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淺談智能配電能效系統在供水廠的設計與應用

更新時間：2023-11-06

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吳柯霓

安科瑞電氣股份有限公司上海嘉定 201800

摘要：分析重要市政設施用電安全現狀，調研智能配電設備元件情況，采用一種智能化的配電系統架構，輔以電力監控、能耗管理、設備運維等多維度管理手段，并將其應用于上海市某大型供水廠改造工程。

關鍵詞：大型供水廠；智能配電系統；運維管理；配電設備資產管理；能源效率管理；電能質量管理；智能元件選型；系統架構

引言

供水廠作為重要的市政設施，與經濟建設、民生發展密切相關，經過多年建設，國內各主要城市供水廠整體處理能力基本滿足社會需求，近階段建設重點集中在工藝提標、設備設施自動化與智能化等方面。本文以上海市某大型供水廠工程實例為切入點，探索在重要基礎設施項目中應用新型智能配電系統的可行性。

項目背景

本文研究的智能配電系統依托項目系上海市某大型供水廠深度處理改造工程，該水廠始建于1959年，是新中國成立后由我國自行設計建造并逐漸擴建發展起來的大型水廠，日供水量100余萬噸，承擔上海西南城區的供水重任。供水廠概覽如圖1所示，供水廠35kV變電所系統如圖2所示。供水廠目前設有一座35/6kV受電變電所，接受上一級變電所兩路相互獨立的35kV電源，受電變電所內設置2×16000kVA主變，35kV側采用內橋接線，6kV側采用單母線分段接線，外部供電可靠性較高。但由于歷經60年不斷擴建改造，水廠內部現狀配電系統較為老舊，且廠區面積大(占地約272畝)、單體多，配電設施繁多，導致維護難度大，給水廠連續供電、保障生產帶來較大隱患。鑒于上述情況，擬結合本次水廠工藝提標工程實施廠內配電系統的智能化改造。

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圖1 供水廠概念圖

二、傳統配電系統問題分析

傳統配電系統可靠性主要依賴硬件產品的質量和性能，常規情況下基本能滿足供水廠用電需求，但也日益暴露出各種問題。目前，各大水務集團都在推行無人或少人值守的運行方式，而配電設備卻逐年增加且有經驗的一線運維人員呈現明顯的老齡化，從而導致設備更新維護滯后，帶來電力中斷的隱患點。供水廠屬于電力負荷密集型生產企業，傳統配電系統缺乏數據收集、分析功能，因而無法進行電力的合理調配，能源運行效率較低。大型水廠的配電設施繁多，如何進行有效的電氣資產管理，也是傳統配電系統面臨的一大挑戰。根據生產工藝需要，現代化水廠中精密的設備設施如臭氧發生器、紫外消毒器、各種測量儀表等日益增多，這些設備對電能質量要求較高，而傳統配電系統尤其是低壓側缺少諧波、電壓擾動等方面的檢測與診斷措施，容易損傷對電能質量較為敏感的設備設施。

三、智能配電系統架構

近年來，隨著制造工藝的提高、信息技術的發展，便有了結合*新的技術設計新型智能配電系統的可能性。由于國家目前尚未頒布相關智能配電系統的標準，本文結合傳統配電系統存在的問題，并綜合考慮供水廠實際運行的需要，給出一種智能配電系統的架構方案，主要功能如表1所示。通過智能系統的上述管理，可提高供電的可靠性和安全性，提升供水企業的運營效率和設備使用效率，提高生產性企業的能源利用率。上述架構的物理實施方案可通過智能化的電力設備、集成化的控制系統與大數據和人工智能的有機結合實現，如圖3所示。

