浅谈智慧水务建设的发展与配电设计

安科瑞 陈聪

 摘要：目前以新技术应用带动水务信息化技术水平的全面提升，是水务发展的必然趋势，全国智慧水务正如火如荼建设中。智慧水务聚焦供水安全保障与水务精细化管理，本文通过各应用场景深入分析智慧水务建设价值，提出智慧水务建设效益指标，为正在建设或计划建设智慧水务的水务企业和管理单位提供应用效益的事实依据，稳定有效获取数字化转型成效，实现可持续创新发展。

   关键词：智慧水务；管理平台；建设思路；效益；可持续发展

1 前言

   智慧水务是水务发展到数字化后的高级形态，它充分利用物联网、大数据、云计算、工业互联网等新一代信息技术，深入挖掘和广泛运用水务信息资源，逐步构建水务企业生产管控能力、业务协同能力、经营管控能力、财务管控能力、用户服务能力等新型能力，全面提升水务管理的效率和效能，最终建成为城市级水务智慧化支撑体系，以辅水务企业实现全要素生产率和可持续竞争力的提升，并实现“省 - 市 - 县 - 村镇"四级精细化管理，促进水务从传统服务到数字化、智慧化转型升级。

图 1 智慧水务新型能力图谱与建设价值分析

   智慧水务的业务体系和价值模式是基于数字生产力的新型能力共建、共创、共享形成的开放生态，其产生的效益不仅是应用新一代信息技术改造提升存量业务，实现提升效率、降低成本、提高质量，而且赋能延伸业务和增值服务，实现产品/服务创新与业态转变。本文从生产管控、运营决策、管理协同、用户服务这四方面开展分析。

1.1 生产精益化

1.1.1 提高供水水质综合达标率

   通过物联网技术，在水源地、水厂、管网、供水节点、二次供水、用户端等布置水质在线监测设备，实时监测余氯、氨氮、总氮、COD、TDS 等水质指标，实现超标报警、快速维修，有效控制水质污染事件的发生。同时，通过源 水养护、水厂自动化、管网养护、泵站管理、二供管理等系统，从水厂进出厂水、管网输送、设备末端到用户龙头，全流程保障居民水质的安全稳定，提升供水水质综合达标率，为市民创造出更加优质的供水、用水、饮水环境，保障用水水质安全。

1.1.2 提高能源利用率

   通过源水调度、管网调度、错峰调蓄等系统，平衡供水能力与用水需求，实现水资源的合理分配，降低设备能耗；通过水厂智能加药系统和生产管理系统，可根据水质情况实时调控药剂量，实现药剂精准计算、投加，大大节约铝盐、铁盐、二氧化氯、次氯酸钠、臭氧等药剂量，并使药剂得到安全储存；通过设备管理、二供管理系统，寻求设备搭配组合，减少“大马拉小车"现象，大大提升能源利用率，降低能耗，降低城市供水综合单位电耗与成本。

1.2 决策科学化

1.2.1 提高供水保障率

   通过智慧水务系统，第一时间发现和减少安全事故和突发事件的损失，最大限度地保障国家财产不受损失和人民生活不受影响；通过源水调度、管网调度、错峰调蓄等系统实现水资源合理分配，缓解高峰期“抢水"现象；通过 DMA分区管理、漏损分析与管理、产销差管理、大表管理等系统，及时预警、处置泄漏事故，高效处置、抢修，降低漏损率，提升漏损抢修效率；通过 GIS、管网水力模型辅助工作人员全面了解供水管网运行情况，作出决策；通过事故预警预测系统和管网外业工单系统，及时启动事件预警机制，并及时派发维修工单，提高应急处置能力，提高供水保障率。同时公众可以通过公共监测平台或移动在线软件等举报黑臭水体，及时发现水污染，保障用水安全。

