淺談水務行業(yè)中智能配電的作用及發(fā)展前景

中國市政工程華北設計研究總院有限公司 徐 進 孫海波 溫琳蘋 李永健 梁子康

1 引言

水務行業(yè)是指由原水、供水、節(jié)水、排水、污水處理及水資源回收利用等構(gòu)成的產(chǎn)業(yè)鏈[1]。水務行業(yè)是中國乃至世界上所有國家和地區(qū)最重要的城市基本服務行業(yè)之一，日常的生產(chǎn)、生活都離不開城市供水[2]。

2014年，國家發(fā)展和改革委員會等八部委印發(fā)了《關于促進智慧城市健康發(fā)展的指導意見》，要求水務等公用基礎設施的智能化水平大幅提升?！笆濉币?guī)劃將“智能水務”列入了戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。2021年《十四五規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》要求，“加快數(shù)字化發(fā)展，建設數(shù)字中國”“加快數(shù)字社會發(fā)展步伐”。在國家政策指引下，我國的信息化、數(shù)字化、智能化腳步不斷加快，各行各業(yè)都在大力發(fā)展以大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)為基礎的智能化業(yè)務，但水務行業(yè)內(nèi)生動力不足，數(shù)字化、智能化水平與政策要求之間存在顯著差距，明顯落后于機械、化工、建筑等其他行業(yè)。在此背景下信息技術與水務行業(yè)深度融合，打造高度數(shù)字化、網(wǎng)絡化的智能水務的重要性不言而喻。

電力供應是所有現(xiàn)代化企業(yè)運行的基礎，智慧水務的發(fā)展離不開供配電系統(tǒng)的智能化。本文將闡述智能配電系統(tǒng)在水務行業(yè)中的重要作用。

2 水務行業(yè)電氣系統(tǒng)運維管理現(xiàn)狀

水務行業(yè)電氣設備巡檢主要依靠人的感官，輔以紅外手持溫度掃描儀等設備。主要運維人員通過諸如視覺、聽覺、嗅覺、觸覺等對電氣設備的運行情況加以判斷，這對運維人員的經(jīng)驗和責任心要求很高，而且觀測到的數(shù)據(jù)顆粒度大，難以整合分析。不僅難以及時發(fā)現(xiàn)正在發(fā)生的問題及隱患，更難以預測即將發(fā)生的故障。這種具有盲目性的巡檢方式不僅效率低下，同時也耗費了運維人員的大量時間，使企業(yè)人工成本居高不下?，F(xiàn)階段水務行業(yè)主要的運營系統(tǒng)是SACDA系統(tǒng)，從電力系統(tǒng)中獲取的大量數(shù)據(jù)存儲在SACDA系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，并未加以有效利用。還有一部分數(shù)據(jù)記錄在隱患排查記錄本和巡檢記錄臺賬上，更加難以利用。此外，還有大量的企業(yè)運維情況和管理經(jīng)驗存在于運維人員的頭腦中，隨著人員老化更替而缺失。這些數(shù)據(jù)對于分析配電系統(tǒng)運行狀態(tài)，判斷故障原因、預測設備狀態(tài)變化趨勢都有極大的作用。

隨著國家大力推動數(shù)字經(jīng)濟和實體經(jīng)濟融合發(fā)展，智能配電終端產(chǎn)品與上位軟件不斷涌現(xiàn)，智能配電系統(tǒng)日漸趨于成熟。智能配電系統(tǒng)通過采用先進的算法，充分發(fā)掘數(shù)據(jù)價值，能夠全面實現(xiàn)配電系統(tǒng)的運維管理，有效改善電能質(zhì)量，增強配電系統(tǒng)可靠性，避免因意外停電導致的停工停產(chǎn)危害。同時，監(jiān)控軟件的分析決策也有助于企業(yè)合理分配電能，節(jié)省用電成本，降低能源消耗。

3 智能配電系統(tǒng)內(nèi)涵及特征

智能配電系統(tǒng)具有可靠性高、自動化程度高、兼容性強、界面友好、操作便捷等特點，能夠?qū)K端設備實現(xiàn)遙測、遙信、遙控、遙調(diào)等功能，從而提高企業(yè)運維管理水平，實現(xiàn)提質(zhì)增效、節(jié)能降耗等。智能配電系統(tǒng)有以下幾點特征：

