中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司 徐 進(jìn) 孫海波 溫琳蘋 李永健 梁子康

1 引言

水務(wù)行業(yè)是指由原水、供水、節(jié)水、排水、污水處理及水資源回收利用等構(gòu)成的產(chǎn)業(yè)鏈[1]。水務(wù)行業(yè)是中國(guó)乃至世界上所有國(guó)家和地區(qū)最重要的城市基本服務(wù)行業(yè)之一，日常的生產(chǎn)、生活都離不開城市供水[2]。

2014年，國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)等八部委印發(fā)了《關(guān)于促進(jìn)智慧城市健康發(fā)展的指導(dǎo)意見》，要求水務(wù)等公用基礎(chǔ)設(shè)施的智能化水平大幅提升?！笆濉币?guī)劃將“智能水務(wù)”列入了戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。2021年《十四五規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》要求，“加快數(shù)字化發(fā)展，建設(shè)數(shù)字中國(guó)”“加快數(shù)字社會(huì)發(fā)展步伐”。在國(guó)家政策指引下，我國(guó)的信息化、數(shù)字化、智能化腳步不斷加快，各行各業(yè)都在大力發(fā)展以大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的智能化業(yè)務(wù)，但水務(wù)行業(yè)內(nèi)生動(dòng)力不足，數(shù)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(jī)械、化工、建筑等其他行業(yè)。在此背景下信息技術(shù)與水務(wù)行業(yè)深度融合，打造高度數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的智能水務(wù)的重要性不言而喻。

電力供應(yīng)是所有現(xiàn)代化企業(yè)運(yùn)行的基礎(chǔ)，智慧水務(wù)的發(fā)展離不開供配電系統(tǒng)的智能化。本文將闡述智能配電系統(tǒng)在水務(wù)行業(yè)中的重要作用。

2 水務(wù)行業(yè)電氣系統(tǒng)運(yùn)維管理現(xiàn)狀

水務(wù)行業(yè)電氣設(shè)備巡檢主要依靠人的感官，輔以紅外手持溫度掃描儀等設(shè)備。主要運(yùn)維人員通過諸如視覺、聽覺、嗅覺、觸覺等對(duì)電氣設(shè)備的運(yùn)行情況加以判斷，這對(duì)運(yùn)維人員的經(jīng)驗(yàn)和責(zé)任心要求很高，而且觀測(cè)到的數(shù)據(jù)顆粒度大，難以整合分析。不僅難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)正在發(fā)生的問題及隱患，更難以預(yù)測(cè)即將發(fā)生的故障。這種具有盲目性的巡檢方式不僅效率低下，同時(shí)也耗費(fèi)了運(yùn)維人員的大量時(shí)間，使企業(yè)人工成本居高不下?，F(xiàn)階段水務(wù)行業(yè)主要的運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)是SACDA系統(tǒng)，從電力系統(tǒng)中獲取的大量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SACDA系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，并未加以有效利用。還有一部分?jǐn)?shù)據(jù)記錄在隱患排查記錄本和巡檢記錄臺(tái)賬上，更加難以利用。此外，還有大量的企業(yè)運(yùn)維情況和管理經(jīng)驗(yàn)存在于運(yùn)維人員的頭腦中，隨著人員老化更替而缺失。這些數(shù)據(jù)對(duì)于分析配電系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，判斷故障原因、預(yù)測(cè)設(shè)備狀態(tài)變化趨勢(shì)都有極大的作用。

隨著國(guó)家大力推動(dòng)數(shù)字經(jīng)濟(jì)和實(shí)體經(jīng)濟(jì)融合發(fā)展，智能配電終端產(chǎn)品與上位軟件不斷涌現(xiàn)，智能配電系統(tǒng)日漸趨于成熟。智能配電系統(tǒng)通過采用先進(jìn)的算法，充分發(fā)掘數(shù)據(jù)價(jià)值，能夠全面實(shí)現(xiàn)配電系統(tǒng)的運(yùn)維管理，有效改善電能質(zhì)量，增強(qiáng)配電系統(tǒng)可靠性，避免因意外停電導(dǎo)致的停工停產(chǎn)危害。同時(shí)，監(jiān)控軟件的分析決策也有助于企業(yè)合理分配電能，節(jié)省用電成本，降低能源消耗。

