智能配电系统在污水厂中的应用分析

秦成龙，毛恒

（中国建筑第二工程局有限公司）

1 引言

随着芯片产业、物联网和大数据分析技术的发展，智能设备制造快速发展，推动配电系统越来越智能化、数字化。智能配电系统可以实现对配网系统运行的实时监控，配网操作更加安全便捷、智能精确，同时结合智能决策系统，可以为用户提供可靠的故障处理方案，并且在节能降耗和优化运行方式方面辅助决策。智能配电系统的发展带动配网运维管理更加节能高效、安全可靠，成为数字化工程不可缺少的部分。本文结合某地污水处理厂项目，针对污水处理厂工艺设备量多、装机容量大等特点，引入智能配电系统，降低配电网运维成本，实现配网系统精益化管理[1-4]。

2 工程概况

某市政污水处理项目，项目总投资66亿元，占地面积约10.6m3，污水处理工艺流程为：预处理单元→主处理调节池→A/O池→二沉池→高密度澄清池→v型滤池中间提升泵房→臭氧接触池→脱碳生物滤池→尾水泵房。按照GB18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准进行污水处理。

3 配电系统设计方案

依据GB50014—2006《室外排水设计规范（2016 年版）》第6.1.19 条及CJJ/T120—2018《城镇排水系统电气与自动化工程技术标准》第4.1.1 条，该项目动力系统设备用电等级为二级。本工程设计4 座变电所，分别为总变电所、分变电所、矿变电站、臭氧发生间变电站。除了主变电站独立设计外，分变电站与反冲洗风机房合建；矿变电站与鼓风机房合建；臭氧发生间变电站与臭氧发生间合建。本工程设计两条10kV进线，运行方式为一主一备，10kV 及0.4kV 母线接线方式为单母线分段，两台变压器均同时运行（臭氧发生间变电站除外）。

4 智能配电系统架构设计

智能配电系统可以对配电网各节点的状态进行实时在线监测，确保配网供电设备的安全可靠稳定运行，同时可以对配网系统的运行方式优化和能源合理调配提供科学决策。建筑工地和工业园区作为电网的用户端，是供电网络的最末端，其智能配电系统主要有五个层次，依次为物联采集层、通信层、数据层、支撑层和应用层。智能配电系统处于研发阶段，尚未有统一技术标准。目前，用户侧智能配电系统主要采用智能断路器、电子式电压互感器、电流互感器、微机继电保护和测控装置、其他智能组件。对智能配电系统各个生产企业技术路线和研发侧重领域不同，更加注重对新材料、智能设备和继电保护的研发，各个厂家的生产技术标准越来越趋于兼容化、模块化、标准化。电气设备领域，施耐德电气研制一种智慧配电柜，通过配电柜实现强电回路的汇集，通过智能组件和软件系统实现对配电系统的集中控制，实现远程智能操作。

4.1 物联采集层的建设

智能配电通过对大数据分析实现配电的智能化。大数据的来源即对现场配电设备的数据采集，对配电设备电流电压、功率潮流以及运行状态进行实时监测并传输至计算处理模块，采集模块根据监测对象和内容不同，对应的监测算法模型也不同，如设备温度、柜体散热、开关状态量、母线电压等。

4.2 通信及数据库平台建设

智能配电系统通过物联网、传感器技术、云计算分析和网络安全等技术，实现对现场强电设备的监测与控制。通信传输网络按照数据类型和安全等级分为公网和专网。配电系统中根据现场的传输距离、经济成本和实际需求等选用合适网络，包含传统的移动互联网、近距离有线和无线传输，组合成工业以太网、无线局域网和RS485 串口等无缝传输技术。目前，智能配电网主要有两种网络模式，一种是智能断路器组网模式，另一种是采用施耐德的产品，施耐德在污水厂应用如图1 所示，施耐德电气通过一系列智能通信组件和通信协议，例如，以太网TCP/IP 和ULP 协议及ModbusRTU 协议的通信转换，实现强电断路器、开关、压变等数据通过以太网形式传输至监控后台。整个智能配电系统以物联采集层的设备运行数据作为基础，因此需要做到各个数据的统一标准、数据接口及程序兼容可靠，采集数据准确唯一。

