任運業(yè)

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(xiàn)狀，調(diào)研智能配電設備元件情況，采用一種智能化的配電系統(tǒng)架構(gòu)，輔以電力監(jiān)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(tǒng)；運維管理；配電設備資產(chǎn)管理；能源效率管理；電能質(zhì)量管理；智能元件選型；系統(tǒng)架構(gòu)

引言

供水廠作為重要的市政設施，與經(jīng)濟建設、民生發(fā)展密切相關，經(jīng)過多年建設，國內(nèi)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(tǒng)的可行性。

1. 項目背景

本文研究的智能配電系統(tǒng)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(fā)展起來的大型水廠，日供水量100余萬噸，承擔上海西南城區(qū)的供水重任。供水廠概覽如圖1所示，供水廠35kV變電所系統(tǒng)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(nèi)設置2×16000kVA主變，35kV側(cè)采用內(nèi)橋接線，6kV側(cè)采用單母線分段接線，外部供電可靠性較高。但由于歷經(jīng)60年不斷擴建改造，水廠內(nèi)部現(xiàn)狀配電系統(tǒng)較為老舊，且廠區(qū)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(xù)供電、保障生產(chǎn)帶來較大隱患。鑒于上述情況，擬結(jié)合本次水廠工藝提標工程實施廠內(nèi)配電系統(tǒng)的智能化改造。

圖1供水廠概念圖

二、傳統(tǒng)配電系統(tǒng)問題分析

傳統(tǒng)配電系統(tǒng)可靠性主要依賴硬件產(chǎn)品的質(zhì)量和性能，常規(guī)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(jīng)驗的一線運維人員呈現(xiàn)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(chǎn)企業(yè)，傳統(tǒng)配電系統(tǒng)缺乏數(shù)據(jù)收集、分析功能，因而無法進行電力的合理調(diào)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(chǎn)管理，也是傳統(tǒng)配電系統(tǒng)面臨的一大挑戰(zhàn)。根據(jù)生產(chǎn)工藝需要，現(xiàn)代化水廠中精密的設備設施如臭氧發(fā)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(zhì)量要求較高，而傳統(tǒng)配電系統(tǒng)尤其是低壓側(cè)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(zhì)量較為敏感的設備設施。

三、智能配電系統(tǒng)架構(gòu)

近年來，隨著制造工藝的提高、信息技術(shù)的發(fā)展，便有了結(jié)合*新的技術(shù)設計新型智能配電系統(tǒng)的可能性。由于國家目前尚未頒布相關智能配電系統(tǒng)的標準，本文結(jié)合傳統(tǒng)配電系統(tǒng)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(tǒng)的架構(gòu)方案，主要功能如表1所示。通過智能系統(tǒng)的上述管理，可提高供電的可靠性和安全性，提升供水企業(yè)的運營效率和設備使用效率，提高生產(chǎn)性企業(yè)的能源利用率。上述架構(gòu)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(tǒng)與大數(shù)據(jù)和人工智能的有機結(jié)合實現(xiàn)，如圖3所示。

表1

圖3

1. 上海市某大型供水廠智能配電系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

1智能配電系統(tǒng)設計拓撲

經(jīng)調(diào)研目前主流配電設備制造商的智能配電系統(tǒng)領域產(chǎn)品線及其配套的軟件系統(tǒng)，本工程智能配電系統(tǒng)設計方案采用了圖4所示的系統(tǒng)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(jīng)濟合理為基本原則，既要保證系統(tǒng)功能的實現(xiàn)，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(tài)，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(tǒng)通過設置內(nèi)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(shù)字化框架斷路器選型

框架斷路器選用*新的數(shù)字化框架斷路器，功能選擇上主要包括傳統(tǒng)的三段式保護、框架三遙及老化分析、斷路器狀態(tài)指示、故障預警、電能采集等，配合后臺系統(tǒng)實現(xiàn)監(jiān)測、預警、控制、老化分析、故障診斷等功能。

圖2供水廠現(xiàn)狀35kV變電所系統(tǒng)圖

（3）合理選配智能電力儀表

電力儀表的選用根據(jù)不同回路合理搭配，具體如表2所示。

（4）通信元件及網(wǎng)關選型

通信網(wǎng)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(shù)據(jù)的設備提供支持，實現(xiàn)性能可靠、經(jīng)濟快捷的以太網(wǎng)連接。

（5）智能化電動機保護控制器

電動機保護器可以實現(xiàn)電機的熱過載、啟動過流、堵轉(zhuǎn)(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(chǎn)品還具備運行狀態(tài)記錄功能，主要包括電機帶載時長、電機啟停頻次、故障狀態(tài)等，并通過通信接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳，同時接受系統(tǒng)遙控。

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(tǒng)的調(diào)配，可基本實現(xiàn)智能配電的系統(tǒng)設計。

