智能配電系統(tǒng)在污水廠(chǎng)中的應(yīng)用分析

秦成龍，毛恒

（中國(guó)建筑第二工程局有限公司）

1 引言

隨著芯片產(chǎn)業(yè)、物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的發(fā)展，智能設(shè)備制造快速發(fā)展，推動(dòng)配電系統(tǒng)越來(lái)越智能化、數(shù)字化。智能配電系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)配網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)監(jiān)控，配網(wǎng)操作更加安全便捷、智能精確，同時(shí)結(jié)合智能決策系統(tǒng)，可以為用戶(hù)提供可靠的故障處理方案，并且在節(jié)能降耗和優(yōu)化運(yùn)行方式方面輔助決策。智能配電系統(tǒng)的發(fā)展帶動(dòng)配網(wǎng)運(yùn)維管理更加節(jié)能高效、安全可靠，成為數(shù)字化工程不可缺少的部分。本文結(jié)合某地污水處理廠(chǎng)項(xiàng)目，針對(duì)污水處理廠(chǎng)工藝設(shè)備量多、裝機(jī)容量大等特點(diǎn)，引入智能配電系統(tǒng)，降低配電網(wǎng)運(yùn)維成本，實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)系統(tǒng)精益化管理[1-4]。

2 工程概況

某市政污水處理項(xiàng)目，項(xiàng)目總投資66億元，占地面積約10.6m3，污水處理工藝流程為：預(yù)處理單元→主處理調(diào)節(jié)池→A/O池→二沉池→高密度澄清池→v型濾池中間提升泵房→臭氧接觸池→脫碳生物濾池→尾水泵房。按照GB18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行污水處理。

3 配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

依據(jù)GB50014—2006《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范（2016 年版）》第6.1.19 條及CJJ/T120—2018《城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)電氣與自動(dòng)化工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》第4.1.1 條，該項(xiàng)目動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)備用電等級(jí)為二級(jí)。本工程設(shè)計(jì)4 座變電所，分別為總變電所、分變電所、礦變電站、臭氧發(fā)生間變電站。除了主變電站獨(dú)立設(shè)計(jì)外，分變電站與反沖洗風(fēng)機(jī)房合建；礦變電站與鼓風(fēng)機(jī)房合建；臭氧發(fā)生間變電站與臭氧發(fā)生間合建。本工程設(shè)計(jì)兩條10kV進(jìn)線(xiàn)，運(yùn)行方式為一主一備，10kV 及0.4kV 母線(xiàn)接線(xiàn)方式為單母線(xiàn)分段，兩臺(tái)變壓器均同時(shí)運(yùn)行（臭氧發(fā)生間變電站除外）。

4 智能配電系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

智能配電系統(tǒng)可以對(duì)配電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，確保配網(wǎng)供電設(shè)備的安全可靠穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)可以對(duì)配網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行方式優(yōu)化和能源合理調(diào)配提供科學(xué)決策。建筑工地和工業(yè)園區(qū)作為電網(wǎng)的用戶(hù)端，是供電網(wǎng)絡(luò)的最末端，其智能配電系統(tǒng)主要有五個(gè)層次，依次為物聯(lián)采集層、通信層、數(shù)據(jù)層、支撐層和應(yīng)用層。智能配電系統(tǒng)處于研發(fā)階段，尚未有統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。目前，用戶(hù)側(cè)智能配電系統(tǒng)主要采用智能斷路器、電子式電壓互感器、電流互感器、微機(jī)繼電保護(hù)和測(cè)控裝置、其他智能組件。對(duì)智能配電系統(tǒng)各個(gè)生產(chǎn)企業(yè)技術(shù)路線(xiàn)和研發(fā)側(cè)重領(lǐng)域不同，更加注重對(duì)新材料、智能設(shè)備和繼電保護(hù)的研發(fā)，各個(gè)廠(chǎng)家的生產(chǎn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越趨于兼容化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化。電氣設(shè)備領(lǐng)域，施耐德電氣研制一種智慧配電柜，通過(guò)配電柜實(shí)現(xiàn)強(qiáng)電回路的匯集，通過(guò)智能組件和軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)配電系統(tǒng)的集中控制，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程智能操作。

4.1 物聯(lián)采集層的建設(shè)

