大型賽會開閉幕式電力保障系統設計探討

胡 峻

(中信建筑設計研究總院有限公司，武漢 430014)

0 引言

隨著我國世界影響力的日益提升，各地舉辦國際性大型賽會等重要活動越來越頻繁，這些大型賽會通常都會以一個氣勢恢宏、精彩紛呈的開閉幕式來展示主辦方形象，其供電可靠性直接關系到政治或社會影響，各級相關部門重視程度很高。而隨著現代科技的發展，聲、光、電等高科技數字技術在開閉幕式中的應用越來越多，對其供電可靠性的要求也越來越高。

1 開閉幕式負荷需求分析

大型賽會開閉幕式用電通常包括火炬塔點火系統、燈光、音響、舞美、威亞、通信、控制系統等，根據對近年來我國舉行的一些重大賽會開閉幕式用電負荷統計(參見表1)，開閉幕式用電負荷容量較大，多在5 000kW以上，另外還具有用電點分散、負荷特性多樣的特點。

JGJ 354-2014《體育建筑電氣設計規范》第3.4.1條明確指出，“綜合運動會主體育場不應將開幕式、閉幕式或極少使用的大容量臨時負荷納入永久供電系統。”因此體育場館一般均需要為開閉幕式用電配置臨時電源。

參考JGJ16-2008《民用建筑電氣設計規范》中供配電系統負荷等級劃分的原則，大型賽會開閉幕式一般有國家領導人出席，其用電屬于特別重要場所不允許中斷供電的負荷，屬于一級負荷中特別重要的負荷。

重大體育賽會開閉幕式用電負荷統計表 表1

2 開閉幕式臨時用電典型供電方案及可靠性分析

因開閉幕式用電均屬于臨時負荷，國內尚無相關的設計規范，大型賽會開閉幕式供電系統方案以確保用電可靠性為主，通常是由第三方保電團隊來設計實施，采用柴油發電機組、箱式變電站、配電箱柜、UPS、臨時電纜等組成臨時供電系統。根據筆者對近些年以來在我國舉行的大型賽會開閉幕式供電系統的調研，目前主要有以下幾種典型的供電方案。

2.1 市電-發電機混合供電方式

在市電供電條件較好的情況下，可采用市電和柴油發電機組混合供電的方式，圖1為一種典型的市電與發電機組混合供電的方案。

圖1 柴油發電機與市電混合供電方式

該方案中，市電為開閉幕式用電引接兩路或三路獨立的10kV專線供電，低壓側每兩臺箱式變壓器與若干臺發電機組組成一個供電單元，發電機組與市電均為開閉幕式負荷供電。正常運行時市電和發電機各帶一半負荷，兩路市電變壓器主進線開關Q1與Q2、母聯開關Q3、發電機組進線開關Q4采用PLC編程實現閉鎖，邏輯關系如表2所示。

發電機組與2路市電供電邏輯關系表(0—分閘，1—合閘) 表2

該方案中，成組的兩臺箱式變壓器中每臺變壓器的負荷率均≤50%，一路電源失電或一臺箱變故障時，另一臺箱變應能承擔全部負荷的容量。發電機組采用多臺模塊化機組并機運行，其容量至少按照N+1模式進行配置，開閉幕式期間所有發電機組同時投入并機運行，任意一臺發電機故障時自動退出運行，剩余發電機組仍能承擔所有負荷容量。

2.2 柴油發電機主供、市電備用方式

出于對市電供電條件的限制或對市電電源不可控性的考量，很多時候大型賽會開閉幕式會采用柴油發電機組主供、市電備用的方案，圖2是一種典型的以柴油發電機組主供、市電備供的方案。

圖2 柴油發電機主供、市電備用供電方式

該方案中，由柴油發電機組提供主供電源，市電中壓采用一路或二路10kV電源供電，通過箱式低壓饋出回路提供備用電源，與柴油發電機組電源組成雙電源互投后饋線給負載。為開閉幕式提供發電機組的容量按照N+1或2N模式進行配置，任意一臺發電機組故障不影響系統正常運行，若發電機組故障，則通過雙電源轉換開關切換至市電側供電，因市電主要作為備用，箱式變壓器的容量可按照所承擔負荷的總容量進行配置。

2.3 柴油發電機組獨立供電方式

在市電條件不允許的條件下，亦可采用柴油發電機組對開閉幕式用電獨立供電的模式，如圖3所示。

圖3 柴油發電機組獨立供電方式

該方案中，系統由4臺柴油發電機組構成雙母線分段系統，Ⅰ段母線及Ⅱ段母線系統均為兩臺柴油發電機組成，正常工作時，兩套母線系統獨立運行，通過雙電源切換柜ATS互為備用。該方案中，發電機組的容量一般按雙(N+1)或雙2N冗余進行配置，組成單母線分段供電系統，成組的發電機組同時運行，互為備用，每組負載率低于50%。

