基于综合体供配电系统拓扑的分析及模型初探

石 磊

(上海建筑设计研究院有限公司, 上海 200041)

0 引 言

大型公共建筑越来越多出现在城市的规划和建设之中。这种类型的建筑综合体通常赋予多种建筑功能,包括办公、商业、娱乐、文化、体育等。大型综合体的用电需求(用电设施总装机容量)会达到几万千瓦以上,需要规划和设计一个比较大的供配电系统,来满足运营时存在的大量电气负荷需求。

根据不同城市电网的电力运行规程,这种规模的建筑综合体供配电系统通常需要设置1个总降压站以及多个二级降压分变电站。整个供配电系统的电压跨度从几万伏到几十伏,供配电系统的配电距离达到几百米甚至上千米。供配电系统的稳定运行对于这种大型综合体的运营管理是非常重要的。本文用网络的观点,确定整个供配电系统的关键节点,建立供配电系统拓扑,结合运行管理需求,建立不同的统计和分析模型。通过对供配电系统拓扑的持续监测,采集到各种相关实时电气数据,运用系统、科学的统计方法,结合多种分析算法,定期对供配电系统进行评估和分析,实现供配电系统合理、稳定、节能的运行目标[1-2]。

1 大型综合体供配电系统关键节点

1.1 基础电气负荷的统计

大型综合体的供配电系统设计是基于对所有用电设施进行统计。采用的依据是所有用电设施的电气参数和功能区域的功率密度。由于统计的都是末端实际用电设施,在供配电系统中是处于最末一级的配电。最末一级的配电由于直接面对用电负荷,可以采用最合理、最经济的配电技术(包括计算电流的选取、电气控制技术的使用)。实际运行过程中,末端配电系统产生的电气异常状况是容易快速调整和处理的。

电气负荷可以分为照明负荷与动力负荷,建筑物内照明类用电设施是极为重要的基础性电气负荷,从配电管理的角度,为避免受到建筑内其他动力设备设施使用的干扰,所有照明电器以及非专用设施的插座都可以归类为照明负荷,独立统计。其他用电设施归类为动力负荷。这样分类可以有力保障照明设施运行的稳定,同时也有助于对建筑内照明负荷的控制和节能管理。事实上照明节能措施对建筑物节能有极为重要的价值和意义。动力负荷包括冷热源设备、风机、水泵、电梯等。

电气负荷依据国家规范来明确负荷等级,包括特级负荷、一级负荷、二级负荷、三级负荷。不同等级的电气负荷应实施对应的供配电要求。对所有电气负荷进行分类和分级的结果,是规划和设计供配电系统的基础。

某项目电气负荷统计如表1所示。

表1 某项目电气负荷统计

1.2 供配电系统规划

大型综合体的用电需求大,供配电的物理半径通常也比较大。供配电系统的分级是基于电气负荷的分类分级、供配电技术、配电管理需求的综合权衡。对于末端电气负荷采用的配电技术准确与合理,其上一级和更上一级的配电系统设计时需要对配电的区域、区域内电气负荷进行综合的合理规划。负荷统计需要对负荷进行定性,是间歇性负载还是稳态负载,是容性负载还是感性负载,是动力负载还是照明负载,是一级、二级还是三级负荷。综合以上负荷定性和分类,就是对各级供配电系统的定量(定负荷)设计。

1.3 供配电系统关键节点的确定

根据供配电系统的综合规划、分级,可以确定重要的配电枢纽和配电装置分布。从系统上看,这些位置是电气负荷的总汇聚点和分汇聚点,是重要建筑设备的配电点,也是整个供配电系统的关键节点。

依据供配电装置物理位置确定变配电所、发电机房、特级负荷配电机房、一级负荷配电机房、大容量机电设备机房。

依据供配电系统确定中高压变配电系统(包括400 V一级配电系统)、发电机配电系统、电源切换系统(ATS)。

依据供配电系统分级确定系统总配电侧、区域总配电侧。

2 建立大型综合体的供配电系统拓扑

大型综合体接入市政电力电源的总变配电站(供电系统),加上规划的各级分配电系统,就构成了完整的供配电系统。大型综合体的供配电系统复杂,需要设置一级或多级降压(35 kV/10 kV/0.4 kV),分设多个分变电所(包括自备电源的设置),各分变电所需要联结多个配电分区或重要设备机房。

