王 勝

[同濟大學(xué)建筑設(shè)計研究院(集團)有限公司, 上海 200092]

0 引 言

隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展,民用建筑規(guī)模及建筑內(nèi)用電設(shè)備數(shù)量持續(xù)增長,早期建筑的配電系統(tǒng)老化,配電系統(tǒng)失效的情況發(fā)生也越來越多。對民用建筑配電系統(tǒng)的可靠性進行研究,找出配電系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié),提升其可靠性,進而提升配電系統(tǒng)整體的可靠性,具有重要意義。

1 配電系統(tǒng)可靠性的概念

配電系統(tǒng)可靠性是指供電點到用戶,包括變電站、高低壓線路及接戶線在內(nèi)的整個配電系統(tǒng)及設(shè)備按可接受標準及期望數(shù)量滿足用戶電力及電量需求能力的度量[1]。

2 配電系統(tǒng)可靠性的研究現(xiàn)狀

配電系統(tǒng)可靠性研究主要是結(jié)合配電系統(tǒng)各組成部分的要求,構(gòu)成不同環(huán)節(jié)的可靠性數(shù)學(xué)模型和計算方法,最終尋找提高電力系統(tǒng)可靠性的途徑和方法,同時研究可靠性和經(jīng)濟性的最佳搭配。

2.1 配電系統(tǒng)可靠性分析方法

許多學(xué)者對于配電系統(tǒng)可靠性的研究方法進行了分析總結(jié),主要有確定性方法和概率性方法兩大類[2]。確定性方法主要是基于“N-1準則”,考慮在N個元件(電源、變壓器、線路等)的系統(tǒng)中失去1個元件后,配電系統(tǒng)必須正常供電,其計算結(jié)果可以對系統(tǒng)的安全性做粗略的估計。概率性方法是根據(jù)對系統(tǒng)元件故障及恢復(fù)概率的統(tǒng)計,計算得到配電系統(tǒng)和各節(jié)點的運行參數(shù)變化區(qū)間和風(fēng)險指標,從而較為全面客觀地評價系統(tǒng)的可靠性。配電系統(tǒng)可靠性研究的概率性方法有解析法、模擬法、人工智能法等[3]。

解析法是根據(jù)配電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)元件狀態(tài),及其之間的邏輯關(guān)系,建立起某種可靠性數(shù)學(xué)模型(如馬爾可夫模型),經(jīng)過計算獲取可靠性評估的指標。解析法又可分網(wǎng)絡(luò)圖法、狀態(tài)空間法和故障樹法[4]。

模擬法是將元件或系統(tǒng)的壽命過程進行合理的理想化,并用數(shù)學(xué)模型來描述這一壽命過程,而后通過計算機運算程序求解得出所要求的可靠性指標(如蒙特卡洛模擬法),在計算機上用數(shù)值計算方法模擬一個實際的過程,并從大量的模擬試驗結(jié)果中統(tǒng)計出系統(tǒng)的可靠性指標。

以上兩種方法擁有不同的優(yōu)勢,一般來說,當存在的低可靠性元件數(shù)量較多,且受故障影響程度較高時,可以使用模擬法,而對于元件故障較少且總體數(shù)量不多時,解析法更加適用。也可以將解析法與模擬法結(jié)合起來,使這兩種方法分別各自發(fā)揮所長,揚長避短。

人工智能法是通過模擬生物處理的形式來獲取智能信息處理功能的,以便解決一些復(fù)雜問題,目前包括遺傳算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和模糊算法等[3]。

2.2 民用建筑配電系統(tǒng)可靠性的研究現(xiàn)狀

過去專家學(xué)者對配電系統(tǒng)進行了大量的研究,主要是針對供電企業(yè)到電網(wǎng)用戶統(tǒng)計單位(DL/T 836.1《供電系統(tǒng)供電可靠性評價規(guī)程第1部分:通用要求》中的低壓用戶統(tǒng)計單位、中壓用戶統(tǒng)計單位、高壓用戶統(tǒng)計單位)之間的配電系統(tǒng)可靠性。對于民用建筑配電系統(tǒng)來說,人們更加關(guān)注配電系統(tǒng)末端負荷點的供電可靠性,該可靠性除了受電業(yè)計量分界點前的配電系統(tǒng)可靠性影響外,還受到建筑內(nèi)部中低壓配電系統(tǒng)可靠性的影響,為此需要對民用建筑內(nèi)部配電系統(tǒng)可靠性進行分析研究。

