民用建筑配电系统可靠性概述

王 胜

[同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司, 上海 200092]

0 引 言

随着经济社会的发展,民用建筑规模及建筑内用电设备数量持续增长,早期建筑的配电系统老化,配电系统失效的情况发生也越来越多。对民用建筑配电系统的可靠性进行研究,找出配电系统中的薄弱环节,提升其可靠性,进而提升配电系统整体的可靠性,具有重要意义。

1 配电系统可靠性的概念

配电系统可靠性是指供电点到用户,包括变电站、高低压线路及接户线在内的整个配电系统及设备按可接受标准及期望数量满足用户电力及电量需求能力的度量[1]。

2 配电系统可靠性的研究现状

配电系统可靠性研究主要是结合配电系统各组成部分的要求,构成不同环节的可靠性数学模型和计算方法,最终寻找提高电力系统可靠性的途径和方法,同时研究可靠性和经济性的最佳搭配。

2.1 配电系统可靠性分析方法

许多学者对于配电系统可靠性的研究方法进行了分析总结,主要有确定性方法和概率性方法两大类[2]。确定性方法主要是基于“N-1准则”,考虑在N个元件(电源、变压器、线路等)的系统中失去1个元件后,配电系统必须正常供电,其计算结果可以对系统的安全性做粗略的估计。概率性方法是根据对系统元件故障及恢复概率的统计,计算得到配电系统和各节点的运行参数变化区间和风险指标,从而较为全面客观地评价系统的可靠性。配电系统可靠性研究的概率性方法有解析法、模拟法、人工智能法等[3]。

解析法是根据配电系统的结构、系统元件状态,及其之间的逻辑关系,建立起某种可靠性数学模型(如马尔可夫模型),经过计算获取可靠性评估的指标。解析法又可分网络图法、状态空间法和故障树法[4]。

模拟法是将元件或系统的寿命过程进行合理的理想化,并用数学模型来描述这一寿命过程,而后通过计算机运算程序求解得出所要求的可靠性指标(如蒙特卡洛模拟法),在计算机上用数值计算方法模拟一个实际的过程,并从大量的模拟试验结果中统计出系统的可靠性指标。

以上两种方法拥有不同的优势,一般来说,当存在的低可靠性元件数量较多,且受故障影响程度较高时,可以使用模拟法,而对于元件故障较少且总体数量不多时,解析法更加适用。也可以将解析法与模拟法结合起来,使这两种方法分别各自发挥所长,扬长避短。

人工智能法是通过模拟生物处理的形式来获取智能信息处理功能的,以便解决一些复杂问题,目前包括遗传算法、人工神经网络算法和模糊算法等[3]。

2.2 民用建筑配电系统可靠性的研究现状

过去专家学者对配电系统进行了大量的研究,主要是针对供电企业到电网用户统计单位(DL/T 836.1《供电系统供电可靠性评价规程第1部分:通用要求》中的低压用户统计单位、中压用户统计单位、高压用户统计单位)之间的配电系统可靠性。对于民用建筑配电系统来说,人们更加关注配电系统末端负荷点的供电可靠性,该可靠性除了受电业计量分界点前的配电系统可靠性影响外,还受到建筑内部中低压配电系统可靠性的影响,为此需要对民用建筑内部配电系统可靠性进行分析研究。

现阶段的研究主要是结合高层、数据中心、医院、金融设施等供电可靠性要求较高的项目进行分析讨论,取得了一定的成果。

民用建筑内部配电系统相对电网配电系统来说结构相对简单,一般采用解析法对民用建筑配电系统可靠性进行分析,比如文献[5]、文献[6]均采用《IEEE Std 493TM—2007 IEEE Recommended Practice for the Design of Reliable Industrial and Commercial Power Systems》的可靠性计算方法及参考数据对建筑供配电系统的常见模型进行可靠性计算。

