吳 斌

（湖南省建筑設(shè)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(guān)注。 建筑行業(yè)的高耗能已不能適應(yīng)能源現(xiàn)狀，綠色節(jié)能環(huán)保的建筑已成未來發(fā)展的主流。

在建筑電氣設(shè)計中，積極落實節(jié)能環(huán)保、先進(jìn)合理的設(shè)計原則，前提是要對電氣設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，做到“心中有數(shù)”。 當(dāng)前萬事萬物都在向數(shù)字化發(fā)展，湖南省建筑設(shè)計院有限公司在其新辦公樓的建設(shè)過程中，進(jìn)行了數(shù)字化配電嘗試，本文將對此次嘗試進(jìn)行全面分析，得出結(jié)論與各位同行分享。

1 對數(shù)字化配電的需求

由于業(yè)務(wù)需求，湖南省建筑設(shè)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(shè)計始于2013 年底，設(shè)計之初筆者團(tuán)隊提出要做合理的電氣設(shè)計：協(xié)調(diào)好“實測數(shù)據(jù)、手冊指標(biāo)、使用者需求”這三者之間的關(guān)系，而這些都需要有大量實測數(shù)據(jù)作為支撐。 所以在設(shè)計前期筆者團(tuán)隊就計劃將新辦公樓的配電系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計以獲得關(guān)于辦公建筑的實際測量數(shù)據(jù)，作為將來設(shè)計類似建筑的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)以及對本項目進(jìn)行節(jié)能分析的依據(jù)。

筆者團(tuán)隊沒有采用“普通斷路器＋數(shù)字儀表”的設(shè)計，而是直接采用了數(shù)字化斷路器方案。 因為除了常規(guī)電參量以外，該方案還能采集斷路器本身更多的參數(shù)，比如脫扣報警信息、保護(hù)整定值、觸頭磨損率、斷路器運(yùn)行事件、控制單元溫度等，在運(yùn)維中需要這些數(shù)據(jù)來解決系統(tǒng)安全方面出現(xiàn)的問題，而獨(dú)立外置的數(shù)字儀表并不能提供這些參數(shù)。 為保證通訊帶寬滿足數(shù)字化需要，團(tuán)隊為所有的互聯(lián)設(shè)備劃分了獨(dú)立的IP 地址和網(wǎng)段接入公司內(nèi)網(wǎng)，既把分布在不同位置的互聯(lián)設(shè)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(yīng)用。 同時，獨(dú)立網(wǎng)段保證了這些設(shè)備的通訊速度，做到原始數(shù)據(jù)不丟失。 最終形成的數(shù)字化配電系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

2 數(shù)字化帶來的改變

通過對數(shù)字化配電系統(tǒng)采集到的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以在很多方面改善配電系統(tǒng)的安全性，解決能耗問題，也能夠作為其他設(shè)計項目的借鑒。

本項目設(shè)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(shù)字化帶來的改變。

圖1 數(shù)字化配電系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

2.1 對系統(tǒng)安全及資源配置的影響

眾所周知，電氣設(shè)計前期會針對所有負(fù)載進(jìn)行負(fù)荷計算，負(fù)荷計算的結(jié)果是進(jìn)行斷路器整定的重要依據(jù)。 但在實際運(yùn)行中往往會發(fā)生理論計算和實際運(yùn)行的偏差，斷路器的整定值可能偏大也可能偏小，這對系統(tǒng)安全來說是存在隱患的，對整個配電系統(tǒng)也會造成資源配置不合理的問題。 數(shù)字化配電系統(tǒng)在采集大量數(shù)據(jù)的前提下，通過后臺數(shù)據(jù)分析，可以根據(jù)每條回路的實際最大需求量測算當(dāng)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(fù)載的特殊性做出相應(yīng)變化。所以在本項目中，筆者先調(diào)取了每條回路的實時電流曲線，對每一條回路進(jìn)行查看，再結(jié)合軟件給出的推薦整定值進(jìn)行判斷、分析，最終調(diào)整了18 個斷路器的長延時整定值，達(dá)到了全系統(tǒng)有效饋線回路的45%，通過1 年的實際運(yùn)行，調(diào)整后的長延時整定值并未發(fā)生任何故障。 系統(tǒng)部分回路設(shè)計參數(shù)與運(yùn)行參數(shù)的比對如表1 所示。