3 智能配電系統(tǒng)內(nèi)涵及特征

智能配電系統(tǒng)具有可靠性高、自動(dòng)化程度高、兼容性強(qiáng)、界面友好、操作便捷等特點(diǎn)，能夠?qū)K端設(shè)備實(shí)現(xiàn)遙測(cè)、遙信、遙控、遙調(diào)等功能，從而提高企業(yè)運(yùn)維管理水平，實(shí)現(xiàn)提質(zhì)增效、節(jié)能降耗等。智能配電系統(tǒng)有以下幾點(diǎn)特征：

3.1 可觀測(cè)

通過智能設(shè)備的數(shù)據(jù)采集功能、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和可視化平臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)配電系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)直觀，易讀。能以曲線圖、柱狀圖、餅圖、表格多種數(shù)據(jù)呈現(xiàn)方式，從時(shí)間和空間兩個(gè)維度為運(yùn)維管理提供依據(jù)。

3.2 可控制

通過對(duì)供配電設(shè)備的通訊連接，從監(jiān)控管理平臺(tái)下達(dá)控制指令，啟動(dòng)供配電設(shè)備的操作機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)供配電設(shè)備的遠(yuǎn)程人工控制和自動(dòng)控制。在無人值守的情況下保障企業(yè)運(yùn)行過程中各供配電設(shè)備處于可控狀態(tài)，使企業(yè)運(yùn)行更加安全可靠。

3.3 設(shè)備互聯(lián)互通

采用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備之間的相互通訊，某一臺(tái)設(shè)備可根據(jù)其他電氣設(shè)備的狀態(tài)信息和聯(lián)動(dòng)關(guān)系進(jìn)行狀態(tài)更新，實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備、系統(tǒng)之間的相互協(xié)作、信息共享。為配電系統(tǒng)可靠運(yùn)行，合理調(diào)配供電方案提供幫助。

3.4 輔助運(yùn)維

可實(shí)時(shí)向運(yùn)維人員推送電氣設(shè)備狀態(tài)，在出現(xiàn)異常狀態(tài)時(shí)及時(shí)聯(lián)系檢修人員，并給出數(shù)據(jù)支持和決策指導(dǎo)，使水廠運(yùn)維人員無需查閱大量資料即可獲取關(guān)鍵信息。

3.5 信息安全

采用現(xiàn)代通信技術(shù)，為配電系統(tǒng)構(gòu)建一個(gè)實(shí)時(shí)傳輸、高速通信的信息系統(tǒng)，通過智能網(wǎng)關(guān)依據(jù)安全策略需求劃分不同的安全分區(qū)，使用企業(yè)內(nèi)部專用網(wǎng)絡(luò)與外網(wǎng)隔離，實(shí)現(xiàn)配電系統(tǒng)運(yùn)行信息交互高速無障礙的同時(shí)避免數(shù)據(jù)丟失或被竊取，使水務(wù)行業(yè)企業(yè)的敏感數(shù)據(jù)的安全性得到可靠保障。

4 智能配電系統(tǒng)的總體架構(gòu)

智能配電系統(tǒng)總體由三部分構(gòu)成，一是產(chǎn)生并收集數(shù)據(jù)的智能裝置層；二是傳輸數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)交換層；三是分析處理數(shù)據(jù)的應(yīng)用管理層。

4.1 智能裝置層

智能電氣設(shè)備是智能配電系統(tǒng)的基礎(chǔ)，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(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化特點(diǎn)，在滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的前提下，集成數(shù)據(jù)采集、控制和保護(hù)等功能。

本文結(jié)合現(xiàn)狀及行業(yè)技術(shù)的發(fā)展水平，提出了BIM運(yùn)維管理平臺(tái)搭建常見的三種方式并總結(jié)了各自的優(yōu)缺點(diǎn)，三種方式為：①基于常規(guī)運(yùn)維軟件開發(fā)支持BIM功能；②基于BIM軟件二次開發(fā)；③自主開發(fā)。

4.2 數(shù)據(jù)交換層

構(gòu)建智能裝置層和應(yīng)用管理層之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ?，基于網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，設(shè)置數(shù)據(jù)交換機(jī)和智能網(wǎng)關(guān)，將智能設(shè)備層采集到的數(shù)據(jù)整理、集合傳輸?shù)綉?yīng)用管理層，滿足應(yīng)用管理層的數(shù)據(jù)需求，實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣設(shè)備的監(jiān)測(cè)和控制。

