智能配電系統(tǒng)在水務(wù)行業(yè)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

導(dǎo)讀：在構(gòu)建智慧水務(wù)和“雙碳”時代背景下，智能配電系統(tǒng)在水務(wù)行業(yè)中發(fā)揮日益突出的重要作用。本文首先回顧了智能配電系統(tǒng)在水務(wù)行業(yè)的發(fā)展歷程，并對其應(yīng)用現(xiàn)狀進行了分析，進而展望了智能配電系統(tǒng)在水務(wù)行業(yè)的發(fā)展趨勢。

1引言

智能配電是隨著技術(shù)進步和用戶需求提升而出現(xiàn)的一個新的理念。智能配電系統(tǒng)將智能化手段應(yīng)用于常規(guī)配電系統(tǒng)，不僅有助于提高系統(tǒng)的安全性、可靠性，提高能源利用效率，還有助于用戶提升管理水平。本文首先探討了智能配電系統(tǒng)的起源和定義，分析了其組成要素、架構(gòu)、功能。繼而回顧了智能配電在水務(wù)行業(yè)不同階段的應(yīng)用狀況。最后對數(shù)字化、智能化及“雙碳”背景下，智能配電系統(tǒng)在水務(wù)行業(yè)中的發(fā)展方向和亟待解決的問題進行了分析和探討。

2智能配電系統(tǒng)的起源和定義

2003年6月，在美國“未來能源聯(lián)盟智能電網(wǎng)工作組”發(fā)表的報告中首次出現(xiàn)了“智能電網(wǎng)”一詞。該報告將智能電網(wǎng)定義為“集成了傳統(tǒng)的現(xiàn)代電力工程技術(shù)、高級傳感和監(jiān)視技術(shù)、信息與通信技術(shù)的輸配電系統(tǒng)，具有更加完善的性能并且能夠為用戶提供一系列增值服務(wù)”。我國對智能電網(wǎng)的研究雖然起步相對較晚，但推進速度很快。這場智能化變革已經(jīng)逐漸從輸配電網(wǎng)擴展至用戶端，從高壓配電系統(tǒng)擴展至低壓配電系統(tǒng)。雖然目前國內(nèi)尚無智能配電系統(tǒng)權(quán)威的、明確的定義，各種文獻資料及集成商的表述亦不盡相同，但經(jīng)過歸納、整理可以發(fā)現(xiàn)其在組成要素及特征、基本架構(gòu)和功能等方面的相似之處。2.1智能配電系統(tǒng)的組成要素及特征智能配電系統(tǒng)與傳統(tǒng)配電系統(tǒng)的不同之處體現(xiàn)在其智能化。所謂智能化指具有感知能力，具有記憶和思維能力，具有學習能力和自適應(yīng)能力，具有行為決策能力。智能配電系統(tǒng)在傳統(tǒng)配電系統(tǒng)基礎(chǔ)上集成了計算機、網(wǎng)絡(luò)、通信、信息、傳感、自動控制、電力電子等領(lǐng)域的先進技術(shù)，具有數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、融合化特征。集成先進技術(shù)的智能化硬件、軟件產(chǎn)品是智能配電系統(tǒng)的基本組成要素。2.2智能配電系統(tǒng)的基本架構(gòu)盡管對智能配電系統(tǒng)的描述和配置各不相同，但梳理歸納起來智能配電系統(tǒng)的基本架構(gòu)大致相同，都是由底層的智能設(shè)備層和上層的監(jiān)控管理層組成。近年來隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、大數(shù)據(jù)的應(yīng)用，又增加了云端應(yīng)用層。如圖1所示。