安科瑞電子商務(wù)（上海）有限公司

      摘要：針對高校供水存在二次供水安全隱患多、供水能耗大、運維管理方式相對落后等問題，文章介紹高校建筑二次供水現(xiàn)狀，分析智慧水務(wù)的應(yīng)用思路，搭建智慧水務(wù)平臺。結(jié)果表明，構(gòu)建高校智慧水務(wù)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)水節(jié)能目標(biāo)，節(jié)約日常運營成本，確保后勤服務(wù)管理到位，為智慧水務(wù)和智慧城市的建設(shè)提供實踐經(jīng)驗。

      關(guān)鍵詞：智慧水務(wù)；二次供水；智慧平臺

      隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”、物聯(lián)網(wǎng)和智慧城市的發(fā)展，現(xiàn)代化的服務(wù)管理逐漸滲透到水務(wù)行業(yè)，智能、自控感知等技術(shù)提升供水系統(tǒng)管理備受關(guān)注。校園智慧水務(wù)是利用信息化技術(shù)獲得、處理、反饋并公開水務(wù)信息，進而管理校園給水、直飲水、熱水、景觀用水和排水收集處理再利用，建成從“源頭到龍頭”供水全流程節(jié)約系統(tǒng)，是智慧校園的一部分[1]。目前，全國高校智慧水務(wù)建設(shè)仍處于起步和發(fā)展階段。

1供水現(xiàn)狀調(diào)研

1.1存在問題

     為初步掌握全國高校供水現(xiàn)狀，分析存在問題，針對性地提供解決方案，從2018年開始，陸續(xù)調(diào)研多所院校供水整體情況，內(nèi)容涵蓋水源、給水管網(wǎng)、二次供水、用水終端及信息化。調(diào)研發(fā)現(xiàn)的問題如下：

1. 安全問題。首先，管件老化且鑄鐵管壁逐年脆化形成大面積沙眼，導(dǎo)致管道存在不同程度腐蝕漏損，進而引起水質(zhì)二次污染[2]。其次，供水設(shè)備老舊，不定時出現(xiàn)故障。
2. 電耗水耗問題。供水系統(tǒng)建設(shè)不重視節(jié)能減排，以至于設(shè)備運行產(chǎn)生諸多能耗問題[3]。例如：水泵水箱選型大，運轉(zhuǎn)過程電耗嚴(yán)重；個別院校管路老化破損，跑、冒、滴、漏現(xiàn)象時有發(fā)生，水耗顯著。
3. 運維管理問題。傳統(tǒng)的校園水務(wù)運維主要依賴后勤人員巡檢。若泵房跨距大，各泵房間協(xié)調(diào)管理需要高校投入多成本。此外，每臺供水設(shè)備的信息化管理水平參差不齊，若想一個平臺自動化管理所有設(shè)備，困難重重。

1.2成功案例

      隨著智慧城市和智慧水務(wù)技術(shù)的發(fā)展，部分高校逐漸嘗試在水務(wù)管理中應(yīng)用新技術(shù)。例如：山西大學(xué)利用PLC和工控機組成的雙控制器維持系統(tǒng)的持續(xù)運行，保證持續(xù)供水。二次供水水泵采用一對一變頻控制模式，水泵啟停壓力加平穩(wěn)；并且由于多個變頻器之間互為備用，使設(shè)備的故障率降低了50%以上，配合電源管理模塊可實時采集每臺水泵的運行數(shù)據(jù)。此外，控制系統(tǒng)增加軟件自檢功能，這個功能可以排除肉眼難以發(fā)現(xiàn)的故障及潛在隱患，使系統(tǒng)的安全性得到提高。智慧水務(wù)能從多方面解決高校供水難題。目前多數(shù)成功案例僅完成了局部節(jié)能改造，高校利用智慧水務(wù)技術(shù)改造或新建二次供水系統(tǒng)，可以從以下幾方面深入實踐。