3系統(tǒng)功能描述

系統(tǒng)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(tǒng)解決方案，提供設備的運行監(jiān)測、設備性能、能源利用分析和電能質(zhì)量分析信息等，供決策者參考使用。本工程智能配電系統(tǒng)在傳統(tǒng)電力監(jiān)控系統(tǒng)的基礎上，通過收集智能硬件中的有效信息，實現(xiàn)就地的智能化電力監(jiān)控系統(tǒng)，可以提供多方位的實時狀態(tài)監(jiān)測，為供水廠配電系統(tǒng)運行提供高可靠和高性能的監(jiān)視和控制解決方案。通過可視化電力系統(tǒng)監(jiān)控界面，可以提供水廠35kV及6kV變配電單線圖系統(tǒng)顯示、0.4kV各個配電室配電單線圖系統(tǒng)顯示、各個回路運行狀態(tài)顯示及細節(jié)參數(shù)顯示、主要設備(高壓綜保、低壓表計、交直流屏、變壓器等)狀態(tài)和運行參數(shù)顯示、報警信息及事件記錄信息顯示、數(shù)據(jù)報表顯示等。當系統(tǒng)出現(xiàn)斷路器故障、綜保裝置動作，或者出現(xiàn)其他報警信號時，報警界面強制彈出，并根據(jù)故障等級發(fā)出相應報警聲響信號。系統(tǒng)會收集統(tǒng)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(shù)如電流、電壓、功率和負荷曲線并生成運行報表。系統(tǒng)自診斷功能可以根據(jù)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(diào)查。系統(tǒng)通過分級授權(quán)的安全保障措施，確保能夠安全穩(wěn)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(tǒng)能提供多種形式的能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計，可按生產(chǎn)區(qū)域統(tǒng)計、設備類型統(tǒng)計、時段能耗統(tǒng)計等，并提供便于用戶觀察的圖形表現(xiàn)方式。能源流監(jiān)視功能通過對能源流的圖形化呈現(xiàn)，將從能源介質(zhì)、生產(chǎn)工序和綜合能源三個方面實現(xiàn)能源流的可視化，直觀地體現(xiàn)系統(tǒng)的能源平衡狀況。系統(tǒng)將離散的能源信息通過有效的分級和組織，變成動態(tài)生動的數(shù)據(jù)，反映能源干線中各個用能設備的用能特點。系統(tǒng)投運后獲得相當數(shù)量的數(shù)據(jù)信息后，能源數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)能夠統(tǒng)計分析不同的因素對能源使用狀況的影響。如季節(jié)、水質(zhì)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(yōu)化能源使用。

運維管理系統(tǒng)主要用于向運維人員進行設備維護、資產(chǎn)管理提供決策依據(jù)。斷路器在配電系統(tǒng)中起著決定性作用，設備老化監(jiān)控系統(tǒng)通過對斷路器絕緣性能、機械性能、電性能的quan方位監(jiān)控，通過建模分析，提供斷路器的老化程度監(jiān)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(jù)資產(chǎn)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(tǒng)的云端化，僅做接口預留，待后期充分論證后再行實施。

1. 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(chǎn)品生態(tài)體系，AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平臺通過在污水廠源、網(wǎng)、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，重點監(jiān)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(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(tǒng)運行狀況，并且根據(jù)權(quán)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(tǒng)

（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(diào)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、異常報警等數(shù)據(jù)。

（2）電能質(zhì)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、閃變和容忍度指標分析其電能質(zhì)量，并配置對應的電能質(zhì)量治理措施提高供電電能質(zhì)量。

（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)測和報警。高效、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(chǎn)。

（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。

能效分析按三級計量架構(gòu)，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(chǎn)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)/先進指標對標，以便企業(yè)能夠根據(jù)產(chǎn)品單耗情況來調(diào)整生產(chǎn)工藝，從而降低能耗。

（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(diào)光控制等多種控制方式，模塊可根據(jù)經(jīng)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(nèi)、廠區(qū)照明的智能控制達到安全、節(jié)能、舒適、高效的目的。

5電氣安全

（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、水泵站的電氣安全預警。

（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。

（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。

6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，防火門監(jiān)控器能發(fā)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(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、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(tǒng)，排除隱患，保持良好的水處理環(huán)境。

8分布式光伏監(jiān)測

實時監(jiān)測低壓并網(wǎng)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(cè)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(jié)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(wǎng)點位置，各個屋頂?shù)难b機容量。

9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、加氯接觸消毒、污泥濃縮壓濾、生物除臭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(zhuǎn)、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(chǎn)。

1. 相關平臺部署硬件選型清單

1.電力監(jiān)控、電能質(zhì)量、電動機管理及配電室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)

2.智能照明系統(tǒng)

3.電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)

4.消防設備電源監(jiān)控系統(tǒng)

5.防火門監(jiān)控系統(tǒng)

6.消防應急照明和疏散指示系統(tǒng)

1. 結(jié)語

本文通過分析大型供水廠傳統(tǒng)配電系統(tǒng)存在的問題，采用了一種智能化配電系統(tǒng)的架構(gòu)，在調(diào)研市場上可以實現(xiàn)應用的智能化硬件產(chǎn)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(tǒng)化安裝，安裝完成后將進行智能系統(tǒng)的調(diào)試，以驗證設計的可行性。本工程投運后，將持續(xù)對系統(tǒng)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(tǒng)應用，以期產(chǎn)生更大的經(jīng)濟效益和社會效益。

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作者簡介

任運業(yè)，男，現(xiàn)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(yè)的應用。