部分回路設(shè)計參數(shù)與運(yùn)行參數(shù)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(yùn)行電流都比計算值要小，甚至小很多，實際運(yùn)行數(shù)據(jù)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(diào)整可以讓配電系統(tǒng)變得更加安全。 試想如果沒有數(shù)字化配電系統(tǒng)提供的大量實測數(shù)據(jù)，維護(hù)人員根本無法快速實施這么大規(guī)模的調(diào)整計劃，也無法做到將事故隱患消除，只能采取等到發(fā)生事故后再分析處理的老方式。

2.2 對設(shè)計的影響

2.2.1 功率因數(shù)實測

本項目的變配電所在投入運(yùn)行后，從功率因數(shù)控制器上看功率因數(shù)一直很高，但從低壓補(bǔ)償柜的實際運(yùn)行看電容基本沒有投入運(yùn)行，也就是說在補(bǔ)償電容基本不投入的前提下低壓側(cè)功率因數(shù)已經(jīng)很高。 在以往的設(shè)計中，設(shè)計師一般根據(jù)變壓器容量采用一個固定比例來設(shè)置電容的補(bǔ)償量，但從本項目實測數(shù)據(jù)上分析，在現(xiàn)代辦公建筑中，實際上存在很多的容性負(fù)載，在這種前提下，可以適當(dāng)減少變壓器低壓側(cè)的電容補(bǔ)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(jié)果可以看出，本項目中的LED 燈具、插座負(fù)載呈容性負(fù)載特征，而VRV 空調(diào)主機(jī)在運(yùn)行和不運(yùn)行時呈現(xiàn)出兩種不同特征：開機(jī)運(yùn)行時為高感性負(fù)載，功率因數(shù)維持在0.9 以上；而當(dāng)空調(diào)主機(jī)待機(jī)（如夜間及過渡季）時為容性負(fù)載。

風(fēng)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(fù)載（空調(diào)和照明插座）為高感性或容性負(fù)載。 基于此，本項目設(shè)置的兩臺300kVar 補(bǔ)償電容柜幾乎沒有投入運(yùn)行，而功率因數(shù)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(shù)曲線見圖2，在感性0.90 至容性0.74 之間波動?；谝陨辖Y(jié)論，筆者認(rèn)為在設(shè)計類似項目時，變配電所內(nèi)的電容補(bǔ)償容量可以適當(dāng)減小，不一定要按照變壓器的30%容量來設(shè)置。

圖2 總功率因數(shù)曲線圖

2.2.2 空調(diào)配電回路、照明插座配電回路測量

項目中筆者對空調(diào)配電回路、照明插座配電回路進(jìn)行了實地測量，得到的數(shù)據(jù)記錄詳見圖3 ～9。從測量結(jié)果可見諧波問題比較嚴(yán)重，有必要設(shè)置有源濾波器等設(shè)備來改善諧波問題。

圖3 總諧波頻譜

在變壓器低壓側(cè)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(yán)重。 為了查明各種負(fù)載類型的諧波特征，分別針對VRV 空調(diào)、LED 照明、插座回路進(jìn)行了細(xì)分測量，具體表現(xiàn)如下。

（1）VRV 空調(diào)的相關(guān)電能質(zhì)量測量數(shù)據(jù)如圖4～6，可見VRV 主機(jī)的電流畸變很嚴(yán)重，波形呈典型的6脈沖整流特征，同時測量結(jié)果也顯示VRV 主機(jī)在開機(jī)時的功率因數(shù)達(dá)到感性0.9，是高感性負(fù)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(guān)電能質(zhì)量測量數(shù)據(jù)如圖7～9，可以看到相關(guān)回路的電流畸變也很嚴(yán)重，同時測量結(jié)果也顯示LED 照明回路的功率因數(shù)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(guān)電能質(zhì)量測量結(jié)果及電流畸變情況與LED 照明回路很類似，測量結(jié)果顯示插座回路的功率因數(shù)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(jī)的電壓、電流波形

圖5 VRV 主機(jī)的電參數(shù)

圖6 VRV 主機(jī)的諧波頻譜

圖7 LED 燈具回路的電壓、電流波形

2.2.3 小結(jié)

由上述數(shù)據(jù)和圖表可看出，本項目中諧波含量較大，電能質(zhì)量亟待改善。 基于以上結(jié)論，筆者團(tuán)隊認(rèn)為在設(shè)計類似項目時，如果項目中存在大量的變頻空調(diào)、個人電腦、LED 光源等，建議考慮設(shè)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(shù)

