淺談深圳寶安區(qū)智慧水務配電能效平臺的構建

安科瑞 陳聰

摘要:智慧水務具有實時監(jiān)測、動態(tài)調控、及時預警、動態(tài)模擬、預報預測、仿真模擬等特點，不僅是順應信息化和城鎮(zhèn)化發(fā)展趨勢的需要，而且可以為全國一體化在線政務服務平臺建設管理、服務模式、流程優(yōu)化積累經驗。文章以深圳寶安區(qū)為例，通過對該區(qū)當前水務狀況的總結分析，指出了水務管理業(yè)務現狀存在的主要問題，提出以“一張網、兩支撐、三門戶、四應用、四體系”為總體框架的智慧水務系統(tǒng)，同時提出了“數據預處理、異常值檢測、空缺值填補”三階段水務數據處理技術，可為推動類似地區(qū)智慧水務建設提供借鑒。

關鍵詞:深圳寶安區(qū)；智慧水務系統(tǒng)；框架構建；水務數據；處理技術

１ 寶安區(qū)水務現狀

河流基本情況:寶安區(qū)共有66條河涌，66條河涌分屬茅洲河及珠江口沿海河涌兩大水系，總長254km，流域總面積532km²。全區(qū)水環(huán)境狀況有以下幾個特點:一是水質污染嚴重，主要污染物為氨氮、總磷和陰離子表面活性劑；二是感潮河流多66條河流有50條為感潮型河流，感潮河段占總河長約50%，影響面積達176km²，約占全區(qū)總面積的45%；三是防洪達標率低，全區(qū)河道有168km未達防洪標準，占總長的66%。

水庫基本情況:寶安區(qū)共有12座水庫，其中市管水庫2座，區(qū)管水庫10座，中型水庫3座小(1)型水庫7座，小(2)型水庫2座。鐵崗水庫石巖水庫、羅田水庫作為主要在用集中式生活飲用水水源，寶安區(qū)主要飲用水源水質良好，全區(qū)飲用水源水質達標率為100%。鐵崗水庫、石巖水庫羅田水庫水質類別為亞類，水質為優(yōu)，水庫水質保持穩(wěn)定。

泵站基本情況:全區(qū)共有132座泵站，包括現狀排澇泵站、規(guī)劃排澇泵和污水泵站，現狀排澇泵站104座，抽排規(guī)模697.05m/s；規(guī)劃排澇泵站17座，抽排規(guī)模565.28m/s；規(guī)劃泵站建成后總抽排規(guī)模1262.33m/s。污水泵站11座，總抽排規(guī)模185.7萬。

排水管網情況:全區(qū)目前已市場化委托運營的排水管網共6732km，其中市政排水管網2882km。社區(qū)排水管網3475km，其他道路排水管網375km。水閘基本情況:寶安區(qū)一共有63個水閘，大部分服役年限為10~30年。

水質凈化廠情況:寶安區(qū)已建水質凈化廠6座，設計污水處理能力116.5萬m/d

人工濕地情況:寶安區(qū)已建成4個石巖、黃麻布、塘頭河和牛城人工濕地及快滲工程，總規(guī)模為8.8萬m'/d。

水廠基本情況:寶安區(qū)共有深水寶安水務有限公司有限公司及松崗自來水公司2家供水企業(yè)，共有水廠9座，水廠總設計規(guī)模達176萬m/d，實際日平均供水規(guī)模為110.3萬m/d。

易澇點情況:目前寶安共有29個易澇點區(qū)域，35個易積水點區(qū)域。

2 存在的主要問題

當前，寶安區(qū)水務管理業(yè)務現狀主要存在以下問題:①監(jiān)測點位缺失，水務設施狀態(tài)不明；②整體規(guī)劃滯后、分散建設、資源有待進一步整合；③局內系統(tǒng)割裂，數據共享困難；④橫向系統(tǒng)未對接，業(yè)務聯(lián)動難實現；⑤系統(tǒng)缺失老舊，業(yè)務覆蓋不完善；⑥數據價值未發(fā)揮，智慧決策待實現。