1.2.2 提高运营效率

   改善供水企业的管理现状以及提高供水的安全性能，为城市居民提供更加便捷、更加高效、更加舒适的供水服务。使得供水企业的运营与管理更加智能化，进而提升企业的运营效率，使城市用水更加安全。有效提升水资源的使用效率，在智慧化城市用水与排水方面能够更加高效，减少水资源的浪费，同时在防洪等自然灾害方面等更加有效。使水务业务更加的智能化，进而为城市居民提供更加高效便捷的服务，通过智慧化的水业务，实现实时、自动的水务服务。

1.3 管理协同化

   通过设备统一接入平台，实现稳定高效、可拓展的物联网接入，提供物联网设备基础信息管理和维护；通过设备管理平台，统一管理“水源 - 水厂"全流程设备，同时实现各设备的全生命周期管理，科学预测设备剩余寿命，提示更换，降低供水设备剩余寿命预测失效率，提高设备利用率；通过数据中台，进行统一的数据采集、数据传输、数据存储、数据处理与数据缓存，打通各系统间数据孤岛，提高信息资源利用率；通过公共服务基础支撑中台，实现多业务系统间的打通，提高各业务部门间信息同步，实现水务应用一体化管理，提高了任务协同度。实现信息技术由被动支撑管理向融入水务管理模式的转变，推动了水务业务流程的再造，不仅可以更加合理地利用水资源，确保水量、水质、水压和供水安全，还可以提高水司运维水平，保持合理的运维成本，从而减缓供水成本升高对水价的压力。

图 5    任务协同度提升分析

1.4 服务主动化

1.4.1 提高服务水平

   利用移动终端和互联网为市民提供一站式涉水业务服务，实现水质实时投诉、网上办理行政许可、电子支付水费、智能水表等功能，进而使水务公共服务水平得以大幅度提高。充分改善了传统供水公司、政府机构、用户之间的交流方法，提高了资源的合理利用效率，便于进行高效合理的信息传输。

1.4.2 提高用户满意度

   通过网上营业厅系统、服务热线，搭建与居民之间的桥梁，解决城市取水、供水、用水等问题的诉求和矛盾，提高用户服务便捷度；通过营业收费管理系统、客户信息管理系统，记录客户信息，为水务企业提供精细化管理所需的统计分析信息，提高服务质量，实现智慧客服；通过营销类工单系统、报装管理系统、抄表管理系统、工程管理系统、表务管理系统等，提高任务响应速度，快速派发工单，提高工单完成及时率，提高报装、抄表效率，实现计量表具的及时维修与更换，提高用户满意度。

1.4.3 提高来电解决率

   通过客户信息管理、抄表管理、服务热线、设备管理等系统，实现大数据时代下对数据的智能分析，以更加精细、动态的方式管理水资源生产、经营、服务的各个环节，充分采集、记录、展示客户信息，快速排查用户来电原因，提高用户来电解决率。

2. 智慧水务建设效益指标

   智慧水务效益分析可以从基础设施、人员、资金、管理、服务五个方面展开。通过客户信息管理、抄表管理、服务热线、设备管理等系统，实现大数据时代下对数据的智能分析，以更加精细、动态的方式管理水资源生产、经营、服务的各个环节，充分采集、记录、展示客户信息，快速排查用户来电原因，提高用户来电解决率。

3. 典型智慧水务建设项目效益分析

3.1 基于智能互联的城市智慧供水管理平台效益分析

3.1.1 项目实施概况

   本项目为市级二次供水改造项目，其中二次加压最高日用水量104m3 /d；二次加压最高时用水量为10.8m3 /h, 系统流量为24m3 /h；分区情况：加压楼宇共四栋，楼层15层，加压户数130户，均为一厨二卫；泵房尺寸：14000mm（L）×7500mm（W）；泵房拟从室外市政给水管上接出两根DN100的来水管进入泵房，市政供水水压为0.25MPa。原供水设备为变频供水。

