通信樞紐樓配電系統(tǒng)改造案例分析

張永紅，侯永濤，李志超（.中國(guó)聯(lián)通甘肅分公司，甘肅蘭州 730000；.中訊郵電咨詢(xún)?cè)O(shè)計(jì)院有限公司鄭州分公司，河南鄭州 450007）

1 現(xiàn)狀

某運(yùn)營(yíng)商省級(jí)樞紐樓10 kV 配電室主接線(xiàn)如圖1所示，市電經(jīng)2 路10 kV 高壓電纜引接（主3 200 kVA，備1 600 kVA），配電系統(tǒng)高壓側(cè)為單母線(xiàn)分2 段，10 kVⅠ段帶2×800 kVA 變壓器；10 kVⅡ段帶1×1 600 kVA 變壓器。低壓0.4 kV 側(cè)按照3 臺(tái)變壓器分為3 段母線(xiàn)，通過(guò)2×1 250 A、2×1 000 A、2×630 A、24×400 A、15×250 A、12×160 A、2×125 A，合計(jì)用10 個(gè)饋電柜通過(guò)59 回出線(xiàn)向各類(lèi)負(fù)荷饋電。該樞紐樓另行配置2×1 200 kW 柴油發(fā)電機(jī)組作為后備保安電源，在兩路市電同時(shí)故障時(shí)，向負(fù)荷供電，保證通信負(fù)荷的正常運(yùn)行。

2 負(fù)荷預(yù)測(cè)及風(fēng)險(xiǎn)分析

該通信樞紐樓在2019 年4 月3 日的電力負(fù)荷為1 715 kW。因此，當(dāng)前的系統(tǒng)運(yùn)行方式為1×1 600 kVA+1×800 kVA 變壓器同時(shí)投運(yùn)，1×800 kVA 變壓器作為備用。按照簡(jiǎn)單的直線(xiàn)法進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測(cè)（見(jiàn)圖2），短期至2025 年負(fù)荷將增長(zhǎng)至3 000 kW，中期至2030 年則會(huì)增長(zhǎng)至4 000 kW。但是從通信負(fù)荷的變化特點(diǎn)以及發(fā)展趨勢(shì)看，負(fù)荷可能的增長(zhǎng)應(yīng)該比直線(xiàn)法增長(zhǎng)要快得多，預(yù)計(jì)2026年就可能突破4 000 kW。

根據(jù)以上負(fù)荷預(yù)測(cè)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際勘測(cè)情況等綜合分析，該通信樞紐樓的配電系統(tǒng)存在如下風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 配電室現(xiàn)狀示意圖

圖2 負(fù)荷預(yù)測(cè)趨勢(shì)

a）備供容量不足：10 kV 備供線(xiàn)路容量?jī)H有1 600 kVA，在主供線(xiàn)路停電后，備供無(wú)法為全部負(fù)荷供電，需要啟動(dòng)油機(jī)分擔(dān)一部分負(fù)荷，系統(tǒng)可靠性大大降低。

b）變壓器容量不足：現(xiàn)有的3 臺(tái)變壓器總?cè)萘繛? 200 kVA，一旦1 600 kVA 的變壓器故障，現(xiàn)有的2×800 kVA 變壓器將無(wú)法滿(mǎn)足供電需求，需要啟動(dòng)油機(jī)分擔(dān)部分負(fù)荷。

c）饋電端口不足：因前期配電結(jié)構(gòu)規(guī)劃的原因，全部負(fù)荷無(wú)論大小都直接從配電室饋電，導(dǎo)致現(xiàn)有10個(gè)饋電柜的59回出線(xiàn)端口已經(jīng)大部分被占用，僅剩余2×250 A、4×160 A 共4個(gè)小開(kāi)關(guān)尚未占用，對(duì)于后期接入大容量的開(kāi)關(guān)電源、UPS等負(fù)荷需求，該配電室無(wú)可用容量的低壓輸出端口。

d）保安電源容量不足：現(xiàn)有2×1 200 kW的后備柴油發(fā)電機(jī)組，無(wú)法滿(mǎn)足最嚴(yán)重的2 路市電同時(shí)停電工況下的后備供電需求。一旦某一臺(tái)油機(jī)故障，將導(dǎo)致嚴(yán)重后果。

