浅谈智能配电系统在水务行业的应用

任运业

江苏安科瑞微电网研究院有限公司 江苏江阴 214443

   摘要：在构建智慧水务和“双碳"时代背景下，智能配电系统在水务行业中发挥日益突出的重要作用。本文首先回顾了智能配电系统在水务行业的发展历程，并对其应用现状进行了分析，进而展望了智能配电系统在水务行业的发展趋势。

   关键词：智能配电系统；水务；现状；趋势

1引言

   智能配电是随着技术进步和用户需求提升而出现的一个新的理念。智能配电系统将智能化手段应用于常规配电系统，不仅有助于提高系统的安全性、可靠性，提高能源利用效率，还有助于用户提升管理水平。本文首先探讨了智能配电系统的起源和定义，分析了其组成要素、架构、功能。继而回顾了智能配电在水务行业不同阶段的应用状况。最后对数字化、智能化及“双碳"背景下，智能配电系统在水务行业中的发展方向和亟待解决的问题进行了分析和探讨。

2智能配电系统的起源和定义

          2003年6月，在美国“未来能源联盟智能电网工作组"发表的报告中出现了“智能电网"一词。该报告将智能电网定义为“集成了传统的现代电力工程技术、高级传感和监视技术、信息与通信技术的输配电系统，具有更加完善的性能并且能够为用户提供一系列增值服务"⑴。我国对智能电网的研究虽然起步相对较晚，但推进速度很快。这场智能化变革已经逐渐从输配电网扩展至用户端，从高压配电系统扩展至低压配电系统。虽然目前国内尚无智能配电系统明确的定义，各种文献资料及集成商的表述亦不尽相同，但经过归纳、整理可以发现其在组成要素及特征、基本架构和功能等方面的相似之处。

2.1智能配电系统的组成要素及特征

   智能配电系统与传统配电系统的不同之处体现在其智能化。所谓智能化指具有感知能力，具有记忆和思维能力，具有学习能力和自适应能力，具有行为决策能力。智能配电系统在传统配电系统基础上集成了计算机、网络、通信、信息、传感、自动控制、电力电子等领域的先进技术，具有数字化、智能化、网络化、融合化特征。集成先进技术的智能化硬件、软件产品是智能配电系统的基本组成要素。

2.2智能配电系统的基本架构

   尽管对智能配电系统的描述和配置各不相同，但梳理归纳起来智能配电系统的基本架构大致相同，都是由底层的智能设备层和上层的监控管理层组成。近年来随着网络技术、大数据的应用，又增加了云端应用层。

2.2.1智能设备层

   智能设备层是智能配电系统的基石，是实现智能化的前提条件。智能设备层由具备通信接口的各种智能电气元件和设备组成，包括智能型断路器、电力仪表、无功补偿装置、滤波装置、微机继电保护装置等电器元件，以及智能型高、低压开关柜等电气成套设备。智能设备层包含传感单元和执行单元，既可实时为系统决策提供完整、准确、可靠的依据，又可及时、准确地实施系统下达的各项指令。

   作为数据采集者，智能设备层可实时上传：设备运行参数（电压、电流、频率、有功功率、无功功率、功率因数、谐波含量等）、设备运行信息（断路器分/合闸状态、手车位置等）、设备整定信息（断路器定值参数等）、设备维护信息（温度、设备型号、序列号、固件版本号等）等。

   作为指令执行者，智能设备层可根据监控管理层的指令执行参数设定、定值调整、分/合闸操作等。

2.2.2监控管理层

   监控管理层是智能配电系统的核心，是系统的“大脑"，直接影响配电系统的智能化水平的高低。监控管理层通常采用模块化设计的软件，结合网络通信技术、计算机控制技术，接收、处理设备层上传的信息，经过处理、数据挖掘，通过画面呈现、控制指令输出、信息提示等方式实现不同的功能。由于每个软件模块对应不同的功能，因此软件模块的数量和质量是决定配电系统智能化水平的关键。

2.2.3云端应用层

   云端应用层通过云端服务平台进行大数据分析、处理，为用户提供高级的决策指导及技术支持。也有一些生产商将监控管理层的功能置于云端，这样可有效降低系统的初期投资和后期的运行维护成本、易于扩展。

2.2.4通信网络

   智能设备层与监控管理层之间的数据交换通常采用现场总线或以太网形式。具备RS485接口的电气装置加装通讯模块可釆用总线连接，通过网关进行协议转换后利用以太网连接至上层系统；具备以太网接口的电气装置加装通讯模块可直接连接至上层系统。

