浅谈地下污水处理厂智能配电能效方案设计

摘要：针对地下污水处理厂的配电系统提出智能配电设计思路，在综合分析了硬件选择、软件配置和使用效果的基础上，进行了相应的经济分析。结果表明，智能配电系统将成为未来发展趋势，将在越来越多的同类建设工程中得到应用。

1背景

随着经济的发展，城镇化进程的加快，越来越多的污水处理厂建设突破传统地上污水处理厂用地观念，科学合理地利用地下空间，建设地下式污水处理厂。地下污水处理厂具有占用空间小、节省地上土地资源等优点，同时减少对周围景观的美观性产生影响，不仅提高了周围土地资源的价值，也解决了污水处理过程中产生的污浊气、噪音等问题，对周围居民和环境产生“零影响”。目前已建的地下污水处理厂多采用传统配电设计方案，在提质增效方面基本无改进空间。通过地下污水处理厂智能配电系统的搭建，可以降低人工成本、优化运营环境、降低能耗。

2地下污水处理厂智能配电系统设计

2.1传统污水处理厂配电系统的缺点

早期污水处理厂往往按照传统配电方案进行设计，随着技术的进步，污水处理厂管理水平的提升，对电气设计不再满足于安全、可靠、经济、便利、节能等常规要求；而是希望更加智能化，能够通过技术手段优化生产方案，降低生产成本、便于后期维护；并且污水处理厂内变配电间相对其他区域更易发生火灾，希望能够有效预防电气火灾。污水处理是生化处理过程，一旦停电将造成供氧中断，使微生物大量死亡，严重影响污水厂的处理效果和效率，要恢复正常运行，需要重新对活性污泥进行一定时间的培养和驯化，对供电要求较高；并且全地下式污水处理厂的通风、消防等负荷大，如果中断供电，还可能造成污水浸泡整个箱体。

对传统污水处理厂配电系统进行设计总结后，可以将传统污水处理厂配电系统缺点归纳总结为3点：存有隐患、管理粗放、缺少分析。

2.2地下污水处理厂智能配电系统的解决方案

2.2.1消除火灾隐患：

除常规自动火灾报警系统设计外，还使用了以下智能设备，消除电气火灾隐患；

1）具有温度检测的高压智能断路器。

火灾通常由设备故障引起一般因产品老化所致。传统配电方案往往仅通过多功能表监测电压、电流、频率等参数，无法监测设备老化状态。选用能监测设备老化的电气产品可大大降低火灾风险，设备自带的内嵌式设计的温度检测，可以保证开关设备原有绝缘性，通过自供电测温单元及磁饱和技术，实现免维护，确保安全、稳定地长期工作，依托NFC自动识别组网技术，实现APP与设备的快速对接，通过Zigbee非接触式无线通讯技术，实现接收单元与高压侧的电气隔离。见图1。

站控单元：

火灾发生往往是因为设备老化发生故障所致。站控单元可以显示产品老化程度，提醒运维人员在适当时机更换设备，降低发生火灾的概率。此类产品能可视化呈现容量信息，让风险提示更靠近设备端，辅助运维响应速度更快。预设界面模板基于配电柜体布局，可清晰对应设备层次关系，快速检索故障根因。断路器运行数据和老化分析等电气资产关键运行信息能够直观呈现。设备内置软件，拥有自动化工具，标准化模板，可缩短50%左右的调试时间。站控单元既可以在新建项目中布置在受总柜、电容柜等，也可以在改建项目布置在配电室墙面上。见图2。

2.2.2解决管理粗放：

采用PME/PSO：

PME（电能管理系统）可以对全厂的设备运行进行监视。系统后台时刻监测能源使用状态、生成清晰的能耗视图，助力建立能源使用的管理方针，优化能耗成本。PSO（电力监控系统）可以对全厂的设备进行控制。通过灵活的九余架构、开放的协议支持，实现高可靠性、高实时性的系统方案。同时，PSO具有模块化特性，可在电力监控的基础上实现能源管理、电力资产管理等灵活的功能组合，满足用户的多样化需求。PME/PSO做为中低压一体化电力监控平台，提高了系统的集成度，方便客户进行监控管理，实现了能耗分析等能源管理功能。见图3和图4。

精细化管理：

软件的实施可以实现资产存档、资产快查、规范工作流程、追踪运维过程、体现能源使用状态等功能

3）主动运维：

传统的维护是被动调整，哪坏修哪，响应时间长；通过预测主动维护，设备老化到一定程度进行预警提示，来决定修或者换，带来的运行损失更小。主动提示风险，辅助运维快速反应。

