淺談智慧水務(wù)和物聯(lián)網(wǎng)智能水表在農(nóng)村供水工程中的應(yīng)用

王蘭

安科瑞電氣股份有限公司   上海嘉定  201801

摘 要：隨著社會的進(jìn)步和各項(xiàng)事業(yè)的飛速發(fā)展，人民生活水平的逐步提升，國家對農(nóng)村飲水安全有了更高的要求，為了進(jìn)一步提升農(nóng)村供水服務(wù)的質(zhì)量，利用現(xiàn)代化、信息化科學(xué)技術(shù)提升農(nóng)村供水服務(wù)質(zhì)量，提高用水管理效益。不斷滿足人民群眾用水便捷的需求，是當(dāng)前農(nóng)村供水管理部門要做好的首要任務(wù)，也是智慧城市發(fā)展的方向和趨勢。而在供水工程建設(shè)中，推廣應(yīng)用電器化程控管理技術(shù)“智慧水務(wù)大數(shù)據(jù)平臺"+物聯(lián)網(wǎng)智能水表無縫對接的管理模式，打造“智慧水務(wù)"管理系統(tǒng)，成為了當(dāng)前提高農(nóng)村供水服務(wù)管理水平的主要措施。

關(guān)鍵詞：智慧水務(wù)；物聯(lián)網(wǎng)；智能水表；應(yīng)用

1 臨澤縣農(nóng)村供水工程的發(fā)展及現(xiàn)狀

臨澤縣轄7個鎮(zhèn)，共71個行政村，全縣總?cè)丝?48002人，其中，非農(nóng)業(yè)人口55500人，農(nóng)業(yè)人口82502人[1]。上世紀(jì)90年代以前，農(nóng)村飲用水靠自給自足，部分農(nóng)戶都采用小鉆孔式手壓井取水生活，因全縣農(nóng)村地域分散，且地質(zhì)情況較為復(fù)雜，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)及各村社地下水根據(jù)地質(zhì)情況的變化差別也較大，且手壓井深度大多為3~5m之間，即農(nóng)村飲用水決大多數(shù)都取用的是淺層地表滲流水，各類重金屬及化學(xué)物質(zhì)含量較高，且農(nóng)業(yè)面源污染嚴(yán)重，水質(zhì)不達(dá)標(biāo)。同時，還有部分居民因居住地勢較高，地下水較深且開采技術(shù)不足，只能從幾公里外的水渠、塘壩取水來維持生活，嚴(yán)重影響著農(nóng)村居民的身心健康。隨著經(jīng)濟(jì)社會的不斷發(fā)展，自上世紀(jì)90年代中后期，國家惠民政策的不斷出臺，使農(nóng)村居民生活飲用水得到逐步的改善。至2005年左右，全縣農(nóng)村自來水工程全面實(shí)施，基本實(shí)現(xiàn)了一村一個集中取水井+分支管道敷設(shè)整村、農(nóng)戶單戶供水的要求，但因受到地域限制以及地下淺層水季節(jié)性的變化，水質(zhì)仍不能保證達(dá)標(biāo)。又經(jīng)過十多年的陸續(xù)改造完善，至2020年左右，全縣農(nóng)村飲用水從水源到農(nóng)戶，基本實(shí)現(xiàn)了一鎮(zhèn)(鄉(xiāng))一水源，分支管網(wǎng)敷設(shè)全鎮(zhèn)農(nóng)戶單戶供水。集中水源改造的實(shí)現(xiàn)，對達(dá)標(biāo)水質(zhì)的選擇、水源地選址、管理都有了極大的提升，使全縣農(nóng)村居民用上了安全、放心的飲用水。但隨著全國鄉(xiāng)村振興經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城鄉(xiāng)一體化建設(shè)的穩(wěn)步推進(jìn)，對農(nóng)村居民用水的保障和方便程度也提出了新的要求，如何科學(xué)、高效的提升供水服務(wù)和管理水平，成為了當(dāng)前相關(guān)工作人員探索和思考的主要問題。

