淺談智能配電係統在水務行業的應用

 摘要：在構建智慧水務和“雙碳"時代背景下，智能配電係統在水務行業(ye) 中發揮日益突出的重要作用。本文首先回顧了智能配電係統在水務行業(ye) 的發展曆程，並對其應用現狀進行了分析，進而展望了智能配電係統在水務行業(ye) 的發展趨勢。

   關(guan) 鍵詞：智能配電係統；水務；現狀；趨勢

1引言

   智能配電是隨著技術進步和用戶需求提升而出現的一個(ge) 新的理念。智能配電係統將智能化手段應用於(yu) 常規配電係統，不僅(jin) 有助於(yu) 提高係統的安全性、可靠性，提高能源利用效率，還有助於(yu) 用戶提升管理水平。本文首先探討了智能配電係統的起源和定義(yi) ，分析了其組成要素、架構、功能。繼而回顧了智能配電在水務行業(ye) 不同階段的應用狀況。最後對數字化、智能化及“雙碳"背景下，智能配電係統在水務行業(ye) 中的發展方向和亟待解決(jue) 的問題進行了分析和探討。

2智能配電係統的起源和定義(yi)

          2003年6月，在美國“未來能源聯盟智能電網工作組"發表的報告中出現了“智能電網"一詞。該報告將智能電網定義(yi) 為(wei) “集成了傳(chuan) 統的現代電力工程技術、高級傳(chuan) 感和監視技術、信息與(yu) 通信技術的輸配電係統，具有更加完善的性能並且能夠為(wei) 用戶提供一係列增值服務"⑴。我國對智能電網的研究雖然起步相對較晚，但推進速度很快。這場智能化變革已經逐漸從(cong) 輸配電網擴展至用戶端，從(cong) 高壓配電係統擴展至低壓配電係統。雖然目前國內(nei) 尚無智能配電係統的、明確的定義(yi) ，各種文獻資料及集成商的表述亦不盡相同，但經過歸納、整理可以發現其在組成要素及特征、基本架構和功能等方麵的相似之處。

2.1智能配電係統的組成要素及特征

   智能配電係統與(yu) 傳(chuan) 統配電係統的不同之處體(ti) 現在其智能化。所謂智能化指具有感知能力，具有記憶和思維能力，具有學習(xi) 能力和自適應能力，具有行為(wei) 決(jue) 策能力。智能配電係統在傳(chuan) 統配電係統基礎上集成了計算機、網絡、通信、信息、傳(chuan) 感、自動控製、電力電子等領域的先進技術，具有數字化、智能化、網絡化、融合化特征。集成先進技術的智能化硬件、軟件產(chan) 品是智能配電係統的基本組成要素。

2.2智能配電係統的基本架構

   盡管對智能配電係統的描述和配置各不相同，但梳理歸納起來智能配電係統的基本架構大致相同，都是由底層的智能設備層和上層的監控管理層組成。近年來隨著網絡技術、大數據的應用，又增加了雲(yun) 端應用層。

2.2.1智能設備層

   智能設備層是智能配電係統的基石，是實現智能化的前提條件。智能設備層由具備通信接口的各種智能電氣元件和設備組成，包括智能型斷路器、電力儀(yi) 表、無功補償(chang) 裝置、濾波裝置、微機繼電保護裝置等電器元件，以及智能型高、低壓開關(guan) 櫃等電氣成套設備。智能設備層包含傳(chuan) 感單元和執行單元，既可實時為(wei) 係統決(jue) 策提供完整、準確、可靠的依據，又可及時、準確地實施係統下達的各項指令。

   作為(wei) 數據采集者，智能設備層可實時上傳(chuan) ：設備運行參數（電壓、電流、頻率、有功功率、無功功率、功率因數、諧波含量等）、設備運行信息（斷路器分/合閘狀態、手車位置等）、設備整定信息（斷路器定值參數等）、設備維護信息（溫度、設備型號、序列號、固件版本號等）等。

   作為(wei) 指令執行者，智能設備層可根據監控管理層的指令執行參數設定、定值調整、分/合閘操作等。

2.2.2監控管理層

   監控管理層是智能配電係統的核心，是係統的“大腦"，直接影響配電係統的智能化水平的高低。監控管理層通常采用模塊化設計的軟件，結合網絡通信技術、計算機控製技術，接收、處理設備層上傳(chuan) 的信息，經過處理、數據挖掘，通過畫麵呈現、控製指令輸出、信息提示等方式實現不同的功能。由於(yu) 每個(ge) 軟件模塊對應不同的功能，因此軟件模塊的數量和質量是決(jue) 定配電係統智能化水平的關(guan) 鍵。

