智慧配电系统在会展建筑中应用

王 磊

(清华大学建筑设计研究院有限公司，北京 100084)

0 引言

随着我国“2030 年完成碳达峰，2060 碳完成中和”国家战略发展目标的提出，各地对于低排放型行业的支持力度大幅增加。 会展经济由于其碳排放指标低、辐射周边经济能力强，作为绿色行业的代表成为多个城市建设的重点发展对象。 根据2019 年国家贸易促进委员会的统计数据，国内现有会展中心数量173 个，当年举办展会达1.09 万场，为当地带来了极大的经济效益。 作为承载会展经济的主体，会展建筑自然也成为设计行业关注的焦点。

会展建筑虽然属于民用建筑的范畴，但是因使用功能的原因，存在一些特点使其又有别于常规民用建筑。

首先，会展建筑规模较大，单体展厅面积在几千到一万多平方米，结合会议、酒店、商业的会展综合体面积都在几十万平方米，现在国内已经有多个大型会展中心的总面积超过100 万m2。

其次，会展建筑因使用功能所引起的“全生命期施工”是其另一个特点。 一般民用建筑只在建设阶段施工，使用期间只有少量修改和维护施工。 但是对于会展建筑，建设施工阶段完成后，只是为举办展会提供了基础平台。 后期每次展会都会根据参展商要求搭建临时参展建筑，根据参展规模不同会包括土建和电气等施工内容。 展览期结束，撤展时再施工将临时建筑拆除。

针对这些特点，会展建筑的电气设计也与常规民用建筑有所不同，主要体现:一是会展建筑中参展商使用的临时负荷占比较大，展厅配电室中设置区域配电箱/柜，配出电缆通过综合展沟至展位区域的展位箱。 二是由于展会性质的多样性，电气设计在展厅配电中以预留为主，提供标准的配电接口。 包括配电室内配电柜内预留的160－400A 的塑壳断路器、展位箱内预留的16－63A 微型断路器和少量塑壳断路器，通过防水型工业连接器引出电源至用户配电箱。 三是展会的周期性和不同类型带来用电负荷的不均衡性和不稳定性。

1 传统配电在会展建筑中存在问题

根据会展建筑特点设计的传统配电系统，基本可以满足展会的使用需求。 但随着政府主管部门对人员密集场所的安全管理越来越严格，参展商对于展会期间供电连续性的需求越来越高，展厅运营方也将精细化配电的要求提上议程。 传统的配电系统在会展建筑中应用不是越来越凸显。

根据笔者对曾经参与设计的几个会展项目的后期评估，传统配电系统的不足主要体现在如下几个方面。

(1)存在电气安全风险。 由于会展建筑中存在由参展商参与施工的临时展台，虽然国家、行业和运营方均出台了相关的施工技术要求，但基于时间和成本约束，实际上电气施工，无法完全得到监管，配电和布线系统存在隐患，且会展建筑规模大，监管部门查找故障点的困难也较大。 在传统配电基础上，虽然可以在展位箱内设置剩余电流监控系统和故障电弧保护电器，但展位箱内新增加的互感器、保护电器和辅助设备，会带来安装空间、电磁干扰、散热、防水、数据延迟、维护等一系列问题。

(2)供电连续性差。 由于采用展沟内展位箱配电的方式，若展沟或展位箱上方有展品布置，压占了展位沟盖板，那么一旦展位箱内保护电器动作，现场不易操作电器设备，不能及时恢复供电，造成参展商的供电连续性无法保证。 如果运营商与参展商签订的合同中包含供电可靠性的条款，很可能因此而遭到索赔。

(3)运维困难。 由于会展项目规模大，从安全和运行的角度，都需要对现场的电气运行情况做到及时掌控，而展厅内配电设备数量众多、位置分散，由运维人员巡检监测各处配电箱。 依靠人力实现数据的抄采和整理，不仅耗时、容易出错，人力成本不断增加的社会背景也是需要考虑的一个弊端。

与之前提到的安全相关的监控系统类似，传统的配电系统也可以通过装设计量仪表，通过有线和无线的方式传输到上位机，实现运行数据监测的功能。 但是，传统配电系统在采集各类数据时，系统之间无法形成有效联通，导致的“信息孤岛”影响了数据的分析处理与再利用。 这种“头痛医头，脚痛医脚”的方式无法适应不断发展的现代化管理要求。 那么除了在传统配电系统上附加各种监测设备和附件外，是否还有更安全、合理和集成的方案，是提给电气设计行业的现实问题。

