浅析流域治理工程的智慧水务智能配电能效平台设计与实践

任运业

安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定201801

摘要:近几年，我国城市化的发展、河道水体水质、水景观治理之间的不协调成为城市发展要着重解决的一项问题，主要是因为河流域水体受污染，不仅破坏了人与自然和谐相处的人居环境，而且给城区居民的身心健康带来了不利的影响，同时也严重影响了城区形象，不利于经济社会的可持续发展。然而，随着各项先进技术的发展，河流域治理工程为了提升治理的效果，逐渐将智慧水务系统应用到其中。文章基于智慧水务系统的概念及设计内容，对智慧水务系统架构设计展开了分析和阐述，并且结合案例对其应用实践进行了阐述，以期为智慧水务系统的发展，给予一定的参考意见。

关键词:智慧水务系统;河流域治理工程;生态环境

0引言

智慧水务系统主要是以BIM和GIS等技术为基础架构，并且通过利用各项信息技术，对河流域生态环境情况进行实时监测，并且将各项监测数据进行收集和处理，为具体的治理作业展开提供了重要的参考依据。但是，智慧水务系统结构相对较为复杂，因此在设计的时候需要明确其设计目的及设计架构，并且加强其实践力度，以此突显出智慧水务系统存在的价值，为河流域治理工程的发展，给予了重要的技术支撑。

1智慧水务系统分析

智慧水务系统在城市水体治理工程中得到了广泛的应用，其应用效果也是非常好的。因此，在智慧水务系统设计之前，需要对系统概念以及设计内容等方面进行明确，这样才能更好地开展设计工作，满足河流域治理工程的需求。

1.1系统概念

(1)智慧水务系统通过利用传感器、电子标签、BIM、GIS等技术，实现信息和时空尺度的信息感知网络。同时，智慧水务系统主要是对湖泊、水资源、污水等方面进行监测，分析水体环境的具体情况，这样可以为治理工程的展开提供重要的参考。智慧水务系统利用数采仪、无线网络、水质水压等方面，并且利用可视化方式，对各项数据进行有机整合。另外，在整合以后，将大量的数据和信息进行分析和超处理，进而做出相应的河流域治理方案，以此达到“智慧”的状态。

(2)智慧水务系统在设计的时候，主要是构建集成运行管理、监督管理、工业污染源监测、防洪排涝、水生态与水环境监控、应急指挥与调度、数字化巡查与养护、三维展示等功能于一

体的智慧水务管理平台。同时，智慧水务系统的出现，可以提升城市水务统一化管理，并且在水安全、水环境等方面的日常运行、智慧管控与运营、监督与应急指挥保障能力，为运行单位以及水务相关主管部门的日常管理和监督提供技术支撑，以此实现城市水务信息化、数字化、智能化等管理模式。

(3)通过智慧水务系统的设计，可以完善环保水务设备的管理、实时监测水务管网以及河流河道水质在线监测，并且对城市水务相关运行系统进行维护、调度、巡查养护、管理考核等闭环管理，以此提供好的服务体系。

1.2设计内容

(1)智慧水务系统设计较为复杂，主要包括“一监测、一个平台、一大厅”，换句话说就是全方面立体化的河道监测和智能感知系统、一河两岸生态治理信息服务平台以及信息化综合服务展示大厅。

(2)智慧水务系统在设计的时候，将“互联网＋水利生态＋河长制”作为基础理念，并且基于相关的治理规范，将一河两岸综合治理工程作为设计目标，将河湖涉水作为主线，将日常巡查和公众监督作为核心，实现全方面、立体化的河流域智能监测系统。另外，智慧水务系统设计可以实现“一河两岸”生态治理信息服务平台，为一河两岸水资源、水环境、水生态的治理和体系建设提供智能化、智慧化的管理手段。

(3)智慧水务系统的设计，可以实现全方面的智能感知体系，实时对河流域水位、流量、水量、水质状况等方面进行全方面监测，并且为河流域治理工程的实施提供实时数据的支持。另外，智慧水务系统在设计的时候，通过利用监控平台与管理考核机制，实现管理的信息化、自动化与标准化，这样大大提升河流域治理工程建设的效果。

