民用建筑配電系統可靠性概述

王 勝

[同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司, 上海 200092]

0 引 言

隨著經濟社會的發展,民用建筑規模及建筑內用電設備數量持續增長,早期建筑的配電系統老化,配電系統失效的情況發生也越來越多。對民用建筑配電系統的可靠性進行研究,找出配電系統中的薄弱環節,提升其可靠性,進而提升配電系統整體的可靠性,具有重要意義。

1 配電系統可靠性的概念

配電系統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的整個配電系統及設備按可接受標準及期望數量滿足用戶電力及電量需求能力的度量[1]。

2 配電系統可靠性的研究現狀

配電系統可靠性研究主要是結合配電系統各組成部分的要求,構成不同環節的可靠性數學模型和計算方法,最終尋找提高電力系統可靠性的途徑和方法,同時研究可靠性和經濟性的最佳搭配。

2.1 配電系統可靠性分析方法

許多學者對于配電系統可靠性的研究方法進行了分析總結,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)的系統中失去1個元件后,配電系統必須正常供電,其計算結果可以對系統的安全性做粗略的估計。概率性方法是根據對系統元件故障及恢復概率的統計,計算得到配電系統和各節點的運行參數變化區間和風險指標,從而較為全面客觀地評價系統的可靠性。配電系統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]。

解析法是根據配電系統的結構、系統元件狀態,及其之間的邏輯關系,建立起某種可靠性數學模型(如馬爾可夫模型),經過計算獲取可靠性評估的指標。解析法又可分網絡圖法、狀態空間法和故障樹法[4]。

模擬法是將元件或系統的壽命過程進行合理的理想化,并用數學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),在計算機上用數值計算方法模擬一個實際的過程,并從大量的模擬試驗結果中統計出系統的可靠性指標。

以上兩種方法擁有不同的優勢,一般來說,當存在的低可靠性元件數量較多,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量不多時,解析法更加適用。也可以將解析法與模擬法結合起來,使這兩種方法分別各自發揮所長,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,以便解決一些復雜問題,目前包括遺傳算法、人工神經網絡算法和模糊算法等[3]。

2.2 民用建筑配電系統可靠性的研究現狀

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

現階段的研究主要是結合高層、數據中心、醫院、金融設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。

民用建筑內部配電系統相對電網配電系統來說結構相對簡單,一般采用解析法對民用建筑配電系統可靠性進行分析,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據對建筑供配電系統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電源進線配電系統模型及單回路10 kV電源進線+備用發電機(低壓母線處切換)、單回路10 kV電源進線+備用發電機(用電負荷處末端切換)配電系統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的一部分進行并聯冗余,使用低壓雙電源切換開關進行末端切換,基本不能提高配電系統可靠性[5]。

文獻[6]對一級負荷的建筑供電系統(兩路進線電源主結線供電方案)和一級用電負荷中有特別重要負荷的建筑供電系統(雙重電源加第三電源主結線供電方案)的可靠性進行計算,分析結果得出:① 供電電源是建筑供配電系統的可靠性的主要影響因素,提高電源可靠性或對電源進行并聯冗余,將大大提高供配電系統的可靠性。② 使用ATS對低壓系統進線并聯冗余時,ATS本身的可靠性也要考慮,ATS能提高系統有效度的前提是ATS年平均故障時間低于該部分并聯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域性獨立電源,那么其可靠性是非常高的。⑤ 配電系統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ATS 產生之外,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可靠度由高至低分別排序:雙市電+UPS(柴油發電機)>雙市電(柴油發電機)>單市電+UPS(柴油發電機)>單市電(柴油發電機)[7],也驗證了GB 51348—2019《民用建筑電氣設計標準》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各引一路電源分別為工作泵和備用泵供電”的科學性,驗證了減少雙電源切換開關的使用并不影響其供電的可靠性。

文獻[8]根據可靠性的基本原理結合我國電力可靠性管理中心公布的電力系統可靠性統計數據對用戶端供配電系統進行可靠度計算分析,對來自同一電網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點均應相互獨立),提出采用自備發電機組可以較小的經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“根據供電費用及供配電系統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的設計方案改進意見,比如將10 kV 的不同母線段設計在由防火墻分隔的不同房間內,在消防、人身安全等重要場合下供配電系統的設計應遵循“N-1準則”等。

2.3 ETAP在民用建筑配電系統可靠性研究的應用

除了進行理論計算分析外,也有學者采用商業軟件對配電系統可靠性進行建模分析。配電系統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式的配電系統進行可靠性分析,主要適用于中低壓配電網,但不支持經濟性分析[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據,適合輻射網、環網和復合網絡的可靠性評估[10]。基于ETAP軟件功能的全面性,現階段主要是利用ETAP軟件進行配電系統可靠性分析。

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模型,分別為雙電源給4臺變壓器供電、雙電源加柴發給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可靠性產生了極大的影響;② 設置柴發的配電系統中,當柴發完全投入的配電系統可靠性的各項指標低于未接入柴發的配電系統;③ 雙路電源供電系統中變壓器的設置臺數增加會導致配電系統的供電可靠性指標降低。

