基于綜合體供配電系統(tǒng)拓?fù)涞姆治黾澳Ｐ统跆?/h1>
2022-09-19 08:28石磊
現(xiàn)代建筑電氣 2022年4期
石 磊
(上海建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司, 上海 200041)
0 引 言
大型公共建筑越來越多出現(xiàn)在城市的規(guī)劃和建設(shè)之中。這種類型的建筑綜合體通常賦予多種建筑功能,包括辦公、商業(yè)、娛樂、文化、體育等。大型綜合體的用電需求(用電設(shè)施總裝機(jī)容量)會(huì)達(dá)到幾萬千瓦以上,需要規(guī)劃和設(shè)計(jì)一個(gè)比較大的供配電系統(tǒng),來滿足運(yùn)營(yíng)時(shí)存在的大量電氣負(fù)荷需求。
根據(jù)不同城市電網(wǎng)的電力運(yùn)行規(guī)程,這種規(guī)模的建筑綜合體供配電系統(tǒng)通常需要設(shè)置1個(gè)總降壓站以及多個(gè)二級(jí)降壓分變電站。整個(gè)供配電系統(tǒng)的電壓跨度從幾萬伏到幾十伏,供配電系統(tǒng)的配電距離達(dá)到幾百米甚至上千米。供配電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)于這種大型綜合體的運(yùn)營(yíng)管理是非常重要的。本文用網(wǎng)絡(luò)的觀點(diǎn),確定整個(gè)供配電系統(tǒng)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn),建立供配電系統(tǒng)拓?fù)?結(jié)合運(yùn)行管理需求,建立不同的統(tǒng)計(jì)和分析模型。通過對(duì)供配電系統(tǒng)拓?fù)涞某掷m(xù)監(jiān)測(cè),采集到各種相關(guān)實(shí)時(shí)電氣數(shù)據(jù),運(yùn)用系統(tǒng)、科學(xué)的統(tǒng)計(jì)方法,結(jié)合多種分析算法,定期對(duì)供配電系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估和分析,實(shí)現(xiàn)供配電系統(tǒng)合理、穩(wěn)定、節(jié)能的運(yùn)行目標(biāo)[1-2]。
1 大型綜合體供配電系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)
1.1 基礎(chǔ)電氣負(fù)荷的統(tǒng)計(jì)
大型綜合體的供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)是基于對(duì)所有用電設(shè)施進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。采用的依據(jù)是所有用電設(shè)施的電氣參數(shù)和功能區(qū)域的功率密度。由于統(tǒng)計(jì)的都是末端實(shí)際用電設(shè)施,在供配電系統(tǒng)中是處于最末一級(jí)的配電。最末一級(jí)的配電由于直接面對(duì)用電負(fù)荷,可以采用最合理、最經(jīng)濟(jì)的配電技術(shù)(包括計(jì)算電流的選取、電氣控制技術(shù)的使用)。實(shí)際運(yùn)行過程中,末端配電系統(tǒng)產(chǎn)生的電氣異常狀況是容易快速調(diào)整和處理的。
電氣負(fù)荷可以分為照明負(fù)荷與動(dòng)力負(fù)荷,建筑物內(nèi)照明類用電設(shè)施是極為重要的基礎(chǔ)性電氣負(fù)荷,從配電管理的角度,為避免受到建筑內(nèi)其他動(dòng)力設(shè)備設(shè)施使用的干擾,所有照明電器以及非專用設(shè)施的插座都可以歸類為照明負(fù)荷,獨(dú)立統(tǒng)計(jì)。其他用電設(shè)施歸類為動(dòng)力負(fù)荷。這樣分類可以有力保障照明設(shè)施運(yùn)行的穩(wěn)定,同時(shí)也有助于對(duì)建筑內(nèi)照明負(fù)荷的控制和節(jié)能管理。事實(shí)上照明節(jié)能措施對(duì)建筑物節(jié)能有極為重要的價(jià)值和意義。動(dòng)力負(fù)荷包括冷熱源設(shè)備、風(fēng)機(jī)、水泵、電梯等。
電氣負(fù)荷依據(jù)國(guó)家規(guī)范來明確負(fù)荷等級(jí),包括特級(jí)負(fù)荷、一級(jí)負(fù)荷、二級(jí)負(fù)荷、三級(jí)負(fù)荷。不同等級(jí)的電氣負(fù)荷應(yīng)實(shí)施對(duì)應(yīng)的供配電要求。對(duì)所有電氣負(fù)荷進(jìn)行分類和分級(jí)的結(jié)果,是規(guī)劃和設(shè)計(jì)供配電系統(tǒng)的基礎(chǔ)。
某項(xiàng)目電氣負(fù)荷統(tǒng)計(jì)如表1所示。
表1 某項(xiàng)目電氣負(fù)荷統(tǒng)計(jì)
1.2 供配電系統(tǒng)規(guī)劃
大型綜合體的用電需求大,供配電的物理半徑通常也比較大。供配電系統(tǒng)的分級(jí)是基于電氣負(fù)荷的分類分級(jí)、供配電技術(shù)、配電管理需求的綜合權(quán)衡。對(duì)于末端電氣負(fù)荷采用的配電技術(shù)準(zhǔn)確與合理,其上一級(jí)和更上一級(jí)的配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)配電的區(qū)域、區(qū)域內(nèi)電氣負(fù)荷進(jìn)行綜合的合理規(guī)劃。負(fù)荷統(tǒng)計(jì)需要對(duì)負(fù)荷進(jìn)行定性,是間歇性負(fù)載還是穩(wěn)態(tài)負(fù)載,是容性負(fù)載還是感性負(fù)載,是動(dòng)力負(fù)載還是照明負(fù)載,是一級(jí)、二級(jí)還是三級(jí)負(fù)荷。綜合以上負(fù)荷定性和分類,就是對(duì)各級(jí)供配電系統(tǒng)的定量(定負(fù)荷)設(shè)計(jì)。
