淺談水務行業中智能配電的作用及發展前景

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

水務行業是指由原水、供水、節水、排水、污水處理及水資源回收利用等構成的產業鏈[1]。水務行業是中國乃至世界上所有國家和地區最重要的城市基本服務行業之一，日常的生產、生活都離不開城市供水[2]。

2014年，國家發展和改革委員會等八部委印發了《關于促進智慧城市健康發展的指導意見》，要求水務等公用基礎設施的智能化水平大幅提升。“十三五”規劃將“智能水務”列入了戰略性新興產業。2021年《十四五規劃和2035年遠景目標綱要》要求，“加快數字化發展，建設數字中國”“加快數字社會發展步伐”。在國家政策指引下，我國的信息化、數字化、智能化腳步不斷加快，各行各業都在大力發展以大數據、互聯網為基礎的智能化業務，但水務行業內生動力不足，數字化、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。在此背景下信息技術與水務行業深度融合，打造高度數字化、網絡化的智能水務的重要性不言而喻。

電力供應是所有現代化企業運行的基礎，智慧水務的發展離不開供配電系統的智能化。本文將闡述智能配電系統在水務行業中的重要作用。

2 水務行業電氣系統運維管理現狀

水務行業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，這對運維人員的經驗和責任心要求很高，而且觀測到的數據顆粒度大，難以整合分析。不僅難以及時發現正在發生的問題及隱患，更難以預測即將發生的故障。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，使企業人工成本居高不下。現階段水務行業主要的運營系統是SACDA系統，從電力系統中獲取的大量數據存儲在SACDA系統數據庫中，并未加以有效利用。還有一部分數據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，還有大量的企業運維情況和管理經驗存在于運維人員的頭腦中，隨著人員老化更替而缺失。這些數據對于分析配電系統運行狀態，判斷故障原因、預測設備狀態變化趨勢都有極大的作用。

隨著國家大力推動數字經濟和實體經濟融合發展，智能配電終端產品與上位軟件不斷涌現，智能配電系統日漸趨于成熟。智能配電系統通過采用先進的算法，充分發掘數據價值，能夠全面實現配電系統的運維管理，有效改善電能質量，增強配電系統可靠性，避免因意外停電導致的停工停產危害。同時，監控軟件的分析決策也有助于企業合理分配電能，節省用電成本，降低能源消耗。

3 智能配電系統內涵及特征

智能配電系統具有可靠性高、自動化程度高、兼容性強、界面友好、操作便捷等特點，能夠對終端設備實現遙測、遙信、遙控、遙調等功能，從而提高企業運維管理水平，實現提質增效、節能降耗等。智能配電系統有以下幾點特征：

3.1 可觀測

通過智能設備的數據采集功能、網絡通信技術和可視化平臺，能夠實現對配電系統各環節的監測，數據直觀，易讀。能以曲線圖、柱狀圖、餅圖、表格多種數據呈現方式，從時間和空間兩個維度為運維管理提供依據。

3.2 可控制

通過對供配電設備的通訊連接，從監控管理平臺下達控制指令，啟動供配電設備的操作機構，實現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運行過程中各供配電設備處于可控狀態，使企業運行更加安全可靠。

3.3 設備互聯互通

采用網絡通信技術，可實現電氣設備之間的相互通訊，某一臺設備可根據其他電氣設備的狀態信息和聯動關系進行狀態更新，實現不同設備、系統之間的相互協作、信息共享。為配電系統可靠運行，合理調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，在出現異常狀態時及時聯系檢修人員，并給出數據支持和決策指導，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

采用現代通信技術，為配電系統構建一個實時傳輸、高速通信的信息系統，通過智能網關依據安全策略需求劃分不同的安全分區，使用企業內部專用網絡與外網隔離，實現配電系統運行信息交互高速無障礙的同時避免數據丟失或被竊取，使水務行業企業的敏感數據的安全性得到可靠保障。

4 智能配電系統的總體架構

智能配電系統總體由三部分構成，一是產生并收集數據的智能裝置層；二是傳輸數據的數據交換層；三是分析處理數據的應用管理層。

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、數字化和網絡化特點，在滿足相關標準要求的前提下，集成數據采集、控制和保護等功能。

本文結合現狀及行業技術的發展水平，提出了BIM運維管理平臺搭建常見的三種方式并總結了各自的優缺點，三種方式為：①基于常規運維軟件開發支持BIM功能；②基于BIM軟件二次開發；③自主開發。

4.2 數據交換層

構建智能裝置層和應用管理層之間數據傳輸的通道，基于網絡通信技術，設置數據交換機和智能網關，將智能設備層采集到的數據整理、集合傳輸到應用管理層，滿足應用管理層的數據需求，實現對電氣設備的監測和控制。