智能配電通過(guò)對(duì)大數(shù)據(jù)分析實(shí)現(xiàn)配電的智能化。大數(shù)據(jù)的來(lái)源即對(duì)現(xiàn)場(chǎng)配電設(shè)備的數(shù)據(jù)采集，對(duì)配電設(shè)備電流電壓、功率潮流以及運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并傳輸至計(jì)算處理模塊，采集模塊根據(jù)監(jiān)測(cè)對(duì)象和內(nèi)容不同，對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)算法模型也不同，如設(shè)備溫度、柜體散熱、開(kāi)關(guān)狀態(tài)量、母線(xiàn)電壓等。

4.2 通信及數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)建設(shè)

智能配電系統(tǒng)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)、傳感器技術(shù)、云計(jì)算分析和網(wǎng)絡(luò)安全等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)電設(shè)備的監(jiān)測(cè)與控制。通信傳輸網(wǎng)絡(luò)按照數(shù)據(jù)類(lèi)型和安全等級(jí)分為公網(wǎng)和專(zhuān)網(wǎng)。配電系統(tǒng)中根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的傳輸距離、經(jīng)濟(jì)成本和實(shí)際需求等選用合適網(wǎng)絡(luò)，包含傳統(tǒng)的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、近距離有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)傳輸，組合成工業(yè)以太網(wǎng)、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)和RS485 串口等無(wú)縫傳輸技術(shù)。目前，智能配電網(wǎng)主要有兩種網(wǎng)絡(luò)模式，一種是智能斷路器組網(wǎng)模式，另一種是采用施耐德的產(chǎn)品，施耐德在污水廠(chǎng)應(yīng)用如圖1 所示，施耐德電氣通過(guò)一系列智能通信組件和通信協(xié)議，例如，以太網(wǎng)TCP/IP 和ULP 協(xié)議及ModbusRTU 協(xié)議的通信轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)電斷路器、開(kāi)關(guān)、壓變等數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)形式傳輸至監(jiān)控后臺(tái)。整個(gè)智能配電系統(tǒng)以物聯(lián)采集層的設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，因此需要做到各個(gè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)接口及程序兼容可靠，采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確唯一。

圖1 施耐德在污水廠(chǎng)應(yīng)用

4.3 應(yīng)用層建設(shè)

通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)采集層可以實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)和終端設(shè)備整體運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集，通過(guò)對(duì)實(shí)時(shí)采集大數(shù)據(jù)的挖掘和人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)和能耗監(jiān)測(cè)分析，以及故障報(bào)警等，為電網(wǎng)運(yùn)維提供預(yù)測(cè)、診斷和決策方案支持等功能。通過(guò)打通各個(gè)信息傳遞環(huán)節(jié)的壁壘和模式不匹配等，使更多數(shù)據(jù)通過(guò)交換機(jī)傳輸至后臺(tái)，讓用戶(hù)更加主動(dòng)地控制和管理電網(wǎng)運(yùn)行。在具體設(shè)計(jì)中可以根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景和預(yù)算等制定解決方案，按照智能配電系統(tǒng)架構(gòu)，選用模塊化等各種設(shè)備，建設(shè)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、故障研判等模塊，建成安全可靠的配網(wǎng)管理系統(tǒng)。

5 智能配電系統(tǒng)應(yīng)用案例

本污水處理廠(chǎng)智能配電項(xiàng)目的中、低壓配電裝置使用的施耐德設(shè)備，軟件控制系統(tǒng)采用其旗下EcoStruxurePower 架構(gòu)，以便實(shí)現(xiàn)硬件設(shè)備互聯(lián)互通，可以滿(mǎn)足大多數(shù)用戶(hù)的智能用電需求，同時(shí)該架構(gòu)支持?jǐn)U展設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足特殊用戶(hù)個(gè)性需求。

5.1 中、低壓硬件配置

低壓側(cè)采用NSX、MTZ 開(kāi)關(guān)及智能電表計(jì)量。中壓側(cè)采用智能斷路器，并采用繼保測(cè)控一體化裝置。

5.2 智能組件和通信設(shè)備簡(jiǎn)介

通過(guò)采用施耐德品牌的電網(wǎng)設(shè)備智能組件和通信設(shè)備構(gòu)建智能互聯(lián)配電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高壓設(shè)備的智能化信息采集和控制。

