1　引言   

智能配電是隨著技術(shù)進(jìn)步和用戶需求提升而出現(xiàn)的一個(gè)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(duì)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(wèn)題進(jìn)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(guó)“未來(lái)能源聯(lián)盟智能電網(wǎng)工作組”發(fā)表的報(bào)告中首次出現(xiàn)了“智能電網(wǎng)”一詞。該報(bào)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(jí)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?yàn)橛脩籼峁┮幌盗性鲋捣��?wù)”。我國(guó)對(duì)智能電網(wǎng)的研究雖然起步相對(duì)較晚，但推進(jìn)速度很快。這場(chǎng)智能化變革已經(jīng)逐漸從輸配電網(wǎng)擴(kuò)展至用戶端，從高壓配電系統(tǒng)擴(kuò)展至低壓配電系統(tǒng)。雖然目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)智能配電系統(tǒng)權(quán)威的、明確的定義，各種文獻(xiàn)資料及集成商的表述亦不盡相同，但經(jīng)過(guò)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。

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(xué)習(xí)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(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、通信、信息、傳感、自動(dòng)控制、電力電子等領(lǐng)域的先進(jìn)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(jìn)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。

盡管對(duì)智能配電系統(tǒng)的描述和配置各不相同，但梳理歸納起來(lái)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(lái)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(shí)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(wú)功補(bǔ)償裝置、濾波裝置、微機(jī)繼電保護(hù)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(shí)時(shí)為系統(tǒng)決策提供完整、準(zhǔn)確、可靠的依據(jù)，又可及時(shí)、準(zhǔn)確地實(shí)施系統(tǒng)下達(dá)的各項(xiàng)指令。

作為數(shù)據(jù)采集者，智能設(shè)備層可實(shí)時(shí)上傳：設(shè)備運(yùn)行參數(shù)（電壓、電流、頻率、有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)、諧波含量等）、設(shè)備運(yùn)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(hù)信息（溫度、設(shè)備型號(hào)、序列號(hào)、固件版本號(hào)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(jì)的軟件，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，接收、處理設(shè)備層上傳的信息，經(jīng)過(guò)處理、數(shù)據(jù)挖掘，通過(guò)畫面呈現(xiàn)、控制指令輸出、信息提示等方式實(shí)現(xiàn)不同的功能。由于每個(gè)軟件模塊對(duì)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(guò)云端服務(wù)平臺(tái)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析、處理，為用戶提供高級(jí)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(yùn)行維護(hù)成本、易于擴(kuò)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(chǎng)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(guò)網(wǎng)關(guān)進(jìn)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)。

智能配電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了配電系統(tǒng)從功能化向智能化升級(jí)，自動(dòng)化程度高、可靠性、穩(wěn)定性強(qiáng)、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(lái)主要有能效管理、電能質(zhì)量管理、電氣資產(chǎn)管理和運(yùn)行維護(hù)管理等方面。前兩者為基本功能，后兩者為更高級(jí)別的功能，且上述功能在不同配置下實(shí)現(xiàn)的層級(jí)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(shì)   

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(yùn)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(yùn)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(yùn)行維護(hù)主要依賴運(yùn)行人員的專業(yè)水平和責(zé)任心。憑借運(yùn)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(tái)賬不清、人員更替等，電氣系統(tǒng)的實(shí)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(jī)繼電保護(hù)和多功能電力儀表的出現(xiàn)，打破了長(zhǎng)期以來(lái)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(guò)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(jī)繼電保護(hù)裝置和多功能電力儀表，通過(guò)通信與后臺(tái)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(jìn)行各種保護(hù)定值的調(diào)整、設(shè)定以及控制斷路器分/合閘等，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遙測(cè)、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(shí)現(xiàn)能效管理和電能質(zhì)量管理的基本功能。

在0.4kV級(jí)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(tái)或水務(wù)企業(yè)的中控室上位機(jī)，僅用于顯示和生成報(bào)表，未形成低壓智能配電系統(tǒng)。

但此時(shí)的配電系統(tǒng)比傳統(tǒng)的常規(guī)系統(tǒng)已有很大進(jìn)步，不僅免去了運(yùn)行人員日常抄表的繁重工作，還有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，以及在事故發(fā)生后作出準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)及歷史能耗數(shù)據(jù)查詢、展示、打印，簡(jiǎn)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(duì)數(shù)據(jù)的分析與處理能力低，只能算作低級(jí)別的智能化系統(tǒng)。

此后，為實(shí)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(guò)軟件實(shí)現(xiàn)斷路器遠(yuǎn)程分合閘，并且可通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行控制。這類系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了水務(wù)行業(yè)遠(yuǎn)程場(chǎng)站的無(wú)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(hù)檢修困難等問(wèn)題，只適用于邏輯關(guān)系簡(jiǎn)單的小規(guī)模系統(tǒng)。

水務(wù)行業(yè)配電系統(tǒng)智能化，因廠商擅長(zhǎng)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(yùn)行所需的其他監(jiān)測(cè)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(bào)警等功能。能實(shí)現(xiàn)能效管理和電能質(zhì)量管理的基本功能，但缺乏對(duì)數(shù)據(jù)的深入分析與挖掘，難以實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)管理和運(yùn)維管理功能。特點(diǎn)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(duì)較多�；�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(jī)繼電保護(hù)型