2.2.3雲(yun) 端應用層

   雲(yun) 端應用層通過雲(yun) 端服務平台進行大數據分析、處理，為(wei) 用戶提供高級的決(jue) 策指導及技術支持。也有一些生產(chan) 商將監控管理層的功能置於(yu) 雲(yun) 端，這樣可有效降低係統的初期投資和後期的運行維護成本、易於(yu) 擴展。

2.2.4通信網絡

   智能設備層與(yu) 監控管理層之間的數據交換通常采用現場總線或以太網形式。具備RS485接口的電氣裝置加裝通訊模塊可釆用總線連接，通過網關(guan) 進行協議轉換後利用以太網連接至上層係統；具備以太網接口的電氣裝置加裝通訊模塊可直接連接至上層係統。

2.3智能配電係統的功能

   智能配電係統實現了配電係統從(cong) 功能化向智能化升級，自動化程度高、可靠性、穩定性強、界麵友好，可為(wei) 用戶提升能源利用效率和管理水平提供多維度支持。智能配電係統的功能因集成商的理解和側(ce) 重不同而存在差異，歸納起來主要有能效管理、電能質量管理、電氣資產(chan) 管理和運行維護管理等方麵。前兩(liang) 者為(wei) 基本功能，後兩(liang) 者為(wei) 更高級別的功能，且上述功能在不同配置下實現的層級也不同。

3智能配電係統在水努行業(ye) 的發展曆程和趨勢

3.1智能配電係統在水務行業(ye) 的發展曆程

   水務是城市基礎設施重要的組成部分，直接影響城市能否正常運轉。而電力供應是否可靠、穩定，則是影響水務行業(ye) 運行的關(guan) 鍵。

   水務行業(ye) 在傳(chuan) 統的配電方式下，電氣係統的運行維護主要依賴運行人員的專(zhuan) 業(ye) 水平和責任心。憑借運行人員日常巡視的眼觀（設備外觀和儀(yi) 表讀數）、耳聽（設備異響）、鼻嗅（焦臭異味）、手掃（掃描溫度），工作量大且難以發現潛在隱患。如果管理存在不足，如原始資料缺失、調整未存檔、台賬不清、人員更替等，電氣係統的實際情況形同盲區，存在極大的安全隱患。

          2000年左右，高壓係統的微機繼電保護和多功能電力儀(yi) 表的出現，打破了長期以來高壓係統二次回路用各種繼電器搭建，上傳(chuan) 電量參數隻能通過互感器加裝變送器的做法。

          10kV~35kV配電係統在開關(guan) 櫃上裝設微機繼電保護裝置和多功能電力儀(yi) 表，通過通信與(yu) 後台監控係統連接，可顯示電氣參數、斷路器分/合閘狀態，進行各種保護定值的調整、設定以及控製斷路器分/合閘等，實現係統的遙測、遙信、遙調、遙控，即“四遙"。高壓配電係統具備了基本的智能化要素，具有智能設備層和監控管理層的架構，可實現能效管理和電能質量管理的基本功能。

   在0.4kV級的低壓配電係統中，多功能電力儀(yi) 表采集的數據通常上傳(chuan) 至高壓的監控係統後台或水務企業(ye) 的中控室上位機，僅(jin) 用於(yu) 顯示和生成報表，未形成低壓智能配電係統。

   但此時的配電係統比傳(chuan) 統的常規係統已有很大進步，不僅(jin) 免去了運行人員日常抄表的繁重工作，還有助於(yu) 及時發現問題，以及在事故發生後作出準確判斷。

            2010年之後，基於(yu) 多功能電力儀(yi) 表的能源管理係統逐漸在水務行業(ye) 得到應用。這類係統可實現實時及曆史能耗數據查詢、展示、打印，簡單的數據分類管理與(yu) 分析等功能。這類係統偏重可視化，對數據的分析與(yu) 處理能力低，隻能算作低級別的智能化係統。

   此後，為(wei) 實現低壓係統的遙控，出現了基於(yu) PLC的低壓智能配電係統。即在裝設多功能電力儀(yi) 表的基礎上，低壓斷路器裝設電操，釆用硬接線的方式與(yu) PLC連接，通過軟件實現斷路器遠程分合閘，並且可通過上位機進行控製。這類係統實現了水務行業(ye) 遠程場站的無人值守，極大降低了人工成本，但存在接線數量多、故障率高、維護檢修困難等問題，隻適用於(yu) 邏輯關(guan) 係簡單的小規模係統。