系统性分析和管理整个供配电系统是非常重要的。通过对整个供配电系统内关键节点的把握,构建大型综合体供配电系统的拓扑,是实现系统性管理的有效方法。

建立大型综合体供配电系统拓扑的基本要素:确定供配电系统关键节点;关键节点计算负荷;关键节点配电电器基本参数;接入关键节点电气线路的相关参数

供配电系统关键节点是整个配电系统的核心和枢纽,监测基于关键节点的供配电系统拓扑,采集各个关键节点的相关电气数据,建立各种统计和分析模型,可以全面、系统性地管理整个供配电系统。

3 基于供配电系统拓扑的运行数据分析

3.1 供配电系统的基本评价

大型综合体供配电系统的基本评价是对电气负荷统计分类、配电分级的合理性评价,也是对大型综合体供配电系统稳定的基础性评价。设计阶段对电气负荷的计算是基于对基础用电设施分类和分级的统计,结合供配电技术以及配电管理需求进行供配电系统设计,并不能定性和定量地评价供配电系统实际运行的稳定性与合理性。

供配电系统关键节点运行的基本评价包括:

(1) 关键节点电气系统性能合理性评价。通过对关键节点电气运行数据的监测,评价关键节点的电气装置、电气系统的合理性和冗余度。包括电流、功率因数、三相不平衡度、谐波分析、各级变压器负载率等。

(2) 关键节点电气线路稳定性评价。通过对关键电气节点电气运行数据的监测,评价相关电气运行线路的稳定性。包括线路运行电压、线路运行电流、线路运行温度等。

3.2 运行负荷统计与分析

大型综合体的供配电系统在投入运行后,电气负荷是逐渐趋于稳定的。如果业态稳定,总体电气负荷变化随季节、月、日都趋于稳定分布。通过对供配电系统关键节点的监测,可以获得基于供配电系统关键节点的各类电气负荷分布,结合对实际运行的各项电气数据统计,建立分析模型和算法,提出供配电系统的优化方案,实现供配电系统的稳定、安全、节能运行。

(1) 关键节点最大负荷及最大负荷运行时间统计。

① 对关键节点的电气运行参数监测,统计和计算每个关键节点的最大负荷/月、最大负荷/年,以及逐时负荷/日时间轴、逐日负荷/月时间轴、逐月负荷/年时间轴。

② 最大负荷/年是供配电系统稳定运行状态下,各个关键节点一年内出现的最大负荷,是评价系统局部、整体稳定性的有效依据。

③ 最大负荷/月、最大负荷/日是大型综合体运营管理中用于负荷预测和负荷控制的重要参数。

④ 逐时负荷/日时间轴、逐日负荷/月时间轴、逐月负荷/年时间轴是实施区域分布式能源、智能电网的重要计算和分析参数。

3.3 运行监测与分析

(1) 关键节点电气设备运行监测。

① 关键节点电器设备监测。稳定运行状态下,监测中低压开关电器的运行数据、统计开关通电时间、操作次数,分析开关电器的保护整定值、选择性计算。

② 变压器运行监测。稳定运行状态下,监测和分析变压器的运行温度、负载率(运行时间),提出变压器性能评估。

③ 关键节点温/湿度监测。包括配电室环境温湿度、开关柜内和配电柜内温度、电缆和母线电气接点温度。

3.4 运行的电能碳排放换算与分析

为应对节能减排的社会发展要求,碳排放、碳中和是具体到“量”的整体指标考核。建立综合体的电能碳排放量化模型,分析具体的可实施节能策略,结合节能优化算法,获得每个综合体的量化碳中和模型。在实际运行过程中始终监测,有助于具体量化考核节能效果。

根据大型综合体供配电系统拓扑每个关键节点的电力能耗(逐时负荷/日时间轴、逐日负荷/月时间轴、逐月负荷/年时间轴),换算出逐时、逐日、逐年的二氧化碳排放量,建立大型综合体使用电力能耗的碳排放量的基础分析模型,对于量化分析和修正电力节能措施,实现节能减排有重要数据指导意义。

C=PQGWP

(1)

式中:C——建筑物运行电力能耗碳排放量;

P——建筑物运行电力能耗;

Q——电能碳排放因子;

GWP——电能全球变暖潜能值。

4 基于供配电系统拓扑的运行分析模型

供配电系统运行的基础电气数据统计是基于对系统运行性能评价和系统运行策略分析,包括负荷分析、电能质量、配电电器工况、节能策略分析、供电保障策略等。建立各种算法分析模型,随着系统运行趋于稳定,实时采集相关电气数据迭代,实现供配电系统的持续分析。

