摘要：針對地下污水處理廠的配電系統(tǒng)提出智能配電設計思路，在綜合分析了硬件選擇、軟件配置和使用效果的基礎上，進行了相應的經濟分析。結果表明，智能配電系統(tǒng)將成為未來發(fā)展趨勢，將在越來越多的同類建設工程中得到應用。

1背景

隨著經濟的發(fā)展，城鎮(zhèn)化進程的加快，越來越多的污水處理廠建設突破傳統(tǒng)地上污水處理廠用地觀念，科學合理地利用地下空間，建設地下式污水處理廠。地下污水處理廠具有占用空間小、節(jié)省地上土地資源等優(yōu)點，同時減少對周圍景觀的美觀性產生影響，不僅提高了周圍土地資源的價值，也解決了污水處理過程中產生的污濁氣、噪音等問題，對周圍居民和環(huán)境產生“零影響”。目前已建的地下污水處理廠多采用傳統(tǒng)配電設計方案，在提質增效方面基本無改進空間。通過地下污水處理廠智能配電系統(tǒng)的搭建，可以降低人工成本、優(yōu)化運營環(huán)境、降低能耗。

2地下污水處理廠智能配電系統(tǒng)設計

2.1傳統(tǒng)污水處理廠配電系統(tǒng)的缺點

早期污水處理廠往往按照傳統(tǒng)配電方案進行設計，隨著技術的進步，污水處理廠管理水平的提升，對電氣設計不再滿足于安全、可靠、經濟、便利、節(jié)能等常規(guī)要求；而是希望更加智能化，能夠通過技術手段優(yōu)化生產方案，降低生產成本、便于后期維護；并且污水處理廠內變配電間相對其他區(qū)域更易發(fā)生火災，希望能夠有效預防電氣火災。污水處理是生化處理過程，一旦停電將造成供氧中斷，使微生物大量死亡，嚴重影響污水廠的處理效果和效率，要恢復正常運行，需要重新對活性污泥進行一定時間的培養(yǎng)和馴化，對供電要求較高；并且全地下式污水處理廠的通風、消防等負荷大，如果中斷供電，還可能造成污水浸泡整個箱體。

對傳統(tǒng)污水處理廠配電系統(tǒng)進行設計總結后，可以將傳統(tǒng)污水處理廠配電系統(tǒng)缺點歸納總結為3點：存有隱患、管理粗放、缺少分析。

2.2地下污水處理廠智能配電系統(tǒng)的解決方案

2.2.1消除火災隱患：

除常規(guī)自動火災報警系統(tǒng)設計外，還使用了以下智能設備，消除電氣火災隱患；

1）具有溫度檢測的高壓智能斷路器。

火災通常由設備故障引起一般因產品老化所致。傳統(tǒng)配電方案往往僅通過多功能表監(jiān)測電壓、電流、頻率等參數(shù)，無法監(jiān)測設備老化狀態(tài)。選用能監(jiān)測設備老化的電氣產品可大大降低火災風險，設備自帶的內嵌式設計的溫度檢測，可以保證開關設備原有絕緣性，通過自供電測溫單元及磁飽和技術，實現(xiàn)免維護，確保安全、穩(wěn)定地長期工作，依托NFC自動識別組網(wǎng)技術，實現(xiàn)APP與設備的快速對接，通過Zigbee非接觸式無線通訊技術，實現(xiàn)接收單元與高壓側的電氣隔離。見圖1。

站控單元：

火災發(fā)生往往是因為設備老化發(fā)生故障所致。站控單元可以顯示產品老化程度，提醒運維人員在適當時機更換設備，降低發(fā)生火災的概率。此類產品能可視化呈現(xiàn)容量信息，讓風險提示更靠近設備端，輔助運維響應速度更快。預設界面模板基于配電柜體布局，可清晰對應設備層次關系，快速檢索故障根因。斷路器運行數(shù)據(jù)和老化分析等電氣資產關鍵運行信息能夠直觀呈現(xiàn)。設備內置軟件，擁有自動化工具，標準化模板，可縮短50%左右的調試時間。站控單元既可以在新建項目中布置在受總柜、電容柜等，也可以在改建項目布置在配電室墻面上。見圖2。

2.2.2解決管理粗放：

采用PME/PSO：

PME（電能管理系統(tǒng)）可以對全廠的設備運行進行監(jiān)視。系統(tǒng)后臺時刻監(jiān)測能源使用狀態(tài)、生成清晰的能耗視圖，助力建立能源使用的管理方針，優(yōu)化能耗成本。PSO（電力監(jiān)控系統(tǒng)）可以對全廠的設備進行控制。通過靈活的九余架構、開放的協(xié)議支持，實現(xiàn)高可靠性、高實時性的系統(tǒng)方案。同時，PSO具有模塊化特性，可在電力監(jiān)控的基礎上實現(xiàn)能源管理、電力資產管理等靈活的功能組合，滿足用戶的多樣化需求。PME/PSO做為中低壓一體化電力監(jiān)控平臺，提高了系統(tǒng)的集成度，方便客戶進行監(jiān)控管理，實現(xiàn)了能耗分析等能源管理功能。見圖3和圖4。

