《“十四五"國家信息化規劃》提出，完善城市信息模型平臺和運行管理服務平臺，探索建設數字孿生城市。實施智能化市政基礎設施建設和改造，有效提升城市運轉和經濟運行狀態的泛在感知和智能決策能力。推行城市‘一張圖’數字化管理模式。到2025年，數字中國建設取得決定性進展，信息化發展水平大幅躍升。“十四五"期間，新建、改建和擴建再生水生產能力不少于1500 萬立方米/日。大量污水處理廠的建設，降低了污染物的排放，改善了水環境，同時污水處理是高能耗產業,這給能源消耗增加了壓力，污水廠用電設備分散給運維工作帶來了壓力，需要建立一套合理的數字化能效管理平臺進行能源管理達到高效運維、節能降耗的目的。
一、污水廠配電結構和處理工藝
1.1.配電結構
污水廠設備要求供電可靠性，一般不允許停電，中斷供電將造成重大的經濟損失，因污水廠供電負荷等級為二級，應采用兩路電源供電，同時為保證電源可靠性，備用一臺柴油發電機，至少滿足廠內應急通風換氣、消防、應急照明等用電。地下式污水廠和地上廠相比，對配電系統的安全性、可靠性要求更高。例如，地下式污水廠采用速閉閘或速閉閥保證進水安全，若這些設備的供電出現問題，則可能突然停止進水，影響正常生產;也可能無法停止進水，造成箱體被淹的嚴重后果。此外，地下式污水廠箱體內配電系統設計需滿足消防切非等有別于常規地上式污水廠的要求。箱體內工作環境比外部差，影響運行人員進人箱體的積極性。
1.2.污水處理工藝
國內的污水處理工藝大概有30種，常見的氧化溝、A/A/O、A/O、SBR，處理流程包括粗格柵及進水泵房、細格柵及曝氣沉砂池、精細格柵、AAO生物池、MBR膜池及膜設備間紫外線消毒渠、回用水池及回用水泵房、鼓風機房、儲泥池及污泥脫水車間等，復雜的處理工藝提升了運維和管理的難度。
1.3. 能耗分布
污水處理廠的能耗成本主要為電能、藥物、燃料，其中電能消耗占有60~90%，我國污水二級處理電能消耗為0.19~0.36 kWh/m3，經過對城鎮污水處理廠能耗狀況及其影響因素進行分析，結果表明目前我國城市污水處理廠平均能耗為0.29kWh/m3，而美國污水處理廠平均能耗為0.2kWh/m3，日本為0.204~0.254kWh/m3。總體上看,我國在污水處理中的節能降耗、優化運營方面起步晚，還存在很大的節能降耗空間,而電能的消耗污水提升泵、鼓風曝氣和污泥處理環節，較高的能耗水平在一定程度上影響了污水處理的建設和發展,同時為了響應雙碳戰略，需要探索一種科學的數字化能源管理措施來促進節能降耗的完成。
二、能效管理解決方案--AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平臺
安科瑞電氣具備從終端感知、邊緣計算到能效管理平臺的產品生態體系，AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平臺通過在污水廠源、網、荷、儲、充的各個關鍵節點安裝保護、監測、分析、治理裝置，用于監測污水廠能耗總量和能耗強度，重點監測主要用能設備能效，保護污水廠運行安全可靠，提高污水廠能效，為污水處理的能效管理提供科學、精細的解決方案。
圖1 AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平臺
2.1.保障供電可靠性
對污水廠配電系統中35kV、10kV電壓等級配置微機保護裝置及多功能儀表進行保護和監控，對0.4kV配置多功能計量儀表，用于監測各回路的電氣參數和用能情況，可實時監控高低壓供配電系統開關柜、變壓器微機保護測控裝置、發電機控制柜、ATS/STS、UPS，包括遙控、遙信、遙測、遙調、事故報警及記錄等。
污水廠存在大量的非線性負載，通過監測其配電系統的諧波畸變、電壓波動、閃變和容忍度指標分析其電能質量，并配置對應的電能質量治理措施進一步提高供電可靠性。
圖2 AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平臺主接線圖
2.2.建立能源計量體系
AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平臺通過搭建計量體系，采集污水處理廠能源數據，顯示污水處理廠的能源流向和能源損耗，通過能源流向圖幫助其分析能源消耗去向，找出能源消耗異常區域幫助其了解各工藝環節能源消耗量，并且可細化到樓層、車間、產線、班組、工序，計算產品單耗、單位面積能耗或萬元產值能耗，從而計算出能耗總量和單位能耗。
圖3 能源流向圖
2.3.數據集抄并實時計量
AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平臺提供自定義時間抄表功能，可以在任意時間，任意地點，完成對企業的三級計量體系數據閱覽，減少了人工投入。同時各類保護、儀表主動定時上傳數據，保證了能源時效性，為其節能降耗，提供了基礎數據支撐。
圖4 數據集抄報表
2.4. 優化能源結構
AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平臺支持接入分布式光伏電站以及風力發電站，為企業提供分布式電站運行監測和發電日/月/年/累計收益和減排分析，支持自發自用、余電上網。在儲能環節，平臺接入BMS和PCS數據，支持充放電配置策略，并對電池管理系統提供實時預警，根據其負荷特點，削峰填谷，充分使用新能源，降低污水廠碳排放。
圖5 分布式光伏電站監測運維
2.5. 提升主要用能設備能效
污水處理廠中有著大量的電機、水泵，其中污水提升泵和鼓風曝氣能耗占據了工藝能耗中的大多數，平臺針對這些工藝設備進行監測分析，工藝之間橫向比較，尋找具調控潛力的用電設備、工藝單元，幫助用戶發現其能效提升空間并提供解決方案，找到運行區域，顯著降低能源消耗
圖6 管網圖和能效監測
2.6. 報警及時推送
平臺提供能源報警功能，一旦發現跑冒滴漏，能源消耗異常，電參量異常等情況，能提供多種方式的報警，包括但不限于郵件、短信、釘釘推送等。
圖7 報警記錄與管理
2.7. 加強運維管理
加強巡視維護工作，及時發現或消除設備隱患，提高供電可靠性。配置重要設備包括變壓器、電氣柜、高壓電纜、空調主機、水泵、鼓風機等設備信息，配置二維碼，快速在移動端獲取設備信息、設備維修歷史記錄以及解決問題的常用辦法。
故障預判和快速診斷功能將以往出現問題再采取措施的被動檢修維護政為主動出擊、防患于未然的主動運維模式。既可以使運維管理工作更從容。還大大提高系統的安全性和可靠性。
圖8 設備運維檔案
2.8. 典型硬件
三、結語
隨著污水處理廠的不斷擴建，運行費用的持續上升，能源消耗不斷增加，通過合理運用能源管理平臺，利用先進的大數據、云計算等互聯網技術提高污水廠數字化程度，能夠提高污水廠的供電可靠性，實現高效運維和少人值守，找到節能降耗的實際方案，為管理者提供管理手段，降低污水廠的運營成本，促進污水廠的提質增效。
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