高层建筑电气设计中低压供配电系统可靠性分析

王德俊

（诚合保险经纪有限公司，北京 100039）

低压供配电网的运行受多种因素影响，经常会出现低压电气故障。因此，相关工作人员必须充分意识到低压电气故障诊断与维修的重要性与必要性，并及时采取科学有效的措施解决系统在供配电过程中的常见故障。随着电力经济的发展，人们对建筑用电质量要求的不断提高，高层建筑电气系统的建设规模也呈逐步增加的趋势。进行高层建筑物的电气设计时，应结合实例分析电气设计中不同设备发生失效行为的具体原因，并以此为依据制定科学合理的维修对策与解决、处理方案[1]。

该文在深入研究中发现，低压供配电系统的设计与施工会影响整栋大楼的正常运行。该系统的安全可靠与否，不仅关系到建筑物运行的安全，还关系到建筑内居住人员的人身安全。由于高层建筑物具有数量多、占地面积大等特点，因此，高层建筑的电气设计工作综合难度较大、任务量较集中。与旧式建筑相比，高层建筑的空间跨度更大，结构也更复杂，其低压配电系统的运行与维护难度更高。尤其是在纵向上，各功能区域需要安装的电气设备类型和数量存在差异[2]。为了确保高层建筑中低压配电系统的安全可靠运行，必须对高层低压供配电系统进行科学有效的规划设计与施工建设，并做好日常维护管理工作。对特定场所和特定设备进行设计时，必须遵循科学性、适用性和经济性等基本原则，才能确保低压供配电系统的安全和有效[3]。为全面落实并推进该项工作，提高配电系统运行的可靠性，下文将对此进行研究。

1 低压供配电系统可靠性判据

在评价和提高级联系统可靠性过程中，阻抗匹配是一个非常重要的基础工作。要完成中、低压直流配电网的可靠性分析，必须先建立系统中重要设备的小干扰数学模型，然后再建立相应的数学模型。低压供配电系统小信号等效电路如图1 所示。

图1 低压供配电系统小信号等效电路

图1 中，将柔性变换器定义为系统A，直流变压器定义为系统B。Iline代表供配电传输线路上的电流。在此基础上，将多个电压源串联起来以对其进行简化。对低压供配电网进行可靠度分析时，输电线路上的电流如公式（1）所示。

式中：IeqB_in代表柔性变压器的流入电流；ZB_in代表低压供配电系统的子系统输入阻抗；ZA_out代表系统前级子系统输出阻抗；UeqA_out代表柔性变换器的等效电压源[4]。

在公式（1）中，如果柔性变换器与直流变压器均能够稳定运行且周围环境因素不会对其运行性能产生影响，则在系统传输线路上的电流Iline的可靠性与公式（1）中1/[1+ZA_out+Zline]/ZB_in相关，可将其看作一个增益为1、负反馈增益为（ZA_out+Zline）/ZB_in的闭环传递函数[5]。为保证低压供配电系统稳定可靠运行，需要确保其前、后两级的阻抗之比满足奈奎斯特可靠度准则，从而实现其阻抗匹配。定义图1 中a、b 两侧的阻抗的比值为Tmm，如公式（2）所示。

从阻抗匹配的角度出发，分析前级与后级的阻抗比对系统可靠性的影响。在此基础上，根据各分系统的阻抗公式，得出各分系统的数学模型[6]。然后基于伯德图和奈奎斯特曲线，利用MATLAB 软件编程，研究各控制环节中电路参数和调整器参数的改变、对子系统阻抗特征和可靠性的影响。

2 子系统可靠运行仿真

该文对子系统可靠运行进行仿真，并通过试验来验证柔性变流器与直流变压器能否在中压直流配电网中稳定运行，进而为其稳定性研究提供理论依据[7]。采用MATLAB/Simulink 软件对中、低压直流系统进行仿真和分析。其基本原理是根据电压和电流的波形来判断的。仿真参数设置见表1。结果表明，在表1 所给出的模拟参数下，该子系统能够稳定工作，并且整个中、低压直流配电网都能平稳运行。

表1 仿真参数设置表

将双闭环控制柔性变流器的数学模型与其相结合，得到如图2 所示的电压波形图。

图2 直流侧输出电压波形图

在仿真的0.2s 内，直流侧输出的电压稳定控制在4000V 上、下，交流侧的电压和电流同相位。该现象说明低压供配电系统中的变换器能够稳定可靠运行。并从Boost输出电压在仿真后稳定在1000V 的结果可知，电压供配电系统中的直流变压器也可以稳定可靠运行。

3 可靠性影响因素分析

结合上述获得的子系统可靠运行仿真结果，分析高层建筑电气设计中的低压供配电系统可靠性影响因素。根据可靠性判据可知，系统的可靠性条件如下：系统中的每个子系统都能独立稳定运行，并需要Tmm能够充分满足奎斯特稳定判据[8]。根据该判据，通过Tmm的奈奎斯特曲线对低压供配电系统的可靠性进行分析。当低压供配电系统的各项参数均没有发生变化时，Tmm的奈奎斯特曲线如图3所示。

