浅谈智能配电能效系统在供水厂的设计与应用

摘要：分析重要市政设施用电安全现状，调研智能配电设备元件情况，采用一种智能化的配电系统架构，辅以电力监控、能耗管理、设备运维等多维度管理手段，并将其应用于上海市某大型供水厂改造工程。

关键词：大型供水厂；智能配电系统；运维管理；配电设备资产管理；能源效率管理；电能质量管理；智能元件选型；系统架构

引言

供水厂作为重要的市政设施，与经济建设、民生发展密切相关，经过多年建设，国内各主要城市供水厂整体处理能力基本满足社会需求，近阶段建设重点集中在工艺提标、设备设施自动化与智能化等方面。本文以上海市某大型供水厂工程实例为切入点，探索在重要基础设施项目中应用新型智能配电系统的可行性。

1. 项目背景

本文研究的智能配电系统依托项目系上海市某大型供水厂深度处理改造工程，该水厂始建于1959年，是新中国成立后由我国自行设计建造并逐渐扩建发展起来的大型水厂，日供水量100余万吨，承担上海西南城区的供水重任。供水厂概览如图1所示，供水厂35kV变电所系统如图2所示。供水厂目前设有一座35/6kV受电变电所，接受上一级变电所两路相互独立的35kV电源，受电变电所内设置2×16000kVA主变，35kV侧采用内桥接线，6kV侧采用单母线分段接线，外部供电可靠性较高。但由于历经60年不断扩建改造，水厂内部现状配电系统较为老旧，且厂区面积大(占地约272亩)、单体多，配电设施繁多，导致维护难度大，给水厂连续供电、保障生产带来较大隐患。鉴于上述情况，拟结合本次水厂工艺提标工程实施厂内配电系统的智能化改造。

图1供水厂概念图

二、传统配电系统问题分析

传统配电系统可靠性主要依赖硬件产品的质量和性能，常规情况下基本能满足供水厂用电需求，但也日益暴露出各种问题。目前，各大水务集团都在推行无人或少人值守的运行方式，而配电设备却逐年增加且有经验的一线运维人员呈现明显的老龄化，从而导致设备更新维护滞后，带来电力中断的隐患点。供水厂属于电力负荷密集型生产企业，传统配电系统缺乏数据收集、分析功能，因而无法进行电力的合理调配，能源运行效率较低。大型水厂的配电设施繁多，如何进行有效的电气资产管理，也是传统配电系统面临的一大挑战。根据生产工艺需要，现代化水厂中精密的设备设施如臭氧发生器、紫外消毒器、各种测量仪表等日益增多，这些设备对电能质量要求较高，而传统配电系统尤其是低压侧缺少谐波、电压扰动等方面的检测与诊断措施，容易损伤对电能质量较为敏感的设备设施。

三、智能配电系统架构

近年来，随着制造工艺的提高、信息技术的发展，便有了结合*新的技术设计新型智能配电系统的可能性。由于国家目前尚未颁布相关智能配电系统的标准，本文结合传统配电系统存在的问题，并综合考虑供水厂实际运行的需要，给出一种智能配电系统的架构方案，主要功能如表1所示。通过智能系统的上述管理，可提高供电的可靠性和安全性，提升供水企业的运营效率和设备使用效率，提高生产性企业的能源利用率。上述架构的物理实施方案可通过智能化的电力设备、集成化的控制系统与大数据和人工智能的有机结合实现，如图3所示。

平台子系统

（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、异常报警等数据。

（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、闪变和容忍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。

（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、监测和报警。高效、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。

（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。

能效分析按三级计量架构，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/先进指标对标，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）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安全、节能、舒适、高效的目的。

5电气安全

（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、水泵站的电气安全预警。

（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。

（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。

6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，防火门监控器能发出报警信号，能指示报警部位并保存报警信息，保障了电气安全的可靠性。

7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、视频、UPS电池间可燃气体浓度展示和预警，保障污水厂、自来水厂、水泵站等安全运行。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。

8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。

9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、加氯接触消毒、污泥浓缩压滤、生物除臭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。