吳柯霓
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，智能配電系統在水務行業中發揮日益突出的重要作用。本文首先回顧了智能配電系統在水務行業的發展歷程，并對其應用現狀進行了分析，進而展望了智能配電系統在水務行業的發展趨勢。
關鍵詞：智能配電系統；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新的理念。智能配電系統將智能化手段應用于常規配電系統，不僅有助于提高系統的安全性、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不同階段的應用狀況。最后對數字化、智能化及“雙碳”背景下，智能配電系統在水務行業中的發展方向和亟待解決的問題進行了分析和探討。
2智能配電系統的起源和定義
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為“集成了傳統的現代電力工程技術、高級傳感和監視技術、信息與通信技術的輸配電系統，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，從高壓配電系統擴展至低壓配電系統。雖然目前國內尚無智能配電系統明確的定義，各種文獻資料及集成商的表述亦不盡相同，但經過歸納、整理可以發現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智能配電系統的組成要素及特征
智能配電系統與傳統配電系統的不同之處體現在其智能化。所謂智能化指具有感知能力，具有記憶和思維能力，具有學習能力和自適應能力，具有行為決策能力。智能配電系統在傳統配電系統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的基本組成要素。
2.2智能配電系統的基本架構
盡管對智能配電系統的描述和配置各不相同，但梳理歸納起來智能配電系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行單元，既可實時為系統決策提供完整、準確、可靠的依據，又可及時、準確地實施系統下達的各項指令。
作為數據采集者，智能設備層可實時上傳：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系統的核心，是系統的“大腦”，直接影響配電系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、計算機控制技術，接收、處理設備層上傳的信息，經過處理、數據挖掘，通過畫面呈現、控制指令輸出、信息提示等方式實現不同的功能。由于每個軟件模塊對應不同的功能，因此軟件模塊的數量和質量是決定配電系統智能化水平的關鍵。
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據分析、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控管理層的功能置于云端，這樣可有效降低系統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，通過網關進行協議轉換后利用以太網連接至上層系統；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系統。
2.3智能配電系統的功能
智能配電系統實現了配電系統從功能化向智能化升級，自動化程度高、可靠性、穩定性強、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的層級也不同。
3智能配電系統在水努行業的發展歷程和趨勢
3.1智能配電系統在水務行業的發展歷程
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、穩定，則是影響水務行業運行的關鍵。
水務行業在傳統的配電方式下，電氣系統的運行維護主要依賴運行人員的專業水平和責任心。憑借運行人員日常巡視的眼觀(設備外觀和儀表讀數)、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、臺賬不清、人員更替等，電氣系統的實際情況形同盲區，存在極大的安全隱患。
2000年左右，高壓系統的微機繼電保護和多功能電力儀表的出現，打破了長期以來高壓系統二次回路用各種繼電器搭建，上傳電量參數只能通過互感器加裝變送器的做法。
10kV~35kV配電系統在開關柜上裝設微機繼電保護裝置和多功能電力儀表，通過通信與后臺監控系統連接，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、設定以及控制斷路器分/合閘等，實現系統的遙測、遙信、遙調、遙控，即“四遙”。高壓配電系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級的低壓配電系統中，多功能電力儀表采集的數據通常上傳至高壓的監控系統后臺或水務企業的中控室上位機，僅用于顯示和生成報表，未形成低壓智能配電系統。
但此時的配電系統比傳統的常規系統已有很大進步，不僅免去了運行人員日常抄表的繁重工作，還有助于及時發現問題，以及在事故發生后作出準確判斷。
2010年之后，基于多功能電力儀表的能源管理系統逐漸在水務行業得到應用。這類系統可實現實時及歷史能耗數據查詢、展示、打印，簡單的數據分類管理與分析等功能。這類系統偏重可視化，對數據的分析與處理能力低，只能算作低級別的智能化系統。
此后，為實現低壓系統的遙控，出現了基于PLC的低壓智能配電系統。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，通過軟件實現斷路器遠程分合閘，并且可通過上位機進行控制。這類系統實現了水務行業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，只適用于邏輯關系簡單的小規模系統。
3.2智能配電系統在水務行業的發展現狀
水務行業配電系統智能化，因廠商擅長的領域不同，主要有以下幾種類型：
(1)多功能電力儀表型
智能配電系統基于多功能電力儀表，并納入生產運行所需的其他監測儀表，提供便捷的數據査詢功能，并能根據用戶需求定制超限報警等功能。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挖掘，難以實現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。這類系統在水務行業智能配電系統中應用相對較多。
(2)微機繼電保護型
生產商在35kV~10kV電氣系統保護方面有較強的實力，熟悉、了解系統運行問題和用戶的運維需求。高壓側除常規的功能外，還可實時監測分/合閘線圈、儲能電機、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；同時低壓側也釆取多項監測措施并在監控平臺配置相應的軟件。這類系統具備智能配電系統的四項管理功能，在規模大、高壓設備多的水務企業有明顯應用優勢。
(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研發了智能配電一體機，能夠實現“四遙”，且成本低，適用于水務行業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控系統，適用于水務行業中單體小、數量多、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。他們發揮自身優勢，以智能型開關柜為基礎結合監控平臺組成智能配電系統。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，保證了數據傳輸穩定、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控平臺降低綜合造價。但其監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能力，具有多年的電氣和自控技術積淀，對配電系統智能化有深刻的認識和解讀。搭建的智能配電系統配置靈活，能滿足用戶的不同需求，可實現智能配電系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外電氣品牌，在水務行業應用。