文献[5]针对建立的单回路、双回路10 kV电源进线配电系统模型及单回路10 kV电源进线+备用发电机(低压母线处切换)、单回路10 kV电源进线+备用发电机(用电负荷处末端切换)配电系统模型进行用电负荷供电点可靠性计算对比分析,证明建筑配电系统的可靠性主要因素是供电电源的可靠性,在电源不改变的情况下仅将电力系统的一部分进行并联冗余,使用低压双电源切换开关进行末端切换,基本不能提高配电系统可靠性[5]。

文献[6]对一级负荷的建筑供电系统(两路进线电源主结线供电方案)和一级用电负荷中有特别重要负荷的建筑供电系统(双重电源加第三电源主结线供电方案)的可靠性进行计算,分析结果得出:① 供电电源是建筑供配电系统的可靠性的主要影响因素,提高电源可靠性或对电源进行并联冗余,将大大提高供配电系统的可靠性。② 使用ATS对低压系统进线并联冗余时,ATS本身的可靠性也要考虑,ATS能提高系统有效度的前提是ATS年平均故障时间低于该部分并联冗余前的年平均故障时间。③ 用于母线处的ATS(>600 A)的年平均故障时间明显比用于末端切换的ATS(<600 A)低得多。④ 只要供电电源是可靠的二路区域性独立电源,那么其可靠性是非常高的。⑤ 配电系统的绝大部分年平均故障时间除了由10 kV 电源进线、低压双电源切换开关ATS 产生之外,10 kV母线及低压母线占的比例也相对较多[6]。

文献[7]等采用可靠度框图建立了民用建筑供配电系统各典型供电形式的可靠性评估模型,计算其在建筑全寿命周期内的可靠度分布,并对各供电形式的可靠度加以分析和验证,得出各供电形式的系统可靠度由高至低分别排序:双市电+UPS(柴油发电机)>双市电(柴油发电机)>单市电+UPS(柴油发电机)>单市电(柴油发电机)[7],也验证了GB 51348—2019《民用建筑电气设计标准》新增条文“互为备用工作制的生活水泵、排污泵为一级或二级负荷时,可由配对使用的两台变压器低压侧各引一路电源分别为工作泵和备用泵供电”的科学性,验证了减少双电源切换开关的使用并不影响其供电的可靠性。

文献[8]根据可靠性的基本原理结合我国电力可靠性管理中心公布的电力系统可靠性统计数据对用户端供配电系统进行可靠度计算分析,对来自同一电网的双重电源提出了具体的界定原则(用户的两路供电电源可追溯至两座220 kV 变电站,并且至用户的供电路由及供电节点均应相互独立),提出采用自备发电机组可以较小的经济代价提供给用户独立于市电、可靠性更高、可满足市电检修时间的双重电源,并尝试“根据供电费用及供配电系统停电概率所带来的停电损失等综合比较”来确定二级负荷的供电方案,还提出一级、二级负荷供配电系统的设计方案改进意见,比如将10 kV 的不同母线段设计在由防火墙分隔的不同房间内,在消防、人身安全等重要场合下供配电系统的设计应遵循“N-1准则”等。

2.3 ETAP在民用建筑配电系统可靠性研究的应用

除了进行理论计算分析外,也有学者采用商业软件对配电系统可靠性进行建模分析。配电系统可靠性分析软件主要有PSS/ADEPT和ETAP。PSS/ADEPT的可靠性分析模块能对单电源放射式和环式的配电系统进行可靠性分析,主要适用于中低压配电网,但不支持经济性分析[9]。ETAP可靠性模块可完成可靠性指标及可靠性成本指标的计算,还提供IEEE标准中各类元件的故障率等数据,适合辐射网、环网和复合网络的可靠性评估[10]。基于ETAP软件功能的全面性,现阶段主要是利用ETAP软件进行配电系统可靠性分析。

文献[11]在ETAP软件中建立了几种建筑物双电源供电的配电系统模型,分别为双电源给4台变压器供电、双电源加柴发给4 台变压器供电、双电源给14台变压器供电、双电源加柴发给14 台变压器供电,针对各模型采用单变量的分析比较方法分析得出[11]:① 各元器件主动故障率对配电系统可靠性产生了极大的影响;② 设置柴发的配电系统中,当柴发完全投入的配电系统可靠性的各项指标低于未接入柴发的配电系统;③ 双路电源供电系统中变压器的设置台数增加会导致配电系统的供电可靠性指标降低。