現(xiàn)階段的研究主要是結(jié)合高層、數(shù)據(jù)中心、醫(yī)院、金融設(shè)施等供電可靠性要求較高的項目進行分析討論,取得了一定的成果。

民用建筑內(nèi)部配電系統(tǒng)相對電網(wǎng)配電系統(tǒng)來說結(jié)構(gòu)相對簡單,一般采用解析法對民用建筑配電系統(tǒng)可靠性進行分析,比如文獻[5]、文獻[6]均采用《IEEE Std 493TM—2007 IEEE Recommended Practice for the Design of Reliable Industrial and Commercial Power Systems》的可靠性計算方法及參考數(shù)據(jù)對建筑供配電系統(tǒng)的常見模型進行可靠性計算。

文獻[5]針對建立的單回路、雙回路10 kV電源進線配電系統(tǒng)模型及單回路10 kV電源進線+備用發(fā)電機(低壓母線處切換)、單回路10 kV電源進線+備用發(fā)電機(用電負荷處末端切換)配電系統(tǒng)模型進行用電負荷供電點可靠性計算對比分析,證明建筑配電系統(tǒng)的可靠性主要因素是供電電源的可靠性,在電源不改變的情況下僅將電力系統(tǒng)的一部分進行并聯(lián)冗余,使用低壓雙電源切換開關(guān)進行末端切換,基本不能提高配電系統(tǒng)可靠性[5]。

文獻[6]對一級負荷的建筑供電系統(tǒng)(兩路進線電源主結(jié)線供電方案)和一級用電負荷中有特別重要負荷的建筑供電系統(tǒng)(雙重電源加第三電源主結(jié)線供電方案)的可靠性進行計算,分析結(jié)果得出:① 供電電源是建筑供配電系統(tǒng)的可靠性的主要影響因素,提高電源可靠性或?qū)﹄娫催M行并聯(lián)冗余,將大大提高供配電系統(tǒng)的可靠性。② 使用ATS對低壓系統(tǒng)進線并聯(lián)冗余時,ATS本身的可靠性也要考慮,ATS能提高系統(tǒng)有效度的前提是ATS年平均故障時間低于該部分并聯(lián)冗余前的年平均故障時間。③ 用于母線處的ATS(>600 A)的年平均故障時間明顯比用于末端切換的ATS(<600 A)低得多。④ 只要供電電源是可靠的二路區(qū)域性獨立電源,那么其可靠性是非常高的。⑤ 配電系統(tǒng)的絕大部分年平均故障時間除了由10 kV 電源進線、低壓雙電源切換開關(guān)ATS 產(chǎn)生之外,10 kV母線及低壓母線占的比例也相對較多[6]。

文獻[7]等采用可靠度框圖建立了民用建筑供配電系統(tǒng)各典型供電形式的可靠性評估模型,計算其在建筑全壽命周期內(nèi)的可靠度分布,并對各供電形式的可靠度加以分析和驗證,得出各供電形式的系統(tǒng)可靠度由高至低分別排序:雙市電+UPS(柴油發(fā)電機)>雙市電(柴油發(fā)電機)>單市電+UPS(柴油發(fā)電機)>單市電(柴油發(fā)電機)[7],也驗證了GB 51348—2019《民用建筑電氣設(shè)計標準》新增條文“互為備用工作制的生活水泵、排污泵為一級或二級負荷時,可由配對使用的兩臺變壓器低壓側(cè)各引一路電源分別為工作泵和備用泵供電”的科學(xué)性,驗證了減少雙電源切換開關(guān)的使用并不影響其供電的可靠性。

