智慧城市网

摘 要：依据广州市番禺区排水工程现状，探讨了区内远程监控系统与智慧管控系统的建设。通过设置管网监控模块、调度策略制定模块、应急预案管理模块，建成厂网河一体化的智慧管控系统,可实现番禺区内闸站、泵站、净水厂和管网运行状况的远程动态实时监控与智慧管理。经科学合理的调度分配，充分发挥现有排水设施体系作用，实现大限度地减少污水溢流量和污染物排放量,提高泵站,净水厂等设施的运行效率。

关键词：智慧水务;远程监控;动态实时监控;智慧管理

番禺区位于广州市中南部,地处粤港澳大湾区地理中心位置，东临狮子洋与东莞市相望,南滨南沙珠江出海口，西邻佛山市顺德区和中山市，北接海珠区。2000年以来番禺区的快速发展逐步融入广州主城区；同时，轨道交通、高快速路等重要通道的建设,促使番禺区城镇之间的功能联系不断增强，联系的模式由“中心城区一边缘”模式向内部城镇之间通过功能和空间联系转变，城市联系呈现日益网络化。番禺区的排水系统经过多年的建设与发展，截止到2019年底,番禺区（不包括小谷围）累计建成污水管网长度1496.1km,其中：市政污水管网长度749.7km,农村生活污水治理工程管网（含分散式）746.1km。全区合流管长度715.80km。全区污水管网（含合流）总里程为2211.90km,现状雨水管道总长约为915.5km,其中分流制管道长度为199.7km。

番禺区现状共有9个污水系统，分别为前锋污水系统、钟村污水系统、中部污水系统、大石污水系统、洛溪污水系统、南村污水系统、化龙污水系统、海鸥岛污水系统、小谷围污水系统。目前番禺区现状主要有9座净水厂，结合在建大石净水厂三期（5万m³/d）、南村净水厂三期（5万m³/d）、洛溪岛净水厂二期（2.5万m³/d），污水处理规模达3.7万m3/d。

1 建设目标

番禺区“智慧水务”建设项目的数据资源建设任务一方面是在番禺区水务一体化平台的数据资源基础上继续进行排水数据资源扩充,实现对各排水领域、各类型对象的业务采集、整理、存储和管理，包括感知数据、业务数据等，为排水工作开展奠定数据基础;另一方面,为了进一步融合到番禺区电子政务总框架,实现政务信息共享和排水业务协同，在数据资源层上引入番禺区相关政务部门信息资源和共享资源,包括城管、国规委等信息资源、地理信息图层、“四标四实”数据等共享资源。同时，在“智慧水务”建设项目中产生的数据也会通过共享平台向其他部门进行输出。

2 远程监控系统建设

远程监控子系统实现流域内闸站、泵站、净水厂和管网运行状况的远程动态实时监控，为联合调度提供在线数据支持。

2.1泵站远程监控

泵站远程监控模块实现对泵站现场运行信息的远程统一采集、传输、显示与统计，为排水泵站运行管理提供基础平台。通过在线监控界面实时展现泵站运行状态；通过信息及时反映设备运行异常；通过运行曲线及汇总统计运行数据,为泵站运行调度提供数据支持。系统具有过程监视、远程控制、状态预警、曲线查询、运行统计等功能。系统界面示例如图1所示。

图1泵站远程监控界面示意

2.2净水厂远程监控

净水厂远程监控系统（如图2）实现对流域内各净水厂工艺运行过程的实时监视,对各净水厂运行数据的实时展示。将现场采集的信息无缝集成到监控系统动态模拟画面中,通过监控画面实时显示净水厂生产运行过程重要工艺参数与大型设备的运行状态信号。监控画面模拟净水厂工艺设计布局，形象而直观地体现污水处理构筑物、管道的布置情况、设备仪表安装位置等。

当净水厂生产运行过程中发生异常（如仪表设备故障、工艺参数异常等情况）时,系统通过检测各类在线仪表监测数据与历史变化趋势，对比预设超标限值及条件，及时发布预警。系统通过调用存储于数据库内的生产运行数据,生成实时曲线与历史曲线系列画面。用户可根据需要动态选择参数曲线,查看运行参数变化趋势图。并可以选择显示限曲线与参数标准值曲线，以作对比参考。

图2净水厂远程调控

统计分析模块实现对水质、水量等工艺生产信息,以及关键设备的运行时间、启停次数等设备运行信息的统计，并通过曲线图、柱状图、饼图、数据表等多种方式进行展示。

2.3管网远程监控

管网在线监控模块实现对于分散在管网系统的干管、溢流点、易涝点等关键节点监测设备采集的管网运行数据的显示、查询、分析和可视化信息管理,并可对管网运行故障进行。主要包括监测信息查询、监测和运行统计3个功能。

