王蘭
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：在構建智慧水務和“雙碳"時代背景下，智能配電系統(tǒng)在水務行業(yè)中發(fā)揮日益突出的重要作用。本文首先回顧了智能配電系統(tǒng)在水務行業(yè)的發(fā)展歷程，并對其應用現(xiàn)狀進行了分析，進而展望了智能配電系統(tǒng)在水務行業(yè)的發(fā)展趨勢。
關鍵詞：智能配電系統(tǒng)；水務；現(xiàn)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(xiàn)的一個新的理念。智能配電系統(tǒng)將智能化手段應用于常規(guī)配電系統(tǒng)，不僅有助于提高系統(tǒng)的安全性、可靠性，提高能源利用效率，還有助于用戶提升管理水平。本文首先探討了智能配電系統(tǒng)的起源和定義，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(yè)不同階段的應用狀況。最后對數(shù)字化、智能化及“雙碳"背景下，智能配電系統(tǒng)在水務行業(yè)中的發(fā)展方向和亟待解決的問題進行了分析和探討。
2智能配電系統(tǒng)的起源和定義
2003年6月，在美國“未來能源聯(lián)盟智能電網工作組"發(fā)表的報告中出現(xiàn)了“智能電網"一詞。該報告將智能電網定義為“集成了傳統(tǒng)的現(xiàn)代電力工程技術、高級傳感和監(jiān)視技術、信息與通信技術的輸配電系統(tǒng)，具有更加完善的性能并且能夠為用戶提供一系列增值服務"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輸配電網擴展至用戶端，從高壓配電系統(tǒng)擴展至低壓配電系統(tǒng)。雖然目前國內尚無智能配電系統(tǒng)明確的定義，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(fā)現(xiàn)其在組成要素及特征、基本架構和功能等方面的相似之處。
2.1智能配電系統(tǒng)的組成要素及特征
智能配電系統(tǒng)與傳統(tǒng)配電系統(tǒng)的不同之處體現(xiàn)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，具有學習能力和自適應能力，具有行為決策能力。智能配電系統(tǒng)在傳統(tǒng)配電系統(tǒng)基礎上集成了計算機、網絡、通信、信息、傳感、自動控制、電力電子等領域的先進技術，具有數(shù)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、軟件產品是智能配電系統(tǒng)的基本組成要素。
2.2智能配電系統(tǒng)的基本架構
盡管對智能配電系統(tǒng)的描述和配置各不相同，但梳理歸納起來智能配電系統(tǒng)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(jiān)控管理層組成。近年來隨著網絡技術、大數(shù)據(jù)的應用，又增加了云端應用層。
2.2.1智能設備層
智能設備層是智能配電系統(tǒng)的基石，是實現(xiàn)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、電力儀表、無功補償裝置、濾波裝置、微機繼電保護裝置等電器元件，以及智能型高、低壓開關柜等電氣成套設備。智能設備層包含傳感單元和執(zhí)行單元，既可實時為系統(tǒng)決策提供完整、準確、可靠的依據(jù)，又可及時、準確地實施系統(tǒng)下達的各項指令。
作為數(shù)據(jù)采集者，智能設備層可實時上傳：設備運行參數(shù)（電壓、電流、頻率、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、諧波含量等）、設備運行信息（斷路器分/合閘狀態(tài)、手車位置等）、設備整定信息（斷路器定值參數(shù)等）、設備維護信息（溫度、設備型號、序列號、固件版本號等）等。
作為指令執(zhí)行者，智能設備層可根據(jù)監(jiān)控管理層的指令執(zhí)行參數(shù)設定、定值調整、分/合閘操作等。
2.2.2監(jiān)控管理層