图 6 用户满意度来电解决率提升分析

项目改造前存在以下问题：

（1）缺乏科学的用水规律分析，使设备持续运转，保持恒压供水满足最不利点的用水

需求；缺乏对设备重要零部件的全生命周期管理，无法预测更换零部件时间，导致零部件寿命较短；缺乏设备的实时监控与报警，当设备出现故障时，无法第一时间进行维修，导致缩短设备寿命。一般情况下一套供水设备以常态运行的寿命是 15 年即 131400 小时，高效状态运行的寿命是 10 年即 87600 小时，项目改造前一套设备一天中连续高效运转 24h。

（2）运维人员每个月进行一次设备检查，无法实时掌控设备状态，当设备发生故障时，

只能通过自检、用户投诉两种方式得知设备故障状态，另外维修人员派单慢，无法第一时间赶赴现场维修。据统计，一般情况下，从设备发生故障到运维人员维修需要5个小时。

（3）水箱清洗无规律，导致水质有二次污染的风险，无法预防水质污染事件；另外仅

定期取样检测水质情况，无法掌控水质实时情况，当检测出水质有问题时水已经供给用户了，不能保障供水水质实时达标。

3.1.2 实施效果

3.1.2.1 设备能耗降低

   原有项目情况：系统流量 Q=25m3 /h，水泵扬程 H=62m； 水 泵 的 参 数 为：50/DL12- 12.5X5，N=5.5kw，流量 Q=12.6m3 /h， 扬 程：H=62m（二用一备）。针对该项目进行了现场的实地考察及检测，并通过检测工具检测出一年设备供水量 1508 吨，耗电量 1695 度。通过平台对设备、水泵进行科学选择，达到了高效节能的目的，具体如下：原变频供水设备的千吨水耗电量为 1813 kWh/（km3 .Mpa）。带有水质改善功能的新型无负压设备的千吨水耗电量为 726 kWh/（km3 .Mpa）。因此，带有水质改善功能的新型无负压设备相对于原有变频设备的节能率为：59.96%。

3.1.2.2 设备寿命延长

   平台建设后，通过供水设备管理平台对用水高峰时段规律进行分析，用水量较低的时段，采取小流量保压；使用算法对水箱进水合理排程，并通过平台下控，使水箱有序进水，从而缓解区域供水压力；平台中具有对设备类型进行重要零部件管理，包括零部件名称、标识码、类别、1 年 ~20 年的生命值、影响权重等，并根据设备调试完成上线使用时间，计算设备零部件的使用期限，并得出整体设备的生命值；在平台中，可根据 PLC 底层上传数据，对设备实时数据判断水泵故障并报警，可在第一时间进行维修。

   项目改造后设备一天高效运转的时间为8h，正常状态运行 16 个小时，因此项目改造 后设备可运行时间为：87600 ´8/24+ 131400 ´16/24=116800h

   所以相比于项目改造前，设备运行时间延长为：（116800 - 87600）/87600*100%=33.33%

   通过供水设备管理平台对设备运行监管及故障预警，第一时间发现设备故障并维修，根据经验判断，可提高设备寿命 10%。因此项目改造后设备寿命延长43.33%。

3.1.2.3 维保及时率提升

   平台建设后，水司对泵房及设备进行日常运维，包括设备日常现场巡检，水箱清洗等； 平台通过工单系统对日常运维任务实现周期性的派发工单，可实现自动派单，通过定位、排班等选择最佳运维人员，并对运维人员实现全流程的跟踪与监管；在管理上，实现及时发现设备的事故隐患，提前预知设备性能的改变，降低设备故障率，另外通过平台秒级数据采集结合异常自动诊断，系统能够实时发现供水异常，及时派发带解决方案的自动工单，大幅提升供水事故发现及时率，大幅缩短响应时间和事故解除时间，从而提升用户满意度。据统计，一般情况下，当设备发生故障后平台会立刻到报警，再通过工单系统自动派发带解决方案的自动工单到合适的运维人员，从设备发生故障到运维人员维修整个过程仅需要 2 个小时。经过对项目改造前后的分析，可见设备维保及时率提高了（5-2）/5*100=60%

