智慧水务和物联网智能水表在农村供水工程中的应用

摘 要：随着社会的进步和各项事业的飞速发展，人民生活水平的逐步提升，国家对农村饮水安全有了更高的要求，为了进一步提升农村供水服务的质量，利用现代化、信息化科学技术提升农村供水服务质量，提高用水管理效益。不断满足人民群众用水便捷的需求，是当前农村供水管理部门要做好的首要任务，也是智慧城市发展的方向和趋势。而在供水工程建设中，推广应用电器化程控管理技术“智慧水务大数据平台”+物联网智能水表无缝对接的管理模式，打造“智慧水务”管理系统，成为了当前提高农村供水服务管理水平的主要措施。

关键词：智慧水务；物联网；智能水表；应用

1 临泽县农村供水工程的发展及现状

临泽县辖7个镇，共71个行政村，全县总人口148002人，其中，非农业人口55500人，农业人口82502人[1]。上世纪90年代以前，农村饮用水完全靠自给自足，部分农户都采用小钻孔式手压井取水生活，因全县农村地域分散，且地质情况较为复杂，各乡镇及各村社地下水根据地质情况的变化差别也较大，且手压井深度大多为3~5m之间，即农村饮用水决大多数都取用的是浅层地表渗流水，各类重金属及化学物质含量较高，且农业面源污染严重，水质不达标。同时，还有部分居民因居住地势较高，地下水较深且开采技术不足，只能从几公里外的水渠、塘坝取水来维持生活，严重影响着农村居民的身心健康。随着经济社会的不断发展，自上世纪90年代中后期，国家惠民政策的不断出台，使农村居民生活饮用水得到逐步的改善。至2005年左右，全县农村自来水工程全面实施，基本实现了一村一个集中取水井+分支管道敷设整村、农户单户供水的要求，但因受到地域限制以及地下浅层水季节性的变化，水质仍不能保证完全达标。又经过十多年的陆续改造完善，至2020年左右，全县农村饮用水从水源到农户，基本实现了一镇(乡)一水源，分支管网敷设全镇农户单户供水。集中水源改造的实现，对达标水质的选择、水源地选址、管理都有了极大的提升，使全县农村居民彻底用上了安全、放心的饮用水。但随着全国乡村振兴经济发展和城乡一体化建设的稳步推进，对农村居民用水的保障和方便程度也提出了新的要求，如何科学、高效的提升供水服务和管理水平，成为了当前相关工作人员探索和思考的主要问题。

2 临泽县农村供水服务存在的主要问题

全县农村供水方式基本都采用的是水源+管道+末端用户水龙头取水的形式。在水源和供水管道方面，目前的管理方式虽然完全可以保障维持正常的供水，但在末端入户取水的过程中，常存在一些影响居民用水体验的棘手问题。在以往工程历次改造升级过程中，受当时科技水平和供水产品的限制，多采用机械式水表，后续改造过程中，又引入了磁卡式半智能水表。但都存在无法实现数据适时更新，取用水管理方便、便捷的目的。

2.1 机械式水表

问题1：为了准确掌握用户用水情况，必须每年至少进行2次以上的逐户抄表读数计量工作。加之一户一水表井，工作量较为繁重，且临泽县冬季气温较低，为了防止水表及阀门开关冻裂造成漏水现象，要求每户水表井内必须覆盖较厚的棉麻保温材料进行越冬。冬季过后，农户不能及时移除覆盖物，有的农户甚至覆盖后长期不取，再次给管水人员抄表计量工作增加了较大负担。问题2：水表井内设施因常年覆盖，当管件、阀门出现锈蚀破损、松动或水表出现机械故障时，无法及时发现，造成了水量的浪费，当漏水严重时还可能危及农户房屋地基安全。问题3：机械水表只能通过人工一次次上门抄表读数进行计量，部分农户为了逃避缴费，故意以安全为由私自锁闭井盖或在井盖上堆放重物，且故意外出避开收费人员，造成无法进行及时抄表。