生產(chǎn)商在35kV~10kV電氣系統(tǒng)保護(hù)方面有較強(qiáng)的實(shí)力，熟悉、了解系統(tǒng)運(yùn)行問(wèn)題和用戶的運(yùn)維需求。高壓側(cè)除常規(guī)的功能外，還可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分/合閘線圈、儲(chǔ)能電機(jī)、電動(dòng)底盤車和電動(dòng)接地刀電機(jī)，監(jiān)測(cè)斷路器觸頭溫度、母線接頭溫度等；同時(shí)低壓側(cè)也采取多項(xiàng)監(jiān)測(cè)措施并在監(jiān)控平臺(tái)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(xiàng)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(shì)。

（3）低壓電氣元件型

這類生產(chǎn)商依靠對(duì)低壓斷路器等元件的強(qiáng)大研發(fā)能力不斷對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行智能化升級(jí)，夯實(shí)智能設(shè)備層。更有公司針對(duì)小型智能配電系統(tǒng)研發(fā)了智能配電一體機(jī)，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(jī)還可通過(guò)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(chǎng)景，如井群等。智能一體機(jī)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 智能一體機(jī)架構(gòu)圖

（4）開關(guān)柜型

這類廠商一般是實(shí)力較強(qiáng)的開關(guān)柜制造商。他們發(fā)揮自身優(yōu)勢(shì)，以智能型開關(guān)柜為基礎(chǔ)結(jié)合監(jiān)控平臺(tái)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(jiǎn)潔。動(dòng)力、控制、通信電纜各行其道，避免信號(hào)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(jià)格較高，廠商通常建議配套同品牌的監(jiān)控平臺(tái)降低綜合造價(jià)。但其監(jiān)控平臺(tái)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(duì)配電系統(tǒng)智能化有深刻的認(rèn)識(shí)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(shí)現(xiàn)智能配電系統(tǒng)全部管理功能的各層級(jí)功能。具備這些能力的往往是國(guó)內(nèi)外知名的電氣品牌，在水務(wù)行業(yè)屬于高端應(yīng)用。

近年來(lái)，隨著水務(wù)行業(yè)面臨外部條件日益復(fù)雜、出水指標(biāo)不斷提高、運(yùn)行成本壓力加大、人員老化等問(wèn)題，原先的粗放型管理模式難以應(yīng)對(duì)，水務(wù)行業(yè)急需向精細(xì)化管理轉(zhuǎn)變。2020年8月，國(guó)務(wù)院國(guó)資委發(fā)布《關(guān)于加快推進(jìn)國(guó)有企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型工作的通知》，要求加快推進(jìn)國(guó)有企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型工作。“十四五”規(guī)劃提出通過(guò)推進(jìn)智慧城市建設(shè)，推進(jìn)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(guó)家政策的大力推動(dòng)和水務(wù)行業(yè)內(nèi)生動(dòng)力作用下，水務(wù)行業(yè)的數(shù)字化、智能化需求迎來(lái)大規(guī)模增長(zhǎng)。

隨著技術(shù)進(jìn)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(jí)。

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(wú)線傳感技術(shù)、具備智能測(cè)溫功能的真空斷路器，能判斷電容器容量衰減程度并實(shí)現(xiàn)超閾值及時(shí)切除的智能控制器，智能測(cè)溫母線等。智能設(shè)備層的擴(kuò)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(qiáng)。

在監(jiān)控管理層，出現(xiàn)了更多針對(duì)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(shí)現(xiàn)了節(jié)能與工藝控制相結(jié)合。監(jiān)控平臺(tái)還綜合了企業(yè)的電、水、熱、氣、藥及其他監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)一張圖總覽全局，為搭建智慧水務(wù)平臺(tái)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(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，算力也已經(jīng)不是問(wèn)題；唯獨(dú)智能化的核心——算法，需要長(zhǎng)期、大量的投入，不具開放性且進(jìn)展相對(duì)緩慢�？梢灶A(yù)見，未來(lái)生產(chǎn)商在智能配電系統(tǒng)的競(jìng)爭(zhēng)將集中于算法，這也是體現(xiàn)智能配電系統(tǒng)價(jià)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(gè)值得關(guān)注的問(wèn)題：數(shù)據(jù)安全。水務(wù)行業(yè)的數(shù)據(jù)存在敏感性，對(duì)數(shù)據(jù)安全要求高。未來(lái)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(wèn)題。

在“雙碳”目標(biāo)驅(qū)動(dòng)下，減碳將成為水務(wù)行業(yè)的重中之重。對(duì)水務(wù)行業(yè)來(lái)說(shuō)，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(yùn)行等方面的需求。水務(wù)行業(yè)智能配電改造的運(yùn)行實(shí)踐證明，智能配電在節(jié)能降耗方面具有極大優(yōu)勢(shì)，今后需要通過(guò)深入挖掘數(shù)據(jù)價(jià)值，幫助用戶進(jìn)一步深化、細(xì)化工作，提高能源利用效率。

   4　結(jié)語(yǔ)   

數(shù)字化、低碳雙轉(zhuǎn)型背景下，研究智能配電系統(tǒng)在水務(wù)行業(yè)的應(yīng)用，分析其存在的問(wèn)題和發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)于水提高務(wù)行業(yè)能源利用水平、管理水平具有重要意義。智能配電系統(tǒng)在水務(wù)行業(yè)的應(yīng)用雖然取得一些成績(jī)，但依然明顯落后于時(shí)代發(fā)展的要求，需要產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)，工程投資、設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)各方的推動(dòng)與支持，促進(jìn)智能配電系統(tǒng)在水務(wù)行業(yè)的應(yīng)用與推廣，為水務(wù)行業(yè)的智慧化建設(shè)和低碳運(yùn)行提供有力保障。

來(lái)源 | 《自動(dòng)化博覽》2022年4月刊