精細化管理：

軟件的實施可以實現(xiàn)資產存檔、資產快查、規(guī)范工作流程、追蹤運維過程、體現(xiàn)能源使用狀態(tài)等功能

3）主動運維：

傳統(tǒng)的維護是被動調整，哪壞修哪，響應時間長；通過預測主動維護，設備老化到一定程度進行預警提示，來決定修或者換，帶來的運行損失更小。主動提示風險，輔助運維快速反應。

2.2.3強化數(shù)據(jù)分析

傳統(tǒng)污水處理廠缺少運行電氣系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析，傳統(tǒng)的軟件更加關注工藝流程，電力數(shù)據(jù)利用率較低；分析基本依托運維人員個體的經驗，速度和能力遠不及專業(yè)的電腦及分析軟件。各種智能軟硬件的應用可以進行大數(shù)據(jù)收集，收集后采用智能分析評估、智能應用，結合資產評估，依托專家服務留存處理方案，提升運維體系的高效性。

3地下污水廠智能配電系統(tǒng)的效益

智能配電系統(tǒng)的應用雖然會帶來工程建設造價增加，但通過精細管理、專家服務可以主動運維帶來以下收益。

3.1降低人工成

現(xiàn)在專業(yè)電工普遍年齡偏大并且人員數(shù)量少以處理規(guī)模10x104m/d水廠為例，通常機械、電氣及儀表運維護人員為3班次，每5人一班，共計15人。主動運維可以更有計劃的進行電力維護，減少工作量上較明顯的波谷。運維人員可優(yōu)化為3班次，每2人一班，共計6人，減少運維人員9人。

3.2優(yōu)化運營環(huán)境

傳統(tǒng)污水處理廠的一些工藝步驟需要白天進行，因此需要有足夠人力物力給予保證；采用智能配電體系后，如污水處理廠內的污泥脫水等非連續(xù)運行設施，可以全部調整在電價波谷段運行。

3.3降低能耗

地下污水處理廠的非生產用電占比較傳統(tǒng)污水處理廠高，可挖掘的節(jié)能潛力較多，如果沒有PSE和PSO，節(jié)能方案將無所依據(jù)。通風、照明、綜合樓等非生產用電，鼓風曝氣、進水、出水等生產用電，可通過智能化分析，合理調整運行時間。設備組合實現(xiàn)能源利用的優(yōu)化，例如：通風系統(tǒng)通過環(huán)境儀表檢測，采用局部區(qū)域運行，或不同區(qū)域輪流運行等措施，實現(xiàn)能耗的降低。見圖5。

4安科瑞電氣針對智慧城市水務建設推出能效管理解決方案----AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平臺

4.1平臺概述

安科瑞電氣具備從終端感知、邊緣計算到能效管理平臺的產品生態(tài)體系，AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平臺通過在污水廠源、網(wǎng)、荷、儲、充的各個關鍵節(jié)點安裝保護、監(jiān)測、分析、治理裝置，用于監(jiān)測污水廠能耗總量和能耗強度，重點監(jiān)測主要用能設備能效，保護污水廠運行安全可靠，提高污水廠能效，為污水處理的能效管理提供科學、精細的解決方案。

4.2平臺組成

AcrelEMS智慧水務綜合能效管理系統(tǒng)由變電站綜合自動化系統(tǒng)、電力監(jiān)控及能效管理系統(tǒng)組成，涵蓋了水務中壓變配電系統(tǒng)、電氣安全、應急電源、能源管理、照明控制、設備運維等，貫穿水務能源流的始終，幫助運維管理人員通過一套平臺、一個APP實時了解水務配電系統(tǒng)運行狀況，并且根據(jù)權限可以適用于水務后勤部門管理需要。

4.3平臺拓撲圖

4.4平臺子系統(tǒng)

4.4.1變電站綜合自動化系統(tǒng)及電力監(jiān)控

對水務配電系統(tǒng)中34kV、10kV電壓等級配置繼電保護和弧光保護，實現(xiàn)遙測、遙信、遙控、遙調等功能，對異常情況及時預警。

監(jiān)測變壓器、水泵、鼓風機的電流、電壓、有功/無功功率、功率因數(shù)、負荷率、溫度、三相平衡、異常報警等數(shù)據(jù)。

4.4.2電能質量監(jiān)測與治理

水務中大量的大功率電機、水泵變頻啟動導致配電系統(tǒng)中存在大量諧波，通過監(jiān)測其配電系統(tǒng)的諧波畸變、電壓波動、閃變和容忍度指標分析其電能質量，并配置對應的電能質量治理措施提高供電電能質量。

4.4.3電動機管理

馬達監(jiān)控實現(xiàn)水務中電機的保護、遙測、遙信、遙控功能，電動機保護器能對過載、短路、缺相、漏電等異常情況進行保護、監(jiān)測和報警。高效、準確地反映出故障狀態(tài)、故障時間、故障地點、及相關信息，對電機進行健康診斷和預防性維護。同時支持與PLC、軟啟、變頻器等配合，實現(xiàn)電動機自動或遠程控制，監(jiān)視、控制各個工藝設備,保障正常生產。