3.2智能配電係統在水務行業(ye) 的發展現狀

   水務行業(ye) 配電係統智能化，因廠商擅長的領域不同，主要有以下幾種類型：

(1)多功能電力儀(yi) 表型

   智能配電係統基於(yu) 多功能電力儀(yi) 表，並納入生產(chan) 運行所需的其他監測儀(yi) 表，提供便捷的數據査詢功能，並能根據用戶需求定製超限報警等功能。能實現能效管理和電能質量管理的基本功能，但缺乏對數據的深入分析與(yu) 挖掘，難以實現資產(chan) 管理和運維管理功能。特點是投資低，滿足用戶基本的能源管理需求、幫助用戶降低人工成本。這類係統在水務行業(ye) 智能配電係統中應用相對較多。

(2)微機繼電保護型

   生產(chan) 商在35kV~10kV電氣係統保護方麵有較強的實力，熟悉、了解係統運行問題和用戶的運維需求。高壓側(ce) 除常規的功能外，還可實時監測分/合閘線圈、儲(chu) 能電機、電動底盤車和電動接地刀電機，監測斷路器觸頭溫度、母線接頭溫度等；同時低壓側(ce) 也釆取多項監測措施並在監控平台配置相應的軟件。這類係統具備智能配電係統的四項管理功能，在規模大、高壓設備多的水務企業(ye) 有明顯應用優(you) 勢。

(3)低壓電氣元件型

   這類生產(chan) 商依靠對低壓斷路器等元件的強大研發能力不斷對產(chan) 品進行智能化升級，夯實智能設備層。更有公司針對小型智能配電係統研發了智能配電一體(ti) 機，能夠實現“四遙"，且成本低，適用於(yu) 水務行業(ye) 管網上的小型排澇泵站、汙水提升泵站等。這種一體(ti) 機還可通過以太網連接上層監控係統，適用於(yu) 水務行業(ye) 中單體(ti) 小、數量多、範圍大的使用場景，如井群等。

(4)開關(guan) 櫃型

   這類廠商一般是實力較強的開關(guan) 櫃製造商。他們(men) 發揮自身優(you) 勢，以智能型開關(guan) 櫃為(wei) 基礎結合監控平台組成智能配電係統。櫃內(nei) 設有通信設備專(zhuan) 屬空間，線路簡潔。動力、控製、通信電纜各行其道，避免信號幹擾，保證了數據傳(chuan) 輸穩定、可靠。此類智能開關(guan) 櫃的價(jia) 格較高，廠商通常建議配套同品牌的監控平台降低綜合造價(jia) 。但其監控平台的功能選擇性小，用戶需求受限。

(5)全產(chan) 品線型

   這類生產(chan) 商具備全部或大部分高、低壓及通信產(chan) 品的軟硬件研發能力，具有多年的電氣和自控技術積澱，對配電係統智能化有深刻的認識和解讀。搭建的智能配電係統、配置靈活，能滿足用戶的不同需求，可實現智能配電係統全部管理功能的各層級功能。具備這些能力的往往是國內(nei) 外的電氣品牌，在水務行業(ye) 屬於(yu) 應用。

3.3智能配電係統在水務行業(ye) 的發展趨勢

   近年來，隨著水務行業(ye) 麵臨(lin) 外部條件日益複雜、出水指標不斷提高、運行成本壓力加大、人員老化等問題，原先的粗放型管理模式難以應對，水務行業(ye) 急需向精細化管理轉變。2020年8月，國務院國資委發布《關(guan) 於(yu) 加快推進國有企業(ye) 數字化轉型工作的通知》，要求加快推進國有企業(ye) 數字化轉型工作。“十四五"規劃提出通過推進智慧城市建設，推進市政公用設施等物聯網應用和智能化改造，構建智慧水利體(ti) 係。在國家政策的大力推動和水務行業(ye) 內(nei) 生動力作用下，水務行業(ye) 的數字化、智能化需求迎來大規模增長。

   隨著技術進步和用戶理念的更新，智能配電係統的深度、廣度和智能化程度都在不斷拓展、升級。在智能設備層，智能型產(chan) 品種類不斷增多，智能化程度不斷提高，具備互聯互通特性的產(chan) 品層出不窮。如釆用無線傳(chuan) 感技術、具備智能測溫功能的真空斷路器，能判斷電容器容量衰減程度並實現超閾值及時切除的智能控製器，智能測溫母線等。智能設備層的擴充和深化，不僅(jin) 為(wei) 監控管理層提供更豐(feng) 富的信息，且執行力更強。