2.3智能配电系统的功能

   智能配电系统实现了配电系统从功能化向智能化升级，自动化程度高、可靠性、稳定性强、界面友好，可为用户提升能源利用效率和管理水平提供多维度支持。智能配电系统的功能因集成商的理解和侧重不同而存在差异，归纳起来主要有能效管理、电能质量管理、电气资产管理和运行维护管理等方面。前两者为基本功能，后两者为更高级别的功能，且上述功能在不同配置下实现的层级也不同。

3智能配电系统在水努行业的发展历程和趋势

3.1智能配电系统在水务行业的发展历程

   水务是城市基础设施重要的组成部分，直接影响城市能否正常运转。而电力供应是否可靠、稳定，则是影响水务行业运行的关键。

   水务行业在传统的配电方式下，电气系统的运行维护主要依赖运行人员的专业水平和责任心。凭借运行人员日常巡视的眼观（设备外观和仪表读数）、耳听（设备异响）、鼻嗅（焦臭异味）、手扫（扫描温度），工作量大且难以发现潜在隐患。如果管理存在不足，如原始资料缺失、调整未存档、台账不清、人员更替等，电气系统的实际情况形同盲区，存在极大的安全隐患。

          2000年左右，高压系统的微机继电保护和多功能电力仪表的出现，打破了长期以来高压系统二次回路用各种继电器搭建，上传电量参数只能通过互感器加装变送器的做法。

          10kV~35kV配电系统在开关柜上装设微机继电保护装置和多功能电力仪表，通过通信与后台监控系统连接，可显示电气参数、断路器分/合闸状态，进行各种保护定值的调整、设定以及控制断路器分/合闸等，实现系统的遥测、遥信、遥调、遥控，即“四遥"。高压配电系统具备了基本的智能化要素，具有智能设备层和监控管理层的架构，可实现能效管理和电能质量管理的基本功能。

   在0.4kV级的低压配电系统中，多功能电力仪表采集的数据通常上传至高压的监控系统后台或水务企业的中控室上位机，仅用于显示和生成报表，未形成低压智能配电系统。

   但此时的配电系统比传统的常规系统已有很大进步，不仅免去了运行人员日常抄表的繁重工作，还有助于及时发现问题，以及在事故发生后作出准确判断。

            2010年之后，基于多功能电力仪表的能源管理系统逐渐在水务行业得到应用。这类系统可实现实时及历史能耗数据查询、展示、打印，简单的数据分类管理与分析等功能。这类系统偏重可视化，对数据的分析与处理能力低，只能算作低级别的智能化系统。

   此后，为实现低压系统的遥控，出现了基于PLC的低压智能配电系统。即在装设多功能电力仪表的基础上，低压断路器装设电操，釆用硬接线的方式与PLC连接，通过软件实现断路器远程分合闸，并且可通过上位机进行控制。这类系统实现了水务行业远程场站的无人值守，极大降低了人工成本，但存在接线数量多、故障率高、维护检修困难等问题，只适用于逻辑关系简单的小规模系统。

3.2智能配电系统在水务行业的发展现状

   水务行业配电系统智能化，因厂商擅长的领域不同，主要有以下几种类型：

(1)多功能电力仪表型

   智能配电系统基于多功能电力仪表，并纳入生产运行所需的其他监测仪表，提供便捷的数据査询功能，并能根据用户需求定制超限报警等功能。能实现能效管理和电能质量管理的基本功能，但缺乏对数据的深入分析与挖掘，难以实现资产管理和运维管理功能。特点是投资低，满足用户基本的能源管理需求、帮助用户降低人工成本。这类系统在水务行业智能配电系统中应用相对较多。

(2)微机继电保护型

   生产商在35kV~10kV电气系统保护方面有较强的实力，熟悉、了解系统运行问题和用户的运维需求。高压侧除常规的功能外，还可实时监测分/合闸线圈、储能电机、电动底盘车和电动接地刀电机，监测断路器触头温度、母线接头温度等；同时低压侧也釆取多项监测措施并在监控平台配置相应的软件。这类系统具备智能配电系统的四项管理功能，在规模大、高压设备多的水务企业有明显应用优势。

(3)低压电气元件型

   这类生产商依靠对低压断路器等元件的强大研发能力不断对产品进行智能化升级，夯实智能设备层。更有公司针对小型智能配电系统研发了智能配电一体机，能够实现“四遥"，且成本低，适用于水务行业管网上的小型排涝泵站、污水提升泵站等。这种一体机还可通过以太网连接上层监控系统，适用于水务行业中单体小、数量多、范围大的使用场景，如井群等。

(4)开关柜型

   这类厂商一般是实力较强的开关柜制造商。他们发挥自身优势，以智能型开关柜为基础结合监控平台组成智能配电系统。柜内设有通信设备专属空间，线路简洁。动力、控制、通信电缆各行其道，避免信号干扰，保证了数据传输稳定、可靠。此类智能开关柜的价格较高，厂商通常建议配套同品牌的监控平台降低综合造价。但其监控平台的功能选择性小，用户需求受限。