2.2 磁卡式半智能水表

问题1：虽然可以实现充值，用水超量后自动锁表，但用水量数据同样无法自动获取，当水表锁卡后，用户的用水量只能通过充值的金额进行人工二次折算，当需要按月或按一定时间段掌握用水量时，还得进行逐户抄表读数登记，同样工作量较为繁重。问题2：磁卡式半智能水表需要卡片充值，水表卡片又无法实现网上缴费，用户还需到供水服务大厅进行人工充值，同时，当水表出现故障时，用户往往以为是欠费问题，无法自行判断。问题3：水表井内设施故障或出现漏水现象时，同样也是无法即时发现。

3 “智慧水务大数据平台”+物联网智能水表的应用

临泽县2021年农村人饮巩固提升项目中，首先引进了“智慧水务大数据平台”+物联网智能水表的应用。即能通过物联网智能水表反馈到系统平台的数据进行智能化的处理和分析，同时还能够实时监控所有运行环节的过程，以动态的方式实现精细化的管理，实现了全程供水管理智能化、科学化、信息化的目的。通过系统实时监控以及“智慧水务大数据平台”的数据反馈，可以实现以网页服务的形式，将采集的数据、运行过程的信息传输至系统内任何一个单元，使数据展示实时更新，协助供水管理人员掌握供水流程中的各个环节，对供水服务及时做出相应的正确调整，使管理水平得到了大幅度的提升，从而达到程控化管理“智慧供水”的目标[2]。

3.1 抄表系统先进便捷

“智慧水务大数据平台”系统+物联网智能水表的应用，使得抄表计量实现了精细化管理，系统对抄表服务单独进行管理，实现了抄表机抄表、APP抄表、物联网表采集等多种形式的工作方式进行集成管理，同时，还可根据不同场景需要，任选一种方式进行抄录。完全实现了计费用量管理的各项业务需求。“智慧水务大数据平台”系统基于POD服务交付点提供了动态的抄表册管理，特别适用于日新月异的城镇供水变化需求，实时反映用水量以及对应抄表任务变化，系统集成了多种型号的抄表机，且自带移动抄表APP功能，有效的减轻了抄表员工作量。同时，项目管理人员在平台端即可监管抄表员现场工作，加强了抄表的监督管理。

3.2 交费系统“抄收分离”方便智能

在“智慧水务大数据平台”中通过计费引擎，实现割裂的抄表、数据结构上的分离，从而提高了系统处理能力和速度。缴费管理系统基于统一的电子交易平台，轻松实现服务大厅、银行代理网点、自助终端、互联网、第三方代收机构的渠道接入，实现了终端用户水费的轻松缴纳。该项目实施，终端设备主要采用借助于微信公众平台，供水管理单位建立了专用的微信公众服务APP，用户可利用手机终端设备实现随时随地进行查询和缴费的目的，极大的提升了用户的体验效果。

3.3 电子发票对接系统完善

“智慧水务大数据平台”可以实现与电子发票系统进行对接，在系统收费后，自动开具电子发票，并实现在微信公众号或扫描小票二维码进行发票下载。系统自动计算供水部门各种税费，并在月底汇总所有发票数据及税费数据报表。还能满足税务部门对供水税收的监管。

3.4 视频监控系统适时更新

“智慧水务大数据平台”系统可以实现视频监控图像接入、实时图像观看、远程控制、历史图像的检索和回放、系统的人机交互、监控中心防护、用户与权限管理等功能。结合大数据平台SCADA系统(Supervisory Control And Data Acquisition，数据采集与监视控制)，24小时不间断的监控能够及时分析和发现水厂或加压站故障，提高运行维护效率、降低损失，保障水的输送和供给质量，达到科学预警，减少成本，提高效率的目的。

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。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/国际先进指标对标，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

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

6 结论

利用现代信息化科学技术，在满足人民供水需求的同时，提升了人民的生活质量,也是城市智能化发展的方向和趋势。大力推广“互联网+”信息技术在人饮供水领域的发展，全面实现“智慧水务大数据平台”+物联网智能水表的应用，即能通过互联网服务平台的建设,让广大居民切身体验到智慧水务的建设成果和对日常生活带来的巨大改变[3]。又能使受益群众感受到党和国家对人民日常生活的极大关怀，同时还能促使农村供水管理工作水平得到进一步提升，从而实现“智慧供水”的目标。还能让供水行业智能化管理工作更好的服务城乡居民起到了引领示范的作用。

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