監(jiān)控管理層是智能配電系統(tǒng)的核心，是系統(tǒng)的“大腦"，直接影響配電系統(tǒng)的智能化水平的高低。監(jiān)控管理層通常采用模塊化設計的軟件，結合網絡通信技術、計算機控制技術，接收、處理設備層上傳的信息，經過處理、數(shù)據(jù)挖掘，通過畫面呈現(xiàn)、控制指令輸出、信息提示等方式實現(xiàn)不同的功能。由于每個軟件模塊對應不同的功能，因此軟件模塊的數(shù)量和質量是決定配電系統(tǒng)智能化水平的關鍵。
2.2.3云端應用層
云端應用層通過云端服務平臺進行大數(shù)據(jù)分析、處理，為用戶提供高級的決策指導及技術支持。也有一些生產商將監(jiān)控管理層的功能置于云端，這樣可有效降低系統(tǒng)的初期投資和后期的運行維護成本、易于擴展。
2.2.4通信網絡
智能設備層與監(jiān)控管理層之間的數(shù)據(jù)交換通常采用現(xiàn)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，通過網關進行協(xié)議轉換后利用以太網連接至上層系統(tǒng)；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系統(tǒng)。
2.3智能配電系統(tǒng)的功能
智能配電系統(tǒng)實現(xiàn)了配電系統(tǒng)從功能化向智能化升級，自動化程度高、可靠性、穩(wěn)定性強、界面友好，可為用戶提升能源利用效率和管理水平提供多維度支持。智能配電系統(tǒng)的功能因集成商的理解和側重不同而存在差異，歸納起來主要有能效管理、電能質量管理、電氣資產管理和運行維護管理等方面。前兩者為基本功能，后兩者為更高級別的功能，且上述功能在不同配置下實現(xiàn)的層級也不同。
3智能配電系統(tǒng)在水努行業(yè)的發(fā)展歷程和趨勢
3.1智能配電系統(tǒng)在水務行業(yè)的發(fā)展歷程
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(wěn)定，則是影響水務行業(yè)運行的關鍵。
水務行業(yè)在傳統(tǒng)的配電方式下，電氣系統(tǒng)的運行維護主要依賴運行人員的專業(yè)水平和責任心。憑借運行人員日常巡視的眼觀（設備外觀和儀表讀數(shù)）、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(fā)現(xiàn)潛在隱患。如果管理存在不足，如原始資料缺失、調整未存檔、臺賬不清、人員更替等，電氣系統(tǒng)的實際情況形同盲區(qū)，存在極大的安全隱患。
2000年左右，高壓系統(tǒng)的微機繼電保護和多功能電力儀表的出現(xiàn)，打破了長期以來高壓系統(tǒng)二次回路用各種繼電器搭建，上傳電量參數(shù)只能通過互感器加裝變送器的做法。
10kV~35kV配電系統(tǒng)在開關柜上裝設微機繼電保護裝置和多功能電力儀表，通過通信與后臺監(jiān)控系統(tǒng)連接，可顯示電氣參數(shù)、斷路器分/合閘狀態(tài)，進行各種保護定值的調整、設定以及控制斷路器分/合閘等，實現(xiàn)系統(tǒng)的遙測、遙信、遙調、遙控，即“四遙"。高壓配電系統(tǒng)具備了基本的智能化要素，具有智能設備層和監(jiān)控管理層的架構，可實現(xiàn)能效管理和電能質量管理的基本功能。
在0.4kV級的低壓配電系統(tǒng)中，多功能電力儀表采集的數(shù)據(jù)通常上傳至高壓的監(jiān)控系統(tǒng)后臺或水務企業(yè)的中控室上位機，僅用于顯示和生成報表，未形成低壓智能配電系統(tǒng)。
但此時的配電系統(tǒng)比傳統(tǒng)的常規(guī)系統(tǒng)已有很大進步，不僅免去了運行人員日常抄表的繁重工作，還有助于及時發(fā)現(xiàn)問題，以及在事故發(fā)生后作出準確判斷。
2010年之后，基于多功能電力儀表的能源管理系統(tǒng)逐漸在水務行業(yè)得到應用。這類系統(tǒng)可實現(xiàn)實時及歷史能耗數(shù)據(jù)查詢、展示、打印，簡單的數(shù)據(jù)分類管理與分析等功能。這類系統(tǒng)偏重可視化，對數(shù)據(jù)的分析與處理能力低，只能算作低級別的智能化系統(tǒng)。
此后，為實現(xiàn)低壓系統(tǒng)的遙控，出現(xiàn)了基于PLC的低壓智能配電系統(tǒng)。即在裝設多功能電力儀表的基礎上，低壓斷路器裝設電操，釆用硬接線的方式與PLC連接，通過軟件實現(xiàn)斷路器遠程分合閘，并且可通過上位機進行控制。這類系統(tǒng)實現(xiàn)了水務行業(yè)遠程場站的無人值守，極大降低了人工成本，但存在接線數(shù)量多、故障率高、維護檢修困難等問題，只適用于邏輯關系簡單的小規(guī)模系統(tǒng)。
