摘要：分析重要市政設(shè)施用電安全現(xiàn)狀，調(diào)研智能配電設(shè)備元件情況，采用一種智能化的配電系統(tǒng)架構(gòu)，輔以電力監(jiān)控、能耗管理、設(shè)備運(yùn)維等多維度管理手段，并將其應(yīng)用于上海市某大型供水廠改造工程。

關(guān)鍵詞：大型供水廠；智能配電系統(tǒng)；運(yùn)維管理；配電設(shè)備資產(chǎn)管理；能源效率管理；電能質(zhì)量管理；智能元件選型；系統(tǒng)架構(gòu)

引言

供水廠作為重要的市政設(shè)施，與經(jīng)濟(jì)建設(shè)、民生發(fā)展密切相關(guān)，經(jīng)過多年建設(shè)，國(guó)內(nèi)各主要城市供水廠整體處理能力基本滿足社會(huì)需求，近階段建設(shè)重點(diǎn)集中在工藝提標(biāo)、設(shè)備設(shè)施自動(dòng)化與智能化等方面。本文以上海市某大型供水廠工程實(shí)例為切入點(diǎn)，探索在重要基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目中應(yīng)用新型智能配電系統(tǒng)的可行性。

1. 項(xiàng)目背景

本文研究的智能配電系統(tǒng)依托項(xiàng)目系上海市某大型供水廠深度處理改造工程，該水廠始建于1959年，是新中國(guó)成立后由我國(guó)自行設(shè)計(jì)建造并逐漸擴(kuò)建發(fā)展起來的大型水廠，日供水量100余萬噸，承擔(dān)上海西南城區(qū)的供水重任。供水廠概覽如圖1所示，供水廠35kV變電所系統(tǒng)如圖2所示。供水廠目前設(shè)有一座35/6kV受電變電所，接受上一級(jí)變電所兩路相互獨(dú)立的35kV電源，受電變電所內(nèi)設(shè)置2×16000kVA主變，35kV側(cè)采用內(nèi)橋接線，6kV側(cè)采用單母線分段接線，外部供電可靠性較高。但由于歷經(jīng)60年不斷擴(kuò)建改造，水廠內(nèi)部現(xiàn)狀配電系統(tǒng)較為老舊，且廠區(qū)面積大(占地約272畝)、單體多，配電設(shè)施繁多，導(dǎo)致維護(hù)難度大，給水廠連續(xù)供電、保障生產(chǎn)帶來較大隱患。鑒于上述情況，擬結(jié)合本次水廠工藝提標(biāo)工程實(shí)施廠內(nèi)配電系統(tǒng)的智能化改造。

圖1供水廠概念圖

二、傳統(tǒng)配電系統(tǒng)問題分析

傳統(tǒng)配電系統(tǒng)可靠性主要依賴硬件產(chǎn)品的質(zhì)量和性能，常規(guī)情況下基本能滿足供水廠用電需求，但也日益暴露出各種問題。目前，各大水務(wù)集團(tuán)都在推行無人或少人值守的運(yùn)行方式，而配電設(shè)備卻逐年增加且有經(jīng)驗(yàn)的一線運(yùn)維人員呈現(xiàn)明顯的老齡化，從而導(dǎo)致設(shè)備更新維護(hù)滯后，帶來電力中斷的隱患點(diǎn)。供水廠屬于電力負(fù)荷密集型生產(chǎn)企業(yè)，傳統(tǒng)配電系統(tǒng)缺乏數(shù)據(jù)收集、分析功能，因而無法進(jìn)行電力的合理調(diào)配，能源運(yùn)行效率較低。大型水廠的配電設(shè)施繁多，如何進(jìn)行有效的電氣資產(chǎn)管理，也是傳統(tǒng)配電系統(tǒng)面臨的一大挑戰(zhàn)。根據(jù)生產(chǎn)工藝需要，現(xiàn)代化水廠中精密的設(shè)備設(shè)施如臭氧發(fā)生器、紫外消毒器、各種測(cè)量?jī)x表等日益增多，這些設(shè)備對(duì)電能質(zhì)量要求較高，而傳統(tǒng)配電系統(tǒng)尤其是低壓側(cè)缺少諧波、電壓擾動(dòng)等方面的檢測(cè)與診斷措施，容易損傷對(duì)電能質(zhì)量較為敏感的設(shè)備設(shè)施。

三、智能配電系統(tǒng)架構(gòu)