1.3 供配電系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的確定
根據(jù)供配電系統(tǒng)的綜合規(guī)劃、分級(jí),可以確定重要的配電樞紐和配電裝置分布。從系統(tǒng)上看,這些位置是電氣負(fù)荷的總匯聚點(diǎn)和分匯聚點(diǎn),是重要建筑設(shè)備的配電點(diǎn),也是整個(gè)供配電系統(tǒng)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。
依據(jù)供配電裝置物理位置確定變配電所、發(fā)電機(jī)房、特級(jí)負(fù)荷配電機(jī)房、一級(jí)負(fù)荷配電機(jī)房、大容量機(jī)電設(shè)備機(jī)房。
依據(jù)供配電系統(tǒng)確定中高壓變配電系統(tǒng)(包括400 V一級(jí)配電系統(tǒng))、發(fā)電機(jī)配電系統(tǒng)、電源切換系統(tǒng)(ATS)。
依據(jù)供配電系統(tǒng)分級(jí)確定系統(tǒng)總配電側(cè)、區(qū)域總配電側(cè)。
2 建立大型綜合體的供配電系統(tǒng)拓?fù)?/h2>
大型綜合體接入市政電力電源的總變配電站(供電系統(tǒng)),加上規(guī)劃的各級(jí)分配電系統(tǒng),就構(gòu)成了完整的供配電系統(tǒng)。大型綜合體的供配電系統(tǒng)復(fù)雜,需要設(shè)置一級(jí)或多級(jí)降壓(35 kV/10 kV/0.4 kV),分設(shè)多個(gè)分變電所(包括自備電源的設(shè)置),各分變電所需要聯(lián)結(jié)多個(gè)配電分區(qū)或重要設(shè)備機(jī)房。
系統(tǒng)性分析和管理整個(gè)供配電系統(tǒng)是非常重要的。通過對(duì)整個(gè)供配電系統(tǒng)內(nèi)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的把握,構(gòu)建大型綜合體供配電系統(tǒng)的拓?fù)?是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性管理的有效方法。
建立大型綜合體供配電系統(tǒng)拓?fù)涞幕疽?確定供配電系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn);關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)計(jì)算負(fù)荷;關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)配電電器基本參數(shù);接入關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)電氣線路的相關(guān)參數(shù)
供配電系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)是整個(gè)配電系統(tǒng)的核心和樞紐,監(jiān)測(cè)基于關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的供配電系統(tǒng)拓?fù)?采集各個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的相關(guān)電氣數(shù)據(jù),建立各種統(tǒng)計(jì)和分析模型,可以全面、系統(tǒng)性地管理整個(gè)供配電系統(tǒng)。
3 基于供配電系統(tǒng)拓?fù)涞倪\(yùn)行數(shù)據(jù)分析
3.1 供配電系統(tǒng)的基本評(píng)價(jià)
大型綜合體供配電系統(tǒng)的基本評(píng)價(jià)是對(duì)電氣負(fù)荷統(tǒng)計(jì)分類、配電分級(jí)的合理性評(píng)價(jià),也是對(duì)大型綜合體供配電系統(tǒng)穩(wěn)定的基礎(chǔ)性評(píng)價(jià)。設(shè)計(jì)階段對(duì)電氣負(fù)荷的計(jì)算是基于對(duì)基礎(chǔ)用電設(shè)施分類和分級(jí)的統(tǒng)計(jì),結(jié)合供配電技術(shù)以及配電管理需求進(jìn)行供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì),并不能定性和定量地評(píng)價(jià)供配電系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的穩(wěn)定性與合理性。
供配電系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)運(yùn)行的基本評(píng)價(jià)包括:
(1) 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)電氣系統(tǒng)性能合理性評(píng)價(jià)。通過對(duì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)電氣運(yùn)行數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè),評(píng)價(jià)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的電氣裝置、電氣系統(tǒng)的合理性和冗余度。包括電流、功率因數(shù)、三相不平衡度、諧波分析、各級(jí)變壓器負(fù)載率等。
