智慧配電系統(tǒng)在會展建筑中應(yīng)用

王 磊

(清華大學(xué)建筑設(shè)計研究院有限公司，北京 100084)

0 引言

隨著我國“2030 年完成碳達(dá)峰，2060 碳完成中和”國家戰(zhàn)略發(fā)展目標(biāo)的提出，各地對于低排放型行業(yè)的支持力度大幅增加。 會展經(jīng)濟(jì)由于其碳排放指標(biāo)低、輻射周邊經(jīng)濟(jì)能力強(qiáng)，作為綠色行業(yè)的代表成為多個城市建設(shè)的重點(diǎn)發(fā)展對象。 根據(jù)2019 年國家貿(mào)易促進(jìn)委員會的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，國內(nèi)現(xiàn)有會展中心數(shù)量173 個，當(dāng)年舉辦展會達(dá)1.09 萬場，為當(dāng)?shù)貛砹藰O大的經(jīng)濟(jì)效益。 作為承載會展經(jīng)濟(jì)的主體，會展建筑自然也成為設(shè)計行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。

會展建筑雖然屬于民用建筑的范疇，但是因使用功能的原因，存在一些特點(diǎn)使其又有別于常規(guī)民用建筑。

首先，會展建筑規(guī)模較大，單體展廳面積在幾千到一萬多平方米，結(jié)合會議、酒店、商業(yè)的會展綜合體面積都在幾十萬平方米，現(xiàn)在國內(nèi)已經(jīng)有多個大型會展中心的總面積超過100 萬m2。

其次，會展建筑因使用功能所引起的“全生命期施工”是其另一個特點(diǎn)。 一般民用建筑只在建設(shè)階段施工，使用期間只有少量修改和維護(hù)施工。 但是對于會展建筑，建設(shè)施工階段完成后，只是為舉辦展會提供了基礎(chǔ)平臺。 后期每次展會都會根據(jù)參展商要求搭建臨時參展建筑，根據(jù)參展規(guī)模不同會包括土建和電氣等施工內(nèi)容。 展覽期結(jié)束，撤展時再施工將臨時建筑拆除。

針對這些特點(diǎn)，會展建筑的電氣設(shè)計也與常規(guī)民用建筑有所不同，主要體現(xiàn):一是會展建筑中參展商使用的臨時負(fù)荷占比較大，展廳配電室中設(shè)置區(qū)域配電箱/柜，配出電纜通過綜合展溝至展位區(qū)域的展位箱。 二是由于展會性質(zhì)的多樣性，電氣設(shè)計在展廳配電中以預(yù)留為主，提供標(biāo)準(zhǔn)的配電接口。 包括配電室內(nèi)配電柜內(nèi)預(yù)留的160－400A 的塑殼斷路器、展位箱內(nèi)預(yù)留的16－63A 微型斷路器和少量塑殼斷路器，通過防水型工業(yè)連接器引出電源至用戶配電箱。 三是展會的周期性和不同類型帶來用電負(fù)荷的不均衡性和不穩(wěn)定性。

1 傳統(tǒng)配電在會展建筑中存在問題

根據(jù)會展建筑特點(diǎn)設(shè)計的傳統(tǒng)配電系統(tǒng)，基本可以滿足展會的使用需求。 但隨著政府主管部門對人員密集場所的安全管理越來越嚴(yán)格，參展商對于展會期間供電連續(xù)性的需求越來越高，展廳運(yùn)營方也將精細(xì)化配電的要求提上議程。 傳統(tǒng)的配電系統(tǒng)在會展建筑中應(yīng)用不是越來越凸顯。

