大型赛会开闭幕式电力保障系统设计探讨

胡 峻

(中信建筑设计研究总院有限公司，武汉 430014)

0 引言

随着我国世界影响力的日益提升，各地举办国际性大型赛会等重要活动越来越频繁，这些大型赛会通常都会以一个气势恢宏、精彩纷呈的开闭幕式来展示主办方形象，其供电可靠性直接关系到政治或社会影响，各级相关部门重视程度很高。而随着现代科技的发展，声、光、电等高科技数字技术在开闭幕式中的应用越来越多，对其供电可靠性的要求也越来越高。

1 开闭幕式负荷需求分析

大型赛会开闭幕式用电通常包括火炬塔点火系统、灯光、音响、舞美、威亚、通信、控制系统等，根据对近年来我国举行的一些重大赛会开闭幕式用电负荷统计(参见表1)，开闭幕式用电负荷容量较大，多在5 000kW以上，另外还具有用电点分散、负荷特性多样的特点。

JGJ 354-2014《体育建筑电气设计规范》第3.4.1条明确指出，“综合运动会主体育场不应将开幕式、闭幕式或极少使用的大容量临时负荷纳入永久供电系统。”因此体育场馆一般均需要为开闭幕式用电配置临时电源。

参考JGJ16-2008《民用建筑电气设计规范》中供配电系统负荷等级划分的原则，大型赛会开闭幕式一般有国家领导人出席，其用电属于特别重要场所不允许中断供电的负荷，属于一级负荷中特别重要的负荷。

重大体育赛会开闭幕式用电负荷统计表 表1

2 开闭幕式临时用电典型供电方案及可靠性分析

因开闭幕式用电均属于临时负荷，国内尚无相关的设计规范，大型赛会开闭幕式供电系统方案以确保用电可靠性为主，通常是由第三方保电团队来设计实施，采用柴油发电机组、箱式变电站、配电箱柜、UPS、临时电缆等组成临时供电系统。根据笔者对近些年以来在我国举行的大型赛会开闭幕式供电系统的调研，目前主要有以下几种典型的供电方案。

2.1 市电-发电机混合供电方式

在市电供电条件较好的情况下，可采用市电和柴油发电机组混合供电的方式，图1为一种典型的市电与发电机组混合供电的方案。

图1 柴油发电机与市电混合供电方式

该方案中，市电为开闭幕式用电引接两路或三路独立的10kV专线供电，低压侧每两台箱式变压器与若干台发电机组组成一个供电单元，发电机组与市电均为开闭幕式负荷供电。正常运行时市电和发电机各带一半负荷，两路市电变压器主进线开关Q1与Q2、母联开关Q3、发电机组进线开关Q4采用PLC编程实现闭锁，逻辑关系如表2所示。

发电机组与2路市电供电逻辑关系表(0—分闸，1—合闸) 表2

该方案中，成组的两台箱式变压器中每台变压器的负荷率均≤50%，一路电源失电或一台箱变故障时，另一台箱变应能承担全部负荷的容量。发电机组采用多台模块化机组并机运行，其容量至少按照N+1模式进行配置，开闭幕式期间所有发电机组同时投入并机运行，任意一台发电机故障时自动退出运行，剩余发电机组仍能承担所有负荷容量。

2.2 柴油发电机主供、市电备用方式

出于对市电供电条件的限制或对市电电源不可控性的考量，很多时候大型赛会开闭幕式会采用柴油发电机组主供、市电备用的方案，图2是一种典型的以柴油发电机组主供、市电备供的方案。

图2 柴油发电机主供、市电备用供电方式

该方案中，由柴油发电机组提供主供电源，市电中压采用一路或二路10kV电源供电，通过箱式低压馈出回路提供备用电源，与柴油发电机组电源组成双电源互投后馈线给负载。为开闭幕式提供发电机组的容量按照N+1或2N模式进行配置，任意一台发电机组故障不影响系统正常运行，若发电机组故障，则通过双电源转换开关切换至市电侧供电，因市电主要作为备用，箱式变压器的容量可按照所承担负荷的总容量进行配置。

2.3 柴油发电机组独立供电方式

在市电条件不允许的条件下，亦可采用柴油发电机组对开闭幕式用电独立供电的模式，如图3所示。

图3 柴油发电机组独立供电方式

该方案中，系统由4台柴油发电机组构成双母线分段系统，Ⅰ段母线及Ⅱ段母线系统均为两台柴油发电机组成，正常工作时，两套母线系统独立运行，通过双电源切换柜ATS互为备用。该方案中，发电机组的容量一般按双(N+1)或双2N冗余进行配置，组成单母线分段供电系统，成组的发电机组同时运行，互为备用，每组负载率低于50%。

