大区域供电系统设计与运行探讨

吉承平，章强，马国军

(扬州职业大学，江苏扬州225009)

某学校新校区位于城市的新城西区中心轴线，周边与国展中心、博物馆、文化艺术中心和体育公园相毗邻，占地面积为一千五百多亩。学校分为教学区和生活区两大部分，教学区(南区)建有图书馆楼、行政楼、实验楼、院系楼、教学楼、实训工厂、大学生体育中心和科学会堂等;生活区(北区)建有学生公寓、两个学生食堂、超市和食品一条街等;政府还为学校预留了北区四百多亩发展用地。

经系统分析，总变电所建设在北区的中心位置，它既可以供电到南区，也方便对未来新增区域供电，从市区引入10kV主电源在此计量;选择在南区用电重点区域行政楼和图书馆建设两个10kV/0.4kV分变电所，高压从总变电所引入。

1 供电系统分析和设计原则

为了满足校区各个系统的用电需要，根据国家关于供电的设计标准和规范，系统详细地对各楼宇分布和供电需求进行了分析、评估、规划和计算，确定了供电容量、预留容量和建设方案。

根据建筑工程供配电规范要求，在对配电系统进行设计时，为了保证供电质量，同质或相近用电设备使用同一线路，非同质用电设备使用不同的供电线路。为了有效地降低线路和设备的损耗，将供电半径控制在规范要求的范围内[1]，并使大容量负荷集中在配电中心附近。此外，为了实现可靠性和先进性的要求，设计的配电系统在结构合理性，调度的灵活性，操作控制方便和供电安全方面做了深入的研究，引入了智能接入设备和负荷控制装置。

1.1 用电负荷的计算

用电负荷的计算方法较多，现在普遍使用的是需要系数法、利用系数法、单位面积功率法和单位指标法。本文的负荷计算是根据单位面积功率法(见表1)，用该方法估算本工程的计算负荷，然后用需要系数法做进一步计算。

表1 建筑物用电量参考标准[2]

1.2 系统的功率计算

负荷计算包括系统计算容量(计算负荷、有功功率)、视在容量(视在功率)、无功负荷(无功功率)的计算[3]。为了单相负荷均衡分配，当无法使三相完全平衡，且最大一相与最小一相负荷之差大于三相总负荷10%时，负荷计算方法以最大一相负荷的三倍作为等效三相负荷，否则按三相对称负荷计算。

同类设备容量计算，将有功负荷和无功负荷分别相加后求其均方根，并乘以需求系数。需求系数一般按照动力设备为3台及以下时，需要系数为Kx=1;大面积集中控制的灯比相同建筑面积的多个小房间分散控制的灯的需要系数大。插座容量的比例大时，需要系数的选择可以偏小些，通常取Kx=0.45－0.85。具体见表2。

1.3 变压器容量

电力变压器通常采用R10容量系列，容量的递增规律为:R10=－1.26倍数递增[4];装两台变压器时设计变压器容量的原则是:任一台变压器单独运行时，变压器容量Str满足总计算负荷Sca的大约60%－70%需要。

表2 常用需要系数及功率因数表

例如，行政楼区域的总计算负荷为5400kVA，按照变压器的设计原则，主变压器容量为:Str=(0.6－0.7)Sca=(0.6－0.7)5400kVA=(3240－3780)kVA，根据设计原则取最小值(3200kVA)，用两台变压器实现，每台变压器的容量为1600kVA。

2 供电主接线图

根据供电需求和区域供电半径规范，供电系统的中心设计在北区，系统图见图1。

由系统图可知，10kV由两路进入，然后分别分配给各个分变电所，平时一路作为主供电线路，另一路作为系统备用电源，两路电源采用供电互锁，提高供电的可靠性[5]。

在系统的0.4kV低压侧，为了节约和安全供电，未采用常规的两路高压互备高供形式，而采用图书馆和行政楼电房低压互联，相互作为低压备用电源;实训工厂分变电所未建，该区域负荷暂时由北区总变电所低压供电;以上措施节约了投资，提高了系统的灵活性，保证了目前学校正常运行负荷，同时为学校未来发展进行了适当的预留。

3 负荷变化特征

本文设计的供电系统中，对某天系统运行数据进行了分析，见表3。从数据可见，2009年已经达到1555.85kVA，而现在最高峰用电量达到了2290kVA，用电量增长较快，平均每年增长45%的用电量。由此可以预见，再过十年整个用电量将达到设计容量的60%，就是说基本达到设计的正常运行容量。

图1 学校供电系统

表3 10KV用电情况记录表(2009年11月12日)

从表中的数据可见，供电的负荷的变化符合高校用电规律，每天用电量峰值发生在下午5点左右，这时正是教学区和宿舍同时用电的高峰时段，而这时学校的行政还没有下班;用电的低谷是在早上的7点以前，这时同学们还没有起床，教学区还没有上班和上课。图2为供电的负荷曲线。