近年來，隨著制造工藝的提高、信息技術(shù)的發(fā)展，便有了結(jié)合*新的技術(shù)設(shè)計(jì)新型智能配電系統(tǒng)的可能性。由于國(guó)家目前尚未頒布相關(guān)智能配電系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，本文結(jié)合傳統(tǒng)配電系統(tǒng)存在的問題，并綜合考慮供水廠實(shí)際運(yùn)行的需要，給出一種智能配電系統(tǒng)的架構(gòu)方案，主要功能如表1所示。通過智能系統(tǒng)的上述管理，可提高供電的可靠性和安全性，提升供水企業(yè)的運(yùn)營(yíng)效率和設(shè)備使用效率，提高生產(chǎn)性企業(yè)的能源利用率。上述架構(gòu)的物理實(shí)施方案可通過智能化的電力設(shè)備、集成化的控制系統(tǒng)與大數(shù)據(jù)和人工智能的有機(jī)結(jié)合實(shí)現(xiàn)，如圖3所示。

平臺(tái)子系統(tǒng)

（1）變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)及電力監(jiān)控

對(duì)水務(wù)配電系統(tǒng)中35kV、10kV電壓等級(jí)配置繼電保護(hù)和弧光保護(hù)，實(shí)現(xiàn)遙測(cè)、遙信、遙控、遙調(diào)等功能，對(duì)異常情況及時(shí)預(yù)警。

監(jiān)測(cè)變壓器、水泵、鼓風(fēng)機(jī)的電流、電壓、有功/無功功率、功率因數(shù)、負(fù)荷率、溫度、三相平衡、異常報(bào)警等數(shù)據(jù)。

（2）電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與治理

水務(wù)中大量的大功率電機(jī)、水泵變頻啟動(dòng)導(dǎo)致配電系統(tǒng)中存在大量諧波，通過監(jiān)測(cè)其配電系統(tǒng)的諧波畸變、電壓波動(dòng)、閃變和容忍度指標(biāo)分析其電能質(zhì)量，并配置對(duì)應(yīng)的電能質(zhì)量治理措施提高供電電能質(zhì)量。

（3）電動(dòng)機(jī)管理

馬達(dá)監(jiān)控實(shí)現(xiàn)水務(wù)中電機(jī)的保護(hù)、遙測(cè)、遙信、遙控功能，電動(dòng)機(jī)保護(hù)器能對(duì)過載、短路、缺相、漏電等異常情況進(jìn)行保護(hù)、監(jiān)測(cè)和報(bào)警。高效、準(zhǔn)確地反映出故障狀態(tài)、故障時(shí)間、故障地點(diǎn)、及相關(guān)信息，對(duì)電機(jī)進(jìn)行健康診斷和預(yù)防性維護(hù)。同時(shí)支持與PLC、軟啟、變頻器等配合，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)自動(dòng)或遠(yuǎn)程控制，監(jiān)視、控制各個(gè)工藝設(shè)備,保障正常生產(chǎn)。

（4）能耗管理

為水務(wù)搭建計(jì)量體系，顯示水務(wù)的能源流向和能源損耗，通過能源流向圖幫助水務(wù)分析能源消耗去向，找出能源消耗異常區(qū)域。

將所有有關(guān)能源的參數(shù)集中在一個(gè)看板中，從多個(gè)維度對(duì)比分析，實(shí)現(xiàn)各個(gè)工藝環(huán)節(jié)的能耗對(duì)比，幫助領(lǐng)導(dǎo)掌控整個(gè)工廠的能源消耗，能源成本，標(biāo)煤排放等的情況。

能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)采集水務(wù)中污水廠、自來水廠、水泵站等的用電、用水、燃?xì)?、冷熱量消耗量，同環(huán)比對(duì)比分析，能耗總量和能耗強(qiáng)度計(jì)算，標(biāo)煤計(jì)算和CO2排放統(tǒng)計(jì)趨勢(shì)。

能效分析按三級(jí)計(jì)量架構(gòu)，分別進(jìn)行能效分析，契合能源管理體系要求，可對(duì)各車間/職能部門的能效水平進(jìn)行分析，同比、環(huán)比、對(duì)標(biāo)等。通過污水處理產(chǎn)量以及系統(tǒng)采集的能耗數(shù)據(jù)，在污水單耗中生成污水單耗趨勢(shì)圖，并進(jìn)行同比和環(huán)比分析，同時(shí)將污水的單耗與行業(yè)/先進(jìn)指標(biāo)對(duì)標(biāo)，以便企業(yè)能夠根據(jù)產(chǎn)品單耗情況來調(diào)整生產(chǎn)工藝，從而降低能耗。