3 智慧水務系統(tǒng)構建

為進一步提升寶安區(qū)水務監(jiān)管智能化、智慧化水平，結合寶安區(qū)水務局實際情況，堅持“統(tǒng)籌規(guī)劃、統(tǒng)一標準，繼承優(yōu)化、整建結合，共建共享、共享，聚焦應用、服務，安全可靠、發(fā)布”的設計原則，充分利用大數據、物聯(lián)網、3S和5D等技術，構建寶安區(qū)智慧水務系統(tǒng)，本系統(tǒng)可簡述為“一張網、、兩支撐三門戶、四應用、四體系”，根據項目的建設任務和設計邊界，本項目的設計對象和范圍如下:

一張網:一張網承擔信息的采集和匯集。主要包括水庫安全監(jiān)控、地表水監(jiān)測、易澇點監(jiān)測、排水管網監(jiān)測、泵站遠程監(jiān)控、視頻監(jiān)控等。

兩支撐:包括智慧水務信息資源分系統(tǒng)和智慧水務應用支撐分系統(tǒng)。智慧水務信息資源分系統(tǒng)將傳輸數據進行分類存儲，主要包括監(jiān)測信息數據庫和業(yè)務信息數據庫。智慧水務應用支撐分系統(tǒng)通過組裝可復用業(yè)務構件的方式來打造智慧水務的各種智慧應用系統(tǒng)，同時，對外提供標準的數據接口和服務接口，將面向不同的網絡環(huán)境發(fā)布不同的服務接口。四應用:包括水務管理分系統(tǒng)、綜合管理分系統(tǒng)、智慧管控分系統(tǒng)和決策支持分系統(tǒng)4個分系統(tǒng)，涵蓋區(qū)水務局水務監(jiān)管業(yè)務、綜合管理業(yè)務、公眾服務、決策支持，能夠為區(qū)水務局提供業(yè)務支持三門戶:包括內網辦公門戶、移動應用門戶公共服務門戶。公共服務門戶將采用局內已建的寶安水務局門戶網站，并與項目系統(tǒng)實現數據互通。四體系:包括政策法規(guī)、標準規(guī)范、信息安全和運營服務體系。

以寶安區(qū)管控水務分為載體，基于“智慧寶安管控指揮+10個街道辦+126個社區(qū)+主要職能部門分”的“1+10+126+N”的智慧寶安建設運行平臺，綜合運用智慧寶安大數據資源，通過數據共享，實現寶安區(qū)水務局向上對寶安區(qū)管控、向下對各科室的“上下級聯(lián)動”，打通上級單位對下級單位的監(jiān)督監(jiān)控、事件分撥、協(xié)同指揮和應急指揮，打通下級單位向上級的事件上報和數據上報，實現寶安區(qū)水務狀態(tài)的綜合展示、監(jiān)測預警、數據決策支持和聯(lián)動指揮。

4 數據處理技術

4.1 水務數據分類及特點

根據寶安區(qū)智慧水務系統(tǒng)構建思路，可將區(qū)水務數據劃分為監(jiān)測類、基礎類和管理類3類數據監(jiān)測類數據主要包括水質、供排水、水位信息等基礎類數據主要包括污水無處廠處理工藝、基礎設施以及傳感器參數等，管理類數據主要包括個河流之間的基本情況信息數據等。水務數據具有空間屬性和時間屬性，同時還具有數據規(guī)模量大，種類繁多，來源不統(tǒng)一等特點，很容易造成水務數據在采集過程中產生較多的“臟數據”，因而需要采取一定的技術手段對這些臟數據進行清洗。

4.2水務數據清洗流程

水務數據“臟數據”按屬性進行劃分可分為通用數值屬性臟數據、具有空間屬性的臟數據和具有時間屬性的臟數據。通用數值屬性臟數據是常見的臟數據，出現這種臟數據的主要原因在于人工錄入失誤、傳感器失靈或者數據間斷性缺失等。具有空間屬性的臟數據就是指那些具有較多地域、流域或者對象屬性的錯誤數據。具有時間屬性的臟數據錯誤類型比較單一在，主要是由于傳感器失效引起數值錯誤。人工錄入失誤造成的數據顛倒或者小數點錯誤屬于數據異常值，數據間斷性缺失則屬于空缺值。因此，水務數據的“臟數據”清理將主要經歷異常值清理階段和空缺值填補階段。

