浅谈安科瑞智慧水务及配电系统在高校建筑中的应用

发布时间2023-07-17        浏览次数：211

      摘要：针对高校供水存在二次供水安全隐患多、供水能耗大、运维管理方式相对落后等问题，文章介绍高校建筑二次供水现状，分析智慧水务的应用思路，搭建智慧水务平台。结果表明，构建高校智慧水务系统能够实现节水节能目标，节约日常运营成本，确保后勤服务管理到位，为智慧水务和智慧城市的建设提供实践经验。

      关键词：智慧水务；二次供水；智慧平台

      随着“互联网+”、物联网和智慧城市的发展，现代化的服务管理逐渐渗透到水务行业，智能、自控感知等技术提升供水系统管理备受关注。校园智慧水务是利用信息化技术获得、处理、反馈并公开水务信息，进而管理校园给水、直饮水、热水、景观用水和排水收集处理再利用，建成从“源头到龙头”供水全流程节约系统，是智慧校园的一部分[1]。目前，全国高校智慧水务建设仍处于起步和发展阶段。

1供水现状调研

1.1存在问题

     为初步掌握全国高校供水现状，分析存在问题，针对性地提供解决方案，从2018年开始，陆续调研多所院校供水整体情况，内容涵盖水源、给水管网、二次供水、用水终端及信息化。调研发现的问题如下：

1. 安全问题。首先，管件老化且铸铁管壁逐年脆化形成大面积沙眼，导致管道存在不同程度腐蚀漏损，进而引起水质二次污染[2]。其次，供水设备老旧，不定时出现故障。
2. 电耗水耗问题。供水系统建设不重视节能减排，以至于设备运行产生诸多能耗问题[3]。例如：水泵水箱选型大，运转过程电耗严重；个别院校管路老化破损，跑、冒、滴、漏现象时有发生，水耗显著。
3. 运维管理问题。传统的校园水务运维主要依赖后勤人员巡检。若泵房跨距大，各泵房间协调管理需要高校投入多成本。此外，每台供水设备的信息化管理水平参差不齐，若想一个平台自动化管理所有设备，困难重重。

1.2成功案例

      随着智慧城市和智慧水务技术的发展，部分高校逐渐尝试在水务管理中应用新技术。例如：山西大学利用PLC和工控机组成的双控制器维持系统的持续运行，保证持续供水。二次供水水泵采用一对一变频控制模式，水泵启停压力加平稳；并且由于多个变频器之间互为备用，使设备的故障率降低了50%以上，配合电源管理模块可实时采集每台水泵的运行数据。此外，控制系统增加软件自检功能，这个功能可以排除肉眼难以发现的故障及潜在隐患，使系统的安全性得到提高。智慧水务能从多方面解决高校供水难题。目前多数成功案例仅完成了局部节能改造，高校利用智慧水务技术改造或新建二次供水系统，可以从以下几方面深入实践。

2校园智慧水务应用思路

2.1提升水质水量监测效果

      完善水质在线监控系统，加强监测市政供水水质，同时加强监测校园二次供水泵房的水质，重点监测龙头水的水质。与此同时，在线监测系统全过程监测从市政供水到楼宇管道末端管网系统的水压水量，掌握校园用水特点，若发现用水量异常，需按照不同的统计周期，统计用水压水量，数据做同环、同比分析。

2.2二次供水泵房改造将

      现状二次供水泵房改造成标准化泵房或新建标准化泵房。建设项目包含终端监测（能耗、流量、液位、压力等）、安防监测、部分设备新。终端监测系统采集能耗、流量、液位、压力等信息，并根据数据信息控制二次泵房水泵的开启与关闭，使其适应不同的运行环境[4]。运行过程中，安装泵房安防监控系统，监控泵房环境和管理人员出入，当意外情况发生时，保证及时报警，提升泵房运行安全性。泵房采用精细化建模，通过三维平台的漫游功能和现场视频监控设备，对泵房内部进行多视角浏览。泵房管网采用不锈钢管，延长管道使用年限，确保无锈迹污染水质。如管网系统前端采用无负压供水，水泵一般选择两用一备，交替运转。由于每个水泵损耗不同，传统方法很难在运行过程中合理控制水泵的轮换[5]，但是智慧水务平台能监测水泵实时工况点，完成合理轮换，使泵组配置加合理，符合国家节能降耗的要求，保证二次供水方案具有实践指导价值[6-7]。

3管网技术改造

3.1管网及水量漏损管理

      按照数字工厂与数字城市要求，将管网施工图和物探工程结合，摸清地下管线的位置和空间层次，对校园地下管网进行三维建模[8]，展现地下管线的埋深、走向、属性、管径、材质、碰撞分析、管网间距、工井结构等信息，管网现状一目了然。这项技术可以规避施工安装造成的不合理，便于运行维护。通过计量装置，对用水情况进行计量，并结合水听器、压力监测、噪声监测等手段，科学分析确定管网漏损点。

3.2建筑内给水管道系统优化

      在供水立管顶端设置回流管路，形成建筑内部循环供水单元，缩短自来水的水力停留时间，保证及时新供水。建筑内部循环供水单元户内采用新型链状、环状配水方式，其配水管道链状、环状连接可以通过局部阻力损失较小的双承弯阀件实现。末端配水管布置成环状时，任意一个用水设备投入使用，整个配水管网的水便开始流动，自来水在管道内的停留时间就会缩短，其被污染的风险可降低。