2 臨澤縣農(nóng)村供水服務(wù)存在的主要問題

全縣農(nóng)村供水方式基本都采用的是水源+管道+末端用戶水龍頭取水的形式。在水源和供水管道方面，目前的管理方式雖然可以保障維持正常的供水，但在末端入戶取水的過程中，常存在一些影響居民用水體驗(yàn)的棘手問題。在以往工程歷次改造升級過程中，受當(dāng)時科技水平和供水產(chǎn)品的限制，多采用機(jī)械式水表，后續(xù)改造過程中，又引入了磁卡式半智能水表。但都存在無法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)適時更新，取用水管理方便、便捷的目的。

2.1 機(jī)械式水表

問題1：為了準(zhǔn)確掌握用戶用水情況，必須每年至少進(jìn)行2次以上的逐戶抄表讀數(shù)計量工作。加之一戶一水表井，工作量較為繁重，且臨澤縣冬季氣溫較低，為了防止水表及閥門開關(guān)凍裂造成漏水現(xiàn)象，要求每戶水表井內(nèi)必須覆蓋較厚的棉麻保溫材料進(jìn)行越冬。冬季過后，農(nóng)戶不能及時移除覆蓋物，有的農(nóng)戶甚至覆蓋后長期不取，再次給管水人員抄表計量工作增加了較大負(fù)擔(dān)。問題2：水表井內(nèi)設(shè)施因常年覆蓋，當(dāng)管件、閥門出現(xiàn)銹蝕破損、松動或水表出現(xiàn)機(jī)械故障時，無法及時發(fā)現(xiàn)，造成了水量的浪費(fèi)，當(dāng)漏水嚴(yán)重時還可能危及農(nóng)戶房屋地基安全。問題3：機(jī)械水表只能通過人工一次次上門抄表讀數(shù)進(jìn)行計量，部分農(nóng)戶為了逃避繳費(fèi)，故意以安全為由私自鎖閉井蓋或在井蓋上堆放重物，且故意外出避開收費(fèi)人員，造成無法進(jìn)行及時抄表。

2.2 磁卡式半智能水表

問題1：雖然可以實(shí)現(xiàn)充值，用水超量后自動鎖表，但用水量數(shù)據(jù)同樣無法自動獲取，當(dāng)水表鎖卡后，用戶的用水量只能通過充值的金額進(jìn)行人工二次折算，當(dāng)需要按月或按一定時間段掌握用水量時，還得進(jìn)行逐戶抄表讀數(shù)登記，同樣工作量較為繁重。問題2：磁卡式半智能水表需要卡片充值，水表卡片又無法實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上繳費(fèi)，用戶還需到供水服務(wù)大廳進(jìn)行人工充值，同時，當(dāng)水表出現(xiàn)故障時，用戶往往以為是欠費(fèi)問題，無法自行判斷。問題3：水表井內(nèi)設(shè)施故障或出現(xiàn)漏水現(xiàn)象時，同樣也是無法即時發(fā)現(xiàn)。

3 “智慧水務(wù)大數(shù)據(jù)平臺"+物聯(lián)網(wǎng)智能水表的應(yīng)用

臨澤縣2021年農(nóng)村人飲鞏固提升項(xiàng)目中，首先引進(jìn)了“智慧水務(wù)大數(shù)據(jù)平臺"+物聯(lián)網(wǎng)智能水表的應(yīng)用。即能通過物聯(lián)網(wǎng)智能水表反饋到系統(tǒng)平臺的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化的處理和分析，同時還能夠?qū)崟r監(jiān)控所有運(yùn)行環(huán)節(jié)的過程，以動態(tài)的方式實(shí)現(xiàn)精細(xì)化的管理，實(shí)現(xiàn)了全程供水管理智能化、科學(xué)化、信息化的目的。通過系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)控以及“智慧水務(wù)大數(shù)據(jù)平臺"的數(shù)據(jù)反饋，可以實(shí)現(xiàn)以網(wǎng)頁服務(wù)的形式，將采集的數(shù)據(jù)、運(yùn)行過程的信息傳輸至系統(tǒng)內(nèi)任何一個單元，使數(shù)據(jù)展示實(shí)時更新，協(xié)助供水管理人員掌握供水流程中的各個環(huán)節(jié)，對供水服務(wù)及時做出相應(yīng)的正確調(diào)整，使管理水平得到了大幅度的提升，從而達(dá)到程控化管理“智慧供水"的目標(biāo)[2]。