序號	功能模塊	性能描述
1	運行維護管理	①運行狀態及現場報警管理； ②斷路器等主要設備老化分析及故障預警管理； ③實時/歷史數據、歷史故障記錄、運行報表及查詢管理功能； ④圖紙資料及信息管理，相關信息可通過柜門二維碼快速訪問； ⑤電力設備維護和預防性維護過程信息管理； ⑥基于物理設施的單線圖管理； ⑦配電室運行日報、報警周報； ⑧手機等移動終端監測，自動/人工生成工單及派單，實現無人值守
2	配電設備資產管理	①電氣資產設備安裝信息、靜態動態參數配置信息； ②可通過Web端登錄、APP二維碼掃描等方式多維度查詢及生成資產報告； ③設備健康度管理
3	能源效率管理	①能源數據監測、采集； ②電能分析和展示功能； ③能耗報告
4	電能質量管理	①故障錄波、瞬時波形分析功能； ②電壓合格率對比分析(驟變分析報告)； ③諧波分析

表1

圖3

上海市某大型供水廠智能配電系統設計與實現

1智能配電系統設計拓撲

經調研目前主流配電設備制造商的智能配電系統領域產品線及其配套的軟件系統，本工程智能配電系統設計方案采用了圖4所示的系統拓撲。

2主要硬件設備選型

各類硬件可選配的功能十分豐富，本工程實施過程中設備選型以經濟合理為基本原則，既要保證系統功能的實現，又要避免配置過高造成浪費。

（1）智能中壓斷路器選型

本工程6kV中壓斷路器選配斷路器操作智能檢測、配電柜智能檢測、溫度智能檢測功能。智能操作檢測功能可以實時顯示零部件健康狀態，預判線圈及儲能電機壽命趨勢。配電柜智能檢測功能主要用于檢測斷路器與開關的配合是否到位，避免“虛接"導致的溫升及絕緣事故。溫度智能檢測系統通過設置內嵌式傳感器，檢測斷路器觸臂、母排溫度，以確保開關設備的絕緣性能。

（2）數字化框架斷路器選型

框架斷路器選用*新的數字化框架斷路器，功能選擇上主要包括傳統的三段式保護、框架三遙及老化分析、斷路器狀態指示、故障預警、電能采集等，配合后臺系統實現監測、預警、控制、老化分析、故障診斷等功能。

圖2供水廠現狀35kV變電所系統圖

（3）合理選配智能電力儀表

電力儀表的選用根據不同回路合理搭配，具體如表2所示。

（4）通信元件及網關選型

通信網關為儀表、綜保裝置、脫扣器、電機控制器等需要迅速有效傳輸數據的設備提供支持，實現性能可靠、經濟快捷的以太網連接。

（5）智能化電動機保護控制器

電動機保護器可以實現電機的熱過載、啟動過流、堵轉(過流)、過頻啟動限制、啟動超時、剩余電流動作保護(可配外置剩余電流動作互感器)、電流不平衡、缺相等保護功能。該系列產品還具備運行狀態記錄功能，主要包括電機帶載時長、電機啟停頻次、故障狀態等，并通過通信接口實現數據上傳，同時接受系統遙控。

序號	線路級別	功能配置
1	進線回路	①遙測、遙信、遙控； ②全電氣量測量，諧波畸變、電壓波動檢測，擾動方向判定； ③數據記錄，時間記錄，趨勢預測
2	重要出線回路	①遙測； ②全電氣量測量，諧波畸變、電壓波動檢測
3	一般出線回路	①遙測； ②全電氣量測量，諧波畸變
4	二、三級配電回路	①測量三相系統有功電能

