中国市政工程华北设计研究总院有限公司 徐 进 孙海波 温琳苹 李永健 梁子康

1 引言

水务行业是指由原水、供水、节水、排水、污水处理及水资源回收利用等构成的产业链[1]。水务行业是中国乃至世界上所有国家和地区最重要的城市基本服务行业之一，日常的生产、生活都离不开城市供水[2]。

2014年，国家发展和改革委员会等八部委印发了《关于促进智慧城市健康发展的指导意见》，要求水务等公用基础设施的智能化水平大幅提升。“十三五”规划将“智能水务”列入了战略性新兴产业。2021年《十四五规划和2035年远景目标纲要》要求，“加快数字化发展，建设数字中国”“加快数字社会发展步伐”。在国家政策指引下，我国的信息化、数字化、智能化脚步不断加快，各行各业都在大力发展以大数据、互联网为基础的智能化业务，但水务行业内生动力不足，数字化、智能化水平与政策要求之间存在显著差距，明显落后于机械、化工、建筑等其他行业。在此背景下信息技术与水务行业深度融合，打造高度数字化、网络化的智能水务的重要性不言而喻。

电力供应是所有现代化企业运行的基础，智慧水务的发展离不开供配电系统的智能化。本文将阐述智能配电系统在水务行业中的重要作用。

2 水务行业电气系统运维管理现状

水务行业电气设备巡检主要依靠人的感官，辅以红外手持温度扫描仪等设备。主要运维人员通过诸如视觉、听觉、嗅觉、触觉等对电气设备的运行情况加以判断，这对运维人员的经验和责任心要求很高，而且观测到的数据颗粒度大，难以整合分析。不仅难以及时发现正在发生的问题及隐患，更难以预测即将发生的故障。这种具有盲目性的巡检方式不仅效率低下，同时也耗费了运维人员的大量时间，使企业人工成本居高不下。现阶段水务行业主要的运营系统是SACDA系统，从电力系统中获取的大量数据存储在SACDA系统数据库中，并未加以有效利用。还有一部分数据记录在隐患排查记录本和巡检记录台账上，更加难以利用。此外，还有大量的企业运维情况和管理经验存在于运维人员的头脑中，随着人员老化更替而缺失。这些数据对于分析配电系统运行状态，判断故障原因、预测设备状态变化趋势都有极大的作用。

随着国家大力推动数字经济和实体经济融合发展，智能配电终端产品与上位软件不断涌现，智能配电系统日渐趋于成熟。智能配电系统通过采用先进的算法，充分发掘数据价值，能够全面实现配电系统的运维管理，有效改善电能质量，增强配电系统可靠性，避免因意外停电导致的停工停产危害。同时，监控软件的分析决策也有助于企业合理分配电能，节省用电成本，降低能源消耗。

3 智能配电系统内涵及特征

智能配电系统具有可靠性高、自动化程度高、兼容性强、界面友好、操作便捷等特点，能够对终端设备实现遥测、遥信、遥控、遥调等功能，从而提高企业运维管理水平，实现提质增效、节能降耗等。智能配电系统有以下几点特征：

3.1 可观测

通过智能设备的数据采集功能、网络通信技术和可视化平台，能够实现对配电系统各环节的监测，数据直观，易读。能以曲线图、柱状图、饼图、表格多种数据呈现方式，从时间和空间两个维度为运维管理提供依据。

3.2 可控制

通过对供配电设备的通讯连接，从监控管理平台下达控制指令，启动供配电设备的操作机构，实现对供配电设备的远程人工控制和自动控制。在无人值守的情况下保障企业运行过程中各供配电设备处于可控状态，使企业运行更加安全可靠。

3.3 设备互联互通

采用网络通信技术，可实现电气设备之间的相互通讯，某一台设备可根据其他电气设备的状态信息和联动关系进行状态更新，实现不同设备、系统之间的相互协作、信息共享。为配电系统可靠运行，合理调配供电方案提供帮助。

3.4 辅助运维

可实时向运维人员推送电气设备状态，在出现异常状态时及时联系检修人员，并给出数据支持和决策指导，使水厂运维人员无需查阅大量资料即可获取关键信息。

3.5 信息安全

采用现代通信技术，为配电系统构建一个实时传输、高速通信的信息系统，通过智能网关依据安全策略需求划分不同的安全分区，使用企业内部专用网络与外网隔离，实现配电系统运行信息交互高速无障碍的同时避免数据丢失或被窃取，使水务行业企业的敏感数据的安全性得到可靠保障。