2校園智慧水務(wù)應(yīng)用思路

2.1提升水質(zhì)水量監(jiān)測效果

      完善水質(zhì)在線監(jiān)控系統(tǒng)，加強監(jiān)測市政供水水質(zhì)，同時加強監(jiān)測校園二次供水泵房的水質(zhì)，重點監(jiān)測龍頭水的水質(zhì)。與此同時，在線監(jiān)測系統(tǒng)全過程監(jiān)測從市政供水到樓宇管道末端管網(wǎng)系統(tǒng)的水壓水量，掌握校園用水特點，若發(fā)現(xiàn)用水量異常，需按照不同的統(tǒng)計周期，統(tǒng)計用水壓水量，數(shù)據(jù)做同環(huán)、同比分析。

2.2二次供水泵房改造將

      現(xiàn)狀二次供水泵房改造成標(biāo)準(zhǔn)化泵房或新建標(biāo)準(zhǔn)化泵房。建設(shè)項目包含終端監(jiān)測（能耗、流量、液位、壓力等）、安防監(jiān)測、部分設(shè)備新。終端監(jiān)測系統(tǒng)采集能耗、流量、液位、壓力等信息，并根據(jù)數(shù)據(jù)信息控制二次泵房水泵的開啟與關(guān)閉，使其適應(yīng)不同的運行環(huán)境[4]。運行過程中，安裝泵房安防監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控泵房環(huán)境和管理人員出入，當(dāng)意外情況發(fā)生時，保證及時報警，提升泵房運行安全性。泵房采用精細化建模，通過三維平臺的漫游功能和現(xiàn)場視頻監(jiān)控設(shè)備，對泵房內(nèi)部進行多視角瀏覽。泵房管網(wǎng)采用不銹鋼管，延長管道使用年限，確保無銹跡污染水質(zhì)。如管網(wǎng)系統(tǒng)前端采用無負壓供水，水泵一般選擇兩用一備，交替運轉(zhuǎn)。由于每個水泵損耗不同，傳統(tǒng)方法很難在運行過程中合理控制水泵的輪換[5]，但是智慧水務(wù)平臺能監(jiān)測水泵實時工況點，完成合理輪換，使泵組配置加合理，符合國家節(jié)能降耗的要求，保證二次供水方案具有實踐指導(dǎo)價值[6-7]。

3管網(wǎng)技術(shù)改造

3.1管網(wǎng)及水量漏損管理

      按照數(shù)字工廠與數(shù)字城市要求，將管網(wǎng)施工圖和物探工程結(jié)合，摸清地下管線的位置和空間層次，對校園地下管網(wǎng)進行三維建模[8]，展現(xiàn)地下管線的埋深、走向、屬性、管徑、材質(zhì)、碰撞分析、管網(wǎng)間距、工井結(jié)構(gòu)等信息，管網(wǎng)現(xiàn)狀一目了然。這項技術(shù)可以規(guī)避施工安裝造成的不合理，便于運行維護。通過計量裝置，對用水情況進行計量，并結(jié)合水聽器、壓力監(jiān)測、噪聲監(jiān)測等手段，科學(xué)分析確定管網(wǎng)漏損點。

3.2建筑內(nèi)給水管道系統(tǒng)優(yōu)化

      在供水立管頂端設(shè)置回流管路，形成建筑內(nèi)部循環(huán)供水單元，縮短自來水的水力停留時間，保證及時新供水。建筑內(nèi)部循環(huán)供水單元戶內(nèi)采用新型鏈狀、環(huán)狀配水方式，其配水管道鏈狀、環(huán)狀連接可以通過局部阻力損失較小的雙承彎閥件實現(xiàn)。末端配水管布置成環(huán)狀時，任意一個用水設(shè)備投入使用，整個配水管網(wǎng)的水便開始流動，自來水在管道內(nèi)的停留時間就會縮短，其被污染的風(fēng)險可降低。