3.2智能配電系統(tǒng)在水務行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀
水務行業(yè)配電系統(tǒng)智能化，因廠商擅長的領域不同，主要有以下幾種類型：
(1)多功能電力儀表型
智能配電系統(tǒng)基于多功能電力儀表，并納入生產運行所需的其他監(jiān)測儀表，提供便捷的數(shù)據(jù)査詢功能，并能根據(jù)用戶需求定制超限報警等功能。能實現(xiàn)能效管理和電能質量管理的基本功能，但缺乏對數(shù)據(jù)的深入分析與挖掘，難以實現(xiàn)資產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。這類系統(tǒng)在水務行業(yè)智能配電系統(tǒng)中應用相對較多。
(2)微機繼電保護型
生產商在35kV~10kV電氣系統(tǒng)保護方面有較強的實力，熟悉、了解系統(tǒng)運行問題和用戶的運維需求。高壓側除常規(guī)的功能外，還可實時監(jiān)測分/合閘線圈、儲能電機、電動底盤車和電動接地刀電機，監(jiān)測斷路器觸頭溫度、母線接頭溫度等；同時低壓側也釆取多項監(jiān)測措施并在監(jiān)控平臺配置相應的軟件。這類系統(tǒng)具備智能配電系統(tǒng)的四項管理功能，在規(guī)模大、高壓設備多的水務企業(yè)有明顯應用優(yōu)勢。
(3)低壓電氣元件型
這類生產商依靠對低壓斷路器等元件的強大研發(fā)能力不斷對產品進行智能化升級，夯實智能設備層。更有公司針對小型智能配電系統(tǒng)研發(fā)了智能配電一體機，能夠實現(xiàn)“四遙"，且成本低，適用于水務行業(yè)管網上的小型排澇泵站、污水提升泵站等。這種一體機還可通過以太網連接上層監(jiān)控系統(tǒng)，適用于水務行業(yè)中單體小、數(shù)量多、范圍大的使用場景，如井群等。
(4)開關柜型
這類廠商一般是實力較強的開關柜制造商。他們發(fā)揮自身優(yōu)勢，以智能型開關柜為基礎結合監(jiān)控平臺組成智能配電系統(tǒng)。柜內設有通信設備專屬空間，線路簡潔。動力、控制、通信電纜各行其道，避免信號干擾，保證了數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、可靠。此類智能開關柜的價格較高，廠商通常建議配套同品牌的監(jiān)控平臺降低綜合造價。但其監(jiān)控平臺的功能選擇性小，用戶需求受限。
(5)全產品線型
這類生產商具備全部或大部分高、低壓及通信產品的軟硬件研發(fā)能力，具有多年的電氣和自控技術積淀，對配電系統(tǒng)智能化有深刻的認識和解讀。搭建的智能配電系統(tǒng)配置靈活，能滿足用戶的不同需求，可實現(xiàn)智能配電系統(tǒng)全部管理功能的各層級功能。
3.3智能配電系統(tǒng)在水務行業(yè)的發(fā)展趨勢
近年來，隨著水務行業(yè)面臨外部條件日益復雜、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(yè)急需向精細化管理轉變。2020年8月，國務院國資委發(fā)布《關于加快推進國有企業(yè)數(shù)字化轉型工作的通知》，要求加快推進國有企業(yè)數(shù)字化轉型工作。“十四五"規(guī)劃提出通過推進智慧城市建設，推進市政公用設施等物聯(lián)網應用和智能化改造，構建智慧水利體系。在國家政策的大力推動和水務行業(yè)內生動力作用下，水務行業(yè)的數(shù)字化、智能化需求迎來大規(guī)模增長。
隨著技術進步和用戶理念的更新，智能配電系統(tǒng)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，智能型產品種類不斷增多，智能化程度不斷提高，具備互聯(lián)互通特性的產品層出不窮。如釆用無線傳感技術、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并實現(xiàn)超閾值及時切除的智能控制器，智能測溫母線等。智能設備層的擴充和深化，不僅為監(jiān)控管理層提供更豐富的信息，且執(zhí)行力更強。
在監(jiān)控管理層，出現(xiàn)了更多針對水務行業(yè)節(jié)能降耗的軟件產品，如智能泵控系統(tǒng)、曝氣控制、加藥控制等，實現(xiàn)了節(jié)能與工藝控制相結合。監(jiān)控平臺還綜合了企業(yè)的電、水、熱、氣、藥及其他監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)一張圖總覽全局，為搭建智慧水務平臺提供了可靠的技術支撐。