2.2.3强化数据分析

传统污水处理厂缺少运行电气系统数据分析，传统的软件更加关注工艺流程，电力数据利用率较低；分析基本依托运维人员个体的经验，速度和能力远不及专业的电脑及分析软件。各种智能软硬件的应用可以进行大数据收集，收集后采用智能分析评估、智能应用，结合资产评估，依托专家服务留存处理方案，提升运维体系的高效性。

3地下污水厂智能配电系统的效益

智能配电系统的应用虽然会带来工程建设造价增加，但通过精细管理、专家服务可以主动运维带来以下收益。

3.1降低人工成

现在专业电工普遍年龄偏大并且人员数量少以处理规模10x104m/d水厂为例，通常机械、电气及仪表运维护人员为3班次，每5人一班，共计15人。主动运维可以更有计划的进行电力维护，减少工作量上较明显的波谷。运维人员可优化为3班次，每2人一班，共计6人，减少运维人员9人。

3.2优化运营环境

传统污水处理厂的一些工艺步骤需要白天进行，因此需要有足够人力物力给予保证；采用智能配电体系后，如污水处理厂内的污泥脱水等非连续运行设施，可以全部调整在电价波谷段运行。

3.3降低能耗

地下污水处理厂的非生产用电占比较传统污水处理厂高，可挖掘的节能潜力较多，如果没有PSE和PSO，节能方案将无所依据。通风、照明、综合楼等非生产用电，鼓风曝气、进水、出水等生产用电，可通过智能化分析，合理调整运行时间。设备组合实现能源利用的优化，例如：通风系统通过环境仪表检测，采用局部区域运行，或不同区域轮流运行等措施，实现能耗的降低。见图5。

4安科瑞电气针对智慧城市水务建设推出能效管理解决方案----AcrelEMS-SW智慧水务能效管理平台

4.1平台概述

安科瑞电气具备从终端感知、边缘计算到能效管理平台的产品生态体系，AcrelEMS-SW智慧水务能效管理平台通过在污水厂源、网、荷、储、充的各个关键节点安装保护、监测、分析、治理装置，用于监测污水厂能耗总量和能耗强度，重点监测主要用能设备能效，保护污水厂运行安全可靠，提高污水厂能效，为污水处理的能效管理提供科学、精细的解决方案。

4.2平台组成

AcrelEMS智慧水务综合能效管理系统由变电站综合自动化系统、电力监控及能效管理系统组成，涵盖了水务中压变配电系统、电气安全、应急电源、能源管理、照明控制、设备运维等，贯穿水务能源流的始终，帮助运维管理人员通过一套平台、一个APP实时了解水务配电系统运行状况，并且根据权限可以适用于水务后勤部门管理需要。

4.3平台拓扑图

4.4平台子系统

4.4.1变电站综合自动化系统及电力监控

对水务配电系统中34kV、10kV电压等级配置继电保护和弧光保护，实现遥测、遥信、遥控、遥调等功能，对异常情况及时预警。

监测变压器、水泵、鼓风机的电流、电压、有功/无功功率、功率因数、负荷率、温度、三相平衡、异常报警等数据。

4.4.2电能质量监测与治理

水务中大量的大功率电机、水泵变频启动导致配电系统中存在大量谐波，通过监测其配电系统的谐波畸变、电压波动、闪变和容忍度指标分析其电能质量，并配置对应的电能质量治理措施提高供电电能质量。

4.4.3电动机管理

马达监控实现水务中电机的保护、遥测、遥信、遥控功能，电动机保护器能对过载、短路、缺相、漏电等异常情况进行保护、监测和报警。高效、准确地反映出故障状态、故障时间、故障地点、及相关信息，对电机进行健康诊断和预防性维护。同时支持与PLC、软启、变频器等配合，实现电动机自动或远程控制，监视、控制各个工艺设备,保障正常生产。

4.4.4能耗管理

为水务搭建计量体系，显示水务的能源流向和能源损耗，通过能源流向图帮助水务分析能源消耗去向，找出能源消耗异常区域。

将所有有关能源的参数集中在一个看板中，从多个维度对比分析，实现各个工艺环节的能耗对比，帮助领导掌控整个工厂的能源消耗，能源成本，标煤排放等的情况。

能耗数据统计采集水务中污水厂、自来水厂、水泵站等的用电、用水、燃气、冷热量消耗量，同环比对比分析，能耗总量和能耗强度计算，标煤计算和CO2排放统计趋势。

能效分析按三级计量架构，分别进行能效分析，契合能源管理体系要求，可对各车间/职能部门的能效水平进行分析，同比、环比、对标等。通过污水处理产量以及系统采集的能耗数据，在污水单耗中生成污水单耗趋势图，并进行同比和环比分析，同时将污水的单耗与行业/先进指标对标，以便企业能够根据产品单耗情况来调整生产工艺，从而降低能耗。