4搭建智慧水務(wù)平臺

      “智慧”是指信息技術(shù)人員建立的數(shù)據(jù)中心能對錯綜復(fù)雜的數(shù)據(jù)信息實時分析，迅速處理，從而得到解決專業(yè)問題的應(yīng)用算法，并將其集成到共享軟件平臺，此過程相當(dāng)于發(fā)揮“人腦”的作用，實現(xiàn)預(yù)警預(yù)測[9-10]。智慧水務(wù)平臺采集數(shù)據(jù)，通過校園網(wǎng)或移動網(wǎng)絡(luò)等云計算服務(wù)租賃，將信息上傳到云端的水系統(tǒng)大數(shù)據(jù)中心進行數(shù)據(jù)加工處理、數(shù)據(jù)存儲和融合供給、數(shù)據(jù)應(yīng)用，如此龐大的數(shù)據(jù)平臺可提供多種服務(wù)。例如：基礎(chǔ)服務(wù)、公共基礎(chǔ)服務(wù)、綜合監(jiān)控服務(wù)、后臺管理服務(wù)、地理信息服務(wù)。應(yīng)用領(lǐng)域涉及校園水系統(tǒng)總覽、業(yè)務(wù)展示、供水設(shè)備管理、水量管理、水質(zhì)監(jiān)測、泵房管理、運維管理、宣傳教育管理、飲用水管理[11-12]。智慧水務(wù)平臺的搭建，需要完成基礎(chǔ)設(shè)施的系統(tǒng)化建設(shè)。比如：管網(wǎng)完成計量水量、三維建模、控制漏損；大用戶供水量采用無負壓供水調(diào)蓄水量；平臺的加壓供水設(shè)備利用箱式裝置、罐式裝置、智聯(lián)設(shè)備滿足二次供水壓力；安防管控建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)代化泵房。將上述校園水務(wù)系統(tǒng)各方面數(shù)據(jù)集合在綜合管理平臺，智慧化響應(yīng)并反饋信息到各終端，準(zhǔn)確做出預(yù)判，完成自動化處理。智慧水務(wù)平臺體系如圖1所示。

圖1 智慧水務(wù)平臺體系

    智慧水務(wù)平臺一般由多個系統(tǒng)集成，常見的集成系統(tǒng)有以下幾種：

1. 平臺水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)。平臺水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析過程較為復(fù)雜。步，監(jiān)測員每天取水樣測定化驗值，并由化驗班長審核填報數(shù)值，化驗主管審批，并將終數(shù)據(jù)放到數(shù)據(jù)庫。監(jiān)測員登錄平臺，找到系統(tǒng)“水質(zhì)化驗”模塊，將數(shù)據(jù)庫信息歸類整理，作為進水和出水水質(zhì)分析的標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)。第二步，平臺實時水質(zhì)監(jiān)測，得到的數(shù)據(jù)與平臺數(shù)據(jù)庫對比分析，做出判斷結(jié)論。
2. 設(shè)備運行維護系統(tǒng)。后勤管理人員操作智慧水務(wù)平臺，找到“維護管理”模塊。步，管理設(shè)備臺賬、檔案、二維碼。第二步，設(shè)備和管網(wǎng)出現(xiàn)故障，平臺接收信息，調(diào)派維修工搶修，之后需要專員逐條整理設(shè)備巡檢、定期保養(yǎng)記錄并提交平臺，平臺匯總設(shè)備運維數(shù)據(jù)，做出分析，方便今后好優(yōu)化設(shè)備運維。
3. 管網(wǎng)管理系統(tǒng)。管網(wǎng)管理系統(tǒng)實時監(jiān)測分析水流量、壓力、漏損，并對管線進行科學(xué)化管理，實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析。管網(wǎng)檢測人員進入平臺的“管線檢測”模塊，查找管網(wǎng)數(shù)據(jù)及異常故障，以及該管網(wǎng)數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫信息比對呈現(xiàn)出的分析圖；同時管網(wǎng)管理系統(tǒng)，能整合處理數(shù)據(jù)，做出預(yù)測預(yù)判，與其他系統(tǒng)實現(xiàn)資源優(yōu)化共享。

5AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺

5.1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(wù)能效管理平臺通過在污水廠源、網(wǎng)、荷、儲、充的各個關(guān)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(shè)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(xué)、精細的解決方案。

5.2平臺組成

      AcrelEMS智慧水務(wù)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(wù)中壓變配電系統(tǒng)、電氣安全、應(yīng)急電源、能源管理、照明控制、設(shè)備運維等，貫穿水務(wù)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(wù)配電系統(tǒng)運行狀況，并且根據(jù)權(quán)限可以適用于水務(wù)后勤部門管理需要。

5.3平臺拓撲圖

5.4平臺子系統(tǒng)

5.4.1變電站綜合自動化系統(tǒng)及電力監(jiān)控

      對水務(wù)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(yù)警。

      監(jiān)測變壓器、水泵、鼓風(fēng)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)。

5.4.2電能質(zhì)量監(jiān)測與治理

      水務(wù)中大量的大功率電機、水泵變頻啟動導(dǎo)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(biāo)分析其電能質(zhì)量，并配置對應(yīng)的電能質(zhì)量治理措施提高供電電能質(zhì)量。

5.4.3電動機管理

      馬達監(jiān)控實現(xiàn)水務(wù)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(zhǔn)確地反映出故障狀態(tài)、故障時間、故障地點、及相關(guān)信息，對電機進行健康診斷和預(yù)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(shè)備,保障正常生產(chǎn)。

5.4.4能耗管理

      為水務(wù)搭建計量體系，顯示水務(wù)的能源流向和能源損耗，通過能源流向圖幫助水務(wù)分析能源消耗去向，找出能源消耗異常區(qū)域。

      將所有有關(guān)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(lǐng)導(dǎo)掌控整個工廠的能源消耗，能源成本，標(biāo)煤排放等的情況。

      能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計采集水務(wù)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(biāo)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(biāo)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/指標(biāo)對標(biāo)，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。

5.4.5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(yīng)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。

5.4.6電氣安全

①電氣火災(zāi)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(yù)警。

②消防應(yīng)急照明和疏散指示：根據(jù)預(yù)先設(shè)置的應(yīng)急預(yù)案快速啟動疏散方案引導(dǎo)人員疏散。系統(tǒng)接入消防應(yīng)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(shè)備電源監(jiān)測：監(jiān)測消防設(shè)備的工作電源是否正常，保障在發(fā)生火災(zāi)時消防設(shè)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(shè)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(guān)閉及故障狀態(tài)，顯示終端設(shè)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(dāng)終端設(shè)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。

5.4.7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(yù)警，保障污水廠、自來水廠、水泵站等安全運行。當(dāng)可燃氣體或有害氣體濃度超標(biāo)可自動啟動排風(fēng)風(fēng)機或新風(fēng)系統(tǒng)，排除隱患，保持良好的水處理環(huán)境。

5.4.8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(guān)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(dāng)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。

5.4.9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(shè)備運行狀態(tài)。在格柵清渣機、污水提升泵、回流泵、曝氣風(fēng)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(shè)備,保障正常生產(chǎn)。

6相關(guān)平臺部署硬件選型清單

7結(jié)語

      本文提出了水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)、校園二次供水泵房、管網(wǎng)及設(shè)備的節(jié)能節(jié)水智慧化改造。搭建的智慧水務(wù)平臺，可綜合管理校園加壓泵站—供水管網(wǎng)—二次供水—水龍頭等環(huán)節(jié)，實現(xiàn)所有業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)，完成學(xué)校從水源到水龍頭的全流程可視化管理。智慧水務(wù)平臺能調(diào)度供水并在線實時監(jiān)測水質(zhì)，保障設(shè)備運維管理工作提質(zhì)增效，及時排除管網(wǎng)故障。智慧水務(wù)平臺根據(jù)需求可以將多系統(tǒng)集成運行，今后仍需要從生態(tài)、經(jīng)濟、社會效益、管理提升多角度評價校園智慧水務(wù)的應(yīng)用價值。

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