2.4 發電機遠程供電方式

近年來，由于大型賽會安保要求不斷加強，柴油發電機組需要大量的燃油維持運行，出于安全考慮，一些重要賽會開閉幕式中不允許在開閉幕式場地周圍設置燃油設施，因此出現了一些遠程發電機組供電的方式。此方案一般在距離開幕式場地約2～3km范圍的場地集中設置發電機組，采用0.4kV模塊化柴油發電機組并機發電，通過0.4/10kV升壓變壓器升壓至10kV后再輸送到賽場內10kV開關站，經10/0.4kV變壓器降壓后再對開閉幕式負荷供電，同時在10kV開關站設置10kV市電作為備供電源，如圖4所示。

本方案中，從系統本身來說，采用10kV柴油發電機組更合理，可以減少升壓環節，但因第三方保電公司購置的柴油發電機組通常均為0.4kV機組，因此需要采用先升壓后降壓的方式，而不是直接采用高壓柴油發電機組。該方案中，柴油發電機組、升壓變的配置均按照2N冗余配置，避免一路電源失效后影響電源側的供電，10/0.4kV箱式變壓器的容量也應按照2N配置，一路電源失電或一臺變壓器故障時，另一臺變壓器應能承擔所有負荷容量。

圖4 柴油發電機組遠程供電方式

2.5 幾種開閉幕式典型供電方案的優缺點分析

影響大型賽會開閉幕式供電方案的因數有很多，如現場供電條件、賽事執委會、導演團隊對供電可靠性的技術要求、上級安保及消防要求、當地供電部門要求等，幾種常用供電方式的適用條件及優缺點分析參見表3。

幾種開閉幕式典型供電方式分析表 表3

上述幾種供電方式均對應有一些大型賽會實際應用案例，不能簡單地判斷哪一種供電方案最優，大型賽會開閉幕式燈光負荷中的多媒體投影燈、電影機、追光燈、PIGI燈一旦斷電后再恢復供電，均需要一定的時間才能恢復工作。雖然在系統設計時，考慮了最不利情況下的電源轉換方案，但是實際在演出時，必須確保這類負荷電源不間斷，盡可能避免出現備用電源的切換，因此供電方案中電源的冗余度、電源轉換的可靠性及轉換時間、電源的抗沖擊能力都需要設計師重點考慮，同時還要根據電源方案和負載特性對末端負載采用不同的配電方式。

3 開閉幕式臨時用電低壓配電系統探討

大型賽會開閉幕式用電設備眾多，用電負荷性質不一，除了各種燈光類負載外，還有地面舞臺機械、威亞、水特效、火炬塔機械等多種電機類負載，容量很大，通常會設置大量的二級配電箱，用電點較為分散，若全部采用UPS供電或雙電源末端切換供電方式較不現實，因此需要根據負荷的重要性及負載特性來確定合理的低壓配電方式，通常有圖5所示的幾種配電方式。

注：1：直接放射式供電到二級配電箱；2：單電源加裝UPS供電；3：雙電源適當位置切換后供電；4：雙電源末端切換，并配置UPS不間斷電源。圖5 開閉幕式低壓配電方式

根據運行經驗證明，在正確可靠施工并試驗合格后，柴油發電機組、變壓器和線路都是可靠的供電元件，在電源側考慮多種電源供電及充足冗余度的情況下，由于線路故障造成用電設備斷電的情況極少，且這種事故往往都是由于誤操作造成，在加強電力保障、健全必要的規章制度后完全可以避免，因此在開閉幕式低壓配電設計時，應力求按“簡單的才是可靠的”供電原則，減少配電級數及中間環節切換。

針對不同負荷特性，采取以下配電策略：(1)對于核心控制機房等負載，應考慮雙電源末端切換并配置帶冗余的UPS不間斷電源。(2)對于大功率舞臺機械電機類負載，可以采用直接放射式供電到二級配電箱或者采用雙電源在適當位置互切后供電。(3)對于場地燈光類負荷，結合專業設計的點位布置，可以采取兩路單電源交叉供電的方式，任意一路電源斷電只影響場地燈光的亮度，不影響整體效果。(4)部分大功率回路，末端不具備設置UPS的條件可以在前端設置帶冗余的UPS不間斷電源后供電。

此外，筆者經過調研發現，近年來國內在大型賽會開閉幕式供配電設計中出現了一些誤區，有些設計方案似乎認為各種極端故障情況考慮得越全面，電源和線路冗余度越高，各種電源切換次數越多，系統就越可靠，甚至出現了從電源側到末端有4～5級ATSE切換的配電系統，其實無論設置多少ATSE，其在進行電源轉換時都需要一定的轉換時間，并不能滿足不間斷供電的要求，且多級轉換的ATSE還要考慮上下級轉換配合問題，轉換級數越多，其靠近末端的ATSE轉換時間越長。另外，ATSE雙電源轉換開關數量增多，由于電氣設備故障造成斷電的機率也隨之增加，反而降低了供電可靠性，所以低壓配電設計中應盡量減少中間的配電及轉換環節。

4 結束語