4.4.4能耗管理

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

將所有有關能源的參數(shù)集中在一個看板中，從多個維度對比分析，實現(xiàn)各個工藝環(huán)節(jié)的能耗對比，幫助領導掌控整個工廠的能源消耗，能源成本，標煤排放等的情況。

能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計采集水務中污水廠、自來水廠、水泵站等的用電、用水、燃氣、冷熱量消耗量，同環(huán)比對比分析，能耗總量和能耗強度計算，標煤計算和CO2排放統(tǒng)計趨勢。

能效分析按三級計量架構，分別進行能效分析，契合能源管理體系要求，可對各車間/職能部門的能效水平進行分析，同比、環(huán)比、對標等。通過污水處理產量以及系統(tǒng)采集的能耗數(shù)據(jù)，在污水單耗中生成污水單耗趨勢圖，并進行同比和環(huán)比分析，同時將污水的單耗與行業(yè)/先進指標對標，以便企業(yè)能夠根據(jù)產品單耗情況來調整生產工藝，從而降低能耗。

4.4.5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、自動控制、感應控制、定時控制、場景控制、調光控制等多種控制方式，模塊可根據(jù)經緯度自動識別日出日落時間實現(xiàn)自動控制功能，盡量利用自然光照，實現(xiàn)室內、廠區(qū)照明的智能控制達到安全、節(jié)能、舒適、高效的目的。

4.4.6電氣安全

（1）電氣火災監(jiān)測

監(jiān)測配電系統(tǒng)回路的漏電電流和線纜溫度，實現(xiàn)對污水廠、自來水廠、水泵站的電氣安全預警。

（2）消防應急照明和疏散指示

根據(jù)預先設置的應急預案快速啟動疏散方案引導人員疏散。系統(tǒng)接入消防應急照明指示系統(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）消防設備電源監(jiān)測

監(jiān)測消防設備的工作電源是否正常，保障在發(fā)生火災時消防設備可以正常投入使用。

（4）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備即防火門監(jiān)控模塊、電動閉門器、電磁釋放器的工作狀態(tài)，實時監(jiān)測疏散通道防火門的開啟、關閉及故障狀態(tài)，顯示終端設備開路、短路等故障信號。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，當終端設備發(fā)生短路、斷路等故障時，防火門監(jiān)控器能發(fā)出報警信號，能指示報警部位并保存報警信息，保障了電氣安全的可靠性。

4.4.7環(huán)境監(jiān)測

污水廠、自來水廠、水泵站等場所溫濕度、煙霧、積水浸水、視頻、UPS電池間可燃氣體濃度展示和預警，保障污水廠、自來水廠、水泵站等安全運行。當可燃氣體或有害氣體濃度超標可自動啟動排風風機或新風系統(tǒng)，排除隱患，保持良好的水處理環(huán)境。

4.4.8分布式光伏監(jiān)測

實時監(jiān)測低壓并網(wǎng)柜每路的電流、電壓、功率等電氣參數(shù)及斷路器開關狀態(tài)，逆變器運行監(jiān)視，對逆變器直流側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)、當前發(fā)電功率、累計發(fā)電量進行監(jiān)測，以曲線方式繪制上述監(jiān)測的各個參量的歷史數(shù)據(jù)。

平臺結合廠區(qū)實際分布情況，通過3D或2.4D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)點位置，各個屋頂?shù)难b機容量。

4.4.9工藝仿真監(jiān)控

平臺通過2D、3D方式實時監(jiān)視粗格柵、污水提升、細格柵、曝氣沉砂、改良生化處理、二沉、加氯接觸消毒、污泥濃縮壓濾、生物除臭等工藝設備運行狀態(tài)。在格柵清渣機、污水提升泵、回流泵、曝氣風機、加藥泵、濃縮壓濾機、吸沙泵、吸泥泵等低壓電動機控制柜或低壓饋電柜安裝電動機保護，進行短路、過流、過載、起動超時、斷相、不平衡、低功率、接地/漏電、te保護、堵轉、逆序、溫度等保護以及外部故障連鎖停機，與PLC、軟啟、變頻器等配合，實現(xiàn)電動機自動或遠程控制，監(jiān)視、控制各個工藝設備,保障正常生產。

4.5相關平臺部署硬件選型清單

4.5.1電力監(jiān)控、電能質量、電動機管理及配電室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)

4.5.2智能照明系統(tǒng)

4.5.5防火門監(jiān)控系統(tǒng)

5總結與展望

本文簡要介紹了地下污水處理廠智能配電系統(tǒng)的部分軟硬件配置及帶來的效果。智能配電系統(tǒng)帶來的前期造價增加，可在后期運營過程中節(jié)省下來，長期來看是更經濟的選擇。采用智能配電系統(tǒng)的水廠，彰顯先進性，實現(xiàn)數(shù)字轉化型，提升水廠價值，智能配電地下污水廠未來發(fā)展的趨勢，將會在越來越多的同類建設工程中得到應用

參考文獻：

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[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計應用手冊.2022.04版

作者簡介：

周洋，男，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從智慧水務研究發(fā)展。