數字化配電系統的應用

吳 斌

（湖南省建筑設計院有限公司，長沙410012）

0 引言

目前全球能源消耗日益增長，能源短缺問題已被全世界共同關注。 建筑行業的高耗能已不能適應能源現狀，綠色節能環保的建筑已成未來發展的主流。

在建筑電氣設計中，積極落實節能環保、先進合理的設計原則，前提是要對電氣設備的運行情況進行詳細調查，做到“心中有數”。 當前萬事萬物都在向數字化發展，湖南省建筑設計院有限公司在其新辦公樓的建設過程中，進行了數字化配電嘗試，本文將對此次嘗試進行全面分析，得出結論與各位同行分享。

1 對數字化配電的需求

由于業務需求，湖南省建筑設計院有限公司在2016 年新落成一座多層辦公樓，地上面積約25 000m2，地 下 面 積 約10 800m2， 其 中 車 庫 約5 900 m2。

該辦公樓的設計始于2013 年底，設計之初筆者團隊提出要做合理的電氣設計：協調好“實測數據、手冊指標、使用者需求”這三者之間的關系，而這些都需要有大量實測數據作為支撐。 所以在設計前期筆者團隊就計劃將新辦公樓的配電系統進行數字化設計以獲得關于辦公建筑的實際測量數據，作為將來設計類似建筑的數據基礎以及對本項目進行節能分析的依據。

筆者團隊沒有采用“普通斷路器＋數字儀表”的設計，而是直接采用了數字化斷路器方案。 因為除了常規電參量以外，該方案還能采集斷路器本身更多的參數，比如脫扣報警信息、保護整定值、觸頭磨損率、斷路器運行事件、控制單元溫度等，在運維中需要這些數據來解決系統安全方面出現的問題，而獨立外置的數字儀表并不能提供這些參數。 為保證通訊帶寬滿足數字化需要，團隊為所有的互聯設備劃分了獨立的IP 地址和網段接入公司內網，既把分布在不同位置的互聯設備高速便捷地連接起來，工作人員也可以靈活地在辦公樓不同場所訪問應用。 同時，獨立網段保證了這些設備的通訊速度，做到原始數據不丟失。 最終形成的數字化配電系統架構如圖1 所示。

2 數字化帶來的改變

通過對數字化配電系統采集到的大量數據進行分析，可以在很多方面改善配電系統的安全性，解決能耗問題，也能夠作為其他設計項目的借鑒。

本項目設置了三種分析軟件平臺，取自某品牌的PME、千里眼和云能效。 本文將通過一些實際案例分享數字化帶來的改變。

圖1 數字化配電系統架構示意圖

2.1 對系統安全及資源配置的影響

眾所周知，電氣設計前期會針對所有負載進行負荷計算，負荷計算的結果是進行斷路器整定的重要依據。 但在實際運行中往往會發生理論計算和實際運行的偏差，斷路器的整定值可能偏大也可能偏小，這對系統安全來說是存在隱患的，對整個配電系統也會造成資源配置不合理的問題。 數字化配電系統在采集大量數據的前提下，通過后臺數據分析，可以根據每條回路的實際最大需求量測算當前回路上斷路器的整定值是否合適，并給出一個推薦的整定值。 但軟件的推薦值是基于一個固定算法，并不會針對每種負載的特殊性做出相應變化。所以在本項目中，筆者先調取了每條回路的實時電流曲線，對每一條回路進行查看，再結合軟件給出的推薦整定值進行判斷、分析，最終調整了18 個斷路器的長延時整定值，達到了全系統有效饋線回路的45%，通過1 年的實際運行，調整后的長延時整定值并未發生任何故障。 系統部分回路設計參數與運行參數的比對如表1 所示。

部分回路設計參數與運行參數的比對 表1

從表1 可以看出，大部分回路（尤其是照明、電梯回路）的實際運行電流都比計算值要小，甚至小很多，實際運行數據和理論計算值存在一定的差異，這些針對斷路器整定值的調整可以讓配電系統變得更加安全。 試想如果沒有數字化配電系統提供的大量實測數據，維護人員根本無法快速實施這么大規模的調整計劃，也無法做到將事故隱患消除，只能采取等到發生事故后再分析處理的老方式。

2.2 對設計的影響

2.2.1 功率因數實測

本項目的變配電所在投入運行后，從功率因數控制器上看功率因數一直很高，但從低壓補償柜的實際運行看電容基本沒有投入運行，也就是說在補償電容基本不投入的前提下低壓側功率因數已經很高。 在以往的設計中，設計師一般根據變壓器容量采用一個固定比例來設置電容的補償量，但從本項目實測數據上分析，在現代辦公建筑中，實際上存在很多的容性負載，在這種前提下，可以適當減少變壓器低壓側的電容補償量，對工程的前期投資有很積極的意義。

從表2 以及下文中的圖5、圖8、圖11 的測量結果可以看出，本項目中的LED 燈具、插座負載呈容性負載特征，而VRV 空調主機在運行和不運行時呈現出兩種不同特征：開機運行時為高感性負載，功率因數維持在0.9 以上；而當空調主機待機（如夜間及過渡季）時為容性負載。

風冷熱泵日報表 表2

由表2 可知，本項目中容量最大的兩類負載（空調和照明插座）為高感性或容性負載。 基于此，本項目設置的兩臺300kVar 補償電容柜幾乎沒有投入運行，而功率因數在日間依然可以維持在一個很高的水平，基本為0.9 ～1。 整棟樓的整體功率因數曲線見圖2，在感性0.90 至容性0.74 之間波動。基于以上結論，筆者認為在設計類似項目時，變配電所內的電容補償容量可以適當減小，不一定要按照變壓器的30%容量來設置。