4 智能配电系统的总体架构

智能配电系统总体由三部分构成，一是产生并收集数据的智能装置层；二是传输数据的数据交换层；三是分析处理数据的应用管理层。

4.1 智能装置层

智能电气设备是智能配电系统的基础，包括自带通讯功能的断路器、智能传感器、智能电表等，具有可视化、数字化和网络化特点，在满足相关标准要求的前提下，集成数据采集、控制和保护等功能。

本文结合现状及行业技术的发展水平，提出了BIM运维管理平台搭建常见的三种方式并总结了各自的优缺点，三种方式为：①基于常规运维软件开发支持BIM功能；②基于BIM软件二次开发；③自主开发。

4.2 数据交换层

构建智能装置层和应用管理层之间数据传输的通道，基于网络通信技术，设置数据交换机和智能网关，将智能设备层采集到的数据整理、集合传输到应用管理层，满足应用管理层的数据需求，实现对电气设备的监测和控制。

4.3 应用管理层

在本地管理服务器内安装智能监控管理软件和可视化平台，实现对全厂供配电设备必要信息的采集，信息的数量、质量应满足过程控制和运行管理的需求。应用管理层可处理分析数据，展示用户需要的信息报表，具备对全部主设备、关键辅助设备、关键控制装置和设备的状态监测和故障诊断能力；能够对设备状态进行评估，提出维护建议；对检修维护工作进行记录，生成各类报表，提供检修决策建议和指导。支持对重要节点的远程控制功能，满足自动控制和无人值守要求。

5 智能配电系统作用

5.1 可视化管理

智能配电系统可视化平台将电气设备在不同时段的各项运行数据以曲线、表格和图形等方式展现，实时提醒运维人员关注电气设备健康状况，进行状态检修，无须去现场进行人工排查，实时显示电气设备电量消耗情况和电能质量情况，如功率因数、谐波含量、三相不平衡、电压合格率等情况。由于传统配电系统考评指标不够严谨，对于功率因数的判断局限于配电系统整体运算，忽视了配电系统不同区域电能质量的不一致性，导致部分低电能质量区域的配电回路长期运行。智能配电系统可及时发现漏洞，弥补传统的监测短板，更好的提升配电系统电能质量。

图1 全景分析功能界面

5.2 设备健康管理

采集开关柜内断路器的机械特性、电气特性及温度特性；通过雷达图监测机械特性的各项指标是否在正常范围，并且可以通过单机雷达图进入机械特性历史曲线对比。通过采集分合闸线圈的电流、储能电机电流、电动底盘车电机电流及电动接地刀电机电流的实时数据，可判定所有电动机构的健康状态。还可以采集断路器触头温度，柜内母线连接点温度等，实时观察运行温度数据，计算实际温升，绘制温升曲线。实时检测触头的接触度情况，提前发现故障隐患，提早介入，避免故障发生或扩大。

智能配电系统还可以记录电气设备履历，如开关柜的铭牌信息、图纸信息、说明书信息、负责班组、上次检修历史记录等履历信息。建立每个电气设备的数学模型，利用设备收集的数据信息和运行状态信息不断修正判断模型和参数，达到更加精准的判断效果，对每一个电气设备的精确管理，可以较大降低因设备损坏无法及时更换导致企业停止运行的压力，提前给出保养维护或预备更换设备的建议。

5.3 状态检修提示

运维人员依据系统对电气设备的状态评估，可以有针对性地安排设备排查和检修；依据电气设备状态、运行时间及运行期间发生的重大事件等监测到的情况，综合考虑设备运行计划，可以合理安排对电气设备的维护检修，实现状态检修与计划检修相结合。运维人员还可以根据系统对存在安全隐患的电气设备给出的检修提示，以及对显示报警的电气设备的保养、维护建议采取相应的保养、维修、更换等处理措施。