文獻[8]根據(jù)可靠性的基本原理結(jié)合我國電力可靠性管理中心公布的電力系統(tǒng)可靠性統(tǒng)計數(shù)據(jù)對用戶端供配電系統(tǒng)進行可靠度計算分析,對來自同一電網(wǎng)的雙重電源提出了具體的界定原則(用戶的兩路供電電源可追溯至兩座220 kV 變電站,并且至用戶的供電路由及供電節(jié)點均應(yīng)相互獨立),提出采用自備發(fā)電機組可以較小的經(jīng)濟代價提供給用戶獨立于市電、可靠性更高、可滿足市電檢修時間的雙重電源,并嘗試“根據(jù)供電費用及供配電系統(tǒng)停電概率所帶來的停電損失等綜合比較”來確定二級負荷的供電方案,還提出一級、二級負荷供配電系統(tǒng)的設(shè)計方案改進意見,比如將10 kV 的不同母線段設(shè)計在由防火墻分隔的不同房間內(nèi),在消防、人身安全等重要場合下供配電系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)遵循“N-1準則”等。

2.3 ETAP在民用建筑配電系統(tǒng)可靠性研究的應(yīng)用

除了進行理論計算分析外,也有學(xué)者采用商業(yè)軟件對配電系統(tǒng)可靠性進行建模分析。配電系統(tǒng)可靠性分析軟件主要有PSS/ADEPT和ETAP。PSS/ADEPT的可靠性分析模塊能對單電源放射式和環(huán)式的配電系統(tǒng)進行可靠性分析,主要適用于中低壓配電網(wǎng),但不支持經(jīng)濟性分析[9]。ETAP可靠性模塊可完成可靠性指標及可靠性成本指標的計算,還提供IEEE標準中各類元件的故障率等數(shù)據(jù),適合輻射網(wǎng)、環(huán)網(wǎng)和復(fù)合網(wǎng)絡(luò)的可靠性評估[10]。基于ETAP軟件功能的全面性,現(xiàn)階段主要是利用ETAP軟件進行配電系統(tǒng)可靠性分析。

文獻[11]在ETAP軟件中建立了幾種建筑物雙電源供電的配電系統(tǒng)模型,分別為雙電源給4臺變壓器供電、雙電源加柴發(fā)給4 臺變壓器供電、雙電源給14臺變壓器供電、雙電源加柴發(fā)給14 臺變壓器供電,針對各模型采用單變量的分析比較方法分析得出[11]:① 各元器件主動故障率對配電系統(tǒng)可靠性產(chǎn)生了極大的影響;② 設(shè)置柴發(fā)的配電系統(tǒng)中,當柴發(fā)完全投入的配電系統(tǒng)可靠性的各項指標低于未接入柴發(fā)的配電系統(tǒng);③ 雙路電源供電系統(tǒng)中變壓器的設(shè)置臺數(shù)增加會導(dǎo)致配電系統(tǒng)的供電可靠性指標降低。

文獻[12]采用ETAP軟件分析了大型醫(yī)院典型配電系統(tǒng)可靠性,分析表明:① 幾百米配電線路對個別節(jié)點可靠性估計計算結(jié)果幾乎沒有影響;② 重要負荷或消防負荷母線的平均故障率比一般負荷母線平均故障率低;③ 發(fā)電機組作為應(yīng)急電源能夠提高重要負荷和消防負荷母線供電的可靠性;④ 配電節(jié)點的增加會提高平均故障率。

2.4 民用建筑配電系統(tǒng)可靠性研究的展望

現(xiàn)階段針對配電系統(tǒng)中的供電電源設(shè)置、配電系統(tǒng)形式、配電設(shè)備設(shè)置等對配電系統(tǒng)可靠性的影響進行了研究分析,取得了一定成果,但也存在一些不足:① 民用建筑配電系統(tǒng)可靠性數(shù)據(jù)以及信息收集方面自動化程度相對較低,元件及系統(tǒng)的可靠性數(shù)據(jù)不夠完善,有效的參考數(shù)據(jù)較少且較難獲取,一些設(shè)備廠家針對自身產(chǎn)品的統(tǒng)計數(shù)據(jù)及大型的物業(yè)管理公司匯總的運行數(shù)據(jù)一般也屬于各公司機密不對外公開,目前的研究一般都是利用《IEEE工商業(yè)供電系統(tǒng)可靠性設(shè)計實施導(dǎo)則》或電網(wǎng)配電系統(tǒng)積累的可靠性數(shù)據(jù)進行分析,不能完全體現(xiàn)民用建筑配電系統(tǒng)的實際情況。② 目前的研究針對配電系統(tǒng)的環(huán)節(jié)進行了一定的簡化,終端負荷都是進行了歸并匯總,如統(tǒng)一分為照明負荷、空調(diào)負荷、消防負荷等,實際系統(tǒng)使用者及設(shè)備的供電可靠性還需要進一步深入探討。③ 在配電系統(tǒng)可靠性研究過程中,通常采用單變量的分析方法,實際配電系統(tǒng)中部分元器件之間會存在關(guān)聯(lián),針對元器件關(guān)聯(lián)性對配電系統(tǒng)可靠性的影響研究比較缺乏。④ 隨著“雙碳”目標的不斷推進,民用建筑配電系統(tǒng)中加入了越來越多的光伏發(fā)電等分布式電源,使得潮流不再單向由變電所母線流向負荷,針對分布式電源對配電系統(tǒng)可靠性的研究工作也需要加強。以上存在的問題都是后續(xù)民用建筑配電系統(tǒng)可靠性研究值得關(guān)注的方向。