圖1智能配電系統(tǒng)的基本架構(gòu)2.2.1智能設(shè)備層智能設(shè)備層是智能配電系統(tǒng)的基石，是實現(xiàn)智能化的前提條件。智能設(shè)備層由具備通信接口的各種智能電氣元件和設(shè)備組成，包括智能型斷路器、電力儀表、無功補償裝置、濾波裝置、微機繼電保護裝置等電器元件，以及智能型高、低壓開關(guān)柜等電氣成套設(shè)備。智能設(shè)備層包含傳感單元和執(zhí)行單元，既可實時為系統(tǒng)決策提供完整、準確、可靠的依據(jù)，又可及時、準確地實施系統(tǒng)下達的各項指令。作為數(shù)據(jù)采集者，智能設(shè)備層可實時上傳：設(shè)備運行參數(shù)（電壓、電流、頻率、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、諧波含量等）、設(shè)備運行信息（斷路器分/合閘狀態(tài)、手車位置等）、設(shè)備整定信息（斷路器定值參數(shù)等）、設(shè)備維護信息（溫度、設(shè)備型號、序列號、固件版本號等）等。作為指令執(zhí)行者，智能設(shè)備層可根據(jù)監(jiān)控管理層的指令執(zhí)行參數(shù)設(shè)定、定值調(diào)整、分/合閘操作等。2.2.2監(jiān)控管理層監(jiān)控管理層是智能配電系統(tǒng)的核心，是系統(tǒng)的“大腦”，直接影響配電系統(tǒng)的智能化水平的高低。監(jiān)控管理層通常采用模塊化設(shè)計的軟件，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、計算機控制技術(shù)，接收、處理設(shè)備層上傳的信息，經(jīng)過處理、數(shù)據(jù)挖掘，通過畫面呈現(xiàn)、控制指令輸出、信息提示等方式實現(xiàn)不同的功能。由于每個軟件模塊對應(yīng)不同的功能，因此軟件模塊的數(shù)量和質(zhì)量是決定配電系統(tǒng)智能化水平的關(guān)鍵。2.2.3云端應(yīng)用層云端應(yīng)用層通過云端服務(wù)平臺進行大數(shù)據(jù)分析、處理，為用戶提供高級的決策指導(dǎo)及技術(shù)支持。也有一些生產(chǎn)商將監(jiān)控管理層的功能置于云端，這樣可有效降低系統(tǒng)的初期投資和后期的運行維護成本、易于擴展。2.2.4通信網(wǎng)絡(luò)智能設(shè)備層與監(jiān)控管理層之間的數(shù)據(jù)交換通常采用現(xiàn)場總線或以太網(wǎng)形式。具備RS485接口的電氣裝置加裝通訊模塊可采用總線連接，通過網(wǎng)關(guān)進行協(xié)議轉(zhuǎn)換后利用以太網(wǎng)連接至上層系統(tǒng)；具備以太網(wǎng)接口的電氣裝置加裝通訊模塊可直接連接至上層系統(tǒng)。2.3智能配電系統(tǒng)的功能智能配電系統(tǒng)實現(xiàn)了配電系統(tǒng)從功能化向智能化升級，自動化程度高、可靠性、穩(wěn)定性強、界面友好，可為用戶提升能源利用效率和管理水平提供多維度支持。智能配電系統(tǒng)的功能因集成商的理解和側(cè)重不同而存在差異，歸納起來主要有能效管理、電能質(zhì)量管理、電氣資產(chǎn)管理和運行維護管理等方面。前兩者為基本功能，后兩者為更高級別的功能，且上述功能在不同配置下實現(xiàn)的層級也不同，如表1所示。表1智能配電系統(tǒng)功能