3.1 可觀測

通過智能設備的數(shù)據(jù)采集功能、網(wǎng)絡通信技術和可視化平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)對配電系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的監(jiān)測，數(shù)據(jù)直觀，易讀。能以曲線圖、柱狀圖、餅圖、表格多種數(shù)據(jù)呈現(xiàn)方式，從時間和空間兩個維度為運維管理提供依據(jù)。

3.2 可控制

通過對供配電設備的通訊連接，從監(jiān)控管理平臺下達控制指令，啟動供配電設備的操作機構(gòu)，實現(xiàn)對供配電設備的遠程人工控制和自動控制。在無人值守的情況下保障企業(yè)運行過程中各供配電設備處于可控狀態(tài)，使企業(yè)運行更加安全可靠。

3.3 設備互聯(lián)互通

采用網(wǎng)絡通信技術，可實現(xiàn)電氣設備之間的相互通訊，某一臺設備可根據(jù)其他電氣設備的狀態(tài)信息和聯(lián)動關系進行狀態(tài)更新，實現(xiàn)不同設備、系統(tǒng)之間的相互協(xié)作、信息共享。為配電系統(tǒng)可靠運行，合理調(diào)配供電方案提供幫助。

3.4 輔助運維

可實時向運維人員推送電氣設備狀態(tài)，在出現(xiàn)異常狀態(tài)時及時聯(lián)系檢修人員，并給出數(shù)據(jù)支持和決策指導，使水廠運維人員無需查閱大量資料即可獲取關鍵信息。

3.5 信息安全

采用現(xiàn)代通信技術，為配電系統(tǒng)構(gòu)建一個實時傳輸、高速通信的信息系統(tǒng)，通過智能網(wǎng)關依據(jù)安全策略需求劃分不同的安全分區(qū)，使用企業(yè)內(nèi)部專用網(wǎng)絡與外網(wǎng)隔離，實現(xiàn)配電系統(tǒng)運行信息交互高速無障礙的同時避免數(shù)據(jù)丟失或被竊取，使水務行業(yè)企業(yè)的敏感數(shù)據(jù)的安全性得到可靠保障。

4 智能配電系統(tǒng)的總體架構(gòu)

智能配電系統(tǒng)總體由三部分構(gòu)成，一是產(chǎn)生并收集數(shù)據(jù)的智能裝置層；二是傳輸數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)交換層；三是分析處理數(shù)據(jù)的應用管理層。

4.1 智能裝置層

智能電氣設備是智能配電系統(tǒng)的基礎，包括自帶通訊功能的斷路器、智能傳感器、智能電表等，具有可視化、數(shù)字化和網(wǎng)絡化特點，在滿足相關標準要求的前提下，集成數(shù)據(jù)采集、控制和保護等功能。

本文結(jié)合現(xiàn)狀及行業(yè)技術的發(fā)展水平，提出了BIM運維管理平臺搭建常見的三種方式并總結(jié)了各自的優(yōu)缺點，三種方式為：①基于常規(guī)運維軟件開發(fā)支持BIM功能；②基于BIM軟件二次開發(fā)；③自主開發(fā)。

4.2 數(shù)據(jù)交換層

構(gòu)建智能裝置層和應用管理層之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ溃诰W(wǎng)絡通信技術，設置數(shù)據(jù)交換機和智能網(wǎng)關，將智能設備層采集到的數(shù)據(jù)整理、集合傳輸?shù)綉霉芾韺樱瑵M足應用管理層的數(shù)據(jù)需求，實現(xiàn)對電氣設備的監(jiān)測和控制。

4.3 應用管理層

在本地管理服務器內(nèi)安裝智能監(jiān)控管理軟件和可視化平臺，實現(xiàn)對全廠供配電設備必要信息的采集，信息的數(shù)量、質(zhì)量應滿足過程控制和運行管理的需求。應用管理層可處理分析數(shù)據(jù)，展示用戶需要的信息報表，具備對全部主設備、關鍵輔助設備、關鍵控制裝置和設備的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷能力；能夠?qū)υO備狀態(tài)進行評估，提出維護建議；對檢修維護工作進行記錄，生成各類報表，提供檢修決策建議和指導。支持對重要節(jié)點的遠程控制功能，滿足自動控制和無人值守要求。