5.3 智能配電系統(tǒng)信息化結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

①智能化配電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來(lái)源主要有斷路器、主變的遙測(cè)值，微機(jī)保護(hù)參數(shù)及各種設(shè)備溫濕度等，現(xiàn)場(chǎng)傳感器和電子元件將數(shù)據(jù)通過(guò)通信網(wǎng)關(guān)上傳至后臺(tái)，對(duì)上采用TCP/IP 規(guī)約、對(duì)下采用ModbusRTU規(guī)約。

②采集終端不僅可以采集現(xiàn)場(chǎng)斷路器的電壓、電流、功率等參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)，當(dāng)斷路器配置通信模塊和智能單元時(shí)還可以對(duì)斷路器的觸頭磨損率等設(shè)備參數(shù)進(jìn)行分析。

③智能化監(jiān)控系統(tǒng)在設(shè)備層配置有通信模塊，安裝在開(kāi)關(guān)柜內(nèi)通過(guò)直流24V供電，并配置不間斷電源，配電室內(nèi)的設(shè)備通過(guò)ULP線(xiàn)、RS485總線(xiàn)及以太網(wǎng)線(xiàn)連接，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)信號(hào)傳輸至運(yùn)維后臺(tái)。

④智能監(jiān)控平臺(tái)支持電腦端和手機(jī)APP客戶(hù)端，實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)運(yùn)維、運(yùn)行狀態(tài)、工單管理、報(bào)警管理、文檔管理等功能?，F(xiàn)場(chǎng)故障時(shí)發(fā)出報(bào)警信息，并將故障信息、定位和工單等推送給相關(guān)運(yùn)維人員，實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)及責(zé)任落實(shí)。運(yùn)維人員還可以進(jìn)行設(shè)備資產(chǎn)全壽命周期管理，準(zhǔn)確獲取設(shè)備圖紙、歷史資料，并自動(dòng)進(jìn)行分類(lèi)和歸檔等，根據(jù)設(shè)備狀態(tài)及運(yùn)行情況，自動(dòng)提示運(yùn)維人員進(jìn)行周期化檢修試驗(yàn)等，避免設(shè)備帶病運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的精益化管理。

⑤智能配電系統(tǒng)實(shí)行無(wú)人值守+集中監(jiān)控模式。將各個(gè)分布式的變電站通過(guò)以太網(wǎng)等進(jìn)行數(shù)據(jù)集中接入監(jiān)控后臺(tái)，實(shí)現(xiàn)后臺(tái)集中化監(jiān)控和遠(yuǎn)程操作。減少變電所就地監(jiān)控和運(yùn)維的人工成本，同時(shí)提高操作運(yùn)維的安全可靠性。

6 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合某市政污水處理廠(chǎng)項(xiàng)目，結(jié)合污水處理廠(chǎng)變電所及實(shí)際配電需求，采用施耐德EcoStnlxurePower 智能配電系統(tǒng)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)對(duì)配電系統(tǒng)的智能管理。智能配電系統(tǒng)通過(guò)集中監(jiān)控和信息傳遞等手段，減少了人工運(yùn)維的成本和高危，從被動(dòng)檢修發(fā)展成對(duì)配電系統(tǒng)的主動(dòng)管理，提高了配網(wǎng)的操作運(yùn)維效率和能源利用率。目前，我國(guó)智能配網(wǎng)技術(shù)處于起步階段，尚未形成智能電網(wǎng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。因此，針對(duì)智能配網(wǎng)系統(tǒng)，制定和出臺(tái)相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范為智能配網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)展指明方向迫在眉睫，有利于各廠(chǎng)家的設(shè)備和技術(shù)，包括架構(gòu)和通信協(xié)議，可以相互兼容，避免無(wú)質(zhì)量、無(wú)序地發(fā)展。智能配電系統(tǒng)符合新時(shí)代綠色低碳、智慧工廠(chǎng)的發(fā)展需求，在提高運(yùn)維質(zhì)量和效率的同時(shí)，需要加強(qiáng)信息安全體系建設(shè)，確保信息在加密與隔離的條件下安全，避免網(wǎng)絡(luò)漏洞帶來(lái)不可挽回的損失。