3.1 抄表系統(tǒng)先進(jìn)便捷

“智慧水務(wù)大數(shù)據(jù)平臺"系統(tǒng)+物聯(lián)網(wǎng)智能水表的應(yīng)用，使得抄表計量實(shí)現(xiàn)了精細(xì)化管理，系統(tǒng)對抄表服務(wù)單獨(dú)進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)了抄表機(jī)抄表、APP抄表、物聯(lián)網(wǎng)表采集等多種形式的工作方式進(jìn)行集成管理，同時，還可根據(jù)不同場景需要，任選一種方式進(jìn)行抄錄。實(shí)現(xiàn)了計費(fèi)用量管理的各項(xiàng)業(yè)務(wù)需求?！爸腔鬯畡?wù)大數(shù)據(jù)平臺"系統(tǒng)基于POD服務(wù)交付點(diǎn)提供了動態(tài)的抄表冊管理，特別適用于日新月異的城鎮(zhèn)供水變化需求，實(shí)時反映用水量以及對應(yīng)抄表任務(wù)變化，系統(tǒng)集成了多種型號的抄表機(jī)，且自帶移動抄表APP功能，有效的減輕了抄表員工作量。同時，項(xiàng)目管理人員在平臺端即可監(jiān)管抄表員現(xiàn)場工作，加強(qiáng)了抄表的監(jiān)督管理。

3.2 交費(fèi)系統(tǒng)“抄收分離"方便智能

在“智慧水務(wù)大數(shù)據(jù)平臺"中通過計費(fèi)引擎，實(shí)現(xiàn)割裂的抄表、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上的分離，從而提高了系統(tǒng)處理能力和速度。繳費(fèi)管理系統(tǒng)基于統(tǒng)一的電子交易平臺，輕松實(shí)現(xiàn)服務(wù)大廳、銀行代理網(wǎng)點(diǎn)、自助終端、互聯(lián)網(wǎng)、第三方代收機(jī)構(gòu)的渠道接入，實(shí)現(xiàn)了終端用戶水費(fèi)的輕松繳納。該項(xiàng)目實(shí)施，終端設(shè)備主要采用借助于微信公眾平臺，供水管理單位建立了專用的微信公眾服務(wù)APP，用戶可利用手機(jī)終端設(shè)備實(shí)現(xiàn)隨時隨地進(jìn)行查詢和繳費(fèi)的目的，極大的提升了用戶的體驗(yàn)效果。

3.3 電子發(fā)票對接系統(tǒng)完善

“智慧水務(wù)大數(shù)據(jù)平臺"可以實(shí)現(xiàn)與電子發(fā)票系統(tǒng)進(jìn)行對接，在系統(tǒng)收費(fèi)后，自動開具電子發(fā)票，并實(shí)現(xiàn)在微信公眾號或掃描小票二維碼進(jìn)行發(fā)票下載。系統(tǒng)自動計算供水部門各種稅費(fèi)，并在月底匯總所有發(fā)票數(shù)據(jù)及稅費(fèi)數(shù)據(jù)報表。還能滿足稅務(wù)部門對供水稅收的監(jiān)管。

3.4 視頻監(jiān)控系統(tǒng)適時更新

“智慧水務(wù)大數(shù)據(jù)平臺"系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控圖像接入、實(shí)時圖像觀看、遠(yuǎn)程控制、歷史圖像的檢索和回放、系統(tǒng)的人機(jī)交互、監(jiān)控中心防護(hù)、用戶與權(quán)限管理等功能。結(jié)合大數(shù)據(jù)平臺SCADA系統(tǒng)(Supervisory Control And Data Acquisition，數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制)，24小時不間斷的監(jiān)控能夠及時分析和發(fā)現(xiàn)水廠或加壓站故障，提高運(yùn)行維護(hù)效率、降低損失，保障水的輸送和供給質(zhì)量，達(dá)到科學(xué)預(yù)警，減少成本，提高效率的目的。

4 AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺

4.1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(diǎn)安裝保護(hù)、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(qiáng)度，監(jiān)測主要用能設(shè)備能效，保護(hù)污水廠運(yùn)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(xì)的解決方案。