3 民用建筑配電系統(tǒng)可靠性的影響因素及對應(yīng)措施

結(jié)合專家學(xué)者的分析研究、國家規(guī)范標準要求以及項目實踐,民用建筑配電系統(tǒng)可靠性影響因素基本可分為技術(shù)層面、運維層面、外界影響。運維層面主要是指崗位人員所具有的工作能力會對供電可靠性產(chǎn)生影響,為保證供電的可靠性需要加強崗位人員的培訓(xùn)。外界影響是指配電系統(tǒng)所處的周邊環(huán)境、自然災(zāi)害等可能影響到民用建筑配電系統(tǒng)供電可靠性,應(yīng)結(jié)合實際項目情況進行針對性預(yù)防處理,如加強設(shè)備、管線的抗震設(shè)計等。技術(shù)層面的影響因素有供電電源的可靠性、配電系統(tǒng)接線形式的可靠性、配電設(shè)備的可靠性、機房管井路由設(shè)置的可靠性等,下面對這類影響因素進行分析,并提出對應(yīng)提高配電系統(tǒng)可靠性的措施。

3.1 供電電源的可靠性

根據(jù)文獻[5-6]等的研究結(jié)果及實際的項目情況可知,供電電源的可靠性對配電系統(tǒng)可靠性影響最大,加強供電電源的設(shè)計是提高民用建筑配電系統(tǒng)可靠性的重中之重。

民用建筑供電電源應(yīng)滿足GB 55024—2022《建筑電氣與智能化通用規(guī)范》及GB 50052—2009《供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》的要求:“特級用電負荷應(yīng)由3個電源供電,3個電源應(yīng)由滿足一級負荷要求的2個電源和1個應(yīng)急電源組成,應(yīng)急電源的容量應(yīng)滿足同時工作最大特級用電負荷的供電要求,應(yīng)急電源的切換時間,應(yīng)滿足特級用電負荷允許最短中斷供電時間的要求;應(yīng)急電源的供電時間,應(yīng)滿足特級用電負荷最長持續(xù)運行時間的要求。一級用電負荷應(yīng)由兩個電源供電,當一個電源發(fā)生故障時,另一個電源不應(yīng)同時受到損壞;每個電源的容量應(yīng)滿足全部一級、特級用電負荷的供電要求[13]。二級負荷的供電系統(tǒng),宜由兩回線路供電。在負荷較小或地區(qū)供電條件困難時,二級負荷可由一回路6 kV 及以上專用的架空線路供電。兩回線路與雙重電源略有不同,兩者都要求線路有兩個獨立部分,而后者還強調(diào)電源的相對獨立。三級負荷為不重要的一般性負荷,對電源無特殊要求,對供電可靠性要求不高,只需一路電源供電[14]。”

在實際的項目設(shè)計過程中需要根據(jù)負荷等級合理確定其供電電源的數(shù)量及要求。配電系統(tǒng)可以通過連接多個不同的電源來減少因單一電源故障而導(dǎo)致的停電,可以使用多個不同的電網(wǎng)供電、備用發(fā)電機或太陽能電池等,以提高配電系統(tǒng)的可靠性。