状态检修功能以电气设备当前状态评估为基础，同时对设备状态的历史数据进行分析，判断设备状态变化趋势。对于出现突变量表征的电气设备安排应急检修。

当系统提示状态检修时，运维人员可调取检修对象的铭牌信息、初始运行时间、位置信息、故障记录、检修记录、相关图纸资料信息、备品备件信息等，作为检修依据。状态检修可与企业内部的SCADA或DCS系统联动，选取对生产影响最小的时点安排对设备进行主动检修。

状态检修是对计划检修的有力补充。智能配电系统能够利用运行期间采集的数据，利用模式识别、人工智能等手段，通过自学习不断丰富分析模型、修正模型参数，形成更完善的分析软件，结合日益完善的监测手段提出更准确适用的状态检修建议。从而使状态检修和计划检修的比例更加合理，大幅提升运维效率，有效降低人工成本。

5.4 故障状态辅助决策

智能配电系统能够在故障发生后第一时间确定是否切除故障回路，并将故障回路电气参数和断路器状态变化等信息发送给运维人员。为了帮助运维人员快速锁定故障位置，智能配电系统将提供应急预案、故障分析等服务，将故障点位置，故障部分系统图，有无可用备件等信息整合提供给检修人员。系统可记录每次故障发生时的有效信息，录入事后经调查确认的故障原因，形成历史故障数据库。当再次发生故障时，系统自动对比新发故障信息与历史数据库中的信息，通过分析软件判断故障原因，运行期间累积的大量数据将为实现故障预测打下基础。

5.5 降低能耗

智能配电系统通过监测全厂能源电量参数，通过软件对用电负载分类、分项、分区管理，可显示系统能耗与能效分析图表、曲线。系统可根据预设的能耗、能效管理指标，结合实际工艺流程，分解出实际运行情况下电能消耗中不必要的部分，制定合理的电能分配方案，对运维人员进行指导，降低无效能耗，并对比历史数据，检验节能降耗效果，实时调整节能策略。

图2 设备健康管理功能界面

图3 设备状态检修提示功能界面

5.6 运行报告

利用数据库中的历史数据，对电气设备运行情况进行不同维度的统计与分析，形成日报、周报、月报、季报、年报等报表，以便运维人员掌握供配电设备运行情况。运行报告参考巡检记录表的模式设计，符合运行、维护人员作业习惯，在原表基础上可扩充监测对象，增加数据分析，关联现场移动终端所上传的隐患设备实时状态数据，替代原有的人为巡检填写录入记录表的方式，减轻运维压力。

水务行业直接成本中，电费高达50%以上，存在相当大的节能降耗空间。多个水务行业企业智能配电改造的实践证明节电能力可达10%，若与工艺优化相结合，则节能潜力更大。

6 水务行业中智能配电系统发展前景

由于水务行业对于智能配电系统在数字化转型和智能化升级中所起的作用认识不足，当前水务行业中智能配电系统相当一部分是配合企业节能降耗进行的升级改造项目，在新建项目上应用不多。未来，随着智能化理念逐渐深入人心，智能化产品和数字技术的飞速发展，智能配电系统不断的完善升级，会有越来越多的水务企业认识到智能配电系统所带来的可观效益。

气候变化和能源危机已成为全人类共同面对的重要难题，我国在75届联合国大会中提出，“30-60”双目标，即2030年实现“碳达峰”，2060年实现“碳中和”，并将其列入“十四五”规划之中。今后，水务行业必将降低电能消耗作为实现“双碳”目标的重要任务。因此，智能配电系统所实现的价值极大满足了今后水务行业的发展需求，必将拥有广阔的发展前景。

7 结语

智能配电系统能够有效解决水务行业存在的运维管理问题、电能质量问题、能源消耗问题。水务行业本质是消耗能源换取环境友好的行业，节省电能消耗直接的降低了水务行业的运营成本，优化水务行业的运维模式则降低了人工成本，智能配电系统的高可靠性也避免了发生故障后长时间停电停产造成的巨大损失。

随着技术飞速发展和理念的不断更新，智能配电系统的内涵将不断丰富，结构将不断调整，作用将不断增强。本文仅在此进行初步的分析、探讨。在广阔的发展前景下，越来越多的相关企业将投入到智能配电系统的研发、设计之中，相信在不远的未来，愈加成熟完善的智能配电系统将作为配电系统的常规配置应用于水务行业之中。