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浅谈智能配电能效系统在供水厂的设计与应用
更新日期：2023-11-06 浏览量：153吴柯霓
安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201800
摘要：分析重要市政设施用电安全现状，调研智能配电设备元件情况，采用一种智能化的配电系统架构，辅以电力监控、能耗管理、设备运维等多维度管理手段，并将其应用于上海市某大型供水厂改造工程。
关键词：大型供水厂；智能配电系统；运维管理；配电设备资产管理；能源效率管理；电能质量管理；智能元件选型；系统架构
引言
供水厂作为重要的市政设施，与经济建设、民生发展密切相关，经过多年建设，国内各主要城市供水厂整体处理能力基本满足社会需求，近阶段建设重点集中在工艺提标、设备设施自动化与智能化等方面。本文以上海市某大型供水厂工程实例为切入点，探索在重要基础设施项目中应用新型智能配电系统的可行性。
项目背景
本文研究的智能配电系统依托项目系上海市某大型供水厂深度处理改造工程，该水厂始建于1959年，是新中国成立后由我国自行设计建造并逐渐扩建发展起来的大型水厂，日供水量100余万吨，承担上海西南城区的供水重任。供水厂概览如图1所示，供水厂35kV变电所系统如图2所示。供水厂目前设有一座35/6kV受电变电所，接受上一级变电所两路相互独立的35kV电源，受电变电所内设置2×16000kVA主变，35kV侧采用内桥接线，6kV侧采用单母线分段接线，外部供电可靠性较高。但由于历经60年不断扩建改造，水厂内部现状配电系统较为老旧，且厂区面积大(占地约272亩)、单体多，配电设施繁多，导致维护难度大，给水厂连续供电、保障生产带来较大隐患。鉴于上述情况，拟结合本次水厂工艺提标工程实施厂内配电系统的智能化改造。
图1 供水厂概念图
二、传统配电系统问题分析
传统配电系统可靠性主要依赖硬件产品的质量和性能，常规情况下基本能满足供水厂用电需求，但也日益暴露出各种问题。目前，各大水务集团都在推行无人或少人值守的运行方式，而配电设备却逐年增加且有经验的一线运维人员呈现明显的老龄化，从而导致设备更新维护滞后，带来电力中断的隐患点。供水厂属于电力负荷密集型生产企业，传统配电系统缺乏数据收集、分析功能，因而无法进行电力的合理调配，能源运行效率较低。大型水厂的配电设施繁多，如何进行有效的电气资产管理，也是传统配电系统面临的一大挑战。根据生产工艺需要，现代化水厂中精密的设备设施如臭氧发生器、紫外消毒器、各种测量仪表等日益增多，这些设备对电能质量要求较高，而传统配电系统尤其是低压侧缺少谐波、电压扰动等方面的检测与诊断措施，容易损伤对电能质量较为敏感的设备设施。
三、智能配电系统架构
近年来，随着制造工艺的提高、信息技术的发展，便有了结合*新的技术设计新型智能配电系统的可能性。由于国家目前尚未颁布相关智能配电系统的标准，本文结合传统配电系统存在的问题，并综合考虑供水厂实际运行的需要，给出一种智能配电系统的架构方案，主要功能如表1所示。通过智能系统的上述管理，可提高供电的可靠性和安全性，提升供水企业的运营效率和设备使用效率，提高生产性企业的能源利用率。上述架构的物理实施方案可通过智能化的电力设备、集成化的控制系统与大数据和人工智能的有机结合实现，如图3所示。
序号 | 功能模块 | 性能描述 |
1 | 运行维护管理 | ①运行状态及现场报警管理； ②断路器等主要设备老化分析及故障预警管理； ③实时/历史数据、历史故障记录、运行报表及查询管理功能； ④图纸资料及信息管理，相关信息可通过柜门二维码快速访问； ⑤电力设备维护和预防性维护过程信息管理； ⑥基于物理设施的单线图管理； ⑦配电室运行日报、报警周报； ⑧手机等移动终端监测，自动/人工生成工单及派单，实现无人值守 |