4搭建智慧水务平台

      “智慧”是指信息技术人员建立的数据中心能对错综复杂的数据信息实时分析，迅速处理，从而得到解决专业问题的应用算法，并将其集成到共享软件平台，此过程相当于发挥“人脑”的作用，实现预警预测[9-10]。智慧水务平台采集数据，通过校园网或移动网络等云计算服务租赁，将信息上传到云端的水系统大数据中心进行数据加工处理、数据存储和融合供给、数据应用，如此庞大的数据平台可提供多种服务。例如：基础服务、公共基础服务、综合监控服务、后台管理服务、地理信息服务。应用领域涉及校园水系统总览、业务展示、供水设备管理、水量管理、水质监测、泵房管理、运维管理、宣传教育管理、饮用水管理[11-12]。智慧水务平台的搭建，需要完成基础设施的系统化建设。比如：管网完成计量水量、三维建模、控制漏损；大用户供水量采用无负压供水调蓄水量；平台的加压供水设备利用箱式装置、罐式装置、智联设备满足二次供水压力；安防管控建设标准现代化泵房。将上述校园水务系统各方面数据集合在综合管理平台，智慧化响应并反馈信息到各终端，准确做出预判，完成自动化处理。智慧水务平台体系如图1所示。

图1 智慧水务平台体系

    智慧水务平台一般由多个系统集成，常见的集成系统有以下几种：

1. 平台水质监测系统。平台水质监测系统数据分析过程较为复杂。步，监测员每天取水样测定化验值，并由化验班长审核填报数值，化验主管审批，并将终数据放到数据库。监测员登录平台，找到系统“水质化验”模块，将数据库信息归类整理，作为进水和出水水质分析的标准和依据。第二步，平台实时水质监测，得到的数据与平台数据库对比分析，做出判断结论。
2. 设备运行维护系统。后勤管理人员操作智慧水务平台，找到“维护管理”模块。步，管理设备台账、档案、二维码。第二步，设备和管网出现故障，平台接收信息，调派维修工抢修，之后需要专员逐条整理设备巡检、定期保养记录并提交平台，平台汇总设备运维数据，做出分析，方便今后好优化设备运维。
3. 管网管理系统。管网管理系统实时监测分析水流量、压力、漏损，并对管线进行科学化管理，实现状态监控和数据分析。管网检测人员进入平台的“管线检测”模块，查找管网数据及异常故障，以及该管网数据与数据库信息比对呈现出的分析图；同时管网管理系统，能整合处理数据，做出预测预判，与其他系统实现资源优化共享。

5AcrelEMS-SW智慧水务能效管理平台

5.1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。

5.2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。

5.3平台拓扑图

5.4平台子系统

5.4.1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、异常报警等数据。

5.4.2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。

5.4.3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、监测和报警。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。

5.4.4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/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。

5.4.5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。

5.4.6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报警信号，能指示报警部位并保存报警信息，保障了电气安全的可靠性。

5.4.7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。

5.4.8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。

5.4.9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。

6相关平台部署硬件选型清单

序号	名称	型号、规格	安装位置	用途
1	电能质量监测	APview500	进线开关柜	监测市电电能质量
2	35kV、10kV回路保护	AM6	35、10kV开关柜	35、10kV回路保护、测控
3	智能操控装置	ASD500-Pn	35、10kV开关柜	35、10kV回路操作、显示和测温
4	弧光保护	ARB5	35、10kV回路母线室、断路器室、电缆室	用于监测关键电气接点弧光监测、保护
5	无线测温传感器	ATE400、ATE200	35、10、0.4kV母排、断路器、线缆接头	用于监测关键电气接点温度
6	有源滤波装置	AnSin□-M	0.4kV母线侧	滤除配电系统2~25次谐波畸变
7	无功补偿装置	AZC智能电容	0.4kV母线侧	提供无功补偿
8	多功能仪表	APM520/APM510	10kV、0.4kV回路	监测电气参数和开关状态、故障报警
9	智能照明控制器	ASL100	照明配电箱	照明单控、群控、定时/自动控制
10	电气火灾传感器	ARCM200	配电柜/配电箱	监测漏电电流和线缆温度
11	消防设备电源传感器	AFPM	消防配电箱	监测消防设备电压、电流状态
12	应急照明和疏散指示系统	A-C-A100	消防疏散通道	提供消防应急照明并指引疏散人群快速疏散
13	限流式保护器	ASCP200	照明插座回路	防止过载、短路产生火花
14	电动机保护器	ARD3M	电动机	保护电机安全稳定运行
15	环境传感器	温湿度、浸水、烟雾、有害气体等传感器	配电室、工艺区域	监测环境参数，维护环境安全
16	智能网关	ANet-2E4SM	数据采集柜	采集设备数据，逻辑控制、上传平台

7结语

      本文提出了水质监控系统、校园二次供水泵房、管网及设备的节能节水智慧化改造。搭建的智慧水务平台，可综合管理校园加压泵站—供水管网—二次供水—水龙头等环节，实现所有业务关联，完成学校从水源到水龙头的全流程可视化管理。智慧水务平台能调度供水并在线实时监测水质，保障设备运维管理工作提质增效，及时排除管网故障。智慧水务平台根据需求可以将多系统集成运行，今后仍需要从生态、经济、社会效益、管理提升多角度评价校园智慧水务的应用价值。

参考文献

[1]赵星明,王萱,宋芹.智慧校园给排水工程规划研究[J].地下水,2017,39(1):68-70.

[2]刘春华,陈玉惠,吴锡南,等.校园内二次供水的卫生学调查与评价[J].中国学校卫生,1995(1):9-10.

[3]刘幼琼,王延涛.智城建设[J].智能城市,2022（10）:41-43.

[4]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022.05版