4.1 建立负荷分析模型

负荷分析模型包括最大负荷/年、最大负荷/月、逐时负荷/日时间轴、逐日负荷/月时间轴、逐月负荷/年时间轴。根据分析需要,建立以下各项负荷的分析模型分项:总电力负荷,空调季冷热源设施电力负荷,建筑设备(电梯、水泵等)电力负荷,照明电力负荷,功能性设施电力负荷。

4.2 建立运维分析模型

(1) 变压器运维分析。建筑物处于稳定运行状态下,建立基于变压器在各种负载率下运行温度、运行时间统计,结合算法评估变压器基本性能,提出具有可行性的变压器运维策略。

(2) 供配电系统电气装置性能分析。

① 采用关键节点的最大负荷/年数据,结合关键节点的开关电器操作次数、通电时间以及配电室环境温度、开关柜内、配电柜内温度,分析和评估关键节点电器设备(开关、接触器等)的电气保护性能。

② 采用关键节点电气线路的实时运行工况,统计包括长期运行电流、电压、运行时间、敷设环境温度、湿度等参数,结合电气线路温度监测,模拟计算和评估电缆、母线的冗余和电气绝缘性能变化。

(3) 电能质量及能耗分析。供配电系统关键节点设置电能质量测量装置,局部和总体的实时监测和分析电能质量状况(包括供电偏差、电压波动、谐波分析、电压闪变、三相不平衡度等),计算和分析分类的电力能耗。

4.3 建立碳排放分析模型

(1) 分类的电力能耗碳排放模型。建筑物的电气设施包括照明电器、充电设施、冷热源机电设施、风机、水泵、电梯、功能性设施等。依据大型综合体供配电系统拓扑,建立根据电气设施分类的电力能耗碳排放模型(照明电力能耗碳排放模型、冷热源电力能耗碳排放模型等),以及总电力能耗碳排放量模型。对于分析电力能耗碳排放组成,制定节能技术的运用策略有重要的指导意义。

Ci=PiQGWP

(2)

式中:Ci——建筑物报告期运行电力能耗碳排放量;

Pi——建筑物报告期运行电力能耗;

i——第i类电气设施(照明、充电设施、冷热源机电设施、风机、水泵、电梯等)。

(2) 局部和整体的电力能耗碳排放模型。依据大型综合体供配电系统拓扑,基于关键节点建立区域和整体的电力能耗碳排放分析模型,对于考核和分析碳排放的组成、制定和考核碳中和指标有重要的指导意义。

5 可视化供配电系统拓扑

结合BIM技术,建立供配电系统关键节点对应物理位置(重要的配电用房、重要的设备机房)的三维模型空间,导入相关的配电设备模型(配电柜、柴油发电机组、母线、主要电缆等)。所有配电设备模型关联实时的运行监测数据,联动显示。其中在重要的机房内、重要的设备周围设置摄像机,采集视频图像,与模型联动。

(1) 供配电系统关键节点信息可视化:环境温/湿度,配电设施信息及编号,空间视频图像。

(2) 供配电系统关键节点电气设备可视化,BIM建模导入供配电系统关键节点电气设备,并且关联相关信息:电气设备安装位置的三维空间模型,电气设备编号及系统,电气设备运行参数,电气设备视频图像,电气设备实时运行监测数据。

6 结 语

大型综合体供配电系统关键节点是整个供配电系统中重要的配电枢纽。统计和分析关键节点的运行电气负荷,可以复核整个供配电系统的设置(包括变压器负载率、开关整定、电气线路截面),评估供配电系统实际运行的合理性。结合最佳负载运行的算法,可以给出供配电系统运行和负荷分配的优化建议。对关键节点最大负荷运行时间的统计,可以全周期监测大型综合体供配电系统的运行和维护。建立基于供配电系统关键节点的碳排放模型,可以展开对大型综合体基于电力能源节能、降低碳排放的策略研究。

针对规模合适的区域,整体规划分布式发电(太阳能、冷热电三联供),可以实现区域整体节能减排、降低碳排放的目标。建立区域内每个综合体供配电系统拓扑的统计和分析,可以获得整个区域全年全时段用电负荷的分布、容量(包括负荷的类型)等数据信息。基于这些数据可以支持整个区域的分布式智能公共电网规划,确定分布式发电的装机容量,有效提高区域电网的输电能力,对实现区域整体节能和碳中和的目标有重要的价值。