大區(qū)域供電系統(tǒng)設(shè)計與運行探討

吉承平，章強，馬國軍

(揚州職業(yè)大學(xué)，江蘇揚州225009)

某學(xué)校新校區(qū)位于城市的新城西區(qū)中心軸線，周邊與國展中心、博物館、文化藝術(shù)中心和體育公園相毗鄰，占地面積為一千五百多畝。學(xué)校分為教學(xué)區(qū)和生活區(qū)兩大部分，教學(xué)區(qū)(南區(qū))建有圖書館樓、行政樓、實驗樓、院系樓、教學(xué)樓、實訓(xùn)工廠、大學(xué)生體育中心和科學(xué)會堂等;生活區(qū)(北區(qū))建有學(xué)生公寓、兩個學(xué)生食堂、超市和食品一條街等;政府還為學(xué)校預(yù)留了北區(qū)四百多畝發(fā)展用地。

經(jīng)系統(tǒng)分析，總變電所建設(shè)在北區(qū)的中心位置，它既可以供電到南區(qū)，也方便對未來新增區(qū)域供電，從市區(qū)引入10kV主電源在此計量;選擇在南區(qū)用電重點區(qū)域行政樓和圖書館建設(shè)兩個10kV/0.4kV分變電所，高壓從總變電所引入。

1 供電系統(tǒng)分析和設(shè)計原則

為了滿足校區(qū)各個系統(tǒng)的用電需要，根據(jù)國家關(guān)于供電的設(shè)計標準和規(guī)范，系統(tǒng)詳細地對各樓宇分布和供電需求進行了分析、評估、規(guī)劃和計算，確定了供電容量、預(yù)留容量和建設(shè)方案。

根據(jù)建筑工程供配電規(guī)范要求，在對配電系統(tǒng)進行設(shè)計時，為了保證供電質(zhì)量，同質(zhì)或相近用電設(shè)備使用同一線路，非同質(zhì)用電設(shè)備使用不同的供電線路。為了有效地降低線路和設(shè)備的損耗，將供電半徑控制在規(guī)范要求的范圍內(nèi)[1]，并使大容量負荷集中在配電中心附近。此外，為了實現(xiàn)可靠性和先進性的要求，設(shè)計的配電系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)合理性，調(diào)度的靈活性，操作控制方便和供電安全方面做了深入的研究，引入了智能接入設(shè)備和負荷控制裝置。

1.1 用電負荷的計算

用電負荷的計算方法較多，現(xiàn)在普遍使用的是需要系數(shù)法、利用系數(shù)法、單位面積功率法和單位指標法。本文的負荷計算是根據(jù)單位面積功率法(見表1)，用該方法估算本工程的計算負荷，然后用需要系數(shù)法做進一步計算。

表1 建筑物用電量參考標準[2]

1.2 系統(tǒng)的功率計算

負荷計算包括系統(tǒng)計算容量(計算負荷、有功功率)、視在容量(視在功率)、無功負荷(無功功率)的計算[3]。為了單相負荷均衡分配，當(dāng)無法使三相完全平衡，且最大一相與最小一相負荷之差大于三相總負荷10%時，負荷計算方法以最大一相負荷的三倍作為等效三相負荷，否則按三相對稱負荷計算。

同類設(shè)備容量計算，將有功負荷和無功負荷分別相加后求其均方根，并乘以需求系數(shù)。需求系數(shù)一般按照動力設(shè)備為3臺及以下時，需要系數(shù)為Kx=1;大面積集中控制的燈比相同建筑面積的多個小房間分散控制的燈的需要系數(shù)大。插座容量的比例大時，需要系數(shù)的選擇可以偏小些，通常取Kx=0.45－0.85。具體見表2。

1.3 變壓器容量

電力變壓器通常采用R10容量系列，容量的遞增規(guī)律為:R10=－1.26倍數(shù)遞增[4];裝兩臺變壓器時設(shè)計變壓器容量的原則是:任一臺變壓器單獨運行時，變壓器容量Str滿足總計算負荷Sca的大約60%－70%需要。

表2 常用需要系數(shù)及功率因數(shù)表

例如，行政樓區(qū)域的總計算負荷為5400kVA，按照變壓器的設(shè)計原則，主變壓器容量為:Str=(0.6－0.7)Sca=(0.6－0.7)5400kVA=(3240－3780)kVA，根據(jù)設(shè)計原則取最小值(3200kVA)，用兩臺變壓器實現(xiàn)，每臺變壓器的容量為1600kVA。