2 智慧配电系统在会展配电系统中应用

随着物联网、大数据和人工智能技术在这几年的进步，网络化、集成化的智慧配电系统为建筑电气设计提供了新的选择。

智慧配电系统是采用了先进传感器、物联网、高速网络、人工智能、大数据分析等技术，对配电系统实施数据采集、分析和处理，并进行设备控制的集成系统。 与传统配电系统增加各种监控子系统的差别，在于智慧配电系统将分散和独立运行的各个子系统整合互联，并统一管理，使得系统具有更好的集成性和开放性，从而提高用电的安全可靠性和智能化管理水平。

智慧配电系统通常分为现场设备层、网络传输层和应用层三层。 现场设备层包括安装在现场的各类设备，如传感器、探测器、变送器、控制器等，可以实现电流、电压、温度、故障电弧等参数和状态的采集以及开关设备的远控开闭操作；网络传输层是通过有线或无线网络实现现场设备层与应用层之间无缝实时的数据连接；应用层实现各类与用户相关的应用，包括人机接口、数据分析、处理等功能。智慧配电系统的框图见图1。

图1 智慧配电系统拓扑图

采用智慧配电系统，可实现更多的功能，管理更加方便，但项目投资也会相应增加。 由于采用智慧配电系统并不是唯一的解决方案，那么判断其是否适用于某个具体的项目，需要从技术和投资两个方面综合考虑。

(1)技术角度

首先要看传统系统采集的数据是否满足要求，数据的种类、精度、采样率、实时性能否满足运维的要求。 同时要看传统系统的分散采集是否在配电系统的安装、维护中存在问题，而采用智慧配电的集成采集能否解决上述问题。

其次，要关注是否需要配电系统的远程控制。通常的低压配电系统无需远控，如果需要远程控制，需要提供全面和实时的信息，保证现场足够“透明”，运维人员和控制系统才能在远程决定，能否对某个元件发出动作指令。 例如，当某个断路器分断后，如果在远程不能确定分断的原因，线路或设备故障是否存在，负载情况如何，供电后设备启动有无安全隐患，贸然闭合断路器必然存在极大的风险。

最后，要看是否需要对数据进行分析和处理。没有经过处理的原始数据等同于数据“垃圾”。 只有让处理后的数据能为用户带来实际效益，设计带有各种顶层应用的智慧配电系统才有意义。

(2)投资角度

首先要确定是否从全生命期角度判断投资回报率。 如果不考虑智慧配电系统在建成后，因提高管理水平、降低运维费用所带来的效益。 仅从初投资角度，智慧配电系统是无法与传统配电系统比较的。

笔者以会展建筑为例，从技术和投资两个方面分析智慧配电系统是否适用于会展类建筑，以及智慧配电系统能否解决传统配电系统在会展建筑电气中存在的问题。

首先，在数据采集方面，前文已经提到，会展建筑中大量临时系统，可以通过全面监控的手段降低电气安全风险。 展位箱内如果设置智能断路器，能采集了本展位的电流、电压、剩余电流、电弧参数、触点温度。 就可以精确判断展位端电气运行情况，不仅可以依靠断路器等保护电器对过载、短路、接地、电弧等故障实施保护。 还能在出现异常时，提前主动报警，提醒运维人员处理问题，防止事故扩大。 笔者曾在某会展中心发现一例安全事故，参展商在布展中为一台LED 大屏违规明敷了1.5mm2截面的导线，导线在安装中绝缘损坏，发生了短路故障，由于其截面小、线路阻抗大。 展位箱中为参展商供电的63A 的断路器未达到瞬动脱扣阈值，而参展商自己的配电箱中此回路采用了负荷开关，不具备短路保护功能，故障持续存在，中性线和相线短路导致剩余电流系统也未报警。 但由于此会展中心采用了智慧配电系统，展位箱采集上传了相电流、触点温度等数据。 事故发生后，监控主机就给出了回路运行电流异常(电流超过断路器的过载整定值，持续时间大于10s)，且端子温升异常的报警弹框。 运维人员根据提示，迅速到现场处理了问题，避免了事故扩大。 可以想象，如果采用常规配电系统，等断路器通过反时限过载脱扣切除故障，不仅事故存在时间长，现场有较大的风险，而且断电不可预测，发生故障后，现场不易迅速判断事故原因，影响展会正常运行。

这种情况下可以看出，采用智慧配电系统由于采集了更全面的数据，通过功能完善的应用系统，有能力主动处理故障，与传统配电系统的被动应对相比更具安全性。

当然，也应注意到，由于会展建筑中存在大量的临时施工、临时建筑，施工质量无法保证，智慧配电系统的上述优势才比较明显。 对于常规的民用建筑，由于工程由专业施工单位实施，监理单位和政府质监多方监控，施工质量相对有保障，上述施工安全问题较少，采用智慧配电系统进行主动应对的必要性就不是特别充分。