根據(jù)筆者對曾經(jīng)參與設(shè)計的幾個會展項目的后期評估，傳統(tǒng)配電系統(tǒng)的不足主要體現(xiàn)在如下幾個方面。

(1)存在電氣安全風(fēng)險。 由于會展建筑中存在由參展商參與施工的臨時展臺，雖然國家、行業(yè)和運(yùn)營方均出臺了相關(guān)的施工技術(shù)要求，但基于時間和成本約束，實(shí)際上電氣施工，無法完全得到監(jiān)管，配電和布線系統(tǒng)存在隱患，且會展建筑規(guī)模大，監(jiān)管部門查找故障點(diǎn)的困難也較大。 在傳統(tǒng)配電基礎(chǔ)上，雖然可以在展位箱內(nèi)設(shè)置剩余電流監(jiān)控系統(tǒng)和故障電弧保護(hù)電器，但展位箱內(nèi)新增加的互感器、保護(hù)電器和輔助設(shè)備，會帶來安裝空間、電磁干擾、散熱、防水、數(shù)據(jù)延遲、維護(hù)等一系列問題。

(2)供電連續(xù)性差。 由于采用展溝內(nèi)展位箱配電的方式，若展溝或展位箱上方有展品布置，壓占了展位溝蓋板，那么一旦展位箱內(nèi)保護(hù)電器動作，現(xiàn)場不易操作電器設(shè)備，不能及時恢復(fù)供電，造成參展商的供電連續(xù)性無法保證。 如果運(yùn)營商與參展商簽訂的合同中包含供電可靠性的條款，很可能因此而遭到索賠。

(3)運(yùn)維困難。 由于會展項目規(guī)模大，從安全和運(yùn)行的角度，都需要對現(xiàn)場的電氣運(yùn)行情況做到及時掌控，而展廳內(nèi)配電設(shè)備數(shù)量眾多、位置分散，由運(yùn)維人員巡檢監(jiān)測各處配電箱。 依靠人力實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的抄采和整理，不僅耗時、容易出錯，人力成本不斷增加的社會背景也是需要考慮的一個弊端。

與之前提到的安全相關(guān)的監(jiān)控系統(tǒng)類似，傳統(tǒng)的配電系統(tǒng)也可以通過裝設(shè)計量儀表，通過有線和無線的方式傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測的功能。 但是，傳統(tǒng)配電系統(tǒng)在采集各類數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)之間無法形成有效聯(lián)通，導(dǎo)致的“信息孤島”影響了數(shù)據(jù)的分析處理與再利用。 這種“頭痛醫(yī)頭，腳痛醫(yī)腳”的方式無法適應(yīng)不斷發(fā)展的現(xiàn)代化管理要求。 那么除了在傳統(tǒng)配電系統(tǒng)上附加各種監(jiān)測設(shè)備和附件外，是否還有更安全、合理和集成的方案，是提給電氣設(shè)計行業(yè)的現(xiàn)實(shí)問題。

2 智慧配電系統(tǒng)在會展配電系統(tǒng)中應(yīng)用

隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)在這幾年的進(jìn)步，網(wǎng)絡(luò)化、集成化的智慧配電系統(tǒng)為建筑電氣設(shè)計提供了新的選擇。

智慧配電系統(tǒng)是采用了先進(jìn)傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、高速網(wǎng)絡(luò)、人工智能、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，對配電系統(tǒng)實(shí)施數(shù)據(jù)采集、分析和處理，并進(jìn)行設(shè)備控制的集成系統(tǒng)。 與傳統(tǒng)配電系統(tǒng)增加各種監(jiān)控子系統(tǒng)的差別，在于智慧配電系統(tǒng)將分散和獨(dú)立運(yùn)行的各個子系統(tǒng)整合互聯(lián)，并統(tǒng)一管理，使得系統(tǒng)具有更好的集成性和開放性，從而提高用電的安全可靠性和智能化管理水平。

智慧配電系統(tǒng)通常分為現(xiàn)場設(shè)備層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和應(yīng)用層三層。 現(xiàn)場設(shè)備層包括安裝在現(xiàn)場的各類設(shè)備，如傳感器、探測器、變送器、控制器等，可以實(shí)現(xiàn)電流、電壓、溫度、故障電弧等參數(shù)和狀態(tài)的采集以及開關(guān)設(shè)備的遠(yuǎn)控開閉操作；網(wǎng)絡(luò)傳輸層是通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備層與應(yīng)用層之間無縫實(shí)時的數(shù)據(jù)連接；應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)各類與用戶相關(guān)的應(yīng)用，包括人機(jī)接口、數(shù)據(jù)分析、處理等功能。智慧配電系統(tǒng)的框圖見圖1。

