数字化配电系统的应用

2020-06-20吴斌

智能建筑电气技术 2020年2期

吴斌

（湖南省建筑设计院有限公司，长沙410012）

0 引言

目前全球能源消耗日益增长，能源短缺问题已被全世界共同关注。建筑行业的高耗能已不能适应能源现状，绿色节能环保的建筑已成未来发展的主流。

在建筑电气设计中，积极落实节能环保、先进合理的设计原则，前提是要对电气设备的运行情况进行详细调查，做到“心中有数”。当前万事万物都在向数字化发展，湖南省建筑设计院有限公司在其新办公楼的建设过程中，进行了数字化配电尝试，本文将对此次尝试进行全面分析，得出结论与各位同行分享。

1 对数字化配电的需求

由于业务需求，湖南省建筑设计院有限公司在2016 年新落成一座多层办公楼，地上面积约25 000m2，地下面积约10 800m2，其中车库约5 900 m2。

该办公楼的设计始于2013 年底，设计之初笔者团队提出要做合理的电气设计：协调好“实测数据、手册指标、使用者需求”这三者之间的关系，而这些都需要有大量实测数据作为支撑。所以在设计前期笔者团队就计划将新办公楼的配电系统进行数字化设计以获得关于办公建筑的实际测量数据，作为将来设计类似建筑的数据基础以及对本项目进行节能分析的依据。

笔者团队没有采用“普通断路器＋数字仪表”的设计，而是直接采用了数字化断路器方案。因为除了常规电参量以外，该方案还能采集断路器本身更多的参数，比如脱扣报警信息、保护整定值、触头磨损率、断路器运行事件、控制单元温度等，在运维中需要这些数据来解决系统安全方面出现的问题，而独立外置的数字仪表并不能提供这些参数。为保证通讯带宽满足数字化需要，团队为所有的互联设备划分了独立的IP 地址和网段接入公司内网，既把分布在不同位置的互联设备高速便捷地连接起来，工作人员也可以灵活地在办公楼不同场所访问应用。同时，独立网段保证了这些设备的通讯速度，做到原始数据不丢失。最终形成的数字化配电系统架构如图1 所示。

2 数字化带来的改变

通过对数字化配电系统采集到的大量数据进行分析，可以在很多方面改善配电系统的安全性，解决能耗问题，也能够作为其他设计项目的借鉴。

本项目设置了三种分析软件平台，取自某品牌的PME、千里眼和云能效。本文将通过一些实际案例分享数字化带来的改变。

图1 数字化配电系统架构示意图

2.1 对系统安全及资源配置的影响

众所周知，电气设计前期会针对所有负载进行负荷计算，负荷计算的结果是进行断路器整定的重要依据。但在实际运行中往往会发生理论计算和实际运行的偏差，断路器的整定值可能偏大也可能偏小，这对系统安全来说是存在隐患的，对整个配电系统也会造成资源配置不合理的问题。数字化配电系统在采集大量数据的前提下，通过后台数据分析，可以根据每条回路的实际最大需求量测算当前回路上断路器的整定值是否合适，并给出一个推荐的整定值。但软件的推荐值是基于一个固定算法，并不会针对每种负载的特殊性做出相应变化。所以在本项目中，笔者先调取了每条回路的实时电流曲线，对每一条回路进行查看，再结合软件给出的推荐整定值进行判断、分析，最终调整了18 个断路器的长延时整定值，达到了全系统有效馈线回路的45%，通过1 年的实际运行，调整后的长延时整定值并未发生任何故障。系统部分回路设计参数与运行参数的比对如表1 所示。

部分回路设计参数与运行参数的比对表1

从表1 可以看出，大部分回路（尤其是照明、电梯回路）的实际运行电流都比计算值要小，甚至小很多，实际运行数据和理论计算值存在一定的差异，这些针对断路器整定值的调整可以让配电系统变得更加安全。试想如果没有数字化配电系统提供的大量实测数据，维护人员根本无法快速实施这么大规模的调整计划，也无法做到将事故隐患消除，只能采取等到发生事故后再分析处理的老方式。

2.2 对设计的影响

2.2.1 功率因数实测

本项目的变配电所在投入运行后，从功率因数控制器上看功率因数一直很高，但从低压补偿柜的实际运行看电容基本没有投入运行，也就是说在补偿电容基本不投入的前提下低压侧功率因数已经很高。在以往的设计中，设计师一般根据变压器容量采用一个固定比例来设置电容的补偿量，但从本项目实测数据上分析，在现代办公建筑中，实际上存在很多的容性负载，在这种前提下，可以适当减少变压器低压侧的电容补偿量，对工程的前期投资有很积极的意义。