4.3 應(yīng)用管理層

在本地管理服務(wù)器內(nèi)安裝智能監(jiān)控管理軟件和可視化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)全廠供配電設(shè)備必要信息的采集，信息的數(shù)量、質(zhì)量應(yīng)滿足過程控制和運(yùn)行管理的需求。應(yīng)用管理層可處理分析數(shù)據(jù)，展示用戶需要的信息報(bào)表，具備對(duì)全部主設(shè)備、關(guān)鍵輔助設(shè)備、關(guān)鍵控制裝置和設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷能力；能夠?qū)υO(shè)備狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，提出維護(hù)建議；對(duì)檢修維護(hù)工作進(jìn)行記錄，生成各類報(bào)表，提供檢修決策建議和指導(dǎo)。支持對(duì)重要節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)程控制功能，滿足自動(dòng)控制和無人值守要求。

5 智能配電系統(tǒng)作用

5.1 可視化管理

智能配電系統(tǒng)可視化平臺(tái)將電氣設(shè)備在不同時(shí)段的各項(xiàng)運(yùn)行數(shù)據(jù)以曲線、表格和圖形等方式展現(xiàn)，實(shí)時(shí)提醒運(yùn)維人員關(guān)注電氣設(shè)備健康狀況，進(jìn)行狀態(tài)檢修，無須去現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行人工排查，實(shí)時(shí)顯示電氣設(shè)備電量消耗情況和電能質(zhì)量情況，如功率因數(shù)、諧波含量、三相不平衡、電壓合格率等情況。由于傳統(tǒng)配電系統(tǒng)考評(píng)指標(biāo)不夠嚴(yán)謹(jǐn)，對(duì)于功率因數(shù)的判斷局限于配電系統(tǒng)整體運(yùn)算，忽視了配電系統(tǒng)不同區(qū)域電能質(zhì)量的不一致性，導(dǎo)致部分低電能質(zhì)量區(qū)域的配電回路長(zhǎng)期運(yùn)行。智能配電系統(tǒng)可及時(shí)發(fā)現(xiàn)漏洞，彌補(bǔ)傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)短板，更好的提升配電系統(tǒng)電能質(zhì)量。

圖1 全景分析功能界面

5.2 設(shè)備健康管理

采集開關(guān)柜內(nèi)斷路器的機(jī)械特性、電氣特性及溫度特性；通過雷達(dá)圖監(jiān)測(cè)機(jī)械特性的各項(xiàng)指標(biāo)是否在正常范圍，并且可以通過單機(jī)雷達(dá)圖進(jìn)入機(jī)械特性歷史曲線對(duì)比。通過采集分合閘線圈的電流、儲(chǔ)能電機(jī)電流、電動(dòng)底盤車電機(jī)電流及電動(dòng)接地刀電機(jī)電流的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，可判定所有電動(dòng)機(jī)構(gòu)的健康狀態(tài)。還可以采集斷路器觸頭溫度，柜內(nèi)母線連接點(diǎn)溫度等，實(shí)時(shí)觀察運(yùn)行溫度數(shù)據(jù)，計(jì)算實(shí)際溫升，繪制溫升曲線。實(shí)時(shí)檢測(cè)觸頭的接觸度情況，提前發(fā)現(xiàn)故障隱患，提早介入，避免故障發(fā)生或擴(kuò)大。

智能配電系統(tǒng)還可以記錄電氣設(shè)備履歷，如開關(guān)柜的銘牌信息、圖紙信息、說明書信息、負(fù)責(zé)班組、上次檢修歷史記錄等履歷信息。建立每個(gè)電氣設(shè)備的數(shù)學(xué)模型，利用設(shè)備收集的數(shù)據(jù)信息和運(yùn)行狀態(tài)信息不斷修正判斷模型和參數(shù)，達(dá)到更加精準(zhǔn)的判斷效果，對(duì)每一個(gè)電氣設(shè)備的精確管理，可以較大降低因設(shè)備損壞無法及時(shí)更換導(dǎo)致企業(yè)停止運(yùn)行的壓力，提前給出保養(yǎng)維護(hù)或預(yù)備更換設(shè)備的建議。