4.4.5智能照明控制

系统为污水厂、自来水厂、水泵站等提供了照明控制管理方案，支持单控、区域控制、自动控制、感应控制、定时控制、场景控制、调光控制等多种控制方式，模块可根据经纬度自动识别日出日落时间实现自动控制功能，尽量利用自然光照，实现室内、厂区照明的智能控制达到安全、节能、舒适、高效的目的。

4.4.6电气安全

（1）电气火灾监测

监测配电系统回路的漏电电流和线缆温度，实现对污水厂、自来水厂、水泵站的电气安全预警。

（2）消防应急照明和疏散指示

根据预先设置的应急预案快速启动疏散方案引导人员疏散。系统接入消防应急照明指示系统数据，通过平面图显示疏散指示灯具工作状态和异常情况。

（3）消防设备电源监测

监测消防设备的工作电源是否正常，保障在发生火灾时消防设备可以正常投入使用。

（4）防火门监控系统

防火门监控系统集中控制其各终端设备即防火门监控模块、电动闭门器、电磁释放器的工作状态，实时监测疏散通道防火门的开启、关闭及故障状态，显示终端设备开路、短路等故障信号。系统采用消防二总线将具有通信功能的监控模块相互连接起来，当终端设备发生短路、断路等故障时，防火门监控器能发出报警信号，能指示报警部位并保存报警信息，保障了电气安全的可靠性。

4.4.7环境监测

污水厂、自来水厂、水泵站等场所温湿度、烟雾、积水浸水、视频、UPS电池间可燃气体浓度展示和预警，保障污水厂、自来水厂、水泵站等安全运行。当可燃气体或有害气体浓度超标可自动启动排风风机或新风系统，排除隐患，保持良好的水处理环境。

4.4.8分布式光伏监测

实时监测低压并网柜每路的电流、电压、功率等电气参数及断路器开关状态，逆变器运行监视，对逆变器直流侧每一光伏组串的输入直流电压、直流电流、直流功率，逆变器交流电压、交流电流、频率、功率因数、当前发电功率、累计发电量进行监测，以曲线方式绘制上述监测的各个参量的历史数据。

平台结合厂区实际分布情况，通过3D或2.4D平面图显示分布式光伏组件在屋顶、车棚的分布情况，显示汇流箱、并网点位置，各个屋顶的装机容量。

4.4.9工艺仿真监控

平台通过2D、3D方式实时监视粗格栅、污水提升、细格栅、曝气沉砂、改良生化处理、二沉、加氯接触消毒、污泥浓缩压滤、生物除臭等工艺设备运行状态。在格栅清渣机、污水提升泵、回流泵、曝气风机、加药泵、浓缩压滤机、吸沙泵、吸泥泵等低压电动机控制柜或低压馈电柜安装电动机保护，进行短路、过流、过载、起动超时、断相、不平衡、低功率、接地/漏电、te保护、堵转、逆序、温度等保护以及外部故障连锁停机，与PLC、软启、变频器等配合，实现电动机自动或远程控制，监视、控制各个工艺设备,保障正常生产。

4.5相关平台部署硬件选型清单

4.5.1电力监控、电能质量、电动机管理及配电室环境监控系统

4.5.2智能照明系统

4.5.5防火门监控系统

5总结与展望

本文简要介绍了地下污水处理厂智能配电系统的部分软硬件配置及带来的效果。智能配电系统带来的前期造价增加，可在后期运营过程中节省下来，长期来看是更经济的选择。采用智能配电系统的水厂，彰显先进性，实现数字转化型，提升水厂价值，智能配电地下污水厂未来发展的趋势，将会在越来越多的同类建设工程中得到应用

参考文献：

[1]高智箭，肖亮.地下污水处理厂智能配电方案设计[J].天津建设科技，2022，第32卷增刊：69-72.

[2]刘广胜.上海某大型供水厂智能配电系统设计与应用[J].建筑气，2020，39(8):29-34.

[3]安科瑞企业微电网设计应用手册.2022.04版

作者简介：

周洋，男，现任职于安科瑞电气股份有限公司，主要从智慧水务研究发展。