寶安區(qū)智慧水務系統(tǒng)設計過程中，為了實現對大量水務“臟數據”的清理，將水務數據清洗設計為3個階段，如圖3所示。第一階段為數據預處理階段，在這一階段主要作用是對收集到的水務數據進行分類；第二階段為異常值檢測階段，在這階段，通用數值屬性臟數據的異常值檢測與時空異常值檢測方法有些區(qū)別，這主要是因為大部分臟數據并不具備時間和空間屬性，只具備數值屬性時空異常值檢測只需要利用馬氏距離閩值函數和隱馬爾科夫模型分別對數據的空間特性和時間特性進行辨別，即可剔除相關臟數據，而在處理通用數值屬性臟數據時，由于數據量巨大，因此使用了從全局異常值檢測到局部異常值檢測的方法，全局異常值檢測采用拉依達準則，主要作用是對數據的問題進行檢測，局部異常值檢測采用層級聚類法，主要作用是對人工錄入失誤造成的數據顛倒或者小數點錯誤屬于數據異常值進行檢測；第三階段為空缺值填補階段，在這一階段主要是通過人工神經網絡模型對數據空缺項進行查補。

5 預期經濟及社會效益

5.1 經濟效益

(1)實現水質實時監(jiān)測，提升執(zhí)法、管養(yǎng)效率，節(jié)約人員成本

在傳統(tǒng)水務執(zhí)法監(jiān)察、水務設施養(yǎng)護巡檢模式下，由于無法實時獲取水質水量數據、水務設施運行狀態(tài)數據，不能及時發(fā)現問題，在日常監(jiān)管、管養(yǎng)維護過程中，投入大量人力物力以進行地毯式的巡檢、管養(yǎng)維護作業(yè)，大大增加維護成本。本項目將建設易澇點、黑臭水體、排水管網泵站等在線監(jiān)測系統(tǒng)，實時獲取黑臭水體、排水管網、泵站的運行狀態(tài)數據，并提供實時監(jiān)測預警，可供執(zhí)法監(jiān)察、設備巡檢人員及時掌握環(huán)境的狀態(tài)，避免盲目執(zhí)法、巡檢，大大減少人員成本。

(2)實現水務基礎設施的統(tǒng)一管理，提升管理效率，節(jié)約管理成本

寶安區(qū)智慧水務(一期)項目將改變傳統(tǒng)圖組存儲管網信息的方式，并將原有獨立、分散的排水設施信息整合到同一系統(tǒng)，形成統(tǒng)一的資產管理模式，有效減少由于資產狀況不清、數據標準不一等造成的數據無法共享，無法為業(yè)務管理提供數據支撐等問題，從而提升了管理效率，節(jié)約了管理成本，減少了大量不必要的人力和物力投人。

(3)科學評估，避免粗放式管理，節(jié)約建設成本

在排水工程建設過程中，由于前期缺乏統(tǒng)一詳細、建設規(guī)劃方案評估，導致在施工過程中出現占用排水管道位置，甚至鑿穿排水管線等現象發(fā)生，造成重大經濟損失和嚴重事故影響。本項目利用排水管網水力評估模型，對管道總容量、管網結構缺陷、污水管網水力瓶頸、污水管網易淤積點等分析，以便管理人員、及時準確地發(fā)現和識別管網結構存在的問題及瓶頸為排水管網系統(tǒng)規(guī)劃控制工作提供計算、分析及評價的支撐系統(tǒng)，通過有效的規(guī)劃方案評估，提高規(guī)劃設計的科學性，從而避免管網存在的設計缺陷，從根本上降低了排水系統(tǒng)運行風險，減少排水系統(tǒng)維護費用，同時保證排水工程建設的順利進行，防止出現返工現象而導致增加建設成本的投入。