3智能配電系統(tǒng)在水務(wù)行業(yè)的發(fā)展歷程和趨勢

3.1智能配電系統(tǒng)在水務(wù)行業(yè)的發(fā)展歷程水務(wù)是城市基礎(chǔ)設(shè)施重要的組成部分，直接影響城市能否正常運轉(zhuǎn)。而電力供應(yīng)是否可靠、穩(wěn)定，則是影響水務(wù)行業(yè)運行的關(guān)鍵。水務(wù)行業(yè)在傳統(tǒng)的配電方式下，電氣系統(tǒng)的運行維護主要依賴運行人員的專業(yè)水平和責任心。憑借運行人員日常巡視的眼觀（設(shè)備外觀和儀表讀數(shù)）、耳聽（設(shè)備異響）、鼻嗅（焦臭異味）、手掃（掃描溫度），工作量大且難以發(fā)現(xiàn)潛在隱患。如果管理存在不足，如原始資料缺失、調(diào)整未存檔、臺賬不清、人員更替等，電氣系統(tǒng)的實際情況形同盲區(qū)，存在極大的安全隱患。2000年左右，高壓系統(tǒng)的微機繼電保護和多功能電力儀表的出現(xiàn)，打破了長期以來高壓系統(tǒng)二次回路用各種繼電器搭建，上傳電量參數(shù)只能通過互感器加裝變送器的做法。10kV~35kV配電系統(tǒng)在開關(guān)柜上裝設(shè)微機繼電保護裝置和多功能電力儀表，通過通信與后臺監(jiān)控系統(tǒng)連接，可顯示電氣參數(shù)、斷路器分/合閘狀態(tài)，進行各種保護定值的調(diào)整、設(shè)定以及控制斷路器分/合閘等，實現(xiàn)系統(tǒng)的遙測、遙信、遙調(diào)、遙控，即“四遙”。高壓配電系統(tǒng)具備了基本的智能化要素，具有智能設(shè)備層和監(jiān)控管理層的架構(gòu)，可實現(xiàn)能效管理和電能質(zhì)量管理的基本功能。在0.4kV級的低壓配電系統(tǒng)中，多功能電力儀表采集的數(shù)據(jù)通常上傳至高壓的監(jiān)控系統(tǒng)后臺或水務(wù)企業(yè)的中控室上位機，僅用于顯示和生成報表，未形成低壓智能配電系統(tǒng)。但此時的配電系統(tǒng)比傳統(tǒng)的常規(guī)系統(tǒng)已有很大進步，不僅免去了運行人員日常抄表的繁重工作，還有助于及時發(fā)現(xiàn)問題，以及在事故發(fā)生后作出準確判斷。2010年之后，基于多功能電力儀表的能源管理系統(tǒng)逐漸在水務(wù)行業(yè)得到應(yīng)用。這類系統(tǒng)可實現(xiàn)實時及歷史能耗數(shù)據(jù)查詢、展示、打印，簡單的數(shù)據(jù)分類管理與分析等功能。這類系統(tǒng)偏重可視化，對數(shù)據(jù)的分析與處理能力低，只能算作低級別的智能化系統(tǒng)。此后，為實現(xiàn)低壓系統(tǒng)的遙控，出現(xiàn)了基于PLC的低壓智能配電系統(tǒng)。即在裝設(shè)多功能電力儀表的基礎(chǔ)上，低壓斷路器裝設(shè)電操，采用硬接線的方式與PLC連接，通過軟件實現(xiàn)斷路器遠程分合閘，并且可通過上位機進行控制。這類系統(tǒng)實現(xiàn)了水務(wù)行業(yè)遠程場站的無人值守，極大降低了人工成本，但存在接線數(shù)量多、故障率高、維護檢修困難等問題，只適用于邏輯關(guān)系簡單的小規(guī)模系統(tǒng)。3.2智能配電系統(tǒng)在水務(wù)行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀水務(wù)行業(yè)配電系統(tǒng)智能化，因廠商擅長的領(lǐng)域不同，主要有以下幾種類型：（1）多功能電力儀表型智能配電系統(tǒng)基于多功能電力儀表，并納入生產(chǎn)運行所需的其他監(jiān)測儀表，提供便捷的數(shù)據(jù)查詢功能，并能根據(jù)用戶需求定制超限報警等功能。能實現(xiàn)能效管理和電能質(zhì)量管理的基本功能，但缺乏對數(shù)據(jù)的深入分析與挖掘，難以實現(xiàn)資產(chǎn)管理和運維管理功能。特點是投資低，滿足用戶基本的能源管理需求、幫助用戶降低人工成本。這類系統(tǒng)在水務(wù)行業(yè)智能配電系統(tǒng)中應(yīng)用相對較多。基于儀表的智能配電系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。圖2基于儀表的智能配電系統(tǒng)架構(gòu)（2）微機繼電保護型生產(chǎn)商在35kV~10kV電氣系統(tǒng)保護方面有較強的實力，熟悉、了解系統(tǒng)運行問題和用戶的運維需求。高壓側(cè)除常規(guī)的功能外，還可實時監(jiān)測分/合閘線圈、儲能電機、電動底盤車和電動接地刀電機，監(jiān)測斷路器觸頭溫度、母線接頭溫度等；同時低壓側(cè)也采取多項監(jiān)測措施并在監(jiān)控平臺配置相應(yīng)的軟件。這類系統(tǒng)具備智能配電系統(tǒng)的四項管理功能，在規(guī)模大、高壓設(shè)備多的水務(wù)企業(yè)有明顯應(yīng)用優(yōu)勢。（3）低壓電氣元件型這類生產(chǎn)商依靠對低壓斷路器等元件的強大研發(fā)能力不斷對產(chǎn)品進行智能化升級，夯實智能設(shè)備層。更有公司針對小型智能配電系統(tǒng)研發(fā)了智能配電一體機，能夠?qū)崿F(xiàn)“四遙”，且成本低，適用于水務(wù)行業(yè)管網(wǎng)上的小型排澇泵站、污水提升泵站等。這種一體機還可通過以太網(wǎng)連接上層監(jiān)控系統(tǒng)，適用于水務(wù)行業(yè)中單體小、數(shù)量多、范圍大的使用場景，如井群等。