圖1 智慧配電系統(tǒng)拓?fù)鋱D

采用智慧配電系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)更多的功能，管理更加方便，但項目投資也會相應(yīng)增加。 由于采用智慧配電系統(tǒng)并不是唯一的解決方案，那么判斷其是否適用于某個具體的項目，需要從技術(shù)和投資兩個方面綜合考慮。

(1)技術(shù)角度

首先要看傳統(tǒng)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)是否滿足要求，數(shù)據(jù)的種類、精度、采樣率、實(shí)時性能否滿足運(yùn)維的要求。 同時要看傳統(tǒng)系統(tǒng)的分散采集是否在配電系統(tǒng)的安裝、維護(hù)中存在問題，而采用智慧配電的集成采集能否解決上述問題。

其次，要關(guān)注是否需要配電系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。通常的低壓配電系統(tǒng)無需遠(yuǎn)控，如果需要遠(yuǎn)程控制，需要提供全面和實(shí)時的信息，保證現(xiàn)場足夠“透明”，運(yùn)維人員和控制系統(tǒng)才能在遠(yuǎn)程決定，能否對某個元件發(fā)出動作指令。 例如，當(dāng)某個斷路器分?jǐn)嗪螅绻谶h(yuǎn)程不能確定分?jǐn)嗟脑颍€路或設(shè)備故障是否存在，負(fù)載情況如何，供電后設(shè)備啟動有無安全隱患，貿(mào)然閉合斷路器必然存在極大的風(fēng)險。

最后，要看是否需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。沒有經(jīng)過處理的原始數(shù)據(jù)等同于數(shù)據(jù)“垃圾”。 只有讓處理后的數(shù)據(jù)能為用戶帶來實(shí)際效益，設(shè)計帶有各種頂層應(yīng)用的智慧配電系統(tǒng)才有意義。

(2)投資角度

首先要確定是否從全生命期角度判斷投資回報率。 如果不考慮智慧配電系統(tǒng)在建成后，因提高管理水平、降低運(yùn)維費(fèi)用所帶來的效益。 僅從初投資角度，智慧配電系統(tǒng)是無法與傳統(tǒng)配電系統(tǒng)比較的。

筆者以會展建筑為例，從技術(shù)和投資兩個方面分析智慧配電系統(tǒng)是否適用于會展類建筑，以及智慧配電系統(tǒng)能否解決傳統(tǒng)配電系統(tǒng)在會展建筑電氣中存在的問題。

首先，在數(shù)據(jù)采集方面，前文已經(jīng)提到，會展建筑中大量臨時系統(tǒng)，可以通過全面監(jiān)控的手段降低電氣安全風(fēng)險。 展位箱內(nèi)如果設(shè)置智能斷路器，能采集了本展位的電流、電壓、剩余電流、電弧參數(shù)、觸點(diǎn)溫度。 就可以精確判斷展位端電氣運(yùn)行情況，不僅可以依靠斷路器等保護(hù)電器對過載、短路、接地、電弧等故障實(shí)施保護(hù)。 還能在出現(xiàn)異常時，提前主動報警，提醒運(yùn)維人員處理問題，防止事故擴(kuò)大。 筆者曾在某會展中心發(fā)現(xiàn)一例安全事故，參展商在布展中為一臺LED 大屏違規(guī)明敷了1.5mm2截面的導(dǎo)線，導(dǎo)線在安裝中絕緣損壞，發(fā)生了短路故障，由于其截面小、線路阻抗大。 展位箱中為參展商供電的63A 的斷路器未達(dá)到瞬動脫扣閾值，而參展商自己的配電箱中此回路采用了負(fù)荷開關(guān)，不具備短路保護(hù)功能，故障持續(xù)存在，中性線和相線短路導(dǎo)致剩余電流系統(tǒng)也未報警。 但由于此會展中心采用了智慧配電系統(tǒng)，展位箱采集上傳了相電流、觸點(diǎn)溫度等數(shù)據(jù)。 事故發(fā)生后，監(jiān)控主機(jī)就給出了回路運(yùn)行電流異常(電流超過斷路器的過載整定值，持續(xù)時間大于10s)，且端子溫升異常的報警彈框。 運(yùn)維人員根據(jù)提示，迅速到現(xiàn)場處理了問題，避免了事故擴(kuò)大。 可以想象，如果采用常規(guī)配電系統(tǒng)，等斷路器通過反時限過載脫扣切除故障，不僅事故存在時間長，現(xiàn)場有較大的風(fēng)險，而且斷電不可預(yù)測，發(fā)生故障后，現(xiàn)場不易迅速判斷事故原因，影響展會正常運(yùn)行。