2 | 配电设备资产管理 | ①电气资产设备安装信息、静态动态参数配置信息； ②可通过Web端登录、APP二维码扫描等方式多维度查询及生成资产报告； ③设备健康度管理 |
3 | 能源效率管理 | ①能源数据监测、采集； ②电能分析和展示功能； ③能耗报告 |
4 | 电能质量管理 | ①故障录波、瞬时波形分析功能； ②电压合格率对比分析(骤变分析报告)； ③谐波分析 |
表1
图3
上海市某大型供水厂智能配电系统设计与实现
1智能配电系统设计拓扑
经调研目前主流配电设备制造商的智能配电系统领域产品线及其配套的软件系统，本工程智能配电系统设计方案采用了图4所示的系统拓扑。
2主要硬件设备选型
各类硬件可选配的功能十分丰富，本工程实施过程中设备选型以经济合理为基本原则，既要保证系统功能的实现，又要避免配置过高造成浪费。
（1）智能中压断路器选型
本工程6kV中压断路器选配断路器操作智能检测、配电柜智能检测、温度智能检测功能。智能操作检测功能可以实时显示零部件健康状态，预判线圈及储能电机寿命趋势。配电柜智能检测功能主要用于检测断路器与开关的配合是否到位，避免“虚接"导致的温升及绝缘事故。温度智能检测系统通过设置内嵌式传感器，检测断路器触臂、母排温度，以确保开关设备的绝缘性能。
（2）数字化框架断路器选型
框架断路器选用*新的数字化框架断路器，功能选择上主要包括传统的三段式保护、框架三遥及老化分析、断路器状态指示、故障预警、电能采集等，配合后台系统实现监测、预警、控制、老化分析、故障诊断等功能。
图2供水厂现状35kV变电所系统图
（3）合理选配智能电力仪表
电力仪表的选用根据不同回路合理搭配，具体如表2所示。
（4）通信元件及网关选型
通信网关为仪表、综保装置、脱扣器、电机控制器等需要迅速有效传输数据的设备提供支持，实现性能可靠、经济快捷的以太网连接。
（5）智能化电动机保护控制器
电动机保护器可以实现电机的热过载、启动过流、堵转(过流)、过频启动限制、启动超时、剩余电流动作保护(可配外置剩余电流动作互感器)、电流不平衡、缺相等保护功能。该系列产品还具备运行状态记录功能，主要包括电机带载时长、电机启停频次、故障状态等，并通过通信接口实现数据上传，同时接受系统遥控。
序号 | 线路级别 | 功能配置 |
1 | 进线回路 | ①遥测、遥信、遥控； ②全电气量测量，谐波畸变、电压波动检测，扰动方向判定； ③数据记录，时间记录，趋势预测 |
2 | 重要出线回路 | ①遥测； ②全电气量测量，谐波畸变、电压波动检测 |
3 | 一般出线回路 | ①遥测； ②全电气量测量，谐波畸变 |
4 | 二、三级配电回路 | ①测量三相系统有功电能 |
表2 智能电力仪表选配原则
通过一系列智能化的硬件组合使用，辅以系统的调配，可基本实现智能配电的系统设计。
3系统功能描述
系统建成后可向建设单位和运行单位提供完整的智能配电系统解决方案，提供设备的运行监测、设备性能、能源利用分析和电能质量分析信息等，供决策者参考使用。本工程智能配电系统在传统电力监控系统的基础上，通过收集智能硬件中的有效信息，实现就地的智能化电力监控系统，可以提供多方位的实时状态监测，为供水厂配电系统运行提供高可靠和高性能的监视和控制解决方案。通过可视化电力系统监控界面，可以提供水厂35kV及6kV变配电单线图系统显示、0.4kV各个配电室配电单线图系统显示、各个回路运行状态显示及细节参数显示、主要设备(高压综保、低压表计、交直流屏、变压器等)状态和运行参数显示、报警信息及事件记录信息显示、数据报表显示等。当系统出现断路器故障、综保装置动作，或者出现其他报警信号时，报警界面强制弹出，并根据故障等级发出相应报警声响信号。系统会收集统计各回路各时段的电度值、每台变压器回路周期性*大/*小/平均取样电流、各测量回路电气参数如电流、电压、功率和负荷曲线并生成运行报表。系统自诊断功能可以根据报错信息确定故障部位，然后报警和闭锁故障元件，保证其它部分正常工作，降低故障影响范围，同时记录故障点、故障类型，供运维人员调查。系统通过分级授权的安全保障措施，确保能够安全稳定运行，同时对操作员的重要操作进行记录，以供需要时查阅。