5.2 社會效益

(1)實現寶安區(qū)水務設施數字化管理

通過本項目的建設，將完成排水相關的城市信息資源空間信息、動態(tài)信息和公共信息的處理、智理、分發(fā)、挖掘、共享、維護，形成統(tǒng)一的數據資源池、基礎支撐系統(tǒng)和應用系統(tǒng)，實現共享應用實現排水設施數字化管理，為統(tǒng)籌資源布局,合理規(guī)劃城市發(fā)展英定堅實基礎。

(2)提升防澇監(jiān)測預警能力

本項目開發(fā)設計監(jiān)測系統(tǒng)，可實時采集雨污水管道、泵站等排水設施的流量、液位等監(jiān)測數據.并建設泵站自控系統(tǒng)，實現對監(jiān)測數據的實時顯示和數據分析，有效識別排水管網的水量變化規(guī)律和趨勢，當出現污水漫造等管網異常情況時，可立即發(fā)出報警，輔助管理者及時采取措施，有效地減少污水溢流對于環(huán)境的損害。(3)提升社會服務質量與效率

通過本項目的建設，加強、河流污染、易澇點監(jiān)測，實時了解環(huán)境現狀，當出現異常時及時進行報警，有助于執(zhí)法監(jiān)察、維護人員根據情況采取相應措施;推進污水管網優(yōu)化運行，有計劃的對污水管網的關鍵點進行在線液位及流量監(jiān)控，實現排水管網異常報警和科學調度等功能。提升排水服務質量，保障城市排水機制。

(4)推動政府數據開放進程

通過本項目的建設，實現為應用提供身份識別信息聚合推送、權限管理等服務，各類應用系統(tǒng)統(tǒng)一向系統(tǒng)開放服務接口、提供資源，通過系統(tǒng)調用其他部門開放的服務，統(tǒng)一利用系統(tǒng)受理請求和提交服務。

6 AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平臺

6.1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、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。

6.2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，并且根據權限可以適用于水務后勤部門管理需要。

6.3平臺拓撲圖

6.4平臺子系統(tǒng)

6.4.1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，實現遙測、遙信、遙控、遙調等功能，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、負荷率、溫度、三相平衡、異常報警等數據。

6.4.2電能質量監(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量，并配置對應的電能質量治理措施提高供電電能質量。

6.4.3電動機管理

馬達監(jiān)控實現水務中電機的保護、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。

6.4.4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集中在一個看板中，從多個維度對比分析，實現各個工藝環(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。

能耗數據統(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。通過污水處理產量以及系統(tǒng)采集的能耗數據，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)/國家指標對標，以便企業(yè)能夠根據產品單耗情況來調整生產工藝，從而降低能耗。

6.4.5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、調光控制等多種控制方式，模塊可根據經緯度自動識別日出日落時間實現自動控制功能，盡量利用自然光照，實現室內、廠區(qū)照明的智能控制達到安全、節(jié)能的目的。

6.4.6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)數據，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。

6.4.7 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。

6.4.8分布式光伏監(jiān)測

實時監(jiān)測低壓并網柜每路的電流、電壓、功率等電氣參數及斷路器開關狀態(tài)，逆變器運行監(jiān)視，對逆變器直流側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、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據。

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、并網點位置，各個屋頂的裝機容量。

6.4.9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、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。

7 相關平臺部署硬件選型清單

8結語

寶安區(qū)是深圳的行政大區(qū)、產業(yè)大區(qū)和人口大區(qū)，充分利用新一代信息技術，采用松耦合架構模式，構建智能感知、數據融合和智慧應用三大體系實現涉水事務感知、監(jiān)管及決策的全過程智能管控是寶安區(qū)智慧水務建設的核心任務。文章根據寶安區(qū)當前水務現狀，針對目前水務管理業(yè)務現狀存在的主要問題，初步構建了以“一張網、兩支撐、三門戶、四應用、四體系”為總體框架的智慧水務系統(tǒng)，同時提出了智慧水務數據清洗“三階段”設計方案，可為推動寶安區(qū)智慧水務建設提供參考。

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