"需求。其功能主要包括檔案的收集、保管、利用、統(tǒng)計及數(shù)據(jù)管理、輔助管理等。

2.7輸水自動化監(jiān)控系統(tǒng)

　　該系統(tǒng)按"統(tǒng)一調(diào)度、無人值班、智能巡查、智慧供水"的原則設計，在工程管理中心設立調(diào)度中心，設置常規(guī)的應用及數(shù)據(jù)庫服務器、操作員工作站、通信工作站、常規(guī)監(jiān)控系統(tǒng)設備等，負責整個工程的供水調(diào)度。在三個泵站設置泵站自動化監(jiān)控系統(tǒng)，負責監(jiān)控泵站內(nèi)的設備及其管轄的供水管線上的監(jiān)控對象，如盾構(gòu)井滲漏排水泵等。在泵站副廠房設立監(jiān)控調(diào)試室，放置站控層設備，設置操作員站、工程師工作站、1000 M/100 M網(wǎng)絡交換機等設備，主要用于泵站投運初期及檢修期的泵站監(jiān)控。正常運行時泵站無人值班，主要運維人員可在泵站信息中心進行管理。

2.8應用系統(tǒng)集成

應用系統(tǒng)集成是本系統(tǒng)集成的核心內(nèi)容，也是實現(xiàn)系統(tǒng)開發(fā)建設的目的，應用系統(tǒng)分布在運營公司各管理部門，用戶包括公司員工、上級部門、相關單位、公眾，是一個龐大復雜的調(diào)水業(yè)務應用系統(tǒng)。工程展現(xiàn)應用包括工程數(shù)字門戶和移動應用門戶。工程應用系統(tǒng)主要包括工程建設管理、安全預警管理、征地管理、水量調(diào)度管理、工程設施管理、工程安防與視頻監(jiān)控、工程運行檢修培訓系統(tǒng)、工程數(shù)字檔案、辦公自動化、水文監(jiān)測、水質(zhì)監(jiān)測、輸水自動化監(jiān)控等系統(tǒng)。

3 AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平臺

3.1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。

3.2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。

3.3平臺拓撲圖

3.4平臺子系統(tǒng)

3.4.1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、異常報警等數(shù)據(jù)。

3.4.2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。

3.4.3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)測和報警。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)。

3.4.4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(gòu)，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。

3.4.5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。

3.4.6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)出報警信號，能指示報警部位并保存報警信息，保障了電氣安全的可靠性。

3.4.7 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。

3.4.8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(jié)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。

3.4.9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)。

4 相關平臺部署硬件選型清單

5 結(jié)語

　　水是支撐城市經(jīng)濟社會發(fā)展的基礎性資源，智慧水務正成為城市水務高質(zhì)量發(fā)展的顯著標志。目前，粵港澳大灣區(qū)建設如火如荼，對水安全保障也提出了更高要求，智慧水務建設是推進新階段水利高質(zhì)量發(fā)展的重要路徑之一。對此，全國各流域管理局正積極開展先行先試任務，編制智慧水務專項規(guī)劃。在智慧水利工程思潮下，從思想上打破傳統(tǒng)水利“重建設、輕管理"的理念，逐步向"建管并重"的現(xiàn)代智慧水利方向發(fā)展。珠三角水資源配置工程是國家“大動脈"工程，是長距離有壓管道調(diào)水工程，建成后將對粵港澳大灣區(qū)發(fā)展提供戰(zhàn)略支撐。智慧水務應用于珠三角水資源配置工程，不僅能提高建管部門的供水效率，保證城市供水安全，還可為大灣區(qū)其他大型供水工程提供參考。

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