3.2 配電系統(tǒng)接線形式的可靠性

系統(tǒng)的接線形式也是可靠性的影響因素之一。配電系統(tǒng)的接線形式與電源形式和數(shù)量有關(guān)。

配電系統(tǒng)的物理接線形式可分為高壓接線和低壓接線。常見的民用建筑配電系統(tǒng)高壓主接線主要分為單母線和分段單母線等,通常根據(jù)地方供電公司的要求進行。高壓配電系統(tǒng)宜采用放射式供電,并根據(jù)變壓器的容量、分布及地理環(huán)境、亦可采用樹干式或環(huán)式供電。對于供電可靠性,通常放射式供電的可靠性優(yōu)于樹干式。單母線分段或不分段等形式,需根據(jù)項目實際情況分析其供電可靠性的優(yōu)劣。民用建筑低壓配電系統(tǒng)接線形式可分為放射式、樹干式和混合式。通常放射式供電的可靠性優(yōu)于后兩種,但投資相對較高。項目設(shè)計與實施需在供電可靠性與投資經(jīng)濟性上進行平衡。

配電系統(tǒng)級數(shù)的增加會降低配電系統(tǒng)的可靠性,民用建筑配電系統(tǒng)應(yīng)簡單可靠,同一電壓等級的配電級數(shù)高壓不宜多于兩級,低壓不宜多于三級[14]。

3.3 配電設(shè)備的可靠性

配電設(shè)備包括變壓器、母線、斷路器、電纜、繼保設(shè)備等,配電設(shè)備自身的可靠性也直接影響著配電系統(tǒng)的可靠性,為提高配電系統(tǒng)可靠性應(yīng)選用高質(zhì)量元件。此外,應(yīng)結(jié)合負載率要求合理選擇變壓器,系統(tǒng)容量的冗余能夠提升系統(tǒng)的可靠性;斷路器越級跳閘會擴大停電面積,選擇斷路器時應(yīng)按照保護選擇性原則進行設(shè)備選型;配電線纜的載流量也需要根據(jù)線纜的敷設(shè)情況進行載流量校正,避免對系統(tǒng)可靠性造成影響。

3.4 機房管井路由設(shè)置的可靠性

機房、管井的位置選擇及線路敷設(shè)也是配電系統(tǒng)可靠性中需要關(guān)注的問題。需要合理選擇機房、管井的位置,尤其是變電所的位置,應(yīng)積極吸取鄭州暴雨事件經(jīng)驗,變電所應(yīng)盡量設(shè)置于地上,避免水患,設(shè)計過程中還需要考慮變電所門窗的設(shè)計,需要避免小動物、雨雪等通過各種渠道進入;機房、管井不應(yīng)設(shè)在有水并可能漏水場所的正下方,與其毗鄰時相鄰隔墻應(yīng)做好防水處理;同時不應(yīng)貼鄰熱煙道、熱力管道及其他散熱量大的場所[13]。

用于敷設(shè)電纜的橋架不宜敷設(shè)在氣體管道和熱力管道的上方及液體管道的下方,不然應(yīng)采取防水、隔熱措施[15];同時應(yīng)合理選擇電纜橋架規(guī)格,滿足橋架填充率要求,穿越樓板隔墻時需要做好防火封堵。

3.5 其他措施及注意事項

為提高民用建筑配電系統(tǒng)的自動化管理水平,可采用變電所電力監(jiān)控系統(tǒng)、電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng),消防電源監(jiān)控系統(tǒng)等對配電系統(tǒng)進行監(jiān)控管理,及時發(fā)現(xiàn)配電系統(tǒng)運行過程中的問題并進行處理,避免對供電可靠性產(chǎn)生影響。針對民用建筑配電系統(tǒng)的核心機房變電所,可考慮建設(shè)包含變電所圖像監(jiān)控系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、輔控系統(tǒng)的智慧電站,提高變電所環(huán)節(jié)供電的可靠性。

由于經(jīng)濟性和可靠性往往相互制約,在實際設(shè)計中需要注意可靠性與經(jīng)濟性指標的平衡問題,不能為了保證配電系統(tǒng)絕對可靠而一味地加大投入。

4 結(jié) 語

本文主要介紹了配電系統(tǒng)可靠性的分析方法及研究現(xiàn)狀,總結(jié)了民用建筑配電系統(tǒng)可靠性的影響因素及對應(yīng)措施,民用建筑配電系統(tǒng)可靠性是設(shè)計及運維管理中不容忽視的內(nèi)容,應(yīng)積極采取措施提高其可靠性指標,并需要注意可靠性與經(jīng)濟性指標的平衡。