在云端，出現(xiàn)了更多分析與應用增值服務。網絡亦由互聯(lián)網向物聯(lián)網發(fā)展。
智能化三大關鍵要素：數(shù)據(jù)、算力、算法。智能設備層的發(fā)展使得底層數(shù)據(jù)的收集不再是障礙；計算機技術和網絡技術的發(fā)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?？梢灶A見，未來生產商在智能配電系統(tǒng)的競爭將集中于算法，這也是體現(xiàn)智能配電系統(tǒng)價值的關鍵。
智能配電系統(tǒng)在水務行業(yè)的發(fā)展還有一個值得關注的問題：數(shù)據(jù)安全。水務行業(yè)的數(shù)據(jù)存在敏感性，對數(shù)據(jù)安全要求高。未來如何保證數(shù)據(jù)安全，打消用戶的疑慮，將是生產商需要努力解決的問題。
在“雙碳"目標驅動下，減碳將成為水務行業(yè)的重中之重。對水務行業(yè)來說，一方面要充分利用新能源，另一方面要深入挖掘企業(yè)自身的節(jié)能潛力。光伏、生物質能(沼氣)是水務行業(yè)較易取得的清潔能源。與之相適應，智能配電系統(tǒng)需要滿足新能源接入、微網運行等方面的需求。水務行業(yè)智能配電改造的運行實踐證明，智能配電在節(jié)能降耗方面具有極大優(yōu)勢，今后需要通過深入挖掘數(shù)據(jù)價值，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臺
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品體系，AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平臺通過在污水廠源、網、荷、儲、充的各個關鍵節(jié)點安裝保護、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度，監(jiān)測主要用能設備能效，保護污水廠運行可靠，提高污水廠能效，為污水處理的能效管理提供科學、精細的解決方案。
AcrelEMS智慧水務綜合能效管理系統(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，涵蓋了水務中壓變配電系統(tǒng)、電氣、應急電源、能源管理、照明控制、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臺、一個APP實時了解水務配電系統(tǒng)運行狀況，并且根據(jù)權限可以適用于水務后勤部門管理需要。
5 平臺子系統(tǒng)
5.1 變電站綜合自動化系統(tǒng)及電力監(jiān)控
對水務配電系統(tǒng)中35kV、10kV電壓等級配置繼電保護和弧光保護，實現(xiàn)遙測、遙信、遙控、遙調等功能，對異常情況及時預警。
監(jiān)測變壓器、水泵、鼓風機的電流、電壓、有功/無功功率、功率因數(shù)、負荷率、溫度、三相平衡、異常等數(shù)據(jù)。
5.2 電能質量監(jiān)測與治理
水務中大量的大功率電機、水泵變頻啟動導致配電系統(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、閃變和容度指標分析其電能質量，并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(jiān)控實現(xiàn)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(jiān)測和。準確地反映出故障狀態(tài)、故障時間、故障地點、及相關信息，對電機進行健康診斷和預防性維護。同時支持與PLC、軟啟、變頻器等配合，實現(xiàn)電動機自動或遠程控制，監(jiān)視、控制各個工藝設備,保障正常生產。
5.4 能耗管理
為水務搭建計量體系，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(qū)域。
將所有有關能源的參數(shù)集中在一個看板中，從多個維度對比分析，實現(xiàn)各個工藝環(huán)節(jié)的能耗對比，幫助領導掌控整個工廠的能源消耗，能源成本，標煤排放等的情況。