(5)全产品线型

   这类生产商具备全部或大部分高、低压及通信产品的软硬件研发能力，具有多年的电气和自控技术积淀，对配电系统智能化有深刻的认识和解读。搭建的智能配电系统配置灵活，能满足用户的不同需求，可实现智能配电系统全部管理功能的各层级功能。具备这些能力的往往是国内外的电气品牌，在水务行业应用。

3.3智能配电系统在水务行业的发展趋势

   近年来，随着水务行业面临外部条件日益复杂、出水指标不断提高、运行成本压力加大、人员老化等问题，原先的粗放型管理模式难以应对，水务行业急需向精细化管理转变。2020年8月，国务院国资委发布《关于加快推进国有企业数字化转型工作的通知》，要求加快推进国有企业数字化转型工作。“十四五"规划提出通过推进智慧城市建设，推进市政公用设施等物联网应用和智能化改造，构建智慧水利体系。在国家政策的大力推动和水务行业内生动力作用下，水务行业的数字化、智能化需求迎来大规模增长。

   随着技术进步和用户理念的更新，智能配电系统的深度、广度和智能化程度都在不断拓展、升级。在智能设备层，智能型产品种类不断增多，智能化程度不断提高，具备互联互通特性的产品层出不穷。如釆用无线传感技术、具备智能测温功能的真空断路器，能判断电容器容量衰减程度并实现超阈值及时切除的智能控制器，智能测温母线等。智能设备层的扩充和深化，不仅为监控管理层提供更丰富的信息，且执行力更强。

   在监控管理层，出现了更多针对水务行业节能降耗的软件产品，如智能泵控系统、曝气控制、加药控制等，实现了节能与工艺控制相结合。监控平台还综合了企业的电、水、热、气、药及其他监测数据，实现一张图总览全局，为搭建智慧水务平台提供了可靠的技术支撑。

   在云端，出现了更多分析与应用增值服务。网络亦由互联网向物联网发展。

   智能化三大关键要素：数据、算力、算法。智能设备层的发展使得底层数据的收集不再是障碍；计算机技术和网络技术的发展，算力母已经不是问题；智能化的核心一算法，需要长期、大量的投入，不具开放性且进展相对缓慢。可以预见，未来生产商在智能配电系统的竞争将集中于算法，这也是体现智能配电系统价值的关键。

   智能配电系统在水务行业的发展还有一个值得关注的问题：数据安全。水务行业的数据存在敏感性，对数据安全要求高。未来如何保证数据安全，打消用户的疑虑，将是生产商需要努力解决的问题。

   在“双碳"目标驱动下，减碳将成为水务行业的重中之重。对水务行业来说，一方面要充分利用新能源，另一方面要深入挖掘企业自身的节能潜力。光伏、生物质能(沼气)是水务行业较易取得的清洁能源。与之相适应，智能配电系统需要满足新能源接入、微网运行等方面的需求。水务行业智能配电改造的运行实践证明，智能配电在节能降耗方面具有极大优势，今后需要通过深入挖掘数据价值，帮助用户进一步深化、细化工作，提高能源利用效率。

4 AcrelEMS-SW智慧水务能效管理平台

   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，监测主要用能设备能效，保护污水厂运行可靠，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。

          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、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。

5 平台子系统

5.1 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、异常等数据。

5.2 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。

5.3 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。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。

5.4 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/国家/国际指标对标，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。

5.5 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、节能、舒心的目的。

5.6 电气

5.6.1 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、水泵站的电气预警。

5.6.2 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。

5.6.3 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。

5.6.4 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，防火门能发出信号，能指示部位并保存信息，保障了电气的可靠性。

5.6.5 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、、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。

5.6.6 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。

5.6.7 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、加接触、污泥浓缩压滤、生物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。

5.7  产品清单

6结语

   数字化、低碳双转型背景下，研究智能配电系统在水务行业的应用，分析其存在的问题和发展趋势，对于水提高务行业能源利用水平、管理水平具有重要意义。智能配电系统在水务行业的应用虽然取得一些成绩，但依然明显落后于时代发展的要求，需要产品研发、生产，工程投资、设计、建设、运营各方的推动与支持，促进智能配电系统在水务行业的应用与推广，为水务行业的智慧化建设和低碳运行提供有力保障。

参考文献：

[1]张玮亚.智能配电系统分区电压控制技术的研究[D].天津大学,2015.

[2]徐进.智能配电系统在水务行业的现状及发展趋势

[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022.05版

作者简介

任运业，男，江苏安科瑞微电网研究院有限公司，从事电气相关及智慧水务系统研发工作。