3.1.2.4 水质达标率提高

   通过供水管理平台查看当前用户下所有水箱的清洗周期，指导派发工单，保障水质，并 对水箱清洗周期性排程（来自工单系统）；另外多参数水质在线分析系统集成平台，能直接将多种水质在线分析参数集成在一台整机内部，在触摸屏面板显示器上集中察看和管理；实时监测的水质参数包括 pH、电导率、溶解氧、余氯、浊度等，测量精度在 1% 左右，通过对数据的监测、存储，实现智能化在线监测，当水质数据超过限定值时启动报警并停止供水；该系统集水质在线分析、数据远程传送、数据库以及分析软件、系统校准功能于一体，对现代化水质数据采集和分析提供了极大便利。经过对项目改造前后的分析，可见在项目改造后，通过工单系统对水箱清洗周期性排程，确保水箱的定期清洗，保障水质不受到二次污染，另外通过多参数水质在线分析系统实时监测水质，可通过供水管理平台掌控水质数据，当水质超出限定值时会立刻启动报警并停水，保障了供水水质安全，确保了设备供水水质达标率 100%。

3.2 智慧水务大数据中心建设效益分析

3.2.1 项目实施概况

   某自来水公司相继建设了营销系统、报装系统、呼叫中心等多个系统，但因为信息化建设周期长，没有统一的技术标准和数据标准，导致信息孤岛越来越严重，严重制约协同工作的能力，生产调度和运营分析缺乏数据撑和科学依据。通过搭建水务大数据平台打通数据孤岛，实现数据集成一体化、数据开发便捷化、数据资产规范化、数据服务流程化，形成贯穿智慧水务各系统的无边信息流，大大提升信息化系统对需求变更的响应速度，实现更进一步的精准服务和主动服务，为市民提供更好的用水服务体验。大数据中心主要建设内容如下：

（1）数据梳理。本项目的数据源系统主要围绕营销客服主题，进行系统历史数据初始化、系统增量数据抽取、系统变更数据抽取、系统全量数据抽取等。

（2）数据清洗转换。利用 ETL 工具将各业务系统原始数据进行清洗，并转换成可以开发建模的标准化数据结构。

（3）数据可视化应用。建设管理驾驶舱，将各类分析指标通过多维度图形直观展示；

建设报表设计器，随时生成不同业务系统的组合型报表；用户画像，通过不同维度分析用户属性及用户行为信息。

（4）数据综合业务查询。业务人员可通过简易搜索条件快捷查询相关用户的基础信息、缴费记录、欠缴信息、热线服务工单、热线录音等所有血缘数据。

3.2.2 实施效果

3.2.2.1 节约人力

   通过建设的水务大数据中心打通综合业务服务平台，居民可通过公众号、短信、网站等平台进行自助式查询，大大降低了对人工客服的需求。项目建设之前每日平台呼入数1000，其中接通率 68%，来电分类包括故障报修、水质问题、水压问题、咨询查询、投诉建议等，平均队列长 20 人，最大队列长度100 人，在水务大数据中心建设后，人工客服呼入数减少 60%，大部分人倾向选择自助式服务，客服人员可减少50%。

3.2.2.2 改善工单处理状况

   通过水务大数据中心把热线工单系统、供水管网地理信息系统（GIS）系统、工单系统对接，相关客服人员在接到故障信息后，可根据受理地址定位，立即确认故障点，并上传至工单系统，在工单系统上按照工单类型分类进行自动派单，完成故障维修后及时进行回访。从收到故障信息到派单整个过程不超过三分钟，而在过去需要十分钟才能进行派单，派单效率提高了 70%，另外故障维修后并通过回访提高服务质量，回访及时率提高了 90%。