3 改造方案一

主導(dǎo)思路是在原配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改造。

a）替換原2×1 200 kW 柴油發(fā)電機(jī)組為2×1 600 kW。

b）擴(kuò)容備供線(xiàn)路為3 200 kVA。

c）替換原2×800 kVA變壓器為2×1 600 kVA。

d）增加大開(kāi)關(guān)的饋電柜并敷設(shè)電纜送電到負(fù)荷近端。

按照方案一改造后的系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 改造方案一的最終系統(tǒng)示意圖

4 改造方案二

主導(dǎo)思路是新建第二配電系統(tǒng)（分期）承擔(dān)主要通信負(fù)荷，之后再改造原第一配電系統(tǒng)。

a）新引接一路3 200 kVA 的10 kV 供電線(xiàn)路作為第二配電系統(tǒng)的主供線(xiàn)路。

b）新建第二系統(tǒng)的1×1 600 kVA的變壓器及其配套的母線(xiàn)、開(kāi)關(guān)等變電設(shè)施。

c）新建1×1 600 kW 的柴油發(fā)電機(jī)組作為第二配電系統(tǒng)的保安電源。

d）第二配電系統(tǒng)配置大開(kāi)關(guān)的饋電柜并敷設(shè)電纜送電到負(fù)荷近端。

e）倒閘、切換負(fù)荷至第二配電系統(tǒng)，第一配電系統(tǒng)停電改造。

f）擴(kuò)容第一配電系統(tǒng)10 kV 備供進(jìn)線(xiàn)至3 200 kVA。

g）替換第一配電系統(tǒng)原2×800 kVA 變壓器為1×1 600 kVA。

h）在第一配電系統(tǒng)新增大開(kāi)關(guān)的饋電柜并敷設(shè)電纜送電到負(fù)荷近端。

i）倒閘、將全部用電負(fù)荷合理分擔(dān)在2 個(gè)配電系統(tǒng)上。

j）后期根據(jù)負(fù)荷增長(zhǎng)，適時(shí)擴(kuò)容第二配電系統(tǒng)（二期）。

按照方案二改造后的系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

5 技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比

表1 為2 個(gè)改造方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比。方案一為傳統(tǒng)的擴(kuò)容改造：用大容量的設(shè)備替換小容量的，從結(jié)果上來(lái)看確實(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)擴(kuò)容的目的；改造方案二則直接新建系統(tǒng)，能安全、快速地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)容量的大幅提升甚至翻倍（二期）。至為重要的一點(diǎn)是：新建配電系統(tǒng)承擔(dān)負(fù)荷后再對(duì)舊系統(tǒng)進(jìn)行改造，能最大程度保證配電系統(tǒng)擴(kuò)容改造過(guò)程中不影響通信設(shè)備的安全運(yùn)行，而任何時(shí)候最終目的都是要保證通信的安全。從經(jīng)濟(jì)指標(biāo)來(lái)看，改造方案二能以較低的投資，盡快完成系統(tǒng)擴(kuò)容，且能滿(mǎn)足未來(lái)10 年之需；而方案一卻是在繁復(fù)驚險(xiǎn)的改造之后不到5年又面臨著容量不足的問(wèn)題，需要更多的投資才能實(shí)現(xiàn)和方案二同等水平的供電能力。同時(shí)，方案二能充分利用現(xiàn)有的2臺(tái)油機(jī)，大大提升了設(shè)備的使用率和壽命周期。從投資收益來(lái)看，方案二的經(jīng)濟(jì)性十分顯著。