2 供電主接線圖

根據(jù)供電需求和區(qū)域供電半徑規(guī)范，供電系統(tǒng)的中心設(shè)計在北區(qū)，系統(tǒng)圖見圖1。

由系統(tǒng)圖可知，10kV由兩路進入，然后分別分配給各個分變電所，平時一路作為主供電線路，另一路作為系統(tǒng)備用電源，兩路電源采用供電互鎖，提高供電的可靠性[5]。

在系統(tǒng)的0.4kV低壓側(cè)，為了節(jié)約和安全供電，未采用常規(guī)的兩路高壓互備高供形式，而采用圖書館和行政樓電房低壓互聯(lián)，相互作為低壓備用電源;實訓(xùn)工廠分變電所未建，該區(qū)域負荷暫時由北區(qū)總變電所低壓供電;以上措施節(jié)約了投資，提高了系統(tǒng)的靈活性，保證了目前學(xué)校正常運行負荷，同時為學(xué)校未來發(fā)展進行了適當(dāng)?shù)念A(yù)留。

3 負荷變化特征

本文設(shè)計的供電系統(tǒng)中，對某天系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)進行了分析，見表3。從數(shù)據(jù)可見，2009年已經(jīng)達到1555.85kVA，而現(xiàn)在最高峰用電量達到了2290kVA，用電量增長較快，平均每年增長45%的用電量。由此可以預(yù)見，再過十年整個用電量將達到設(shè)計容量的60%，就是說基本達到設(shè)計的正常運行容量。

圖1 學(xué)校供電系統(tǒng)

表3 10KV用電情況記錄表(2009年11月12日)

從表中的數(shù)據(jù)可見，供電的負荷的變化符合高校用電規(guī)律，每天用電量峰值發(fā)生在下午5點左右，這時正是教學(xué)區(qū)和宿舍同時用電的高峰時段，而這時學(xué)校的行政還沒有下班;用電的低谷是在早上的7點以前，這時同學(xué)們還沒有起床，教學(xué)區(qū)還沒有上班和上課。圖2為供電的負荷曲線。

4 供電設(shè)計與運行的經(jīng)驗

4.1 供電系統(tǒng)的經(jīng)濟運行

1.供電系統(tǒng)特點和運行方法。高校供電具有明顯的周期性，平時供電需求主要集中在教學(xué)區(qū)。放假時，校區(qū)用電量明顯下降，用電量最低時不到平時1/10。為了提高經(jīng)濟運行效率，有效降低變壓器空載時的能量損耗，必須停運部分變壓器。在本案例中，采取的措施是行政樓和北區(qū)電房各停運一臺變壓器，圖書館變壓器全停，通過低壓聯(lián)絡(luò)線路由行政樓供電。

圖2 運行日負荷曲線

2.變壓器經(jīng)濟優(yōu)化運行。為了提高變壓器運行效率，多臺變壓器的經(jīng)濟運行的分析，以行政樓的兩臺變壓器進行計算和分析。經(jīng)濟優(yōu)化運行原則:當(dāng)Sz≤Scr時，運行一臺變壓器;當(dāng)Sz＞Scr時，運行兩臺變壓器;其中Scr為臨界負荷。

3.電容柜投運的必要性分析。本文供電系統(tǒng)中，對電容的投運和停運進行了試驗。結(jié)果表明在負荷較小的時，補償效果不明顯;在功率負荷比較重的時，補償效果明顯，功率因素很快從0.62提高到0.95。由供電的負荷曲線圖2可見，在學(xué)校供電的高峰期，比如下午5點鐘前后，必須投入電容運行，早上、中午和晚上可以停止運行。

4.2 處理好長期發(fā)展容量和近期建設(shè)中使用容量的關(guān)系

用電規(guī)律是隨著時間的推移，用電量會不斷增加，投入和建設(shè)必須考慮容量的變化帶來的各種因素，防止以后造成不必要的損失。本文主要考慮了高、低壓側(cè)的負荷增長需要，分步驟建設(shè)變電所，并做了可行性研究。

