浅谈地下污水处理厂智能配电能效方案设计

浅谈地下污水处理厂智能配电能效方案设计

张颖姣

安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201800

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。

关键词：智能配电；地下污水处理厂；配电系统；

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彻底的电气隔离。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。

审核编辑 黄宇