   在監控管理層，出現了更多針對水務行業(ye) 節能降耗的軟件產(chan) 品，如智能泵控係統、曝氣控製、加藥控製等，實現了節能與(yu) 工藝控製相結合。監控平台還綜合了企業(ye) 的電、水、熱、氣、藥及其他監測數據，實現一張圖總覽全局，為(wei) 搭建智慧水務平台提供了可靠的技術支撐。

   在雲(yun) 端，出現了更多分析與(yu) 應用增值服務。網絡亦由互聯網向物聯網發展。

   智能化三大關(guan) 鍵要素：數據、算力、算法。智能設備層的發展使得底層數據的收集不再是障礙；計算機技術和網絡技術的發展，算力母已經不是問題；智能化的核心一算法，需要長期、大量的投入，不具開放性且進展相對緩慢。可以預見，未來生產(chan) 商在智能配電係統的競爭(zheng) 將集中於(yu) 算法，這也是體(ti) 現智能配電係統價(jia) 值的關(guan) 鍵。

   智能配電係統在水務行業(ye) 的發展還有一個(ge) 值得關(guan) 注的問題：數據安全。水務行業(ye) 的數據存在敏感性，對數據安全要求高。未來如何保證數據安全，打消用戶的疑慮，將是生產(chan) 商需要努力解決(jue) 的問題。

   在“雙碳"目標驅動下，減碳將成為(wei) 水務行業(ye) 的重中之重。對水務行業(ye) 來說，一方麵要充分利用新能源，另一方麵要深入挖掘企業(ye) 自身的節能潛力。光伏、生物質能(沼氣)是水務行業(ye) 較易取得的清潔能源。與(yu) 之相適應，智能配電係統需要滿足新能源接入、微網運行等方麵的需求。水務行業(ye) 智能配電改造的運行實踐證明，智能配電在節能降耗方麵具有極大優(you) 勢，今後需要通過深入挖掘數據價(jia) 值，幫助用戶進一步深化、細化工作，提高能源利用效率。

4 AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平台

   安科瑞電氣具備從(cong) 終端感知、邊緣計算到能效管理平台的產(chan) 品體(ti) 係，AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平台通過在汙水廠源、網、荷、儲(chu) 、充的各個(ge) 關(guan) 鍵節點安裝保護、監測、分析、治理裝置，用於(yu) 監測汙水廠能耗總量和能耗強度，監測主要用能設備能效，保護汙水廠運行可靠，提高汙水廠能效，為(wei) 汙水處理的能效管理提供科學、精細的解決(jue) 方案。

          AcrelEMS智慧水務綜合能效管理係統由變電站綜合自動化係統、18luck新客户端及能效管理係統組成，涵蓋了水務中壓變配電係統、電氣、應急電源、能源管理、照明控製、設備運維等，貫穿水務能源流的始終，幫助運維管理人員通過一套平台、一個(ge) APP實時了解水務配電係統運行狀況，並且根據權限可以適用於(yu) 水務後勤部門管理需要。

5 平台子係統

5.1 變電站綜合自動化係統及18luck新客户端

   對水務配電係統中35kV、10kV電壓等級配置繼電保護和弧光保護，實現遙測、遙信、遙控、遙調等功能，對異常情況及時預警。

   監測變壓器、水泵、鼓風機的電流、電壓、有功/無功功率、功率因數、負荷率、溫度、三相平衡、異常等數據。

5.2 電能質量監測與(yu) 治理

   水務中大量的大功率電機、水泵變頻啟動導致配電係統中存在大量諧波，通過監測其配電係統的諧波畸變、電壓波動、閃變和容度指標分析其電能質量，並配置對應的電能質量治理措施提高供電電能質量。

5.3 電動機管理

   馬達監控實現水務中電機的保護、遙測、遙信、遙控功能，電動機保護器能對過載、短路、缺相、漏電等異常情況進行保護、監測和。準確地反映出故障狀態、故障時間、故障地點、及相關(guan) 信息，對電機進行健康診斷和預防性維護。同時支持與(yu) PLC、軟啟、變頻器等配合，實現電動機自動或遠程控製，監視、控製各個(ge) 工藝設備,保障正常生產(chan) 。

5.4 能耗管理

   為(wei) 水務搭建計量體(ti) 係，顯示水務的能源流向和能源損耗，通過能源流向圖幫助水務分析能源消耗去向，找出能源消耗異常區域。

   將所有有關(guan) 能源的參數集中在一個(ge) 看板中，從(cong) 多個(ge) 維度對比分析，實現各個(ge) 工藝環節的能耗對比，幫助領導掌控整個(ge) 工廠的能源消耗，能源成本，標煤排放等的情況。