文献[12]采用ETAP软件分析了大型医院典型配电系统可靠性,分析表明:① 几百米配电线路对个别节点可靠性估计计算结果几乎没有影响;② 重要负荷或消防负荷母线的平均故障率比一般负荷母线平均故障率低;③ 发电机组作为应急电源能够提高重要负荷和消防负荷母线供电的可靠性;④ 配电节点的增加会提高平均故障率。

2.4 民用建筑配电系统可靠性研究的展望

现阶段针对配电系统中的供电电源设置、配电系统形式、配电设备设置等对配电系统可靠性的影响进行了研究分析,取得了一定成果,但也存在一些不足:① 民用建筑配电系统可靠性数据以及信息收集方面自动化程度相对较低,元件及系统的可靠性数据不够完善,有效的参考数据较少且较难获取,一些设备厂家针对自身产品的统计数据及大型的物业管理公司汇总的运行数据一般也属于各公司机密不对外公开,目前的研究一般都是利用《IEEE工商业供电系统可靠性设计实施导则》或电网配电系统积累的可靠性数据进行分析,不能完全体现民用建筑配电系统的实际情况。② 目前的研究针对配电系统的环节进行了一定的简化,终端负荷都是进行了归并汇总,如统一分为照明负荷、空调负荷、消防负荷等,实际系统使用者及设备的供电可靠性还需要进一步深入探讨。③ 在配电系统可靠性研究过程中,通常采用单变量的分析方法,实际配电系统中部分元器件之间会存在关联,针对元器件关联性对配电系统可靠性的影响研究比较缺乏。④ 随着“双碳”目标的不断推进,民用建筑配电系统中加入了越来越多的光伏发电等分布式电源,使得潮流不再单向由变电所母线流向负荷,针对分布式电源对配电系统可靠性的研究工作也需要加强。以上存在的问题都是后续民用建筑配电系统可靠性研究值得关注的方向。

3 民用建筑配电系统可靠性的影响因素及对应措施

结合专家学者的分析研究、国家规范标准要求以及项目实践,民用建筑配电系统可靠性影响因素基本可分为技术层面、运维层面、外界影响。运维层面主要是指岗位人员所具有的工作能力会对供电可靠性产生影响,为保证供电的可靠性需要加强岗位人员的培训。外界影响是指配电系统所处的周边环境、自然灾害等可能影响到民用建筑配电系统供电可靠性,应结合实际项目情况进行针对性预防处理,如加强设备、管线的抗震设计等。技术层面的影响因素有供电电源的可靠性、配电系统接线形式的可靠性、配电设备的可靠性、机房管井路由设置的可靠性等,下面对这类影响因素进行分析,并提出对应提高配电系统可靠性的措施。

3.1 供电电源的可靠性

根据文献[5-6]等的研究结果及实际的项目情况可知,供电电源的可靠性对配电系统可靠性影响最大,加强供电电源的设计是提高民用建筑配电系统可靠性的重中之重。

民用建筑供电电源应满足GB 55024—2022《建筑电气与智能化通用规范》及GB 50052—2009《供配电系统设计规范》的要求:“特级用电负荷应由3个电源供电,3个电源应由满足一级负荷要求的2个电源和1个应急电源组成,应急电源的容量应满足同时工作最大特级用电负荷的供电要求,应急电源的切换时间,应满足特级用电负荷允许最短中断供电时间的要求;应急电源的供电时间,应满足特级用电负荷最长持续运行时间的要求。一级用电负荷应由两个电源供电,当一个电源发生故障时,另一个电源不应同时受到损坏;每个电源的容量应满足全部一级、特级用电负荷的供电要求[13]。二级负荷的供电系统,宜由两回线路供电。在负荷较小或地区供电条件困难时,二级负荷可由一回路6 kV 及以上专用的架空线路供电。两回线路与双重电源略有不同,两者都要求线路有两个独立部分,而后者还强调电源的相对独立。三级负荷为不重要的一般性负荷,对电源无特殊要求,对供电可靠性要求不高,只需一路电源供电[14]。”