能耗分析系统能提供多种形式的能耗数据统计，可按生产区域统计、设备类型统计、时段能耗统计等，并提供便于用户观察的图形表现方式。能源流监视功能通过对能源流的图形化呈现，将从能源介质、生产工序和综合能源三个方面实现能源流的可视化，直观地体现系统的能源平衡状况。系统将离散的能源信息通过有效的分级和组织，变成动态生动的数据，反映能源干线中各个用能设备的用能特点。系统投运后获得相当数量的数据信息后，能源数据分析系统能够统计分析不同的因素对能源使用状况的影响。如季节、水质变比、温度等对水厂耗能情况的影响，从而辅助运行单位分析预测和优化能源使用。
运维管理系统主要用于向运维人员进行设备维护、资产管理提供决策依据。断路器在配电系统中起着决定性作用，设备老化监控系统通过对断路器绝缘性能、机械性能、电性能的监控，通过建模分析，提供断路器的老化程度监视，并定期向运维人员推送老化分析报告。维护计划管理功能通过设备寿命周期计算设置警告阈值，提供维护计划和随工管理，也可以设定周期性巡检维护(根据资产信息，自动生成计划)，以及自动/人工生成工单及派单，提供清晰准确的工作日程。
考虑到供水厂信息的敏感性，本次暂未实施系统的云端化，仅做接口预留，待后期充分论证后再行实施。
AcrelEMS-SW智慧水务能效管理平台
1平台概述
安科瑞电气具备从终端感知、边缘计算到能效管理平台的产品生态体系，AcrelEMS-SW智慧水务能效管理平台通过在污水厂源、网、荷、储、充的各个关键节点安装保护、监测、分析、治理装置，用于监测污水厂能耗总量和能耗强度，重点监测主要用能设备能效，保护污水厂运行安全可靠，提高污水厂能效，为污水处理的能效管理提供科学、精细的解决方案。
2平台组成
AcrelEMS智慧水务综合能效管理系统由变电站综合自动化系统、电力监控及能效管理系统组成，涵盖了水务中压变配电系统、电气安全、应急电源、能源管理、照明控制、设备运维等，贯穿水务能源流的始终，帮助运维管理人员通过一套平台、一个APP实时了解水务配电系统运行状况，并且根据权限可以适用于水务后勤部门管理需要。
3平台拓扑图
4平台子系统
（1）变电站综合自动化系统及电力监控
对水务配电系统中35kV、10kV电压等级配置继电保护和弧光保护，实现遥测、遥信、遥控、遥调等功能，对异常情况及时预警。
监测变压器、水泵、鼓风机的电流、电压、有功/无功功率、功率因数、负荷率、温度、三相平衡、异常报警等数据。
（2）电能质量监测与治理
水务中大量的大功率电机、水泵变频启动导致配电系统中存在大量谐波，通过监测其配电系统的谐波畸变、电压波动、闪变和容忍度指标分析其电能质量，并配置对应的电能质量治理措施提高供电电能质量。
（3）电动机管理
马达监控实现水务中电机的保护、遥测、遥信、遥控功能，电动机保护器能对过载、短路、缺相、漏电等异常情况进行保护、监测和报警。高效、准确地反映出故障状态、故障时间、故障地点、及相关信息，对电机进行健康诊断和预防性维护。同时支持与PLC、软启、变频器等配合，实现电动机自动或远程控制，监视、控制各个工艺设备,保障正常生产。
（4）能耗管理
为水务搭建计量体系，显示水务的能源流向和能源损耗，通过能源流向图帮助水务分析能源消耗去向，找出能源消耗异常区域。
将所有有关能源的参数集中在一个看板中，从多个维度对比分析，实现各个工艺环节的能耗对比，帮助领导掌控整个工厂的能源消耗，能源成本，标煤排放等的情况。
能耗数据统计采集水务中污水厂、自来水厂、水泵站等的用电、用水、燃气、冷热量消耗量，同环比对比分析，能耗总量和能耗强度计算，标煤计算和CO2排放统计趋势。