4 供电设计与运行的经验

4.1 供电系统的经济运行

1.供电系统特点和运行方法。高校供电具有明显的周期性，平时供电需求主要集中在教学区。放假时，校区用电量明显下降，用电量最低时不到平时1/10。为了提高经济运行效率，有效降低变压器空载时的能量损耗，必须停运部分变压器。在本案例中，采取的措施是行政楼和北区电房各停运一台变压器，图书馆变压器全停，通过低压联络线路由行政楼供电。

图2 运行日负荷曲线

2.变压器经济优化运行。为了提高变压器运行效率，多台变压器的经济运行的分析，以行政楼的两台变压器进行计算和分析。经济优化运行原则:当Sz≤Scr时，运行一台变压器;当Sz＞Scr时，运行两台变压器;其中Scr为临界负荷。

3.电容柜投运的必要性分析。本文供电系统中，对电容的投运和停运进行了试验。结果表明在负荷较小的时，补偿效果不明显;在功率负荷比较重的时，补偿效果明显，功率因素很快从0.62提高到0.95。由供电的负荷曲线图2可见，在学校供电的高峰期，比如下午5点钟前后，必须投入电容运行，早上、中午和晚上可以停止运行。

4.2 处理好长期发展容量和近期建设中使用容量的关系

用电规律是随着时间的推移，用电量会不断增加，投入和建设必须考虑容量的变化带来的各种因素，防止以后造成不必要的损失。本文主要考虑了高、低压侧的负荷增长需要，分步骤建设变电所，并做了可行性研究。

在案例中，根据系统总图的设计，高压系统预留一个间隔作为高压系统必要的未知需求;对暂时未建的高压间隔先作为建设用电使用。在低压侧，由于各个楼宇的用电规模还未达到最佳使用额定容量，合理的增加了低压的侧的用户数量，采取了增加扩展柜的办法，满足了供电需求，提高了变压器利用率。例如，在装机容量相对富裕又满足供电规范半径的学生公寓和超市，实现了区域内的增容，保证了临时区域内的供电，提高了用电的效率。

4.3 按负荷发展分期建设供电设施

在学校供电的建设初期，由于许多用电装置还没有使用和配给，区域内用电量相对较少，单体变压器的容量可取较小值，或部分分期装备，比如可对多台变压器先装备其中一台，待用电量增加时，再装备剩余的变压器，并调整变压器的容量到额定值。在案例中，图书馆分变电所建设就采用了这种方式。

4.4 利用新能源

随着光伏电源的发展，应优先采取此新能源，但是，光伏电源的特点是功率相对较小，多点接入和逻辑控制切换复杂，计量点多，从母线直接接入困难;此外，为了防止电源的倒灌，各种可靠性监视点和告警装置较多;实现接入的具体思路是从分路入手，主供照明，兼顾其它。

4.5 调度值班室建设

为了安全可靠用电，实现规范和标准化管理，提高供电的管理水平和质量，学校供电必须建设运行和调度值班管理中心。完成各种日常记录，监视系统的运行状况，指挥和调度设备的调整与维护。模拟屏可以直观地反映供电的实际情况，比如开关的分合闸、功率变化、电容的投运效率等。模拟屏在调度中使用，便于现场指挥，减少失误，提高运行效率。供电公司对用户的计量和管理均采用远动智能设备，如果能与其实现数据的共享，预知用电数据和电网变化，有利于提高值班调度的预见性和主动性。

4.6 用电智能计费

学校智能供电系统是近年发展的总趋势，是人们用电精细化的需要，是技术进步的必然产物。预用电系统和一卡通系统中，用户对用多少电，何时用电，何时付费，甚至是否继续用电都实现了智能化;此外，供电管理部门对用户的用电请求的审计、配给和管理，也由豪放型向精细化方向发展，奖励优质用户，加强对劣质用户的管理;通过与学校一卡通系统的连接，方便了管理方和用电方，实现了系统信息的共享和资源利用的最大化。

5 结语

通过整个系统的设计和建设实践，系统在技术上符合用电规范，做到了用电合理调配，保证可靠性和安全供电，节约投资和实现经济用电，实践证明设计是合理的。本文是对高校合理供电系统的设计、运行的探索和有益的尝试，以高校新校区的供电系统为例，系统总结了高校用电特点和电力设计、施工、运行等方面的工作经验，并指出了供电系统优化运行的方向和提高效率的途径。

[1]中华人民共和国机械部.GB 50054－95低压配电设计规范[S].北京:中国计划出版社，1995.

[2]中国建筑标准研究所.全国民用建筑工程设计技术措施[M].北京:中国计划出版社，2003.

[3]刘介才.工厂配电[M].北京:机械工业出版社，2011.

[4]朱银根.21世纪建筑电气设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社，2003.

[5]中华人民共和国机械部.GB 50053－94 10kV及以下变电所设计规范[S].北京:中国计划出版社，1994.