3.3智能配電系統在水務行業的發展趨勢
近年來，隨著水務行業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，水務行業急需向精細化管理轉變。2020年8月，國資委發布《關于加快推進國有企業數字化轉型工作的通知》，要求加快推進國有企業數字化轉型工作。“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，構建智慧水利體系。在國家政策的大力推動和水務行業內生動力作用下，水務行業的數字化、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，智能配電系統的深度、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，不僅為監控管理層提供更豐富的信息，且執行力更強。
在監控管理層，出現了更多針對水務行業節能降耗的軟件產品，如智能泵控系統、曝氣控制、加藥控制等，實現了節能與工藝控制相結合。監控平臺還綜合了企業的電、水、熱、氣、藥及其他監測數據，實現一張圖總覽全局，為搭建智慧水務平臺提供了可靠的技術支撐。
在云端，出現了更多分析與應用增值服務。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，未來生產商在智能配電系統的競爭將集中于算法，這也是體現智能配電系統價值的關鍵。
智能配電系統在水務行業的發展還有一個值得關注的問題：數據安全。水務行業的數據存在敏感性，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的重中之重。對水務行業來說，一方面要充分利用新能源，另一方面要深入挖掘企業自身的節能潛力。光伏、生物質能(沼氣)是水務行業較易取得的清潔能源。與之相適應，智能配電系統需要滿足新能源接入、微網運行等方面的需求。水務行業智能配電改造的運行實踐證明，智能配電在節能降耗方面具有極大優勢，今后需要通過深入挖掘數據價值，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、充的各個關鍵節點安裝保護、監測、分析、治理裝置，用于監測污水廠能耗總量和能耗強度，監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由變電站綜合自動化系統、電力監控及能效管理系統組成，涵蓋了水務中壓變配電系統、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運行狀況，并且根據權限可以適用于水務后勤部門管理需要。
5 平臺子系統
5.1 變電站綜合自動化系統及電力監控
對水務配電系統中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中存在大量諧波，通過監測其配電系統的諧波畸變、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，實現電動機自動或遠程控制，監視、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域。
將所有有關能源的參數集中在一個看板中，從多個維度對比分析，實現各個工藝環節的能耗對比，幫助掌控整個工廠的能源消耗，能源成本，標煤排放等的情況。
能耗數據統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，契合能源管理體系要求，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。通過污水處理產量以及系統采集的能耗數據，在污水單耗中生成污水單耗趨勢圖，并進行同比和環比分析，同時將污水的單耗與行業/國家指標對標，以便企業能夠根據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，模塊可根據經緯度自動識別日出日落時間實現自動控制功能，盡量利用自然光照，實現室內、廠區照明的智能控制達到、節能、舒心的目的。
5.6 電氣
5.6.1 電氣火災監測
監測配電系統回路的漏電電流和線纜溫度，實現對污水廠、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。系統接入消防應急照明指示系統數據，通過平面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 防火門監控系統
防火門監控系統集中控制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、關閉及故障狀態，顯示終端設備開路、短路等故障信號。系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，能指示部位并保存信息，保障了電氣的可靠性。
5.6.5 環境監測
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，排除隱患，保持良好的水處理環境。
5.6.6 分布式光伏監測
實時監測低壓并網柜每路的電流、電壓、功率等電氣參數及斷路器開關狀態，逆變器運行監視，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、當前發電功率、累計發電量進行監測，以曲線方式繪制上述監測的各個參量的歷史數據。
平臺結合廠區實際分布情況，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，各個屋頂的裝機容量。
5.6.7 工藝仿真監控
平臺通過2D、3D方式實時監視粗格柵、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。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，實現電動機自動或遠程控制，監視、控制各個工藝設備,保障正常生產。
5.7 產品清單
6 結語
數字化、低碳雙轉型背景下，研究智能配電系統在水務行業的應用，分析其存在的問題和發展趨勢，對于水提高務行業能源利用水平、管理水平具有重要意義。智能配電系統在水務行業的應用雖然取得一些成績，但依然明顯落后于時代發展的要求，需要產品研發、生產，工程投資、設計、建設、運營各方的推動與支持，促進智能配電系統在水務行業的應用與推廣，為水務行業的智慧化建設和低碳運行提供有力保障。
參考文獻：
[1]張瑋亞.智能配電系統分區電壓控制技術的研究[D].天津大學,2015.
[2]徐進.智能配電系統在水務行業的現狀及發展趨勢
[3]安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2022.05版
作者簡介
吳柯霓，女，安科瑞電氣股份有限公司，從事電氣相關及智慧水務系統研發工作。
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更新時間：2023-05-11
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