浅谈智慧水务架构及配电建设应用

随着新时期治水方针的逐步落实，水利现代化、智能化建设已开启，物联网、图像识别、数字孪生等新技术的成熟，也为智慧水务体系的搭建提供了技术保障，新时代治水新思路正逐步得到落实。本文对智慧水务的总体架构与包含的建设内容进行研究，力图为智慧水务体系搭建及项目建设提供部分借鉴。

1 研究背景

       新时期治水方针要求将传统水务与现代信息化技术进行，提升涉水业务管理能力和水平，使水务参与相关方及社会公众享受到水务的智慧化服务，实现防汛减灾、水管理、水资源利用等方面的涉水业务综合管控。当前水务监测体系已基本实现对水文信息采集、水资源水环境信息采集、工情信息采集、工程信息采集以及监控站点等覆盖，但由于分属不同业务部门，在不同时期建设，导致实时数据未得到很好整合，未能发挥整体效益，具体表现为监测站点布设缺乏统筹考虑，监测手段单一，缺少创新监测手段应用，以及数据资源整合利用程度低，业务应用不够深化灵活等。因此，在新一代信息技术赋能下，搭建智慧水务体系，成为了必然趋势，也具备了可落地基础。

2 智慧水务内涵

2.1 智慧水务内涵

       站在水务管理部门的视角，智慧水务即紧密围绕水、水资源、水环境、水工程、水事务、水公共服务6大核心业务的需求，云计算、大数据、物联网、人工智能、数字孪生等新一代信息技术，推进涉水业务智能应用，提升信息整合共享和业务智能管理水平，驱动和支撑水务治理体系和治理能力现代化[1]。

       (1)水。主要包括水灾防御、饮用水管理两部分内容。水灾主要为雨季型洪水、台风型洪水造成的雨涝，当有大洪水来时，通过模型进行预报预警，可以提前采取措施，预报各水库水位，腾出库容调蓄洪水，减轻库区周边和下游的防洪压力。在后汛期，根据来水预测及时拦蓄洪尾水量，尽可能多的储备水量。当预测来水量较少时，可根据水库蓄水情况和需水量分析，提前采取抗旱措施，减少旱灾的影响。饮水工程则是统筹城乡发展，和提高民众生活质量，城乡经济社会发展的重要民生基础设施，城乡饮用水密切关系到群众的身体健康，防范饮水风险十分必要。通过对人饮工程增加水质和水位自动监测，可实现城乡饮水工程供水自动预警，同时加强城乡饮水工程日常业务管理，提升城乡供水和应急处置能力。(2)水资源。是指有利用价值且可被利用的水源，包括地表水及地下水等。在信息化中，水资源信息包括水质信息、官网监测信息、供水厂监测信息、排污口信息、取水户信息、水库信息、水电站信息、流量监测信息、水利工程信息等。水资源优化配置包含了水资源管理、供水管理、灌区管理的综合优化。(3)水环境。主要通过监测站网进行监测，监测站网是指在流域内或者区域内，由适量的水质监测实验室与地表水、地下水、大气降水水质站组成的监测信息收集系统。在水环境管理及保护上，又可分为河湖长制综合管理、采砂管理、水土保持管理等。(4)水工程。包括涉水的水利工程建设管理、水利工程运行管理。(5)水事务。即以水行政事件为主线，涉及到的对象、业务流程等，主要为水行政执法，包括执法对象、执法巡查管理、执法办案管理、案件办理管理、执法队伍和装备管理、执法指挥调度等。(6)水公共服务。即水务部门面向公众提供的涉水政务服务，通过互联网、移动端、办理窗口、户外展示引导等提供，主要包括行政审批事项处理、公众水务事项解答、公众水务事项投诉处理、公众预报预警、公众节水教育、公众河湖治理宣传教育、引导公众参与河湖治理、公众水情教育等。