在实际的项目设计过程中需要根据负荷等级合理确定其供电电源的数量及要求。配电系统可以通过连接多个不同的电源来减少因单一电源故障而导致的停电,可以使用多个不同的电网供电、备用发电机或太阳能电池等,以提高配电系统的可靠性。

3.2 配电系统接线形式的可靠性

系统的接线形式也是可靠性的影响因素之一。配电系统的接线形式与电源形式和数量有关。

配电系统的物理接线形式可分为高压接线和低压接线。常见的民用建筑配电系统高压主接线主要分为单母线和分段单母线等,通常根据地方供电公司的要求进行。高压配电系统宜采用放射式供电,并根据变压器的容量、分布及地理环境、亦可采用树干式或环式供电。对于供电可靠性,通常放射式供电的可靠性优于树干式。单母线分段或不分段等形式,需根据项目实际情况分析其供电可靠性的优劣。民用建筑低压配电系统接线形式可分为放射式、树干式和混合式。通常放射式供电的可靠性优于后两种,但投资相对较高。项目设计与实施需在供电可靠性与投资经济性上进行平衡。

配电系统级数的增加会降低配电系统的可靠性,民用建筑配电系统应简单可靠,同一电压等级的配电级数高压不宜多于两级,低压不宜多于三级[14]。

3.3 配电设备的可靠性

配电设备包括变压器、母线、断路器、电缆、继保设备等,配电设备自身的可靠性也直接影响着配电系统的可靠性,为提高配电系统可靠性应选用高质量元件。此外,应结合负载率要求合理选择变压器,系统容量的冗余能够提升系统的可靠性;断路器越级跳闸会扩大停电面积,选择断路器时应按照保护选择性原则进行设备选型;配电线缆的载流量也需要根据线缆的敷设情况进行载流量校正,避免对系统可靠性造成影响。

3.4 机房管井路由设置的可靠性

机房、管井的位置选择及线路敷设也是配电系统可靠性中需要关注的问题。需要合理选择机房、管井的位置,尤其是变电所的位置,应积极吸取郑州暴雨事件经验,变电所应尽量设置于地上,避免水患,设计过程中还需要考虑变电所门窗的设计,需要避免小动物、雨雪等通过各种渠道进入;机房、管井不应设在有水并可能漏水场所的正下方,与其毗邻时相邻隔墙应做好防水处理;同时不应贴邻热烟道、热力管道及其他散热量大的场所[13]。

用于敷设电缆的桥架不宜敷设在气体管道和热力管道的上方及液体管道的下方,不然应采取防水、隔热措施[15];同时应合理选择电缆桥架规格,满足桥架填充率要求,穿越楼板隔墙时需要做好防火封堵。

3.5 其他措施及注意事项

为提高民用建筑配电系统的自动化管理水平,可采用变电所电力监控系统、电气火灾监控系统,消防电源监控系统等对配电系统进行监控管理,及时发现配电系统运行过程中的问题并进行处理,避免对供电可靠性产生影响。针对民用建筑配电系统的核心机房变电所,可考虑建设包含变电所图像监控系统、环境监测系统、辅控系统的智慧电站,提高变电所环节供电的可靠性。

由于经济性和可靠性往往相互制约,在实际设计中需要注意可靠性与经济性指标的平衡问题,不能为了保证配电系统绝对可靠而一味地加大投入。

4 结 语

本文主要介绍了配电系统可靠性的分析方法及研究现状,总结了民用建筑配电系统可靠性的影响因素及对应措施,民用建筑配电系统可靠性是设计及运维管理中不容忽视的内容,应积极采取措施提高其可靠性指标,并需要注意可靠性与经济性指标的平衡。