   能耗數據統計采集水務中汙水廠、自來水廠、水泵站等的用電、用水、燃氣、冷熱量消耗量，同環比對比分析，能耗總量和能耗強度計算，標煤計算和CO2排放統計趨勢。

   能效分析按計量架構，分別進行能效分析，契合能源管理體(ti) 係要求，可對各車間/職能部門的能效水平進行分析，同比、環比、對標等。通過汙水處理產(chan) 量以及係統采集的能耗數據，在汙水單耗中生成汙水單耗趨勢圖，並進行同比和環比分析，同時將汙水的單耗與(yu) 行業(ye) /國家/指標對標，以便企業(ye) 能夠根據產(chan) 品單耗情況來調整生產(chan) 工藝，從(cong) 而降低能耗。

5.5 智能照明控製

   係統為(wei) 汙水廠、自來水廠、水泵站等提供了照明控製管理方案，支持單控、區域控製、自動控製、感應控製、定時控製、場景控製、調光控製等多種控製方式，模塊可根據經緯度自動識別日出日落時間實現自動控製功能，盡量利用自然光照，實現室內(nei) 、廠區照明的智能控製達到、節能、舒心的目的。

5.6 電氣

5.6.1 電氣火災監測

   監測配電係統回路的漏電電流和線纜溫度，實現對汙水廠、自來水廠、水泵站的電氣預警。

5.6.2 消防應急照明和疏散指示

   根據預先設置的應急預案快速啟動疏散方案引導人員疏散。係統接入消防應急照明指示係統數據，通過平麵圖顯示疏散指示燈具工作狀態和異常情況。

5.6.3 消防設備電源監測

   監測消防設備的工作電源是否正常，保障在發生火災時消防設備可以正常投入使用。

5.6.4 防火門監控係統

   防火門監控係統集中控製其各終端設備即防火門監控模塊、電動閉門器、電磁釋放器的工作狀態，實時監測疏散通道防火門的開啟、關(guan) 閉及故障狀態，顯示終端設備開路、短路等故障信號。係統采用消防二總線將具有通信功能的監控模塊相互連接起來，當終端設備發生短路、斷路等故障時，防火門能發出信號，能指示部位並保存信息，保障了電氣的可靠性。

5.6.5 環境監測

   汙水廠、自來水廠、水泵站等場所溫濕度、煙霧、積水浸水、、UPS電池間可燃氣體(ti) 濃度展示和預警，保障汙水廠、自來水廠、水泵站等運行。當可燃氣體(ti) 或有害氣體(ti) 濃度超標可自動啟動排風風機或新風係統，排除隱患，保持良好的水處理環境。

5.6.6 分布式光伏監測

   實時監測低壓並網櫃每路的電流、電壓、功率等電氣參數及斷路器開關(guan) 狀態，逆變器運行監視，對逆變器直流側(ce) 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、當前發電功率、累計發電量進行監測，以曲線方式繪製上述監測的各個(ge) 參量的曆史數據。

   平台結合廠區實際分布情況，通過3D或2.5D平麵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、並網點位置，各個(ge) 屋頂的裝機容量。

5.6.7 工藝仿真監控

   平台通過2D、3D方式實時監視粗格柵、汙水提升、細格柵、曝氣沉砂、改良生化處理、二沉、加接觸、汙泥濃縮壓濾、生物等工藝設備運行狀態。在格柵清渣機、汙水提升泵、回流泵、曝氣風機、加藥泵、濃縮壓濾機、吸沙泵、吸泥泵等低壓電動機控製櫃或低壓饋電櫃安裝電動機保護，進行短路、過流、過載、起動超時、斷相、不平衡、低功率、接地/漏電、te保護、堵轉、逆序、溫度等保護以及外部故障連鎖停機，與(yu) PLC、軟啟、變頻器等配合，實現電動機自動或遠程控製，監視、控製各個(ge) 工藝設備,保障正常生產(chan) 。

5.7  產(chan) 品清單

6結語

   數字化、低碳雙轉型背景下，研究智能配電係統在水務行業(ye) 的應用，分析其存在的問題和發展趨勢，對於(yu) 水提高務行業(ye) 能源利用水平、管理水平具有重要意義(yi) 。智能配電係統在水務行業(ye) 的應用雖然取得一些成績，但依然明顯落後於(yu) 時代發展的要求，需要產(chan) 品研發、生產(chan) ，工程投資、設計、建設、運營各方的推動與(yu) 支持，促進智能配電係統在水務行業(ye) 的應用與(yu) 推廣，為(wei) 水務行業(ye) 的智慧化建設和低碳運行提供有力保障。

安科瑞侯文莉