這種情況下可以看出，采用智慧配電系統(tǒng)由于采集了更全面的數(shù)據(jù)，通過功能完善的應(yīng)用系統(tǒng)，有能力主動處理故障，與傳統(tǒng)配電系統(tǒng)的被動應(yīng)對相比更具安全性。

當(dāng)然，也應(yīng)注意到，由于會展建筑中存在大量的臨時施工、臨時建筑，施工質(zhì)量無法保證，智慧配電系統(tǒng)的上述優(yōu)勢才比較明顯。 對于常規(guī)的民用建筑，由于工程由專業(yè)施工單位實(shí)施，監(jiān)理單位和政府質(zhì)監(jiān)多方監(jiān)控，施工質(zhì)量相對有保障，上述施工安全問題較少，采用智慧配電系統(tǒng)進(jìn)行主動應(yīng)對的必要性就不是特別充分。

其次，在遠(yuǎn)程控制方面，會展建筑存在此類需求。 例如，會展閉館期間，可以統(tǒng)一遠(yuǎn)程控制展位箱斷電，開展時，再遠(yuǎn)程控制供電。 既減少電氣安全風(fēng)險，也降低了損耗。 雖上述操作通過人工也可實(shí)現(xiàn)，但是工作量極大。 其次，如果在展廳中采用展溝中設(shè)置展位箱的方式，考慮存在上文提到展位壓占展溝蓋板的情況，當(dāng)需要操作展位箱內(nèi)斷路器時，具備遠(yuǎn)程操作功能可以減少斷電時間，方便運(yùn)維。 而且，當(dāng)收集有足夠設(shè)備信息，包括部分智慧配電系統(tǒng)具備的故障錄波功能，應(yīng)用平臺的專家系統(tǒng)或運(yùn)維人員能快速準(zhǔn)確分析故障，如能判斷故障已經(jīng)消除，可以遠(yuǎn)程控制操作斷路器，這也是會展建筑特有的需求。

在常規(guī)低壓配電系統(tǒng)中，通常遵循“只監(jiān)不控”的原則，其中的重要原因就是現(xiàn)場信息的不透明，運(yùn)維人員不掌控所有相關(guān)信息，自然不能隨意控制遠(yuǎn)方的電器設(shè)備。 所以在現(xiàn)階段，遠(yuǎn)控不是低壓配電系統(tǒng)的常規(guī)配置，但是，隨著人力成本的增加，智慧配電系統(tǒng)的日漸成熟，可以預(yù)見到，低壓配電系統(tǒng)的遠(yuǎn)程操控將會越來越普遍。

最后，在數(shù)據(jù)分析和處理層面，會展建筑分級用戶多，數(shù)據(jù)量大，計量、計費(fèi)、用電預(yù)測等都需要數(shù)據(jù)支持。 雖然會展行業(yè)通常采用“一價全包”，按展位面積和數(shù)量收費(fèi)，電費(fèi)整合在展位費(fèi)中，但是，現(xiàn)在行業(yè)內(nèi)已經(jīng)有精細(xì)化收費(fèi)的趨勢。 這就要求對各展位單獨(dú)計量、單獨(dú)核算。 要在短時間內(nèi)完成眾多參展商的海量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、篩選、計算、生成表格，只有專用的數(shù)據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)，同時還能具備可擴(kuò)展性應(yīng)對未來的各種改造和擴(kuò)建。