能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計采集水務中污水廠、自來水廠、水泵站等的用電、用水、燃氣、冷熱量消耗量，同環(huán)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(tǒng)計趨勢。
能效分析按計量架構，分別進行能效分析，契合能源管理體系要求，可對各車間/職能部門的能效水平進行分析，同比、環(huán)比、對標等。通過污水處理產量以及系統(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)/國家指標對標，以便企業(yè)能夠根據(jù)產品單耗情況來調整生產工藝，從而降低能耗。
5.5 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、感應控制、定時控制、場景控制、調光控制等多種控制方式，模塊可根據(jù)經緯度自動識別日出日落時間實現(xiàn)自動控制功能，盡量利用自然光照，實現(xiàn)室內、廠區(qū)照明的智能控制達到、節(jié)能、舒心的目的。
5.6 電氣
5.6.1 電氣火災監(jiān)測
監(jiān)測配電系統(tǒng)回路的漏電電流和線纜溫度，實現(xiàn)對污水廠、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(jù)預先設置的應急預案快速啟動疏散方案引導人員疏散。系統(tǒng)接入消防應急照明指示系統(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。
5.6.3 消防設備電源監(jiān)測
監(jiān)測消防設備的工作電源是否正常，保障在發(fā)生火災時消防設備可以正常投入使用。
5.6.4 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)，實時監(jiān)測疏散通道防火門的開啟、關閉及故障狀態(tài)，顯示終端設備開路、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，當終端設備發(fā)生短路、斷路等故障時，防火門能發(fā)出信號，能指示部位并保存信息，保障了電氣的可靠性。
5.6.5 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、、UPS電池間可燃氣體濃度展示和預警，保障污水廠、自來水廠、水泵站等運行。當可燃氣體或有害氣體濃度超標可自動啟動排風風機或新風系統(tǒng)，排除隱患，保持良好的水處理環(huán)境。
5.6.6 分布式光伏監(jiān)測
實時監(jiān)測低壓并網柜每路的電流、電壓、功率等電氣參數(shù)及斷路器開關狀態(tài)，逆變器運行監(jiān)視，對逆變器直流側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)、當前發(fā)電功率、累計發(fā)電量進行監(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)。
平臺結合廠區(qū)實際分布情況，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、并網點位置，各個屋頂?shù)难b機容量。
5.6.7 工藝仿真監(jiān)控
平臺通過2D、3D方式實時監(jiān)視粗格柵、污水提升、細格柵、曝氣沉砂、改良生化處理、二沉、加接觸、污泥濃縮壓濾、生物等工藝設備運行狀態(tài)。在格柵清渣機、污水提升泵、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制柜或低壓饋電柜安裝電動機保護，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PLC、軟啟、變頻器等配合，實現(xiàn)電動機自動或遠程控制，監(jiān)視、控制各個工藝設備,保障正常生產。
5.7 產品清單
6結語
數(shù)字化、低碳雙轉型背景下，研究智能配電系統(tǒng)在水務行業(yè)的應用，分析其存在的問題和發(fā)展趨勢，對于水提高務行業(yè)能源利用水平、管理水平具有重要意義。智能配電系統(tǒng)在水務行業(yè)的應用雖然取得一些成績，但依然明顯落后于時代發(fā)展的要求，需要產品研發(fā)、生產，工程投資、設計、建設、運營各方的推動與支持，促進智能配電系統(tǒng)在水務行業(yè)的應用與推廣，為水務行業(yè)的智慧化建設和低碳運行提供有力保障。
參考文獻：
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