能效分析按三级计量架构，分别进行能效分析，契合能源管理体系要求，可对各车间/职能部门的能效水平进行分析，同比、环比、对标等。通过污水处理产量以及系统采集的能耗数据，在污水单耗中生成污水单耗趋势图，并进行同比和环比分析，同时将污水的单耗与行业/先进指标对标，以便企业能够根据产品单耗情况来调整生产工艺，从而降低能耗。
（5）智能照明控制
系统为污水厂、自来水厂、水泵站等提供了照明控制管理方案，支持单控、区域控制、自动控制、感应控制、定时控制、场景控制、调光控制等多种控制方式，模块可根据经纬度自动识别日出日落时间实现自动控制功能，尽量利用自然光照，实现室内、厂区照明的智能控制达到安全、节能、舒适、高效的目的。
5电气安全
（1）电气火灾监测
监测配电系统回路的漏电电流和线缆温度，实现对污水厂、自来水厂、水泵站的电气安全预警。
（2）消防应急照明和疏散指示
根据预先设置的应急预案快速启动疏散方案引导人员疏散。系统接入消防应急照明指示系统数据，通过平面图显示疏散指示灯具工作状态和异常情况。
（3）消防设备电源监测
监测消防设备的工作电源是否正常，保障在发生火灾时消防设备可以正常投入使用。
6防火门监控系统
防火门监控系统集中控制其各终端设备即防火门监控模块、电动闭门器、电磁释放器的工作状态，实时监测疏散通道防火门的开启、关闭及故障状态，显示终端设备开路、短路等故障信号。系统采用消防二总线将具有通信功能的监控模块相互连接起来，当终端设备发生短路、断路等故障时，防火门监控器能发出报警信号，能指示报警部位并保存报警信息，保障了电气安全的可靠性。
7环境监测
污水厂、自来水厂、水泵站等场所温湿度、烟雾、积水浸水、视频、UPS电池间可燃气体浓度展示和预警，保障污水厂、自来水厂、水泵站等安全运行。当可燃气体或有害气体浓度超标可自动启动排风风机或新风系统，排除隐患，保持良好的水处理环境。
8分布式光伏监测
实时监测低压并网柜每路的电流、电压、功率等电气参数及断路器开关状态，逆变器运行监视，对逆变器直流侧每一光伏组串的输入直流电压、直流电流、直流功率，逆变器交流电压、交流电流、频率、功率因数、当前发电功率、累计发电量进行监测，以曲线方式绘制上述监测的各个参量的历史数据。
平台结合厂区实际分布情况，通过3D或2.5D平面图显示分布式光伏组件在屋顶、车棚的分布情况，显示汇流箱、并网点位置，各个屋顶的装机容量。
9工艺仿真监控
平台通过2D、3D方式实时监视粗格栅、污水提升、细格栅、曝气沉砂、改良生化处理、二沉、加氯接触消毒、污泥浓缩压滤、生物除臭等工艺设备运行状态。在格栅清渣机、污水提升泵、回流泵、曝气风机、加药泵、浓缩压滤机、吸沙泵、吸泥泵等低压电动机控制柜或低压馈电柜安装电动机保护，进行短路、过流、过载、起动超时、断相、不平衡、低功率、接地/漏电、te保护、堵转、逆序、温度等保护以及外部故障连锁停机，与PLC、软启、变频器等配合，实现电动机自动或远程控制，监视、控制各个工艺设备,保障正常生产。
相关平台部署硬件选型清单
1.电力监控、电能质量、电动机管理及配电室环境监控系统
2.智能照明系统
3.电气火灾监控系统
结语
本文通过分析大型供水厂传统配电系统存在的问题，采用了一种智能化配电系统的架构，在调研市场上可以实现应用的智能化硬件产品的基础上，依托上海某大型供水厂深度处理改造工程进行功能设计，目前本工程硬件设备已基本组装完成，正在进行系统化安装，安装完成后将进行智能系统的调试，以验证设计的可行性。本工程投运后，将持续对系统进行跟踪反馈，加以完善，并尝试推广类似的重要市政工程配电系统应用，以期产生更大的经济效益和社会效益。
参考文献
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作者简介
吴柯霓，女，现任职于安科瑞电气股份有限公司，主要研究智能配电在水利行业的应用