表2 智能電力儀表選配原則

通過一系列智能化的硬件組合使用，輔以系統的調配，可基本實現智能配電的系統設計。

3系統功能描述

系統建成后可向建設單位和運行單位提供完整的智能配電系統解決方案，提供設備的運行監測、設備性能、能源利用分析和電能質量分析信息等，供決策者參考使用。本工程智能配電系統在傳統電力監控系統的基礎上，通過收集智能硬件中的有效信息，實現就地的智能化電力監控系統，可以提供多方位的實時狀態監測，為供水廠配電系統運行提供高可靠和高性能的監視和控制解決方案。通過可視化電力系統監控界面，可以提供水廠35kV及6kV變配電單線圖系統顯示、0.4kV各個配電室配電單線圖系統顯示、各個回路運行狀態顯示及細節參數顯示、主要設備(高壓綜保、低壓表計、交直流屏、變壓器等)狀態和運行參數顯示、報警信息及事件記錄信息顯示、數據報表顯示等。當系統出現斷路器故障、綜保裝置動作，或者出現其他報警信號時，報警界面強制彈出，并根據故障等級發出相應報警聲響信號。系統會收集統計各回路各時段的電度值、每臺變壓器回路周期性*大/*小/平均取樣電流、各測量回路電氣參數如電流、電壓、功率和負荷曲線并生成運行報表。系統自診斷功能可以根據報錯信息確定故障部位，然后報警和閉鎖故障元件，保證其它部分正常工作，降低故障影響范圍，同時記錄故障點、故障類型，供運維人員調查。系統通過分級授權的安全保障措施，確保能夠安全穩定運行，同時對操作員的重要操作進行記錄，以供需要時查閱。

能耗分析系統能提供多種形式的能耗數據統計，可按生產區域統計、設備類型統計、時段能耗統計等，并提供便于用戶觀察的圖形表現方式。能源流監視功能通過對能源流的圖形化呈現，將從能源介質、生產工序和綜合能源三個方面實現能源流的可視化，直觀地體現系統的能源平衡狀況。系統將離散的能源信息通過有效的分級和組織，變成動態生動的數據，反映能源干線中各個用能設備的用能特點。系統投運后獲得相當數量的數據信息后，能源數據分析系統能夠統計分析不同的因素對能源使用狀況的影響。如季節、水質變比、溫度等對水廠耗能情況的影響，從而輔助運行單位分析預測和優化能源使用。

運維管理系統主要用于向運維人員進行設備維護、資產管理提供決策依據。斷路器在配電系統中起著決定性作用，設備老化監控系統通過對斷路器絕緣性能、機械性能、電性能的監控，通過建模分析，提供斷路器的老化程度監視，并定期向運維人員推送老化分析報告。維護計劃管理功能通過設備壽命周期計算設置警告閾值，提供維護計劃和隨工管理，也可以設定周期性巡檢維護(根據資產信息，自動生成計劃)，以及自動/人工生成工單及派單，提供清晰準確的工作日程。

考慮到供水廠信息的敏感性，本次暫未實施系統的云端化，僅做接口預留，待后期充分論證后再行實施。

AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平臺

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品生態體系，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，重點監測主要用能設備能效，保護污水廠運行安全可靠，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。

2平臺組成

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、電氣安全、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。

3平臺拓撲圖

4平臺子系統

（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、異常報警等數據。

（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、閃變和容忍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。

（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、監測和報警。高效、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。

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（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。

能效分析按三級計量架構，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/先進指標對標，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）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安全、節能、舒適、高效的目的。

5電氣安全

（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、水泵站的電氣安全預警。

（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。

（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。

6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，防火門監控器能發出報警信號，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。

7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、視頻、UPS電池間可燃氣體濃度展示和預警，保障污水廠、自來水廠、水泵站等安全運行。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。

8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。

9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、加氯接觸消毒、污泥濃縮壓濾、生物除臭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。

相關平臺部署硬件選型清單

1.電力監控、電能質量、電動機管理及配電室環境監控系統

2.智能照明系統

3.電氣火災監控系統

結語

本文通過分析大型供水廠傳統配電系統存在的問題，采用了一種智能化配電系統的架構，在調研市場上可以實現應用的智能化硬件產品的基礎上，依托上海某大型供水廠深度處理改造工程進行功能設計，目前本工程硬件設備已基本組裝完成，正在進行系統化安裝，安裝完成后將進行智能系統的調試，以驗證設計的可行性。本工程投運后，將持續對系統進行跟蹤反饋，加以完善，并嘗試推廣類似的重要市政工程配電系統應用，以期產生更大的經濟效益和社會效益。

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作者簡介

吳柯霓，女，現任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要研究智能配電在水利行業的應用

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