(2) 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)電氣線路穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。通過對(duì)關(guān)鍵電氣節(jié)點(diǎn)電氣運(yùn)行數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè),評(píng)價(jià)相關(guān)電氣運(yùn)行線路的穩(wěn)定性。包括線路運(yùn)行電壓、線路運(yùn)行電流、線路運(yùn)行溫度等。
3.2 運(yùn)行負(fù)荷統(tǒng)計(jì)與分析
大型綜合體的供配電系統(tǒng)在投入運(yùn)行后,電氣負(fù)荷是逐漸趨于穩(wěn)定的。如果業(yè)態(tài)穩(wěn)定,總體電氣負(fù)荷變化隨季節(jié)、月、日都趨于穩(wěn)定分布。通過對(duì)供配電系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè),可以獲得基于供配電系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的各類電氣負(fù)荷分布,結(jié)合對(duì)實(shí)際運(yùn)行的各項(xiàng)電氣數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),建立分析模型和算法,提出供配電系統(tǒng)的優(yōu)化方案,實(shí)現(xiàn)供配電系統(tǒng)的穩(wěn)定、安全、節(jié)能運(yùn)行。
(1) 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)最大負(fù)荷及最大負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間統(tǒng)計(jì)。
① 對(duì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的電氣運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè),統(tǒng)計(jì)和計(jì)算每個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的最大負(fù)荷/月、最大負(fù)荷/年,以及逐時(shí)負(fù)荷/日時(shí)間軸、逐日負(fù)荷/月時(shí)間軸、逐月負(fù)荷/年時(shí)間軸。
② 最大負(fù)荷/年是供配電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下,各個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)一年內(nèi)出現(xiàn)的最大負(fù)荷,是評(píng)價(jià)系統(tǒng)局部、整體穩(wěn)定性的有效依據(jù)。
③ 最大負(fù)荷/月、最大負(fù)荷/日是大型綜合體運(yùn)營(yíng)管理中用于負(fù)荷預(yù)測(cè)和負(fù)荷控制的重要參數(shù)。
④ 逐時(shí)負(fù)荷/日時(shí)間軸、逐日負(fù)荷/月時(shí)間軸、逐月負(fù)荷/年時(shí)間軸是實(shí)施區(qū)域分布式能源、智能電網(wǎng)的重要計(jì)算和分析參數(shù)。
3.3 運(yùn)行監(jiān)測(cè)與分析
(1) 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)電氣設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測(cè)。
① 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)電器設(shè)備監(jiān)測(cè)。穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下,監(jiān)測(cè)中低壓開關(guān)電器的運(yùn)行數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)開關(guān)通電時(shí)間、操作次數(shù),分析開關(guān)電器的保護(hù)整定值、選擇性計(jì)算。
② 變壓器運(yùn)行監(jiān)測(cè)。穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下,監(jiān)測(cè)和分析變壓器的運(yùn)行溫度、負(fù)載率(運(yùn)行時(shí)間),提出變壓器性能評(píng)估。
③ 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)溫/濕度監(jiān)測(cè)。包括配電室環(huán)境溫濕度、開關(guān)柜內(nèi)和配電柜內(nèi)溫度、電纜和母線電氣接點(diǎn)溫度。
3.4 運(yùn)行的電能碳排放換算與分析
為應(yīng)對(duì)節(jié)能減排的社會(huì)發(fā)展要求,碳排放、碳中和是具體到“量”的整體指標(biāo)考核。建立綜合體的電能碳排放量化模型,分析具體的可實(shí)施節(jié)能策略,結(jié)合節(jié)能優(yōu)化算法,獲得每個(gè)綜合體的量化碳中和模型。在實(shí)際運(yùn)行過程中始終監(jiān)測(cè),有助于具體量化考核節(jié)能效果。