對于會展中出現(xiàn)的故障情況，如果采集了故障錄波數(shù)據(jù)，就可以迅速分析故障原因，定性和定量故障情況，明確故障責(zé)任，減少運(yùn)營商與參展商的索賠糾紛。

在平時應(yīng)用中，通過分析各類不同展會的數(shù)據(jù)，可以提前做出負(fù)荷預(yù)測，方便供電管理。 采用專家系統(tǒng)分析數(shù)據(jù)，可以提供節(jié)能建議，降低能耗。

總之，從上面的應(yīng)用可以看出，針對會展建筑，智慧配電系統(tǒng)能夠提高供電可靠性，方便運(yùn)維管理。 如果建設(shè)方在初期投資上能夠認(rèn)同其增加的成本，采用智慧配電系統(tǒng)是存在可行性的。

以筆者參與設(shè)計的某會展建筑為例，建筑面積約40 萬m2。 此項目性質(zhì)為公私合營(PPP)，建設(shè)方同時擁有30 年運(yùn)營權(quán)，收入用于沖抵建設(shè)費(fèi)用。因此建設(shè)方對于后期的運(yùn)營成本非常關(guān)注。 也要求能通過高水平服務(wù)占領(lǐng)更多市場。 設(shè)計團(tuán)隊在方案階段與運(yùn)營方經(jīng)方案比選、投資分析，綜合考慮后，在會展中心的展廳區(qū)設(shè)置了智慧配電系統(tǒng)，會議區(qū)按傳統(tǒng)配電系統(tǒng)設(shè)置。

在實(shí)施方案中，所有展位箱、展廳配電箱設(shè)置了智能型斷路器，可測量電流、電壓和觸頭溫度等參數(shù)。 斷路器配電操作機(jī)構(gòu)，可以遠(yuǎn)控開閉。 在配電箱內(nèi)采用現(xiàn)場總線，配電箱外采用TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)傳輸，在保證數(shù)據(jù)實(shí)時性的基礎(chǔ)上，也降低了成本。在應(yīng)用層，設(shè)置了能耗計量、故障預(yù)警、剩余電流報警、故障電流專家分析、三維電子地圖等應(yīng)用。

因設(shè)計了智慧配電系統(tǒng)，項目設(shè)備初期投資增加了約1 560 萬。 但是后期運(yùn)營減少的人力資源成本、管理費(fèi)用等，經(jīng)核算每年可節(jié)省費(fèi)用約34 萬余元。 考慮智能設(shè)備維護(hù)、更換的費(fèi)用，理論上47 年可收回初投資成本。 對于建筑50 年的設(shè)計壽命而言，很難說帶來直接的經(jīng)濟(jì)效益。 但是使用方更關(guān)注智慧配電系統(tǒng)帶來的服務(wù)質(zhì)量提升，項目建成三年間，用戶反饋良好。 現(xiàn)在運(yùn)營方已經(jīng)考慮將會議區(qū)的普通配電系統(tǒng)改為無線傳輸?shù)闹腔叟潆娤到y(tǒng)。

3 結(jié)束語

智慧配電系統(tǒng)是將先進(jìn)傳感器、控制器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和頂層應(yīng)用集成到傳統(tǒng)配電系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)配電數(shù)據(jù)的采集、分析和處理，提升建筑的整體運(yùn)維管理水平。

會展建筑由于規(guī)模大，電氣安全風(fēng)險大，供配電管理要求高，傳統(tǒng)配電系統(tǒng)應(yīng)用中存在一些問題，而智慧配電系統(tǒng)在會展建筑中能充分發(fā)揮其優(yōu)勢。 但是，也應(yīng)注意到，智慧配電系統(tǒng)現(xiàn)在還屬于應(yīng)用的初期階段，并未對傳統(tǒng)配電系統(tǒng)形成本質(zhì)上的變革，達(dá)到壓倒性優(yōu)勢，兩種系統(tǒng)必然在未來一段時間內(nèi)同時并存。 正是由于沒有唯一答案，對于是否設(shè)置智慧配電系統(tǒng)，就更要求設(shè)計師針對項目的特征與運(yùn)行特點(diǎn)，綜合分析，謹(jǐn)慎確定系統(tǒng)形式。