圖2 總功率因數曲線圖

2.2.2 空調配電回路、照明插座配電回路測量

項目中筆者對空調配電回路、照明插座配電回路進行了實地測量，得到的數據記錄詳見圖3 ～9。從測量結果可見諧波問題比較嚴重，有必要設置有源濾波器等設備來改善諧波問題。

圖3 總諧波頻譜

在變壓器低壓側母線上測量得到的諧波頻譜如圖3 所示，可以看出3／5／7 次諧波是主要諧波類別，5 次諧波尤其嚴重。 為了查明各種負載類型的諧波特征，分別針對VRV 空調、LED 照明、插座回路進行了細分測量，具體表現如下。

（1）VRV 空調的相關電能質量測量數據如圖4～6，可見VRV 主機的電流畸變很嚴重，波形呈典型的6脈沖整流特征，同時測量結果也顯示VRV 主機在開機時的功率因數達到感性0.9，是高感性負載，同時其諧波成分主要是5／7／11／13 次，3 次諧波成分很少。

（2）LED 照明回路的相關電能質量測量數據如圖7～9，可以看到相關回路的電流畸變也很嚴重，同時測量結果也顯示LED 照明回路的功率因數為容性0.87 左右，其諧波成分主要是3／5／7／9／11 次，7次以上諧波成分很少。

（3）插座回路的相關電能質量測量結果及電流畸變情況與LED 照明回路很類似，測量結果顯示插座回路的功率因數為容性0.87 左右，其諧波成分主要是3／5／7／9 次，9 次以上諧波成分很少。

圖4 VRV 主機的電壓、電流波形

圖5 VRV 主機的電參數

圖6 VRV 主機的諧波頻譜

圖7 LED 燈具回路的電壓、電流波形

2.2.3 小結

由上述數據和圖表可看出，本項目中諧波含量較大，電能質量亟待改善。 基于以上結論，筆者團隊認為在設計類似項目時，如果項目中存在大量的變頻空調、個人電腦、LED 光源等，建議考慮設置APF 有源濾波器來改善諧波畸變情況。

圖8 LED 燈具照明回路的電參數

圖9 LED 燈具照明回路的諧波頻譜

2.3 對節能潛力的挖掘

本項目使用了大量的VRV 空調，而為了對比不同形式空調能耗情況，團隊分別設置了水源熱泵VRV 和風冷熱泵VRV 兩種形式的主機。 從理論上，風冷熱泵VRV 能耗水平應該偏高，但是當調取了能耗數據進行對比后，發現與理論數據相悖。 數據顯示除了7～8 月以外，其他月份風冷熱泵的單位面積能耗指標更低。 由此可見，系統在某些節點存在問題。

通過將4 月及10 月過渡季的所有空調回路耗電量繪制成曲線進行比對，發現水源熱泵系統的待機電量不正常地高于風冷熱泵系統。 由圖10 可見，1P4－6 回路上的風冷熱泵VRV 空調主機安裝容量為250kW，過渡季待機電量均不到1 000kWh，但是1P6－8 回路上的水源熱泵VRV 空調主機安裝容量僅為100kW，過渡季的待機電量卻分別達到了4 800／7 000kWh。由此可見，在水源熱泵系統內某些設備在不正常的長期不間斷運行。

以1P6－8 回路為例，找出這條回路在2018 年2月的日能耗曲線，發現在春節期間這條回路每天有近60kWh 的耗電量，非常平穩。 但春節期間空調系統應該是不工作的，對于出現的異常情況進行進一步分析。

圖10 過渡季空調主機待機電量比對

調出系統中2018－2－17 日1P6－8 這條回路的小時運行曲線，發現這條回路在主機停機的前提下一直維持了一個2.5kW 左右的負載持續24h 運行。

通過深挖數據及分析得出：水源熱泵系統內含有配套水泵，這些水泵由于某些原因自動聯鎖功能失效導致長期運行，產生不必要的大量能耗；而風冷熱泵系統內只有主機，當主機停止運行后整個系統就處于待機狀態。

從上述實例可以得出，能耗的節約往往隱藏在各種各樣的細節之中，如果不對這些細節進行關注、深度挖掘，可能無法意識到能源浪費，也無法發現這些不正常能耗產生的原因，更談不上有針對性的改善措施。 如果沒有數字化配電系統帶來的大量數據以及分析數據的靈活手段，要關注到這些細節之處是較難實現的。

3 結束語

互聯互通的設備可以提供豐富的設備信息和運行信息，形成的大數據反饋給數字化軟件、App 和后端，經過分析處理，可實現全方面的管理，高效地滿足各種需求。

關于數字化在配電系統中的應用，筆者團隊通過三年來在項目中的實踐形成了一些自己的看法，希望能與各位同行進行分享。

（1）數字化配電系統能給用戶提供一座數據寶庫，從海量的數據中可以挖掘出非常多有價值的信息，如節能、安全等方面。

（2）數字化配電系統的硬件、軟件、分析和服務三者缺一不可，尤其是數據分析。 如果沒有數據分析，那么在硬件、軟件上的投資將很可能得不到相應的回報。

（3）數字化配電系統可以讓配電系統更穩定、安全、節能、有持續性。

（4）數字化配電系統能讓管理人員更清晰地了解整個系統的運作狀態，做到防患于未然，這對項目的維護管理人員意義非凡。

如果所有的建筑都能采用數字化配電系統，并以系統提供的大數據作為支撐，那么將來的設計必然會更加合理完善。