（5）智能照明控制

系統(tǒng)為污水廠、自來水廠、水泵站等提供了照明控制管理方案，支持單控、區(qū)域控制、自動(dòng)控制、感應(yīng)控制、定時(shí)控制、場(chǎng)景控制、調(diào)光控制等多種控制方式，模塊可根據(jù)經(jīng)緯度自動(dòng)識(shí)別日出日落時(shí)間實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制功能，盡量利用自然光照，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)、廠區(qū)照明的智能控制達(dá)到安全、節(jié)能、舒適、高效的目的。

5電氣安全

（1）電氣火災(zāi)監(jiān)測(cè)

監(jiān)測(cè)配電系統(tǒng)回路的漏電電流和線纜溫度，實(shí)現(xiàn)對(duì)污水廠、自來水廠、水泵站的電氣安全預(yù)警。

（2）消防應(yīng)急照明和疏散指示

根據(jù)預(yù)先設(shè)置的應(yīng)急預(yù)案快速啟動(dòng)疏散方案引導(dǎo)人員疏散。系統(tǒng)接入消防應(yīng)急照明指示系統(tǒng)數(shù)據(jù)，通過平面圖顯示疏散指示燈具工作狀態(tài)和異常情況。

（3）消防設(shè)備電源監(jiān)測(cè)

監(jiān)測(cè)消防設(shè)備的工作電源是否正常，保障在發(fā)生火災(zāi)時(shí)消防設(shè)備可以正常投入使用。

6防火門監(jiān)控系統(tǒng)

防火門監(jiān)控系統(tǒng)集中控制其各終端設(shè)備即防火門監(jiān)控模塊、電動(dòng)閉門器、電磁釋放器的工作狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)疏散通道防火門的開啟、關(guān)閉及故障狀態(tài)，顯示終端設(shè)備開路、短路等故障信號(hào)。系統(tǒng)采用消防二總線將具有通信功能的監(jiān)控模塊相互連接起來，當(dāng)終端設(shè)備發(fā)生短路、斷路等故障時(shí)，防火門監(jiān)控器能發(fā)出報(bào)警信號(hào)，能指示報(bào)警部位并保存報(bào)警信息，保障了電氣安全的可靠性。

7環(huán)境監(jiān)測(cè)

污水廠、自來水廠、水泵站等場(chǎng)所溫濕度、煙霧、積水浸水、視頻、UPS電池間可燃?xì)怏w濃度展示和預(yù)警，保障污水廠、自來水廠、水泵站等安全運(yùn)行。當(dāng)可燃?xì)怏w或有害氣體濃度超標(biāo)可自動(dòng)啟動(dòng)排風(fēng)風(fēng)機(jī)或新風(fēng)系統(tǒng)，排除隱患，保持良好的水處理環(huán)境。

8分布式光伏監(jiān)測(cè)

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)低壓并網(wǎng)柜每路的電流、電壓、功率等電氣參數(shù)及斷路器開關(guān)狀態(tài)，逆變器運(yùn)行監(jiān)視，對(duì)逆變器直流側(cè)每一光伏組串的輸入直流電壓、直流電流、直流功率，逆變器交流電壓、交流電流、頻率、功率因數(shù)、當(dāng)前發(fā)電功率、累計(jì)發(fā)電量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以曲線方式繪制上述監(jiān)測(cè)的各個(gè)參量的歷史數(shù)據(jù)。

平臺(tái)結(jié)合廠區(qū)實(shí)際分布情況，通過3D或2.5D平面圖顯示分布式光伏組件在屋頂、車棚的分布情況，顯示匯流箱、并網(wǎng)點(diǎn)位置，各個(gè)屋頂?shù)难b機(jī)容量。

9工藝仿真監(jiān)控

平臺(tái)通過2D、3D方式實(shí)時(shí)監(jiān)視粗格柵、污水提升、細(xì)格柵、曝氣沉砂、改良生化處理、二沉、加氯接觸消毒、污泥濃縮壓濾、生物除臭等工藝設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。在格柵清渣機(jī)、污水提升泵、回流泵、曝氣風(fēng)機(jī)、加藥泵、濃縮壓濾機(jī)、吸沙泵、吸泥泵等低壓電動(dòng)機(jī)控制柜或低壓饋電柜安裝電動(dòng)機(jī)保護(hù)，進(jìn)行短路、過流、過載、起動(dòng)超時(shí)、斷相、不平衡、低功率、接地/漏電、te保護(hù)、堵轉(zhuǎn)、逆序、溫度等保護(hù)以及外部故障連鎖停機(jī)，與PLC、軟啟、變頻器等配合，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)自動(dòng)或遠(yuǎn)程控制，監(jiān)視、控制各個(gè)工藝設(shè)備,保障正常生產(chǎn)。