2系统架构设计与实践

智慧水务系统主要包括采集层、网络层、数据层、支撑层、应用层、用户层以及巡视平台。下面就针对这几点内容，展开分析和阐述。

2.1采集层

采集层是智慧水务系统设计的要点，并且主要是将自动监测数据、人工录入数据、外部接入数据等方面进行整合。同时，在采集层设计的时候，根据河流域水体的实际情况，设置采集终端，例如水文以及水质监测设备等方面。

2.2网络层

在设计网络层的时候，需简要对采集层终端部署的可靠性进行综合性的考虑，并且在设计的时候，以光纤覆盖为主，以此形成有线网络和4G、5G无线网络系统。同时，在设计的时候，结合数据回传网络应用到其中，可以确保数据传输的稳定性以及及时性，为河流域治理工程建设的及时性提供了重要的保障。

2.3数据层

数据层在智慧水务系统设计中占据着非常重要的地位，主要是将采集层所采集的数据，进行分析、处理以及储存，以此保证各项数据的完整性和安全性。同时，在数据层设计的时候，应当根据不同的业务类型，建立设备数据库、基础信息库、水文数据库、水质数据库、BIM数据库等，这样可以根据数据不同的属性及类型，有针对性地进行储存，也为后期的使用提供了相对便利的条件。

2.4支撑层

支撑层的设计，主要是将数据库作为基础，并且将web服务、应用服务、文件服务、BIM服务、GIS服务等方面应用到其中，这样不仅为系统的运行提供有力支撑，而且也可提升系统的服务性。

2.5应用层

应用层在智慧水务系统设计中，主要是实现系统数据资源以及业务功能集成管理，并且构建统一的用户访问界面，这样在操作智慧水务系统的时候，就会相对较为便利。另外，在设计应用层的时候，将BIM系统、水文监测、水质监测等系统应用到其中，并且与外部系统接口连接，这样可以实现数据实时共享，以此保证数据获取的及时性。

2.6巡视平台

巡视平台在智慧水务系统设计中，主要分为三个方面:数据部门、调度指挥部门、多媒体展示部门。其中，调度指挥部门主要是将整个智慧水务系统所有的各类通信终端，以及信息承载部门进行整合，并且以多种业务软件为基础信息的基础上，充分发挥调度指挥部门的价值。另外，在设计调度指挥部门的时候，将决策、监察、远程执行等方面进行的整合，以此提升智慧水务系统的功能性。多媒体展示部门主要是利用直观性较强的多媒体展示一河两岸生态的具体情况，并且将信息化技术作为基础，采集大量的数据。在数据采集完成以后，结合历史、文化、风貌、人文等方面，利用360°全息投影、全息数字沙盘系统、虚拟翻书系统、互动地幕系统等，进行全方面的展示。

2.7水质监测

为了实时获取河流域水质的情况，在设计智慧水务系统的时候，需要构建完善水质监测系统，设置水质五参数，主要包括pH、温度、溶解氧(DO)、电导率、浊度等方面，并且根据相关水质监测指标，利用手机无线网络将各项数据传输到水务管理平台，以此完成监测工作，这样治理工程建设的展开，就有了重要的数据支持。另外，系统平台根据监测的数据，利用BIM技术进行三维模型的构建，以此对监测数据进行评价。同时，将评价的各项数据绘制成曲线图，这样可以清晰地看出河流域污染的变化趋势，根据趋势进行治理，并且明确治理的要点，以此保证治理的效果。

2.8网络和安全系统

由于智慧水务系统中含有大量的数据，所以在设计的时候，做好智慧水务系统中的安全与网络设计是非常必要的。在设计的时候，主要是以光纤网络为主，将各项数据传输到平台上，并且可以利用分层理念的设计方式，设置专项网、内网、外网等三个方面，以此保证智慧水务系统中各项数据的安全性。

3系统应用与实践

以樟树市城区草溪河治理工程为例，本工程主要是对草溪河水体、周边管网及场地条件的详细调查，了解草溪河存在的问题，分析其水质较差原因并提出综合整治方案，并进行详细设计，促使水体经过治理以后能提升生态环境质量。同时，本工程在智慧水务系统应用实践的时候，明确治理目标，根据治理目标，强化应用实践力度，以此实现良好的效果。