5 智能配電系統(tǒng)作用

5.1 可視化管理

智能配電系統(tǒng)可視化平臺將電氣設備在不同時段的各項運行數(shù)據(jù)以曲線、表格和圖形等方式展現(xiàn)，實時提醒運維人員關注電氣設備健康狀況，進行狀態(tài)檢修，無須去現(xiàn)場進行人工排查，實時顯示電氣設備電量消耗情況和電能質(zhì)量情況，如功率因數(shù)、諧波含量、三相不平衡、電壓合格率等情況。由于傳統(tǒng)配電系統(tǒng)考評指標不夠嚴謹，對于功率因數(shù)的判斷局限于配電系統(tǒng)整體運算，忽視了配電系統(tǒng)不同區(qū)域電能質(zhì)量的不一致性，導致部分低電能質(zhì)量區(qū)域的配電回路長期運行。智能配電系統(tǒng)可及時發(fā)現(xiàn)漏洞，彌補傳統(tǒng)的監(jiān)測短板，更好的提升配電系統(tǒng)電能質(zhì)量。

圖1 全景分析功能界面

5.2 設備健康管理

采集開關柜內(nèi)斷路器的機械特性、電氣特性及溫度特性；通過雷達圖監(jiān)測機械特性的各項指標是否在正常范圍，并且可以通過單機雷達圖進入機械特性歷史曲線對比。通過采集分合閘線圈的電流、儲能電機電流、電動底盤車電機電流及電動接地刀電機電流的實時數(shù)據(jù)，可判定所有電動機構(gòu)的健康狀態(tài)。還可以采集斷路器觸頭溫度，柜內(nèi)母線連接點溫度等，實時觀察運行溫度數(shù)據(jù)，計算實際溫升，繪制溫升曲線。實時檢測觸頭的接觸度情況，提前發(fā)現(xiàn)故障隱患，提早介入，避免故障發(fā)生或擴大。

智能配電系統(tǒng)還可以記錄電氣設備履歷，如開關柜的銘牌信息、圖紙信息、說明書信息、負責班組、上次檢修歷史記錄等履歷信息。建立每個電氣設備的數(shù)學模型，利用設備收集的數(shù)據(jù)信息和運行狀態(tài)信息不斷修正判斷模型和參數(shù)，達到更加精準的判斷效果，對每一個電氣設備的精確管理，可以較大降低因設備損壞無法及時更換導致企業(yè)停止運行的壓力，提前給出保養(yǎng)維護或預備更換設備的建議。

5.3 狀態(tài)檢修提示

運維人員依據(jù)系統(tǒng)對電氣設備的狀態(tài)評估，可以有針對性地安排設備排查和檢修；依據(jù)電氣設備狀態(tài)、運行時間及運行期間發(fā)生的重大事件等監(jiān)測到的情況，綜合考慮設備運行計劃，可以合理安排對電氣設備的維護檢修，實現(xiàn)狀態(tài)檢修與計劃檢修相結(jié)合。運維人員還可以根據(jù)系統(tǒng)對存在安全隱患的電氣設備給出的檢修提示，以及對顯示報警的電氣設備的保養(yǎng)、維護建議采取相應的保養(yǎng)、維修、更換等處理措施。

狀態(tài)檢修功能以電氣設備當前狀態(tài)評估為基礎，同時對設備狀態(tài)的歷史數(shù)據(jù)進行分析，判斷設備狀態(tài)變化趨勢。對于出現(xiàn)突變量表征的電氣設備安排應急檢修。

當系統(tǒng)提示狀態(tài)檢修時，運維人員可調(diào)取檢修對象的銘牌信息、初始運行時間、位置信息、故障記錄、檢修記錄、相關圖紙資料信息、備品備件信息等，作為檢修依據(jù)。狀態(tài)檢修可與企業(yè)內(nèi)部的SCADA或DCS系統(tǒng)聯(lián)動，選取對生產(chǎn)影響最小的時點安排對設備進行主動檢修。

狀態(tài)檢修是對計劃檢修的有力補充。智能配電系統(tǒng)能夠利用運行期間采集的數(shù)據(jù)，利用模式識別、人工智能等手段，通過自學習不斷豐富分析模型、修正模型參數(shù)，形成更完善的分析軟件，結(jié)合日益完善的監(jiān)測手段提出更準確適用的狀態(tài)檢修建議。從而使狀態(tài)檢修和計劃檢修的比例更加合理，大幅提升運維效率，有效降低人工成本。