智能一體機架構(gòu)如圖3所示。圖3智能一體機架構(gòu)圖（4）開關(guān)柜型這類廠商一般是實力較強的開關(guān)柜制造商。他們發(fā)揮自身優(yōu)勢，以智能型開關(guān)柜為基礎(chǔ)結(jié)合監(jiān)控平臺組成智能配電系統(tǒng)。柜內(nèi)設(shè)有通信設(shè)備專屬空間，線路簡潔。動力、控制、通信電纜各行其道，避免信號干擾，保證了數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、可靠。此類智能開關(guān)柜的價格較高，廠商通常建議配套同品牌的監(jiān)控平臺降低綜合造價。但其監(jiān)控平臺的功能選擇性小，用戶需求受限。智能開關(guān)柜系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。圖4智能開關(guān)柜系統(tǒng)架構(gòu)圖（5）全產(chǎn)品線型這類生產(chǎn)商具備全部或大部分高、低壓及通信產(chǎn)品的軟硬件研發(fā)能力，具有多年的電氣和自控技術(shù)積淀，對配電系統(tǒng)智能化有深刻的認識和解讀。搭建的智能配電系統(tǒng)品類齊全、配置靈活，能滿足用戶的不同需求，可實現(xiàn)智能配電系統(tǒng)全部管理功能的各層級功能。具備這些能力的往往是國內(nèi)外知名的電氣品牌，在水務(wù)行業(yè)屬于高端應(yīng)用。3.3智能配電系統(tǒng)在水務(wù)行業(yè)的發(fā)展趨勢近年來，隨著水務(wù)行業(yè)面臨外部條件日益復(fù)雜、出水指標不斷提高、運行成本壓力加大、人員老化等問題，原先的粗放型管理模式難以應(yīng)對，水務(wù)行業(yè)急需向精細化管理轉(zhuǎn)變。2020年8月，國務(wù)院國資委發(fā)布《關(guān)于加快推進國有企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型工作的通知》，要求加快推進國有企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型工作。“十四五”規(guī)劃提出通過推進智慧城市建設(shè)，推進市政公用設(shè)施等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和智能化改造，構(gòu)建智慧水利體系。在國家政策的大力推動和水務(wù)行業(yè)內(nèi)生動力作用下，水務(wù)行業(yè)的數(shù)字化、智能化需求迎來大規(guī)模增長。隨著技術(shù)進步和用戶理念的更新，智能配電系統(tǒng)的深度、廣度和智能化程度都在不斷拓展、升級。在智能設(shè)備層，智能型產(chǎn)品種類不斷增多，智能化程度不斷提高，具備互聯(lián)互通特性的產(chǎn)品層出不窮。如采用無線傳感技術(shù)、具備智能測溫功能的真空斷路器，能判斷電容器容量衰減程度并實現(xiàn)超閾值及時切除的智能控制器，智能測溫母線等。智能設(shè)備層的擴充和深化，不僅為監(jiān)控管理層提供更豐富的信息，且執(zhí)行力更強。在監(jiān)控管理層，出現(xiàn)了更多針對水務(wù)行業(yè)節(jié)能降耗的軟件產(chǎn)品，如智能泵控系統(tǒng)、曝氣控制、加藥控制等，實現(xiàn)了節(jié)能與工藝控制相結(jié)合。監(jiān)控平臺還綜合了企業(yè)的電、水、熱、氣、藥及其他監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)一張圖總覽全局，為搭建智慧水務(wù)平臺提供了可靠的技術(shù)支撐。在云端，出現(xiàn)了更多分析與應(yīng)用增值服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)亦由互聯(lián)網(wǎng)向物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展。智能化三大關(guān)鍵要素：數(shù)據(jù)、算力、算法。智能設(shè)備層的發(fā)展使得底層數(shù)據(jù)的收集不再是障礙；計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，算力也已經(jīng)不是問題；唯獨智能化的核心——算法，需要長期、大量的投入，不具開放性且進展相對緩慢?？梢灶A(yù)見，未來生產(chǎn)商在智能配電系統(tǒng)的競爭將集中于算法，這也是體現(xiàn)智能配電系統(tǒng)價值的關(guān)鍵。智能配電系統(tǒng)在水務(wù)行業(yè)的發(fā)展還有一個值得關(guān)注的問題：數(shù)據(jù)安全。水務(wù)行業(yè)的數(shù)據(jù)存在敏感性，對數(shù)據(jù)安全要求高。未來如何保證數(shù)據(jù)安全，打消用戶的疑慮，將是生產(chǎn)商需要努力解決的問題。在“雙碳”目標驅(qū)動下，減碳將成為水務(wù)行業(yè)的重中之重。對水務(wù)行業(yè)來說，一方面要充分利用新能源，另一方面要深入挖掘企業(yè)自身的節(jié)能潛力。光伏、生物質(zhì)能（沼氣）是水務(wù)行業(yè)較易取得的清潔能源。與之相適應(yīng)，智能配電系統(tǒng)需要滿足新能源接入、微網(wǎng)運行等方面的需求。水務(wù)行業(yè)智能配電改造的運行實踐證