3.1工程治理目标

明确工程治理目标，不仅有助于提升工程治理的效果，也有助于更好地将智慧水务系统应用到其中。

(1)预计在2023年年底，完成草溪河首期项目整治工程，治理段河道防洪标准满足抗御20年一遇洪水，治涝标准满足10年一遇24h暴雨24h排至不淹重要建筑物高程，河道无污水直排口。同时，采取合理的手段，构建完善的水生态环境系统，以及治理段河道水质长期稳定的保持在地表Ⅳ类水标准，建设河道两岸景观系统，满足人们休闲娱乐的需求。

(2)根据樟树市的建设与发展情况，在适当的时间内启动草溪河之后项目整治工程，使草溪河全河道防洪标准满足抗御20年一遇洪水，治涝标准满足10年一遇24h暴雨24h排至不淹重要建筑物高程，河道无污水直排口，构建完善的水生态系统，确保河段水质长期处于地表Ⅳ类水标准，以及建设河道两岸景观系统，满足人们休闲娱乐的需求。

3.2实践策略

本工程为了实现统一化治理体系，从智慧水务系统的角度，采取了以下具体策略:

(1)本工程基于全流域统筹、全目标考核、全方面合作、全过程控制的原则，以及结合国家黑臭河道治理的相关政策及海绵城市建设的要求，完善水安全、水清洁、水灵动、水亲近、水景观五大方面，采取“八大wu器、四位一体”策略，以此形成一个“以水为脉”的城市。同时，需要利用疏拓、截污、治淤、活水、生态、强化、造景、智控等手段，完成本工程的治理工作。

(2)需要着重考虑弹性水域，主要是以草溪河整体的水体作为出发点，充分发挥河湖海绵的弹性作用，并且利用疏通河道，拓宽挖深河道等手段，加强河道的宣泄能力。同时，需要根据本工程的实际情况，修建堤岸，以此解决防洪排涝的问题。另外，利用生态河道、湿地、河漫滩等，实现调蓄雨水，这样可以增强水系应对防洪排涝的弹性，实现水体功能和景观的和谐。

(3)可以采用“控源截污”的手段，主要沿着本工程水岸实现截污、雨季初期雨水收集处理，这样可以大大降低河流污染物的总量。同时，需要沿着水岸线实施截污处理，以尽可能地提升污水的收集效率。在污水处理完成以后，将其统一纳入到污水处理厂，避免污水直接排放到河流中。

(4)需要注重“内源治理”，治理时主要是根据情况，在草溪河及其支流应结合河道疏拓，进行清理工作，以恢复良好的水生态环境。

(5)根据草溪河河道的情况，设置生态浮床、生态护坡、湿地等，构建河道生态系统，并且增强河道的水体自净能力。另外，在河道生态恢复的时候，应当将“水清、流畅、岸固、滩绿、景美”作为恢复目标，这样不仅可以恢复水生态环境，而且也可实现良好的生态景观系统。

(6)本工程加大了对智慧水务系统的应用，主要是利用智慧水务系统构建集成运行管理、监督管理、工业污染源监测、防洪排涝、水生态及水环境监控、三维展示等，以此实现统一化的

管理平台。同时，通过利用智慧水务系统，可以将治理情况及时上传到系统中，这样在之后治理工程展开的时候，可以提供有力的数据支撑，确保治理的效果。另外，通过利用智慧水务系统，可以将治理期间河道环境的变化及时进行数据获取，并根据获取的数据和信息做出适当的调整，以保证治理的效果。

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、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。

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、异常警报等数据。

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、监测和警报。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ji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安全、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警报信号，能指示警报部位并保存警报信息，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、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

6结束语

河流域治理工程已成为我国城市建设与发展的一项着重关注内容，并且在对其监测的时候，主要是以智慧水务系统为主。但是，在智慧水务系统应用之前，需要根据河流域治理工程的实际情况，展开对智慧水务系统的设计，构建完善的监测系统。同时，需要结合具体治理工程，将智慧水务系统应用到其中，从而凸显智慧水务系统存在的价值，为河域治理工程的展开，以及提升水生态环境的质量，提供重要的保障。

【参考文献】

[1]王艺晓，某流域治理工程的智慧水务系统设计与实践分析[J].

[2]李冠豪，大数据背景下的智慧水务系统建设研究[J]．数字通信世界,2021(8):105~106.

[3]孔祥文，城市水环境智慧水务系统建设探索[J]．环境与发展,2020,32(2):239~240.

[4]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022.05版

作者简介：

任运业，男，安科瑞电气股份有限公司。