圖9 LED 燈具照明回路的諧波頻譜

2.3 對節(jié)能潛力的挖掘

本項目使用了大量的VRV 空調(diào)，而為了對比不同形式空調(diào)能耗情況，團(tuán)隊分別設(shè)置了水源熱泵VRV 和風(fēng)冷熱泵VRV 兩種形式的主機(jī)。 從理論上，風(fēng)冷熱泵VRV 能耗水平應(yīng)該偏高，但是當(dāng)調(diào)取了能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比后，發(fā)現(xiàn)與理論數(shù)據(jù)相悖。 數(shù)據(jù)顯示除了7～8 月以外，其他月份風(fēng)冷熱泵的單位面積能耗指標(biāo)更低。 由此可見，系統(tǒng)在某些節(jié)點存在問題。

通過將4 月及10 月過渡季的所有空調(diào)回路耗電量繪制成曲線進(jìn)行比對，發(fā)現(xiàn)水源熱泵系統(tǒng)的待機(jī)電量不正常地高于風(fēng)冷熱泵系統(tǒng)。 由圖10 可見，1P4－6 回路上的風(fēng)冷熱泵VRV 空調(diào)主機(jī)安裝容量為250kW，過渡季待機(jī)電量均不到1 000kWh，但是1P6－8 回路上的水源熱泵VRV 空調(diào)主機(jī)安裝容量僅為100kW，過渡季的待機(jī)電量卻分別達(dá)到了4 800／7 000kWh。由此可見，在水源熱泵系統(tǒng)內(nèi)某些設(shè)備在不正常的長期不間斷運(yùn)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(fā)現(xiàn)在春節(jié)期間這條回路每天有近60kWh 的耗電量，非常平穩(wěn)。 但春節(jié)期間空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)該是不工作的，對于出現(xiàn)的異常情況進(jìn)行進(jìn)一步分析。

圖10 過渡季空調(diào)主機(jī)待機(jī)電量比對

調(diào)出系統(tǒng)中2018－2－17 日1P6－8 這條回路的小時運(yùn)行曲線，發(fā)現(xiàn)這條回路在主機(jī)停機(jī)的前提下一直維持了一個2.5kW 左右的負(fù)載持續(xù)24h 運(yùn)行。

通過深挖數(shù)據(jù)及分析得出：水源熱泵系統(tǒng)內(nèi)含有配套水泵，這些水泵由于某些原因自動聯(lián)鎖功能失效導(dǎo)致長期運(yùn)行，產(chǎn)生不必要的大量能耗；而風(fēng)冷熱泵系統(tǒng)內(nèi)只有主機(jī)，當(dāng)主機(jī)停止運(yùn)行后整個系統(tǒng)就處于待機(jī)狀態(tài)。

從上述實例可以得出，能耗的節(jié)約往往隱藏在各種各樣的細(xì)節(jié)之中，如果不對這些細(xì)節(jié)進(jìn)行關(guān)注、深度挖掘，可能無法意識到能源浪費(fèi)，也無法發(fā)現(xiàn)這些不正常能耗產(chǎn)生的原因，更談不上有針對性的改善措施。 如果沒有數(shù)字化配電系統(tǒng)帶來的大量數(shù)據(jù)以及分析數(shù)據(jù)的靈活手段，要關(guān)注到這些細(xì)節(jié)之處是較難實現(xiàn)的。

3 結(jié)束語

互聯(lián)互通的設(shè)備可以提供豐富的設(shè)備信息和運(yùn)行信息，形成的大數(shù)據(jù)反饋給數(shù)字化軟件、App 和后端，經(jīng)過分析處理，可實現(xiàn)全方面的管理，高效地滿足各種需求。

關(guān)于數(shù)字化在配電系統(tǒng)中的應(yīng)用，筆者團(tuán)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(jìn)行分享。

（1）數(shù)字化配電系統(tǒng)能給用戶提供一座數(shù)據(jù)寶庫，從海量的數(shù)據(jù)中可以挖掘出非常多有價值的信息，如節(jié)能、安全等方面。

（2）數(shù)字化配電系統(tǒng)的硬件、軟件、分析和服務(wù)三者缺一不可，尤其是數(shù)據(jù)分析。 如果沒有數(shù)據(jù)分析，那么在硬件、軟件上的投資將很可能得不到相應(yīng)的回報。

（3）數(shù)字化配電系統(tǒng)可以讓配電系統(tǒng)更穩(wěn)定、安全、節(jié)能、有持續(xù)性。

（4）數(shù)字化配電系統(tǒng)能讓管理人員更清晰地了解整個系統(tǒng)的運(yùn)作狀態(tài)，做到防患于未然，這對項目的維護(hù)管理人員意義非凡。

如果所有的建筑都能采用數(shù)字化配電系統(tǒng)，并以系統(tǒng)提供的大數(shù)據(jù)作為支撐，那么將來的設(shè)計必然會更加合理完善。