5.3 狀態(tài)檢修提示

運(yùn)維人員依據(jù)系統(tǒng)對(duì)電氣設(shè)備的狀態(tài)評(píng)估，可以有針對(duì)性地安排設(shè)備排查和檢修；依據(jù)電氣設(shè)備狀態(tài)、運(yùn)行時(shí)間及運(yùn)行期間發(fā)生的重大事件等監(jiān)測(cè)到的情況，綜合考慮設(shè)備運(yùn)行計(jì)劃，可以合理安排對(duì)電氣設(shè)備的維護(hù)檢修，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢修與計(jì)劃?rùn)z修相結(jié)合。運(yùn)維人員還可以根據(jù)系統(tǒng)對(duì)存在安全隱患的電氣設(shè)備給出的檢修提示，以及對(duì)顯示報(bào)警的電氣設(shè)備的保養(yǎng)、維護(hù)建議采取相應(yīng)的保養(yǎng)、維修、更換等處理措施。

狀態(tài)檢修功能以電氣設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)評(píng)估為基礎(chǔ)，同時(shí)對(duì)設(shè)備狀態(tài)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷設(shè)備狀態(tài)變化趨勢(shì)。對(duì)于出現(xiàn)突變量表征的電氣設(shè)備安排應(yīng)急檢修。

當(dāng)系統(tǒng)提示狀態(tài)檢修時(shí)，運(yùn)維人員可調(diào)取檢修對(duì)象的銘牌信息、初始運(yùn)行時(shí)間、位置信息、故障記錄、檢修記錄、相關(guān)圖紙資料信息、備品備件信息等，作為檢修依據(jù)。狀態(tài)檢修可與企業(yè)內(nèi)部的SCADA或DCS系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，選取對(duì)生產(chǎn)影響最小的時(shí)點(diǎn)安排對(duì)設(shè)備進(jìn)行主動(dòng)檢修。

狀態(tài)檢修是對(duì)計(jì)劃?rùn)z修的有力補(bǔ)充。智能配電系統(tǒng)能夠利用運(yùn)行期間采集的數(shù)據(jù)，利用模式識(shí)別、人工智能等手段，通過自學(xué)習(xí)不斷豐富分析模型、修正模型參數(shù)，形成更完善的分析軟件，結(jié)合日益完善的監(jiān)測(cè)手段提出更準(zhǔn)確適用的狀態(tài)檢修建議。從而使?fàn)顟B(tài)檢修和計(jì)劃?rùn)z修的比例更加合理，大幅提升運(yùn)維效率，有效降低人工成本。

5.4 故障狀態(tài)輔助決策

智能配電系統(tǒng)能夠在故障發(fā)生后第一時(shí)間確定是否切除故障回路，并將故障回路電氣參數(shù)和斷路器狀態(tài)變化等信息發(fā)送給運(yùn)維人員。為了幫助運(yùn)維人員快速鎖定故障位置，智能配電系統(tǒng)將提供應(yīng)急預(yù)案、故障分析等服務(wù)，將故障點(diǎn)位置，故障部分系統(tǒng)圖，有無可用備件等信息整合提供給檢修人員。系統(tǒng)可記錄每次故障發(fā)生時(shí)的有效信息，錄入事后經(jīng)調(diào)查確認(rèn)的故障原因，形成歷史故障數(shù)據(jù)庫。當(dāng)再次發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)比新發(fā)故障信息與歷史數(shù)據(jù)庫中的信息，通過分析軟件判斷故障原因，運(yùn)行期間累積的大量數(shù)據(jù)將為實(shí)現(xiàn)故障預(yù)測(cè)打下基礎(chǔ)。

5.5 降低能耗

智能配電系統(tǒng)通過監(jiān)測(cè)全廠能源電量參數(shù)，通過軟件對(duì)用電負(fù)載分類、分項(xiàng)、分區(qū)管理，可顯示系統(tǒng)能耗與能效分析圖表、曲線。系統(tǒng)可根據(jù)預(yù)設(shè)的能耗、能效管理指標(biāo)，結(jié)合實(shí)際工藝流程，分解出實(shí)際運(yùn)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(duì)運(yùn)維人員進(jìn)行指導(dǎo)，降低無效能耗，并對(duì)比歷史數(shù)據(jù)，檢驗(yàn)節(jié)能降耗效果，實(shí)時(shí)調(diào)整節(jié)能策略。