其次，在远程控制方面，会展建筑存在此类需求。 例如，会展闭馆期间，可以统一远程控制展位箱断电，开展时，再远程控制供电。 既减少电气安全风险，也降低了损耗。 虽上述操作通过人工也可实现，但是工作量极大。 其次，如果在展厅中采用展沟中设置展位箱的方式，考虑存在上文提到展位压占展沟盖板的情况，当需要操作展位箱内断路器时，具备远程操作功能可以减少断电时间，方便运维。 而且，当收集有足够设备信息，包括部分智慧配电系统具备的故障录波功能，应用平台的专家系统或运维人员能快速准确分析故障，如能判断故障已经消除，可以远程控制操作断路器，这也是会展建筑特有的需求。

在常规低压配电系统中，通常遵循“只监不控”的原则，其中的重要原因就是现场信息的不透明，运维人员不掌控所有相关信息，自然不能随意控制远方的电器设备。 所以在现阶段，远控不是低压配电系统的常规配置，但是，随着人力成本的增加，智慧配电系统的日渐成熟，可以预见到，低压配电系统的远程操控将会越来越普遍。

最后，在数据分析和处理层面，会展建筑分级用户多，数据量大，计量、计费、用电预测等都需要数据支持。 虽然会展行业通常采用“一价全包”，按展位面积和数量收费，电费整合在展位费中，但是，现在行业内已经有精细化收费的趋势。 这就要求对各展位单独计量、单独核算。 要在短时间内完成众多参展商的海量数据的统计、筛选、计算、生成表格，只有专用的数据应用系统才能实现，同时还能具备可扩展性应对未来的各种改造和扩建。

对于会展中出现的故障情况，如果采集了故障录波数据，就可以迅速分析故障原因，定性和定量故障情况，明确故障责任，减少运营商与参展商的索赔纠纷。

在平时应用中，通过分析各类不同展会的数据，可以提前做出负荷预测，方便供电管理。 采用专家系统分析数据，可以提供节能建议，降低能耗。

总之，从上面的应用可以看出，针对会展建筑，智慧配电系统能够提高供电可靠性，方便运维管理。 如果建设方在初期投资上能够认同其增加的成本，采用智慧配电系统是存在可行性的。

以笔者参与设计的某会展建筑为例，建筑面积约40 万m2。 此项目性质为公私合营(PPP)，建设方同时拥有30 年运营权，收入用于冲抵建设费用。因此建设方对于后期的运营成本非常关注。 也要求能通过高水平服务占领更多市场。 设计团队在方案阶段与运营方经方案比选、投资分析，综合考虑后，在会展中心的展厅区设置了智慧配电系统，会议区按传统配电系统设置。

在实施方案中，所有展位箱、展厅配电箱设置了智能型断路器，可测量电流、电压和触头温度等参数。 断路器配电操作机构，可以远控开闭。 在配电箱内采用现场总线，配电箱外采用TCP/IP 网络传输，在保证数据实时性的基础上，也降低了成本。在应用层，设置了能耗计量、故障预警、剩余电流报警、故障电流专家分析、三维电子地图等应用。

因设计了智慧配电系统，项目设备初期投资增加了约1 560 万。 但是后期运营减少的人力资源成本、管理费用等，经核算每年可节省费用约34 万余元。 考虑智能设备维护、更换的费用，理论上47 年可收回初投资成本。 对于建筑50 年的设计寿命而言，很难说带来直接的经济效益。 但是使用方更关注智慧配电系统带来的服务质量提升，项目建成三年间，用户反馈良好。 现在运营方已经考虑将会议区的普通配电系统改为无线传输的智慧配电系统。

3 结束语

智慧配电系统是将先进传感器、控制器技术、网络设备和顶层应用集成到传统配电系统中，实现配电数据的采集、分析和处理，提升建筑的整体运维管理水平。

会展建筑由于规模大，电气安全风险大，供配电管理要求高，传统配电系统应用中存在一些问题，而智慧配电系统在会展建筑中能充分发挥其优势。 但是，也应注意到，智慧配电系统现在还属于应用的初期阶段，并未对传统配电系统形成本质上的变革，达到压倒性优势，两种系统必然在未来一段时间内同时并存。 正是由于没有唯一答案，对于是否设置智慧配电系统，就更要求设计师针对项目的特征与运行特点，综合分析，谨慎确定系统形式。