2.2 智慧水务总体架构

       智慧水务建设可按照“四横两纵”总体架构进行，即基础设施、水务大数据、应用支撑平台、智能应用，以及机制保障、技术保障。智慧水务整体架构图。

       基础设施包括水务智能感知网和基础运行环境。

(1)水务智能感知网。水务智能感知网即运用无人机、无人船、物联网、5G等新一代技术，通过构建“空-天-地-水”监测感知网，实现水务要素全感知，区域感知全覆盖、感知手段全应用，支撑水务工作。智能感知网需要在传统水雨情、水资源、工情监测站点基础上，强化无人机、无人船等技术的综合应用，丰富采集种类、加密采集覆盖、整合采集站点、规范采集数据，进一步加强水文、水资源、水环境、水工程、农村水利等方面的信息采集，提高信息的完备性、真实性和时效性，满足精细化水务业务管理应用要求。广义上说，水务智能感知网包括河道监测站网、人饮工程监测站网、在建水利工程监测站网、水库及水电站监测站网。

(2)基础运行环境。1)水务大数据。建设水务大数据，可丰富数据资源，实现各部门数据资源整合共享，提升数据共享和服务能力。2)水务模型。基本的公共服务基础模型，方便应用软件开发时在其上层更捷地搭建业务应用流程和构造信息门户，水务模型为应用层提供统一的支撑服务。应用支撑平台为应用层提供统一的支撑服务，是实现水务事件推理、水务事件协同、水务实景仿真、水务时空分析、水务行政服务等公共服务的基础平台。智慧应用为基于模型构建的应用，包括水专题、水资源优化专题、水环境保护专题等，配合综合决策大屏、移动应用平台和统一门户使用。3)机制体制保障。标准规范的机制建设是工程建设重要的基础性工作，是实现智慧水务运行管理的目标，保证信息交换、共享和应用支持性和可行性的重要前提。4)技术保障。技术应用是系统运行的支柱，贯穿于整个体系架构各层的建设过程中。

3 易慧水务建设内容

3.1 智能感知网

       根据水务业务应用建设需求，以水雨情、水资源、工情监测站点为核心基础，强化无人机、无人船等技术的综合应用。智能感知网具体建设为河道监测站网、人饮工程监测站网、在建水利设施监测站网、水库监测站网等。监测数据包括水位、流量、雨量、浊度、酸碱度、余值、实时画面等。

3.2 水务大数据

       (1)水务数据资源目录。水务数据资源目录建设是开展数据共享的重要手段和途径，各级在建立数据资源目录时，应保持基本维度分类体系的一致，并在水务数据建立统一的目录服务系统，解决各自领域范围的数据资源目录管理与发布。根据水务系统的实际情况，水务数据资源目录可分为基础数据目录、监测数据目录、业务数据目录。(2)制定数据标准规范体系。按照“一数一源”的原则，进行相关标准规范制定，主要包括数据库设计规范、数据加工存储规范、数据资源共享规范、数据接入规范等。(3)数据资料制作。数据资料制作包括河湖现场全景图、城乡供水三维场景、线上虚拟馆等。

3.3 应用支撑平台

       (1)水务事件推理能力。可分为洪水预报模型、水库来水及调度模型、图像分析模型等。洪水预报模型的构建是为了实现将实时或预报水雨情数据作为输入，通过预报模型，来实现对流域内重要节点的洪水过程的预报。水库来水预报及调度模型则通过选取水库并运用相关建模技术，搭建水库来水预报模型、工程调度模型、水资源优化配置模型。图像分析模型即由具备智能分析功能的设备组成的智能监控系统，可以按需求监控。(2)水务事件协同能力。通过搭建一个统一的综合集成门户，在实现统一认证、单点登录的同时，可以根据登录用户的身份，确定用户的权限，自动呈现不同的功能界面。另外，将应用及展示需求通过界面整合集成到门户中，如将水务数据、水务一张图、水务综合决策大屏、水科学保障专题、水资源优化配置专题、水环境保护专题、水工程精细调度专题、水事务管理专题和水公共服务专题集成在一起。(3)水务实景仿真能力。可分为实景及数字孪生等，实景即通过720°全景技术对各场景点进行多角度环视拍摄取景，使用软件进行图片拼合等处理，将平面照及计算机图变为全景，用于虚拟现实浏览。数字孪生为新一代信息技术，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射、虚实交互，为水务业务管理呈现可视化场景，辅助水务管理决策。(4)水务时空分析。通过搭建GIS平台，为业务管理提供地图信息的操作、浏览和管理等功能。(5)水务行政服务。主要包括门户和智能问答等，门户可通过分权分域设置，对不同角色、不同级别、不同岗位用户所关注的信息做不同呈现，做到千人千面。智能问答面向内部工作人员和社会公众用户，以问答形式，定位用户所需要的提问知识，为用户提供个性化的信息服务。