圖2 設(shè)備健康管理功能界面

圖3 設(shè)備狀態(tài)檢修提示功能界面

5.6 運(yùn)行報(bào)告

利用數(shù)據(jù)庫中的歷史數(shù)據(jù)，對(duì)電氣設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行不同維度的統(tǒng)計(jì)與分析，形成日?qǐng)?bào)、周報(bào)、月報(bào)、季報(bào)、年報(bào)等報(bào)表，以便運(yùn)維人員掌握供配電設(shè)備運(yùn)行情況。運(yùn)行報(bào)告參考巡檢記錄表的模式設(shè)計(jì)，符合運(yùn)行、維護(hù)人員作業(yè)習(xí)慣，在原表基礎(chǔ)上可擴(kuò)充監(jiān)測(cè)對(duì)象，增加數(shù)據(jù)分析，關(guān)聯(lián)現(xiàn)場(chǎng)移動(dòng)終端所上傳的隱患設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)，替代原有的人為巡檢填寫錄入記錄表的方式，減輕運(yùn)維壓力。

水務(wù)行業(yè)直接成本中，電費(fèi)高達(dá)50%以上，存在相當(dāng)大的節(jié)能降耗空間。多個(gè)水務(wù)行業(yè)企業(yè)智能配電改造的實(shí)踐證明節(jié)電能力可達(dá)10%，若與工藝優(yōu)化相結(jié)合，則節(jié)能潛力更大。

6 水務(wù)行業(yè)中智能配電系統(tǒng)發(fā)展前景

由于水務(wù)行業(yè)對(duì)于智能配電系統(tǒng)在數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化升級(jí)中所起的作用認(rèn)識(shí)不足，當(dāng)前水務(wù)行業(yè)中智能配電系統(tǒng)相當(dāng)一部分是配合企業(yè)節(jié)能降耗進(jìn)行的升級(jí)改造項(xiàng)目，在新建項(xiàng)目上應(yīng)用不多。未來，隨著智能化理念逐漸深入人心，智能化產(chǎn)品和數(shù)字技術(shù)的飛速發(fā)展，智能配電系統(tǒng)不斷的完善升級(jí)，會(huì)有越來越多的水務(wù)企業(yè)認(rèn)識(shí)到智能配電系統(tǒng)所帶來的可觀效益。

氣候變化和能源危機(jī)已成為全人類共同面對(duì)的重要難題，我國(guó)在75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)中提出，“30-60”雙目標(biāo)，即2030年實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”，2060年實(shí)現(xiàn)“碳中和”，并將其列入“十四五”規(guī)劃之中。今后，水務(wù)行業(yè)必將降低電能消耗作為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要任務(wù)。因此，智能配電系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的價(jià)值極大滿足了今后水務(wù)行業(yè)的發(fā)展需求，必將擁有廣闊的發(fā)展前景。

7 結(jié)語

智能配電系統(tǒng)能夠有效解決水務(wù)行業(yè)存在的運(yùn)維管理問題、電能質(zhì)量問題、能源消耗問題。水務(wù)行業(yè)本質(zhì)是消耗能源換取環(huán)境友好的行業(yè)，節(jié)省電能消耗直接的降低了水務(wù)行業(yè)的運(yùn)營(yíng)成本，優(yōu)化水務(wù)行業(yè)的運(yùn)維模式則降低了人工成本，智能配電系統(tǒng)的高可靠性也避免了發(fā)生故障后長(zhǎng)時(shí)間停電停產(chǎn)造成的巨大損失。

隨著技術(shù)飛速發(fā)展和理念的不斷更新，智能配電系統(tǒng)的內(nèi)涵將不斷豐富，結(jié)構(gòu)將不斷調(diào)整，作用將不斷增強(qiáng)。本文僅在此進(jìn)行初步的分析、探討。在廣闊的發(fā)展前景下，越來越多的相關(guān)企業(yè)將投入到智能配電系統(tǒng)的研發(fā)、設(shè)計(jì)之中，相信在不遠(yuǎn)的未來，愈加成熟完善的智能配電系統(tǒng)將作為配電系統(tǒng)的常規(guī)配置應(yīng)用于水務(wù)行業(yè)之中。