1）监测信息查询。监测信息查询提供对分散在管网系统主干管、溢流点、易涝点等关键节点的在线液位计、流量计、水质等监测设备采集的数据的显示、查询、储存和管理功能。系统提供地图、曲线、表格等方式直观显示液位、流量等在线监测数据,支持历史监测数据查看,以便全面了解整个排水管网的运行状况。

2）监测。监测实现管网设施运行状态异常或监测指标超出警戒值，将异常所在的位置进行显示,并以地图闪烁等方式向用户发出警报信息，确保异常的快速处理;此外,支持对历史警情信息的查询和管理。

3）行统计。运行统计支持对监测数据生成各类运行专题图（如曲线图、柱状图等）,实现对于排水管网运行信息的汇总统计，辅助管理人员掌握管网总体运行状况。决策支持子系统通过对流域调度运行监测数据进行汇总统计,全面分析流域排水系统运行状况,评估排水系统设施设备调度能力，为管理决策提供统计数据支持。

1）管网负荷分析。管网负荷分析模块实现对排水管网运行负荷监测数据的汇总统计（如图3）。通过绘制管道充满度、流速、节点水深专题图,分析不同降雨情景、不同调度策略支持下,管网水力负荷变化情况,统计管网负荷运行区间分布，统计满负荷运行管线,评估管网运行效率和安全性,为提高管网的运行效率,均衡管网的排水负荷,发挥排水管网排水能力提供统计数据支持。

图3管网负荷分析界面示意

2）管网溢流分析。管网溢流分析模块实现对排水管网溢流监测数据的汇总统计。通过绘制检查井溢流专题图，分析不同降雨强度情景、不同排水调度模式下，总入流量和道路积水情况，统计区域溢流次数、溢流时长，分析排水负荷空间分布和时间变化规律,分析管网内部水流特征，锁定溢流风险区域，溢流点位置、溢流量和溢流时间,以便能够根据溢流量大小制定合理的排涝预案，为防汛抢险提供依据,实现管网溢流管理的定量化、信息化和网络化。

3）调度能力分析。调度能力分析模块实现对排水系统运行调度数据的汇总统计，结合管网运行状态和蓄水空间计算,分析排水设施的调蓄、输送、处理能力，评估排水设施设备运行效率,对排水系统的排水性能进行总体分析和瓶颈识别，掌握系统可承受、可调节的排水能力和潜力，为调度策略制定和排水系统评价提供依据。

3 厂网河一体化智慧管控系统

通过科学合理的调度分配,充分发挥现有排水设施体系作用，实现大限度地减少污水溢流量和污染物排放量，提高泵站、净水厂等设施的运行效率。

1)调度策略制定。调度策略制定模块实现对排水系统联合调度方案的定制化管理。通过系统可以进行排水系统设施与设备调度规则的输入、编辑、保存、查询、浏览等操作，并可对调度策略的实施结果进行分析和预测,并能基于运行调度事件经验实现调度策略优化。同时，系统能够结合排水系统数据,进行调度条件检测和调度参数的设置校验，保障系统调度策略实施的安全性。通过编制科学合理的调度策略，为排水系统优化运行提供决策支持。

2)管网监控。管网监控模块实现对管网运行状态的分析判断,对运行过程中可能出现或已经出现的各类异常情况进行和预警的功能。系统根据预先定义的筛选条件对采集到的数据进行识别分析，当发现管网运行状态异常或监测指标超出警戒值,将以图标闪烁、列表等方式向用户发出警报信息。除了根据流量和液位等在线监测数据进行自动外,还可以综合排水管网中关键位置的在线监测数据和排水设施的运行信息,结合历史积累的运行数据,根据研究区内一定时间内的雨强、历时和防范标准等实际情况，对检查井溢流、地面积水等事故可能出现的时间、范围和等级等信息进行显示并提前进行预报。

3）应急预案管理。应急预案管理模块实现对区域内联合调度突发事件应急处理处置方案的管理和维护。建立应急预案库、专家库、案例库,通过系统进行应急预案报告的上传、浏览、下载、导出、更新等功能操作。并对应急事件处理处置程序响应情况进行跟踪备案记录。针对不同情景环境和运行条件制定相应具体的预防措施和应急程序,为应急指挥调度提供分析、决策依据。

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。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/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信号，能指示部位并保存信息，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、视频、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

参考文献：

[1] 邱昕宇.广州市番禺区智慧水务远程监控系统初探[J].水电与新能源,2023(2):38-41.

[2] 弓勋.城市智慧水务建设存在的问题及改进措施[J].住宅与房地产，2020(30):210 -211

[3] 刘观生，徐文，吴响容.智慧水务管理系统的研究与实现[J].数字技术与应用,2020, 38(10)：131-133

[4] 安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022.05版