3.2.2.3 提高工作效率

   在水务大数据中心建设后，客服人员台席接通率 98%，示忙时长减少 90%，抄表员在抄表数 8000 个时，抄表及时率提高 40%，外勤人员处理及时率可达 80%，比之前提高40%，营业厅的柜员处理用户问题的平均时间为 8 分钟，相比于之前减少了 50%。水务大数据中心的建设，大大提高了各个岗位工作人员的工作效率，工作效率的提高也相应增加了用户的满意度。

3.2.2.4 强化安全保障

   在水务大数据中心建设之前未建立数据安全保障措施，在项目建设后，通过对每个数据服务进行监控，具体业务对数据服务设置输出规则，避免数据被非法利用，保障用水户信息安全；通过大数据分析用户用水行为，分析供水区域内疑似群租房群体，并接合抄表核实形成相关报告，提供给相关部门，为强化社会治安控制提供辅助能力。

3.2.2.5 提升社会服务满意度

   通过对客户服务相关的数据资源进一步集成和整合，充分发掘利用数据资产价值，为客户服务工作人员提供更便捷的工具用于支撑服务工作，在进一步提升服务于响应速度和质量的同时，通过用户画像，实现更进一步精准服务和主动服务，为市民提供更好的用水服务体验。

3.3 工业互联网智慧水务一体机项目效益分析

3.3.1 项目实施概况

   某贫困县，长期经济欠发达，为响应国家号召，打好脱贫攻坚站，采用“工业互联网智慧水务一体机"以解决农村饮水难问题，通过营业收费，客户服务，抄表系统的上线部署，使农村供水运营水平实现整体提高，完成了农村分水站信息化提升和饮用水安全保障任务。该县供水系统主要存在以下问题：（1）整个供水过程缺少水质检测设施和水质处理设备，存在二次污染问题，水质污染事件无预警机制。（2）县 32 个分水站的水池进水跟城区用水高峰期重合，造成高峰期抢水。由于数字化程度低，管网资料遗失问题严重，同时，无法及时发现管网的爆管、跑水事故，即使发现也很难精确定位，供水管道漏损严重，漏失率个别高达 65%。（3）缺少必要的监督机制和人员考核机制，设备、管网、水表的维护无法满足规定要求，造成设备故障率高，损坏严重。（4）供水系统自动化程度低，供水设备、水池液位无法远程监控，分水站运营成本过高。（5）未做到抄表到户，个别不交水费或超量用水，影响其他村民正常用水，同时给分水站的经营造成很大压力。（6）水质事故、停水通知、用户意见建议等，缺少沟通渠道，严重影响用户的用水体验。

   “工业互联网智慧水务一体机"是为中小水司提供智慧水务建设的应用软件、计算及存储硬件、网络设备、信息安全为核心的一站式解决方案，含管理门户、大屏数据可视化、DMA 漏损控制管理系统、大口径水表监控管理系统、工单系统、二供管理平台、错峰供水、智能故障诊断、水厂监控集成、综合调度管率 100%，城市供水综合单位电耗与成本降低10%~15%。

4AcrelEMS-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、异常报警等数据。

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、监测和报警。高效、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。

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

6结语

   智慧水务聚焦供水安全保障与水务精细化管理，以新技术应用带动水务信息化技术水平的全面提升。正在建设或计划建设智慧水务的水务企业和管理单位可以从生产运营优化、产品/服务创新、业态转变等方面，明确数字化、智慧化转型过程中不断跃升的价值效益，在实现主营业务增长方面价值效益基础上，通过产品/服务创新开辟业务增量发展空间，获取新技术/新产品、服务延伸与增值、业态转变，依托产业合作伙伴共建的开放价值生态，在数字新业务和绿色可持续发展等方面实现更大的价值效益和社会效益。

参考文献

【1】李美玲. 智慧水务建设效益浅析.城镇供水.2022.02版

【2】田雨，蒋云钟，杨明祥．智慧水务建设的基础及发展战略研究 [J].中国水利，2014

【3】安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022.05版