从表2 以及下文中的图5、图8、图11 的测量结果可以看出，本项目中的LED 灯具、插座负载呈容性负载特征，而VRV 空调主机在运行和不运行时呈现出两种不同特征：开机运行时为高感性负载，功率因数维持在0.9 以上；而当空调主机待机（如夜间及过渡季）时为容性负载。

风冷热泵日报表表2

由表2 可知，本项目中容量最大的两类负载（空调和照明插座）为高感性或容性负载。基于此，本项目设置的两台300kVar 补偿电容柜几乎没有投入运行，而功率因数在日间依然可以维持在一个很高的水平，基本为0.9 ～1。整栋楼的整体功率因数曲线见图2，在感性0.90 至容性0.74 之间波动。基于以上结论，笔者认为在设计类似项目时，变配电所内的电容补偿容量可以适当减小，不一定要按照变压器的30%容量来设置。

图2 总功率因数曲线图

2.2.2 空调配电回路、照明插座配电回路测量

项目中笔者对空调配电回路、照明插座配电回路进行了实地测量，得到的数据记录详见图3 ～9。从测量结果可见谐波问题比较严重，有必要设置有源滤波器等设备来改善谐波问题。

图3 总谐波频谱

在变压器低压侧母线上测量得到的谐波频谱如图3 所示，可以看出3／5／7 次谐波是主要谐波类别，5 次谐波尤其严重。为了查明各种负载类型的谐波特征，分别针对VRV 空调、LED 照明、插座回路进行了细分测量，具体表现如下。

（1）VRV 空调的相关电能质量测量数据如图4～6，可见VRV 主机的电流畸变很严重，波形呈典型的6脉冲整流特征，同时测量结果也显示VRV 主机在开机时的功率因数达到感性0.9，是高感性负载，同时其谐波成分主要是5／7／11／13 次，3 次谐波成分很少。

（2）LED 照明回路的相关电能质量测量数据如图7～9，可以看到相关回路的电流畸变也很严重，同时测量结果也显示LED 照明回路的功率因数为容性0.87 左右，其谐波成分主要是3／5／7／9／11 次，7次以上谐波成分很少。

（3）插座回路的相关电能质量测量结果及电流畸变情况与LED 照明回路很类似，测量结果显示插座回路的功率因数为容性0.87 左右，其谐波成分主要是3／5／7／9 次，9 次以上谐波成分很少。

图4 VRV 主机的电压、电流波形

图5 VRV 主机的电参数

图6 VRV 主机的谐波频谱

图7 LED 灯具回路的电压、电流波形

2.2.3 小结

由上述数据和图表可看出，本项目中谐波含量较大，电能质量亟待改善。基于以上结论，笔者团队认为在设计类似项目时，如果项目中存在大量的变频空调、个人电脑、LED 光源等，建议考虑设置APF 有源滤波器来改善谐波畸变情况。

图8 LED 灯具照明回路的电参数

图9 LED 灯具照明回路的谐波频谱

2.3 对节能潜力的挖掘

本项目使用了大量的VRV 空调，而为了对比不同形式空调能耗情况，团队分别设置了水源热泵VRV 和风冷热泵VRV 两种形式的主机。从理论上，风冷热泵VRV 能耗水平应该偏高，但是当调取了能耗数据进行对比后，发现与理论数据相悖。数据显示除了7～8 月以外，其他月份风冷热泵的单位面积能耗指标更低。由此可见，系统在某些节点存在问题。

通过将4 月及10 月过渡季的所有空调回路耗电量绘制成曲线进行比对，发现水源热泵系统的待机电量不正常地高于风冷热泵系统。由图10 可见，1P4－6 回路上的风冷热泵VRV 空调主机安装容量为250kW，过渡季待机电量均不到1 000kWh，但是1P6－8 回路上的水源热泵VRV 空调主机安装容量仅为100kW，过渡季的待机电量却分别达到了4 800／7 000kWh。由此可见，在水源热泵系统内某些设备在不正常的长期不间断运行。

以1P6－8 回路为例，找出这条回路在2018 年2月的日能耗曲线，发现在春节期间这条回路每天有近60kWh 的耗电量，非常平稳。但春节期间空调系统应该是不工作的，对于出现的异常情况进行进一步分析。