图3 参数不改变时Tmm 的奈奎斯特曲线图

结合图3 可以看出，Tmm的奈奎斯特曲线远离（-1，j0）点，说明低压供配电系统处于可靠运行状态，其结果与上述仿真结果一致。柔性变换器的电压外环控制参数降低将引起其低频峰值阻抗产生较大幅度的变化，而电压外环控制参数降低将引起其中压直流端输入阻抗产生较大幅度的变化，从而使其在低频峰值处的变化幅度发生变化。根据级联系统的可靠性准则，上述因素会造成中压直流配电网的阻抗特征发生重叠，使Tmm的奈奎斯特曲线被（1，j0）包围，并使中压直流配电网不再具备可靠性。低压供配电系统运行不可靠并出现低频振荡是由多种因素共同造成的。发生低压直流母线电压振荡时，其电压不会稳定控制在4000V 左右，这将会严重威胁系统整体的运行可靠性。

4 低压供配电系统可靠性设计

4.1 高层建筑电气设计选型

为确保建筑中的低压供配电系统满足高效运转的需求，进行研究前，应明确建筑电气系统主要由2 种类型构成，具体内容见表2。根据建筑规模与实际情况，选择适配的电气设计类型。

表2 建筑电气设计类型

4.2 系统主接线部署

高层建筑的供配电系统会受终端控制和负荷调节等很多因素的影响，因此其在运行中具有一定特殊性。电气系统的主接线是高压端与低压端的连接，将直接影响系统的整体运行模式和电气设备的配置。由于系统主接线与用户用电端直接相连，而且大部分电能都是通过电缆进行传输的，因此在实际使用过程中，系统主接线很容易受外界电磁环境的干扰。或者由于内部电气部件出现故障，系统供电的综合可靠性下降，甚至无法正常工作，因此在设计中需要通过合理的技术手段，根据系统的容量、负荷属性合理设计接线，以对系统进行短路保护、过负荷保护等，如图4 所示。

图4 系统主接线设计

在此基础上，该文对系统主接线中各支路间的相互影响进行了分析，并根据规范要求进行了支路负荷的相关计算，如当支路断面低于最小安全电流时，可以在母线上增加并联电阻，以降低短路电流；而当支路断面高于最小安全电流时，可以通过加大支路断面间隔的方式保证回路的压降。与此同时，要尽可能选择高阻值的铜质导线作为系统主接线辅助导体，从而让所设计的系统主接线电路能够满足所有要求。

完成设计后，为确保相关工作的实施符合或达到标准，应结合多种技术手段与方法进行主接线设计后系统整体运行状态的评估。在该过程中，可以根据系统主接线的部署方式建立对应的数学模型。同时，采用PSCAD/EMTDC模拟软件对构建的数学模型进行模拟。考虑工程实际设计中存在的不确定因素较多，而且这些因素会随着时间的推移而不断发生变化，因此在建立数学模型前，需要对系统的运行环境进行细致的调查研究，尤其要充分考虑多种不确定因素对系统的综合影响。充分利用现有成果数据，并尽量多地收集一些历史资料或现场的测量数据，掌握系统在运行中存在的隐患与不稳定因素，以保证能够及时采取措施对系统主接线进行处理与优化设计。

在低压供配电系统中，电源、线缆的选用是一个重要的问题。进行线路铺设前，要根据具体情况对电源进行合理规划，同时还要充分考虑负载分布的特点和各种自然条件的影响，尽可能选择经济可靠、运行方便且容易维修的设备。在施工过程中，应注意到地形、地质等因素对电力供应的不利影响，尽量避免障碍，减少施工难度。在此基础上，应根据区域的地理、气候等因素，寻找最适合该区域的生产、生活方式。同时，要对建筑物内的照明、空调、消防设施、防雷和接地等情况有详细的了解，才能更好地进行下一步的工作。选择和铺设线路时，必须保证线路具有良好的保温性能，安装和使用时必须遵守有关技术规范和标准。在布线过程中，要确保所用导线可以顺利穿越到架空地线上，避免操作不当或受外力影响发生安全事故。

5 结语

低压配电网是一种新的电力分配模式，在高层建筑中主要包括室内、室外2 个部分。进行低压电气的安装时，应结合实际选择合适的设计方案和施工方法。建立低压供配电系统的目的是要对电力传输与分配过程中所需要的电压、电流和功率进行有效控制，确保电能可以满足正常的生产、生活需要。但在实际设计中，受多种因素的制约，目前国内低压供配电网仍存在很多问题。为此，必须加强对供配电系统的可靠性分析，并以增强系统的故障探测能力为突破口，采用科学的手段，增强其安全性和稳定度。为落实该方面的研究，该文以某高层建筑为切入点，对电气设计中的供配电系统的可靠性进行了分析。然后从高层建筑电气设计选型与系统主接线部署2 个方面入手，对提高系统可靠性的设计进行了深入研究。在后续工作中，还将从电气设计中的变压器、供电线路设计等着手，加强系统的设计与规划，以降低系统运行中的故障发生概率。