表1 2個(gè)改造方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比

圖4 改造方案二的最終系統(tǒng)圖

6 結(jié)論

綜上分析，可以得出以下結(jié)論。

a）本次改造項(xiàng)目的緣起，其一就是由于前期通信樞紐樓項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，配電系統(tǒng)的規(guī)劃和建設(shè)并沒(méi)有根據(jù)通信樞紐樓或者數(shù)據(jù)中心的特點(diǎn)，制定相應(yīng)的具體方案，而是簡(jiǎn)單套用通用的工業(yè)建筑配電系統(tǒng)的規(guī)范設(shè)計(jì)，與通信機(jī)樓的具體需求之間出現(xiàn)了差距。后期又未能及時(shí)根據(jù)負(fù)荷增長(zhǎng)預(yù)先規(guī)劃和實(shí)施擴(kuò)容改造方案，拖延至今造成系統(tǒng)供電能力不足、影響通信安全的被動(dòng)局面。

b）根據(jù)2 個(gè)方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比結(jié)果來(lái)看，在實(shí)施過(guò)程的安全性考慮、實(shí)際供電能力、綜合投資等方面來(lái)比較，方案二的優(yōu)勢(shì)十分明顯。

c）方案二相對(duì)于方案一來(lái)說(shuō)，其優(yōu)勢(shì)在于比較科學(xué)、合理的規(guī)劃：項(xiàng)目規(guī)劃不應(yīng)局限在僅僅解決當(dāng)前的困難和需求，而應(yīng)該立足中、長(zhǎng)期規(guī)劃，合理地分步驟實(shí)施，如此則既能徹底解決當(dāng)前的現(xiàn)實(shí)困難，又能從容地為中長(zhǎng)期的需求提供業(yè)務(wù)能力，在項(xiàng)目投資上也實(shí)現(xiàn)了綜合效益最大化。

7 探討

“電源是保證通信暢通的心臟”，而低壓配電系統(tǒng)就是通信網(wǎng)絡(luò)的主動(dòng)脈，擔(dān)負(fù)著為所有通信設(shè)備可靠供電的責(zé)任。實(shí)踐證明，“網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)”是在“樹(shù)狀結(jié)構(gòu)”的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的最科學(xué)、最安全的分級(jí)配電方式。

“網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)”分級(jí)配電的主要原則有：豎向分級(jí)、橫向交叉、主備隔離。豎向分級(jí)的目的就是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、管理高效；橫向交叉接線(xiàn)的目的就是確保安全；主、備路在空間上相互隔離是容災(zāi)措施。

配電室內(nèi)配置足夠數(shù)量的大容量斷路器（1 000～2 000 A），直接向樓層總配電柜饋電，而該樓層的所有電氣負(fù)荷，全部從該樓層的總配電柜引接，不得從配電室內(nèi)迂回引接，嚴(yán)格按照“豎向分級(jí)”供電的結(jié)構(gòu)布置。

“主備隔離”就是每一樓層（或者用電單元）建設(shè)2臺(tái)（1主1備）完全獨(dú)立的總配電柜，分別從不同的母線(xiàn)段引接，而且做到主、備總配電柜、引接電纜（或者低壓母線(xiàn)槽）的敷設(shè)路由完全獨(dú)立，即主、備分別敷設(shè)在具有足夠距離的相互隔離的空間內(nèi)，且各自處于不同的防火區(qū)間，避免因某一段發(fā)生電氣火災(zāi)，導(dǎo)致系統(tǒng)全面癱瘓的不可逆轉(zhuǎn)的嚴(yán)重后果。

而開(kāi)關(guān)電源、UPS等通信電源設(shè)備，考慮到系統(tǒng)供電安全，以及運(yùn)行調(diào)度的方便，需要主備輸入分別從樓層的主、備總配電柜上引接，實(shí)現(xiàn)了“橫向交叉”，避免了某一個(gè)樓層總配電柜故障后影響對(duì)通信設(shè)備的供電。對(duì)于雙電源引入的直流或者交流的PDF，主備輸入電源同樣交叉連接，即從不同的開(kāi)關(guān)電源或者UPS輸出引接。

據(jù)上所述，為保證通信樞紐樓、數(shù)據(jù)中心的用電安全，根據(jù)行業(yè)配電系統(tǒng)建設(shè)需求和固有特點(diǎn)，在確保安全的前提下，充分考慮后期運(yùn)行調(diào)度和系統(tǒng)擴(kuò)容的便利性，綜合各方面的成功經(jīng)驗(yàn)，及時(shí)制定、頒發(fā)相應(yīng)的通信樓配電系統(tǒng)規(guī)劃和設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，作為后期行業(yè)內(nèi)項(xiàng)目建設(shè)的指導(dǎo)性文件。