4.2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(yùn)維等，貫穿水務(wù)能源流的始終，幫助運(yùn)維管理人員通過一套平臺、一個APP實(shí)時了解水務(wù)配電系統(tǒng)運(yùn)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。

4.3平臺拓?fù)鋱D

4.4平臺子系統(tǒng)

4.4.1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(hù)和弧光保護(hù)，實(shí)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(jī)的電流、電壓、有功/無功功率、功率因數(shù)、負(fù)荷率、溫度、三相平衡、異常報警等數(shù)據(jù)。

4.4.2電能質(zhì)量監(jiān)測與治理

水務(wù)中大量的大功率電機(jī)、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。

4.4.3電動機(jī)管理

馬達(dá)監(jiān)控實(shí)現(xiàn)水務(wù)中電機(jī)的保護(hù)、遙測、遙信、遙控功能，電動機(jī)保護(hù)器能對過載、短路、缺相、漏電等異常情況進(jìn)行保護(hù)、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(diǎn)、及相關(guān)信息，對電機(jī)進(jìn)行健康診斷和預(yù)防性維護(hù)。同時支持與PLC、軟啟、變頻器等配合，實(shí)現(xiàn)電動機(jī)自動或遠(yuǎn)程控制，監(jiān)視、控制各個工藝設(shè)備,保障正常生產(chǎn)。

4.4.4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(shí)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?xì)狻⒗錈崃肯牧?，同環(huán)比對比分析，能耗總量和能耗強(qiáng)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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。

4.4.5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(shí)現(xiàn)自動控制功能，盡量利用自然光照，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)、廠區(qū)照明的智能控制達(dá)到安全、節(jié)能的目的。

4.4.6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(shí)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(shí)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。

4.4.7 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?xì)怏w濃度展示和預(yù)警，保障污水廠、自來水廠、水泵站等安全運(yùn)行。當(dāng)可燃?xì)怏w或有害氣體濃度超標(biāo)可自動啟動排風(fēng)風(fēng)機(jī)或新風(fēng)系統(tǒng)，排除隱患，保持良好的水處理環(huán)境。

4.4.8分布式光伏監(jiān)測

實(shí)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(yùn)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(jìn)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(shí)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(diǎn)位置，各個屋頂?shù)难b機(jī)容量。

4.4.9工藝仿真監(jiān)控

平臺通過2D、3D方式實(shí)時監(jiān)視粗格柵、污水提升、細(xì)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(yùn)行狀態(tài)。在格柵清渣機(jī)、污水提升泵、回流泵、曝氣風(fēng)機(jī)、加藥泵、濃縮壓濾機(jī)、吸沙泵、吸泥泵等低壓電動機(jī)控制柜或低壓饋電柜安裝電動機(jī)保護(hù)，進(jìn)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(hù)、堵轉(zhuǎn)、逆序、溫度等保護(hù)以及外部故障連鎖停機(jī)，與PLC、軟啟、變頻器等配合，實(shí)現(xiàn)電動機(jī)自動或遠(yuǎn)程控制，監(jiān)視、控制各個工藝設(shè)備,保障正常生產(chǎn)。

5 相關(guān)平臺部署硬件選型清單

6 結(jié)論

利用現(xiàn)代信息化科學(xué)技術(shù)，在滿足人民供水需求的同時，提升了人民的生活質(zhì)量,也是城市智能化發(fā)展的方向和趨勢。大力推廣“互聯(lián)網(wǎng)+"信息技術(shù)在人飲供水領(lǐng)域的發(fā)展，全面實(shí)現(xiàn)“智慧水務(wù)大數(shù)據(jù)平臺"+物聯(lián)網(wǎng)智能水表的應(yīng)用，即能通過互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺的建設(shè),讓廣大居民切身體驗(yàn)到智慧水務(wù)的建設(shè)成果和對日常生活帶來的巨大改變[3]。又能使受益群眾感受到黨和國家對人民日常生活的極大關(guān)懷，同時還能促使農(nóng)村供水管理工作水平得到進(jìn)一步提升，從而實(shí)現(xiàn)“智慧供水"的目標(biāo)。還能讓供水行業(yè)智能化管理工作更好的服務(wù)城鄉(xiāng)居民起到了示范的作用。

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