智能配電系統在污水廠中的應用分析

秦成龍，毛恒

（中國建筑第二工程局有限公司）

1 引言

隨著芯片產業、物聯網和大數據分析技術的發展，智能設備制造快速發展，推動配電系統越來越智能化、數字化。智能配電系統可以實現對配網系統運行的實時監控，配網操作更加安全便捷、智能精確，同時結合智能決策系統，可以為用戶提供可靠的故障處理方案，并且在節能降耗和優化運行方式方面輔助決策。智能配電系統的發展帶動配網運維管理更加節能高效、安全可靠，成為數字化工程不可缺少的部分。本文結合某地污水處理廠項目，針對污水處理廠工藝設備量多、裝機容量大等特點，引入智能配電系統，降低配電網運維成本，實現配網系統精益化管理[1-4]。

2 工程概況

某市政污水處理項目，項目總投資66億元，占地面積約10.6m3，污水處理工藝流程為：預處理單元→主處理調節池→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《城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級A標準進行污水處理。

3 配電系統設計方案

依據GB50014—2006《室外排水設計規范（2016 年版）》第6.1.19 條及CJJ/T120—2018《城鎮排水系統電氣與自動化工程技術標準》第4.1.1 條，該項目動力系統設備用電等級為二級。本工程設計4 座變電所，分別為總變電所、分變電所、礦變電站、臭氧發生間變電站。除了主變電站獨立設計外，分變電站與反沖洗風機房合建；礦變電站與鼓風機房合建；臭氧發生間變電站與臭氧發生間合建。本工程設計兩條10kV進線，運行方式為一主一備，10kV 及0.4kV 母線接線方式為單母線分段，兩臺變壓器均同時運行（臭氧發生間變電站除外）。

4 智能配電系統架構設計

智能配電系統可以對配電網各節點的狀態進行實時在線監測，確保配網供電設備的安全可靠穩定運行，同時可以對配網系統的運行方式優化和能源合理調配提供科學決策。建筑工地和工業園區作為電網的用戶端，是供電網絡的最末端，其智能配電系統主要有五個層次，依次為物聯采集層、通信層、數據層、支撐層和應用層。智能配電系統處于研發階段，尚未有統一技術標準。目前，用戶側智能配電系統主要采用智能斷路器、電子式電壓互感器、電流互感器、微機繼電保護和測控裝置、其他智能組件。對智能配電系統各個生產企業技術路線和研發側重領域不同，更加注重對新材料、智能設備和繼電保護的研發，各個廠家的生產技術標準越來越趨于兼容化、模塊化、標準化。電氣設備領域，施耐德電氣研制一種智慧配電柜，通過配電柜實現強電回路的匯集，通過智能組件和軟件系統實現對配電系統的集中控制，實現遠程智能操作。

4.1 物聯采集層的建設

智能配電通過對大數據分析實現配電的智能化。大數據的來源即對現場配電設備的數據采集，對配電設備電流電壓、功率潮流以及運行狀態進行實時監測并傳輸至計算處理模塊，采集模塊根據監測對象和內容不同，對應的監測算法模型也不同，如設備溫度、柜體散熱、開關狀態量、母線電壓等。

4.2 通信及數據庫平臺建設

智能配電系統通過物聯網、傳感器技術、云計算分析和網絡安全等技術，實現對現場強電設備的監測與控制。通信傳輸網絡按照數據類型和安全等級分為公網和專網。配電系統中根據現場的傳輸距離、經濟成本和實際需求等選用合適網絡，包含傳統的移動互聯網、近距離有線和無線傳輸，組合成工業以太網、無線局域網和RS485 串口等無縫傳輸技術。目前，智能配電網主要有兩種網絡模式，一種是智能斷路器組網模式，另一種是采用施耐德的產品，施耐德在污水廠應用如圖1 所示，施耐德電氣通過一系列智能通信組件和通信協議，例如，以太網TCP/IP 和ULP 協議及ModbusRTU 協議的通信轉換，實現強電斷路器、開關、壓變等數據通過以太網形式傳輸至監控后臺。整個智能配電系統以物聯采集層的設備運行數據作為基礎，因此需要做到各個數據的統一標準、數據接口及程序兼容可靠，采集數據準確唯一。