文獻[12]采用ETAP軟件分析了大型醫院典型配電系統可靠性,分析表明:① 幾百米配電線路對個別節點可靠性估計計算結果幾乎沒有影響;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 發電機組作為應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 配電節點的增加會提高平均故障率。

2.4 民用建筑配電系統可靠性研究的展望

現階段針對配電系統中的供電電源設置、配電系統形式、配電設備設置等對配電系統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 民用建筑配電系統可靠性數據以及信息收集方面自動化程度相對較低,元件及系統的可靠性數據不夠完善,有效的參考數據較少且較難獲取,一些設備廠家針對自身產品的統計數據及大型的物業管理公司匯總的運行數據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工商業供電系統可靠性設計實施導則》或電網配電系統積累的可靠性數據進行分析,不能完全體現民用建筑配電系統的實際情況。② 目前的研究針對配電系統的環節進行了一定的簡化,終端負荷都是進行了歸并匯總,如統一分為照明負荷、空調負荷、消防負荷等,實際系統使用者及設備的供電可靠性還需要進一步深入探討。③ 在配電系統可靠性研究過程中,通常采用單變量的分析方法,實際配電系統中部分元器件之間會存在關聯,針對元器件關聯性對配電系統可靠性的影響研究比較缺乏。④ 隨著“雙碳”目標的不斷推進,民用建筑配電系統中加入了越來越多的光伏發電等分布式電源,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可靠性的研究工作也需要加強。以上存在的問題都是后續民用建筑配電系統可靠性研究值得關注的方向。

3 民用建筑配電系統可靠性的影響因素及對應措施

結合專家學者的分析研究、國家規范標準要求以及項目實踐,民用建筑配電系統可靠性影響因素基本可分為技術層面、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生影響,為保證供電的可靠性需要加強崗位人員的培訓。外界影響是指配電系統所處的周邊環境、自然災害等可能影響到民用建筑配電系統供電可靠性,應結合實際項目情況進行針對性預防處理,如加強設備、管線的抗震設計等。技術層面的影響因素有供電電源的可靠性、配電系統接線形式的可靠性、配電設備的可靠性、機房管井路由設置的可靠性等,下面對這類影響因素進行分析,并提出對應提高配電系統可靠性的措施。

3.1 供電電源的可靠性

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

民用建筑供電電源應滿足GB 55024—2022《建筑電氣與智能化通用規范》及GB 50052—2009《供配電系統設計規范》的要求:“特級用電負荷應由3個電源供電,3個電源應由滿足一級負荷要求的2個電源和1個應急電源組成,應急電源的容量應滿足同時工作最大特級用電負荷的供電要求,應急電源的切換時間,應滿足特級用電負荷允許最短中斷供電時間的要求;應急電源的供電時間,應滿足特級用電負荷最長持續運行時間的要求。一級用電負荷應由兩個電源供電,當一個電源發生故障時,另一個電源不應同時受到損壞;每個電源的容量應滿足全部一級、特級用電負荷的供電要求[13]。二級負荷的供電系統,宜由兩回線路供電。在負荷較小或地區供電條件困難時,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]。”

在實際的項目設計過程中需要根據負荷等級合理確定其供電電源的數量及要求。配電系統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致的停電,可以使用多個不同的電網供電、備用發電機或太陽能電池等,以提高配電系統的可靠性。

3.2 配電系統接線形式的可靠性

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

配電系統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高壓主接線主要分為單母線和分段單母線等,通常根據地方供電公司的要求進行。高壓配電系統宜采用放射式供電,并根據變壓器的容量、分布及地理環境、亦可采用樹干式或環式供電。對于供電可靠性,通常放射式供電的可靠性優于樹干式。單母線分段或不分段等形式,需根據項目實際情況分析其供電可靠性的優劣。民用建筑低壓配電系統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于后兩種,但投資相對較高。項目設計與實施需在供電可靠性與投資經濟性上進行平衡。

配電系統級數的增加會降低配電系統的可靠性,民用建筑配電系統應簡單可靠,同一電壓等級的配電級數高壓不宜多于兩級,低壓不宜多于三級[14]。

3.3 配電設備的可靠性

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

3.4 機房管井路由設置的可靠性

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

用于敷設電纜的橋架不宜敷設在氣體管道和熱力管道的上方及液體管道的下方,不然應采取防水、隔熱措施[15];同時應合理選擇電纜橋架規格,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的自動化管理水平,可采用變電所電力監控系統、電氣火災監控系統,消防電源監控系統等對配電系統進行監控管理,及時發現配電系統運行過程中的問題并進行處理,避免對供電可靠性產生影響。針對民用建筑配電系統的核心機房變電所,可考慮建設包含變電所圖像監控系統、環境監測系統、輔控系統的智慧電站,提高變電所環節供電的可靠性。

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

4 結 語

本文主要介紹了配電系統可靠性的分析方法及研究現狀,總結了民用建筑配電系統可靠性的影響因素及對應措施,民用建筑配電系統可靠性是設計及運維管理中不容忽視的內容,應積極采取措施提高其可靠性指標,并需要注意可靠性與經濟性指標的平衡。