3.4 水务专题应用

      (1)水科学保障专题。聚焦水灾防御工作需要，围绕预案、预报、预警、预演等因素建设，实现与水灾防御工作精细化管理要求。预案应做到结构化管理，由静态预案向动态预案转变。预报则通过多模型耦合方式，由经验预报向科学预报过渡。通过自动监测预警和预警回执，打造预警工作的闭环流程。在人饮工程上增加水质和水位自动监测，实现饮水工程供水自动预警，提升供水和应急处置能力。(2)水资源优化配置专题。基于GIS平台的展示基础，实现水质、监控、水位、雨量等监测站点以及水文局、气象局、环境局共享的监测站点等监测数据的叠加展示，为水质、水资源业务协同、水资源优化配置、动态评价、供水监控预警、供水运营管理、供水统计分析、灌区管理等应用服务。(3)水环境保护专题。聚焦河湖长制管理、采砂管理、水土保持管理等应用，建设投诉、采砂计划管理、采砂许可证管理、采砂量动态监控、水土流失情况分析及呈现、政策法规宣传等模块。(4)水工程精细调度专题。引入信息化手段，将招投标管理、工程资料、工资支付、工程过程等文件数字化，实现工程业务数字化，同时基于GIS平台，将在建项目、已建项目、规划项目做叠加展示，实现工程全景可视化、工程自动预警、调度管理可视化等目标。(5)水事务管理专题。以水行政事件为主线，主要建设执法监视、执法巡查计划制定和下达、执法信息(包括执法队伍、执法艇、执法车、执法装备等)的动态更新、调度指挥等模块。(6)水事务公共服务专题。建设审批事项服务、智能问答、公众投诉服务、水务信息服务、水务资讯、节水宣传等模块。(7)移动应用，开发移动应用系统，通过移动办公，实现无时无刻、随时随地信息查询和办公管理。

3.5 基础资源及网络

       包括应用服务器，数据库服务器，数据采集服务器，数字孪生应用服务器，线上虚拟馆应用服务器，以及存储、网络、等设备，一般结合建设及租用成本、自身维护能力综合分析，可采用租用外部云资源的方式建设。

3.6 体系

       信息系统要求的体系，包括系统物理、网络、信息、系统、运行、制度等。

4 AcrelEMS-SW智慧水务能效管理平台

       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。

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、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。

5 平台子系统

5.1 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、异常等数据。

5.2 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。

5.3 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。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。

5.4 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。

5.5 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、舒心的目的。

5.6 电气

5.6.1 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、水泵站的电气预警。

5.6.2 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。

5.6.3 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。

5.6.4 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，防火门能发出信号，能指示部位并保存信息，保障了电气的可靠性。

5.6.5 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、、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。

5.6.6 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。

5.6.7 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、加接触、污泥浓缩压滤、生 物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。

5.7 产品清单

6 结语

       总之，智慧水务建设是一个长期、动态的过程，涵盖领导决策人员、业务人员、横向相关单位、专家、巡查人员、企业单位、社会公众等众多用户对象，因此做好顶层规划和基础平台、模型的搭建，为不同用户提供个性化业务支持是建设过程中的聚焦方向。此外，在建设中还应重视项目建设的后评估分析，及时调整。