图1 施耐德在污水厂应用

4.3 应用层建设

通过物联网采集层可以实现对配电网和终端设备整体运行数据的采集，通过对实时采集大数据的挖掘和人工智能技术实现电网运行状态和能耗监测分析，以及故障报警等，为电网运维提供预测、诊断和决策方案支持等功能。通过打通各个信息传递环节的壁垒和模式不匹配等，使更多数据通过交换机传输至后台，让用户更加主动地控制和管理电网运行。在具体设计中可以根据应用场景和预算等制定解决方案，按照智能配电系统架构，选用模块化等各种设备，建设数据采集、数据分析、故障研判等模块，建成安全可靠的配网管理系统。

5 智能配电系统应用案例

本污水处理厂智能配电项目的中、低压配电装置使用的施耐德设备，软件控制系统采用其旗下EcoStruxurePower 架构，以便实现硬件设备互联互通，可以满足大多数用户的智能用电需求，同时该架构支持扩展设计，满足特殊用户个性需求。

5.1 中、低压硬件配置

低压侧采用NSX、MTZ 开关及智能电表计量。中压侧采用智能断路器，并采用继保测控一体化装置。

5.2 智能组件和通信设备简介

通过采用施耐德品牌的电网设备智能组件和通信设备构建智能互联配电系统，实现高压设备的智能化信息采集和控制。

5.3 智能配电系统信息化结构方案设计

①智能化配电系统的数据来源主要有断路器、主变的遥测值，微机保护参数及各种设备温湿度等，现场传感器和电子元件将数据通过通信网关上传至后台，对上采用TCP/IP 规约、对下采用ModbusRTU规约。

②采集终端不仅可以采集现场断路器的电压、电流、功率等参数和设备状态，当断路器配置通信模块和智能单元时还可以对断路器的触头磨损率等设备参数进行分析。

③智能化监控系统在设备层配置有通信模块，安装在开关柜内通过直流24V供电，并配置不间断电源，配电室内的设备通过ULP线、RS485总线及以太网线连接，并通过无线信号传输至运维后台。

④智能监控平台支持电脑端和手机APP客户端，实现资产运维、运行状态、工单管理、报警管理、文档管理等功能。现场故障时发出报警信息，并将故障信息、定位和工单等推送给相关运维人员，实现快速响应及责任落实。运维人员还可以进行设备资产全寿命周期管理，准确获取设备图纸、历史资料，并自动进行分类和归档等，根据设备状态及运行情况，自动提示运维人员进行周期化检修试验等，避免设备带病运行，实现设备的精益化管理。

⑤智能配电系统实行无人值守+集中监控模式。将各个分布式的变电站通过以太网等进行数据集中接入监控后台，实现后台集中化监控和远程操作。减少变电所就地监控和运维的人工成本，同时提高操作运维的安全可靠性。

6 结语

本文结合某市政污水处理厂项目，结合污水处理厂变电所及实际配电需求，采用施耐德EcoStnlxurePower 智能配电系统架构，实现用户对配电系统的智能管理。智能配电系统通过集中监控和信息传递等手段，减少了人工运维的成本和高危，从被动检修发展成对配电系统的主动管理，提高了配网的操作运维效率和能源利用率。目前，我国智能配网技术处于起步阶段，尚未形成智能电网的相关标准和规范。因此，针对智能配网系统，制定和出台相关行业标准和规范为智能配网系统发展指明方向迫在眉睫，有利于各厂家的设备和技术，包括架构和通信协议，可以相互兼容，避免无质量、无序地发展。智能配电系统符合新时代绿色低碳、智慧工厂的发展需求，在提高运维质量和效率的同时，需要加强信息安全体系建设，确保信息在加密与隔离的条件下安全，避免网络漏洞带来不可挽回的损失。