圖1 施耐德在污水廠應用

4.3 應用層建設

通過物聯網采集層可以實現對配電網和終端設備整體運行數據的采集，通過對實時采集大數據的挖掘和人工智能技術實現電網運行狀態和能耗監測分析，以及故障報警等，為電網運維提供預測、診斷和決策方案支持等功能。通過打通各個信息傳遞環節的壁壘和模式不匹配等，使更多數據通過交換機傳輸至后臺，讓用戶更加主動地控制和管理電網運行。在具體設計中可以根據應用場景和預算等制定解決方案，按照智能配電系統架構，選用模塊化等各種設備，建設數據采集、數據分析、故障研判等模塊，建成安全可靠的配網管理系統。

5 智能配電系統應用案例

本污水處理廠智能配電項目的中、低壓配電裝置使用的施耐德設備，軟件控制系統采用其旗下EcoStruxurePower 架構，以便實現硬件設備互聯互通，可以滿足大多數用戶的智能用電需求，同時該架構支持擴展設計，滿足特殊用戶個性需求。

5.1 中、低壓硬件配置

低壓側采用NSX、MTZ 開關及智能電表計量。中壓側采用智能斷路器，并采用繼保測控一體化裝置。

5.2 智能組件和通信設備簡介

通過采用施耐德品牌的電網設備智能組件和通信設備構建智能互聯配電系統，實現高壓設備的智能化信息采集和控制。

5.3 智能配電系統信息化結構方案設計

①智能化配電系統的數據來源主要有斷路器、主變的遙測值，微機保護參數及各種設備溫濕度等，現場傳感器和電子元件將數據通過通信網關上傳至后臺，對上采用TCP/IP 規約、對下采用ModbusRTU規約。

②采集終端不僅可以采集現場斷路器的電壓、電流、功率等參數和設備狀態，當斷路器配置通信模塊和智能單元時還可以對斷路器的觸頭磨損率等設備參數進行分析。

③智能化監控系統在設備層配置有通信模塊，安裝在開關柜內通過直流24V供電，并配置不間斷電源，配電室內的設備通過ULP線、RS485總線及以太網線連接，并通過無線信號傳輸至運維后臺。

④智能監控平臺支持電腦端和手機APP客戶端，實現資產運維、運行狀態、工單管理、報警管理、文檔管理等功能。現場故障時發出報警信息，并將故障信息、定位和工單等推送給相關運維人員，實現快速響應及責任落實。運維人員還可以進行設備資產全壽命周期管理，準確獲取設備圖紙、歷史資料，并自動進行分類和歸檔等，根據設備狀態及運行情況，自動提示運維人員進行周期化檢修試驗等，避免設備帶病運行，實現設備的精益化管理。

⑤智能配電系統實行無人值守+集中監控模式。將各個分布式的變電站通過以太網等進行數據集中接入監控后臺，實現后臺集中化監控和遠程操作。減少變電所就地監控和運維的人工成本，同時提高操作運維的安全可靠性。

6 結語

本文結合某市政污水處理廠項目，結合污水處理廠變電所及實際配電需求，采用施耐德EcoStnlxurePower 智能配電系統架構，實現用戶對配電系統的智能管理。智能配電系統通過集中監控和信息傳遞等手段，減少了人工運維的成本和高危，從被動檢修發展成對配電系統的主動管理，提高了配網的操作運維效率和能源利用率。目前，我國智能配網技術處于起步階段，尚未形成智能電網的相關標準和規范。因此，針對智能配網系統，制定和出臺相關行業標準和規范為智能配網系統發展指明方向迫在眉睫，有利于各廠家的設備和技術，包括架構和通信協議，可以相互兼容，避免無質量、無序地發展。智能配電系統符合新時代綠色低碳、智慧工廠的發展需求，在提高運維質量和效率的同時，需要加強信息安全體系建設，確保信息在加密與隔離的條件下安全，避免網絡漏洞帶來不可挽回的損失。