在案例中，根據(jù)系統(tǒng)總圖的設(shè)計，高壓系統(tǒng)預(yù)留一個間隔作為高壓系統(tǒng)必要的未知需求;對暫時未建的高壓間隔先作為建設(shè)用電使用。在低壓側(cè)，由于各個樓宇的用電規(guī)模還未達到最佳使用額定容量，合理的增加了低壓的側(cè)的用戶數(shù)量，采取了增加擴展柜的辦法，滿足了供電需求，提高了變壓器利用率。例如，在裝機容量相對富裕又滿足供電規(guī)范半徑的學(xué)生公寓和超市，實現(xiàn)了區(qū)域內(nèi)的增容，保證了臨時區(qū)域內(nèi)的供電，提高了用電的效率。

4.3 按負荷發(fā)展分期建設(shè)供電設(shè)施

在學(xué)校供電的建設(shè)初期，由于許多用電裝置還沒有使用和配給，區(qū)域內(nèi)用電量相對較少，單體變壓器的容量可取較小值，或部分分期裝備，比如可對多臺變壓器先裝備其中一臺，待用電量增加時，再裝備剩余的變壓器，并調(diào)整變壓器的容量到額定值。在案例中，圖書館分變電所建設(shè)就采用了這種方式。

4.4 利用新能源

隨著光伏電源的發(fā)展，應(yīng)優(yōu)先采取此新能源，但是，光伏電源的特點是功率相對較小，多點接入和邏輯控制切換復(fù)雜，計量點多，從母線直接接入困難;此外，為了防止電源的倒灌，各種可靠性監(jiān)視點和告警裝置較多;實現(xiàn)接入的具體思路是從分路入手，主供照明，兼顧其它。

4.5 調(diào)度值班室建設(shè)

為了安全可靠用電，實現(xiàn)規(guī)范和標準化管理，提高供電的管理水平和質(zhì)量，學(xué)校供電必須建設(shè)運行和調(diào)度值班管理中心。完成各種日常記錄，監(jiān)視系統(tǒng)的運行狀況，指揮和調(diào)度設(shè)備的調(diào)整與維護。模擬屏可以直觀地反映供電的實際情況，比如開關(guān)的分合閘、功率變化、電容的投運效率等。模擬屏在調(diào)度中使用，便于現(xiàn)場指揮，減少失誤，提高運行效率。供電公司對用戶的計量和管理均采用遠動智能設(shè)備，如果能與其實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，預(yù)知用電數(shù)據(jù)和電網(wǎng)變化，有利于提高值班調(diào)度的預(yù)見性和主動性。

4.6 用電智能計費

學(xué)校智能供電系統(tǒng)是近年發(fā)展的總趨勢，是人們用電精細化的需要，是技術(shù)進步的必然產(chǎn)物。預(yù)用電系統(tǒng)和一卡通系統(tǒng)中，用戶對用多少電，何時用電，何時付費，甚至是否繼續(xù)用電都實現(xiàn)了智能化;此外，供電管理部門對用戶的用電請求的審計、配給和管理，也由豪放型向精細化方向發(fā)展，獎勵優(yōu)質(zhì)用戶，加強對劣質(zhì)用戶的管理;通過與學(xué)校一卡通系統(tǒng)的連接，方便了管理方和用電方，實現(xiàn)了系統(tǒng)信息的共享和資源利用的最大化。

5 結(jié)語

通過整個系統(tǒng)的設(shè)計和建設(shè)實踐，系統(tǒng)在技術(shù)上符合用電規(guī)范，做到了用電合理調(diào)配，保證可靠性和安全供電，節(jié)約投資和實現(xiàn)經(jīng)濟用電，實踐證明設(shè)計是合理的。本文是對高校合理供電系統(tǒng)的設(shè)計、運行的探索和有益的嘗試，以高校新校區(qū)的供電系統(tǒng)為例，系統(tǒng)總結(jié)了高校用電特點和電力設(shè)計、施工、運行等方面的工作經(jīng)驗，并指出了供電系統(tǒng)優(yōu)化運行的方向和提高效率的途徑。

[1]中華人民共和國機械部.GB 50054－95低壓配電設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社，1995.

[2]中國建筑標準研究所.全國民用建筑工程設(shè)計技術(shù)措施[M].北京:中國計劃出版社，2003.

[3]劉介才.工廠配電[M].北京:機械工業(yè)出版社，2011.

[4]朱銀根.21世紀建筑電氣設(shè)計手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2003.

[5]中華人民共和國機械部.GB 50053－94 10kV及以下變電所設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社，1994.