2.4 发电机远程供电方式

近年来，由于大型赛会安保要求不断加强，柴油发电机组需要大量的燃油维持运行，出于安全考虑，一些重要赛会开闭幕式中不允许在开闭幕式场地周围设置燃油设施，因此出现了一些远程发电机组供电的方式。此方案一般在距离开幕式场地约2～3km范围的场地集中设置发电机组，采用0.4kV模块化柴油发电机组并机发电，通过0.4/10kV升压变压器升压至10kV后再输送到赛场内10kV开关站，经10/0.4kV变压器降压后再对开闭幕式负荷供电，同时在10kV开关站设置10kV市电作为备供电源，如图4所示。

本方案中，从系统本身来说，采用10kV柴油发电机组更合理，可以减少升压环节，但因第三方保电公司购置的柴油发电机组通常均为0.4kV机组，因此需要采用先升压后降压的方式，而不是直接采用高压柴油发电机组。该方案中，柴油发电机组、升压变的配置均按照2N冗余配置，避免一路电源失效后影响电源侧的供电，10/0.4kV箱式变压器的容量也应按照2N配置，一路电源失电或一台变压器故障时，另一台变压器应能承担所有负荷容量。

图4 柴油发电机组远程供电方式

2.5 几种开闭幕式典型供电方案的优缺点分析

影响大型赛会开闭幕式供电方案的因数有很多，如现场供电条件、赛事执委会、导演团队对供电可靠性的技术要求、上级安保及消防要求、当地供电部门要求等，几种常用供电方式的适用条件及优缺点分析参见表3。

几种开闭幕式典型供电方式分析表 表3

上述几种供电方式均对应有一些大型赛会实际应用案例，不能简单地判断哪一种供电方案最优，大型赛会开闭幕式灯光负荷中的多媒体投影灯、电影机、追光灯、PIGI灯一旦断电后再恢复供电，均需要一定的时间才能恢复工作。虽然在系统设计时，考虑了最不利情况下的电源转换方案，但是实际在演出时，必须确保这类负荷电源不间断，尽可能避免出现备用电源的切换，因此供电方案中电源的冗余度、电源转换的可靠性及转换时间、电源的抗冲击能力都需要设计师重点考虑，同时还要根据电源方案和负载特性对末端负载采用不同的配电方式。

3 开闭幕式临时用电低压配电系统探讨

大型赛会开闭幕式用电设备众多，用电负荷性质不一，除了各种灯光类负载外，还有地面舞台机械、威亚、水特效、火炬塔机械等多种电机类负载，容量很大，通常会设置大量的二级配电箱，用电点较为分散，若全部采用UPS供电或双电源末端切换供电方式较不现实，因此需要根据负荷的重要性及负载特性来确定合理的低压配电方式，通常有图5所示的几种配电方式。

注：1：直接放射式供电到二级配电箱；2：单电源加装UPS供电；3：双电源适当位置切换后供电；4：双电源末端切换，并配置UPS不间断电源。图5 开闭幕式低压配电方式

根据运行经验证明，在正确可靠施工并试验合格后，柴油发电机组、变压器和线路都是可靠的供电元件，在电源侧考虑多种电源供电及充足冗余度的情况下，由于线路故障造成用电设备断电的情况极少，且这种事故往往都是由于误操作造成，在加强电力保障、健全必要的规章制度后完全可以避免，因此在开闭幕式低压配电设计时，应力求按“简单的才是可靠的”供电原则，减少配电级数及中间环节切换。

针对不同负荷特性，采取以下配电策略：(1)对于核心控制机房等负载，应考虑双电源末端切换并配置带冗余的UPS不间断电源。(2)对于大功率舞台机械电机类负载，可以采用直接放射式供电到二级配电箱或者采用双电源在适当位置互切后供电。(3)对于场地灯光类负荷，结合专业设计的点位布置，可以采取两路单电源交叉供电的方式，任意一路电源断电只影响场地灯光的亮度，不影响整体效果。(4)部分大功率回路，末端不具备设置UPS的条件可以在前端设置带冗余的UPS不间断电源后供电。

此外，笔者经过调研发现，近年来国内在大型赛会开闭幕式供配电设计中出现了一些误区，有些设计方案似乎认为各种极端故障情况考虑得越全面，电源和线路冗余度越高，各种电源切换次数越多，系统就越可靠，甚至出现了从电源侧到末端有4～5级ATSE切换的配电系统，其实无论设置多少ATSE，其在进行电源转换时都需要一定的转换时间，并不能满足不间断供电的要求，且多级转换的ATSE还要考虑上下级转换配合问题，转换级数越多，其靠近末端的ATSE转换时间越长。另外，ATSE双电源转换开关数量增多，由于电气设备故障造成断电的机率也随之增加，反而降低了供电可靠性，所以低压配电设计中应尽量减少中间的配电及转换环节。

4 结束语