5.4 故障狀態(tài)輔助決策

智能配電系統(tǒng)能夠在故障發(fā)生后第一時間確定是否切除故障回路，并將故障回路電氣參數(shù)和斷路器狀態(tài)變化等信息發(fā)送給運維人員。為了幫助運維人員快速鎖定故障位置，智能配電系統(tǒng)將提供應急預案、故障分析等服務，將故障點位置，故障部分系統(tǒng)圖，有無可用備件等信息整合提供給檢修人員。系統(tǒng)可記錄每次故障發(fā)生時的有效信息，錄入事后經(jīng)調(diào)查確認的故障原因，形成歷史故障數(shù)據(jù)庫。當再次發(fā)生故障時，系統(tǒng)自動對比新發(fā)故障信息與歷史數(shù)據(jù)庫中的信息，通過分析軟件判斷故障原因，運行期間累積的大量數(shù)據(jù)將為實現(xiàn)故障預測打下基礎。

5.5 降低能耗

智能配電系統(tǒng)通過監(jiān)測全廠能源電量參數(shù)，通過軟件對用電負載分類、分項、分區(qū)管理，可顯示系統(tǒng)能耗與能效分析圖表、曲線。系統(tǒng)可根據(jù)預設的能耗、能效管理指標，結(jié)合實際工藝流程，分解出實際運行情況下電能消耗中不必要的部分，制定合理的電能分配方案，對運維人員進行指導，降低無效能耗，并對比歷史數(shù)據(jù)，檢驗節(jié)能降耗效果，實時調(diào)整節(jié)能策略。

圖2 設備健康管理功能界面

圖3 設備狀態(tài)檢修提示功能界面

5.6 運行報告

利用數(shù)據(jù)庫中的歷史數(shù)據(jù)，對電氣設備運行情況進行不同維度的統(tǒng)計與分析，形成日報、周報、月報、季報、年報等報表，以便運維人員掌握供配電設備運行情況。運行報告參考巡檢記錄表的模式設計，符合運行、維護人員作業(yè)習慣，在原表基礎上可擴充監(jiān)測對象，增加數(shù)據(jù)分析，關聯(lián)現(xiàn)場移動終端所上傳的隱患設備實時狀態(tài)數(shù)據(jù)，替代原有的人為巡檢填寫錄入記錄表的方式，減輕運維壓力。

水務行業(yè)直接成本中，電費高達50%以上，存在相當大的節(jié)能降耗空間。多個水務行業(yè)企業(yè)智能配電改造的實踐證明節(jié)電能力可達10%，若與工藝優(yōu)化相結(jié)合，則節(jié)能潛力更大。

6 水務行業(yè)中智能配電系統(tǒng)發(fā)展前景

由于水務行業(yè)對于智能配電系統(tǒng)在數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化升級中所起的作用認識不足，當前水務行業(yè)中智能配電系統(tǒng)相當一部分是配合企業(yè)節(jié)能降耗進行的升級改造項目，在新建項目上應用不多。未來，隨著智能化理念逐漸深入人心，智能化產(chǎn)品和數(shù)字技術的飛速發(fā)展，智能配電系統(tǒng)不斷的完善升級，會有越來越多的水務企業(yè)認識到智能配電系統(tǒng)所帶來的可觀效益。

氣候變化和能源危機已成為全人類共同面對的重要難題，我國在75屆聯(lián)合國大會中提出，“30-60”雙目標，即2030年實現(xiàn)“碳達峰”，2060年實現(xiàn)“碳中和”，并將其列入“十四五”規(guī)劃之中。今后，水務行業(yè)必將降低電能消耗作為實現(xiàn)“雙碳”目標的重要任務。因此，智能配電系統(tǒng)所實現(xiàn)的價值極大滿足了今后水務行業(yè)的發(fā)展需求，必將擁有廣闊的發(fā)展前景。

7 結(jié)語

智能配電系統(tǒng)能夠有效解決水務行業(yè)存在的運維管理問題、電能質(zhì)量問題、能源消耗問題。水務行業(yè)本質(zhì)是消耗能源換取環(huán)境友好的行業(yè)，節(jié)省電能消耗直接的降低了水務行業(yè)的運營成本，優(yōu)化水務行業(yè)的運維模式則降低了人工成本，智能配電系統(tǒng)的高可靠性也避免了發(fā)生故障后長時間停電停產(chǎn)造成的巨大損失。

隨著技術飛速發(fā)展和理念的不斷更新，智能配電系統(tǒng)的內(nèi)涵將不斷豐富，結(jié)構(gòu)將不斷調(diào)整，作用將不斷增強。本文僅在此進行初步的分析、探討。在廣闊的發(fā)展前景下，越來越多的相關企業(yè)將投入到智能配電系統(tǒng)的研發(fā)、設計之中，相信在不遠的未來，愈加成熟完善的智能配電系統(tǒng)將作為配電系統(tǒng)的常規(guī)配置應用于水務行業(yè)之中。