4.3 應用管理層

在本地管理服務器內安裝智能監控管理軟件和可視化平臺，實現對全廠供配電設備必要信息的采集，信息的數量、質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據，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監測和故障診斷能力；能夠對設備狀態進行評估，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 智能配電系統作用

5.1 可視化管理

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

圖1 全景分析功能界面

5.2 設備健康管理

采集開關柜內斷路器的機械特性、電氣特性及溫度特性；通過雷達圖監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據，可判定所有電動機構的健康狀態。還可以采集斷路器觸頭溫度，柜內母線連接點溫度等，實時觀察運行溫度數據，計算實際溫升，繪制溫升曲線。實時檢測觸頭的接觸度情況，提前發現故障隱患，提早介入，避免故障發生或擴大。

智能配電系統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學模型，利用設備收集的數據信息和運行狀態信息不斷修正判斷模型和參數，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停止運行的壓力，提前給出保養維護或預備更換設備的建議。

5.3 狀態檢修提示

運維人員依據系統對電氣設備的狀態評估，可以有針對性地安排設備排查和檢修；依據電氣設備狀態、運行時間及運行期間發生的重大事件等監測到的情況，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，實現狀態檢修與計劃檢修相結合。運維人員還可以根據系統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、維護建議采取相應的保養、維修、更換等處理措施。

狀態檢修功能以電氣設備當前狀態評估為基礎，同時對設備狀態的歷史數據進行分析，判斷設備狀態變化趨勢。對于出現突變量表征的電氣設備安排應急檢修。

當系統提示狀態檢修時，運維人員可調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。狀態檢修可與企業內部的SCADA或DCS系統聯動，選取對生產影響最小的時點安排對設備進行主動檢修。

狀態檢修是對計劃檢修的有力補充。智能配電系統能夠利用運行期間采集的數據，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，形成更完善的分析軟件，結合日益完善的監測手段提出更準確適用的狀態檢修建議。從而使狀態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 故障狀態輔助決策

智能配電系統能夠在故障發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和斷路器狀態變化等信息發送給運維人員。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，故障部分系統圖，有無可用備件等信息整合提供給檢修人員。系統可記錄每次故障發生時的有效信息，錄入事后經調查確認的故障原因，形成歷史故障數據庫。當再次發生故障時，系統自動對比新發故障信息與歷史數據庫中的信息，通過分析軟件判斷故障原因，運行期間累積的大量數據將為實現故障預測打下基礎。

5.5 降低能耗

智能配電系統通過監測全廠能源電量參數，通過軟件對用電負載分類、分項、分區管理，可顯示系統能耗與能效分析圖表、曲線。系統可根據預設的能耗、能效管理指標，結合實際工藝流程，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，并對比歷史數據，檢驗節能降耗效果，實時調整節能策略。

圖2 設備健康管理功能界面

圖3 設備狀態檢修提示功能界面

5.6 運行報告

利用數據庫中的歷史數據，對電氣設備運行情況進行不同維度的統計與分析，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、維護人員作業習慣，在原表基礎上可擴充監測對象，增加數據分析，關聯現場移動終端所上傳的隱患設備實時狀態數據，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。

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

6 水務行業中智能配電系統發展前景

由于水務行業對于智能配電系統在數字化轉型和智能化升級中所起的作用認識不足，當前水務行業中智能配電系統相當一部分是配合企業節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，智能化產品和數字技術的飛速發展，智能配電系統不斷的完善升級，會有越來越多的水務企業認識到智能配電系統所帶來的可觀效益。

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屆聯合國大會中提出，“30-60”雙目標，即2030年實現“碳達峰”，2060年實現“碳中和”，并將其列入“十四五”規劃之中。今后，水務行業必將降低電能消耗作為實現“雙碳”目標的重要任務。因此，智能配電系統所實現的價值極大滿足了今后水務行業的發展需求，必將擁有廣闊的發展前景。

7 結語

智能配電系統能夠有效解決水務行業存在的運維管理問題、電能質量問題、能源消耗問題。水務行業本質是消耗能源換取環境友好的行業，節省電能消耗直接的降低了水務行業的運營成本，優化水務行業的運維模式則降低了人工成本，智能配電系統的高可靠性也避免了發生故障后長時間停電停產造成的巨大損失。

隨著技術飛速發展和理念的不斷更新，智能配電系統的內涵將不斷豐富，結構將不斷調整，作用將不斷增強。本文僅在此進行初步的分析、探討。在廣闊的發展前景下，越來越多的相關企業將投入到智能配電系統的研發、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將作為配電系統的常規配置應用于水務行業之中。