根據(jù)大型綜合體供配電系統(tǒng)拓?fù)涿總€(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的電力能耗(逐時(shí)負(fù)荷/日時(shí)間軸、逐日負(fù)荷/月時(shí)間軸、逐月負(fù)荷/年時(shí)間軸),換算出逐時(shí)、逐日、逐年的二氧化碳排放量,建立大型綜合體使用電力能耗的碳排放量的基礎(chǔ)分析模型,對(duì)于量化分析和修正電力節(jié)能措施,實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排有重要數(shù)據(jù)指導(dǎo)意義。
C=PQGWP
(1)
式中:C——建筑物運(yùn)行電力能耗碳排放量;
P——建筑物運(yùn)行電力能耗;
Q——電能碳排放因子;
GWP——電能全球變暖潛能值。
4 基于供配電系統(tǒng)拓?fù)涞倪\(yùn)行分析模型
供配電系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)電氣數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)是基于對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行性能評(píng)價(jià)和系統(tǒng)運(yùn)行策略分析,包括負(fù)荷分析、電能質(zhì)量、配電電器工況、節(jié)能策略分析、供電保障策略等。建立各種算法分析模型,隨著系統(tǒng)運(yùn)行趨于穩(wěn)定,實(shí)時(shí)采集相關(guān)電氣數(shù)據(jù)迭代,實(shí)現(xiàn)供配電系統(tǒng)的持續(xù)分析。
4.1 建立負(fù)荷分析模型
負(fù)荷分析模型包括最大負(fù)荷/年、最大負(fù)荷/月、逐時(shí)負(fù)荷/日時(shí)間軸、逐日負(fù)荷/月時(shí)間軸、逐月負(fù)荷/年時(shí)間軸。根據(jù)分析需要,建立以下各項(xiàng)負(fù)荷的分析模型分項(xiàng):總電力負(fù)荷,空調(diào)季冷熱源設(shè)施電力負(fù)荷,建筑設(shè)備(電梯、水泵等)電力負(fù)荷,照明電力負(fù)荷,功能性設(shè)施電力負(fù)荷。
4.2 建立運(yùn)維分析模型
(1) 變壓器運(yùn)維分析。建筑物處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下,建立基于變壓器在各種負(fù)載率下運(yùn)行溫度、運(yùn)行時(shí)間統(tǒng)計(jì),結(jié)合算法評(píng)估變壓器基本性能,提出具有可行性的變壓器運(yùn)維策略。
(2) 供配電系統(tǒng)電氣裝置性能分析。
① 采用關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的最大負(fù)荷/年數(shù)據(jù),結(jié)合關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的開關(guān)電器操作次數(shù)、通電時(shí)間以及配電室環(huán)境溫度、開關(guān)柜內(nèi)、配電柜內(nèi)溫度,分析和評(píng)估關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)電器設(shè)備(開關(guān)、接觸器等)的電氣保護(hù)性能。
② 采用關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)電氣線路的實(shí)時(shí)運(yùn)行工況,統(tǒng)計(jì)包括長(zhǎng)期運(yùn)行電流、電壓、運(yùn)行時(shí)間、敷設(shè)環(huán)境溫度、濕度等參數(shù),結(jié)合電氣線路溫度監(jiān)測(cè),模擬計(jì)算和評(píng)估電纜、母線的冗余和電氣絕緣性能變化。
(3) 電能質(zhì)量及能耗分析。供配電系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)設(shè)置電能質(zhì)量測(cè)量裝置,局部和總體的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析電能質(zhì)量狀況(包括供電偏差、電壓波動(dòng)、諧波分析、電壓閃變、三相不平衡度等),計(jì)算和分析分類的電力能耗。
4.3 建立碳排放分析模型
(1) 分類的電力能耗碳排放模型。建筑物的電氣設(shè)施包括照明電器、充電設(shè)施、冷熱源機(jī)電設(shè)施、風(fēng)機(jī)、水泵、電梯、功能性設(shè)施等。依據(jù)大型綜合體供配電系統(tǒng)拓?fù)?建立根據(jù)電氣設(shè)施分類的電力能耗碳排放模型(照明電力能耗碳排放模型、冷熱源電力能耗碳排放模型等),以及總電力能耗碳排放量模型。對(duì)于分析電力能耗碳排放組成,制定節(jié)能技術(shù)的運(yùn)用策略有重要的指導(dǎo)意義。
Ci=PiQGWP
(2)
式中:Ci——建筑物報(bào)告期運(yùn)行電力能耗碳排放量;
Pi——建筑物報(bào)告期運(yùn)行電力能耗;
i——第i類電氣設(shè)施(照明、充電設(shè)施、冷熱源機(jī)電設(shè)施、風(fēng)機(jī)、水泵、電梯等)。
(2) 局部和整體的電力能耗碳排放模型。依據(jù)大型綜合體供配電系統(tǒng)拓?fù)?基于關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)建立區(qū)域和整體的電力能耗碳排放分析模型,對(duì)于考核和分析碳排放的組成、制定和考核碳中和指標(biāo)有重要的指導(dǎo)意義。
5 可視化供配電系統(tǒng)拓?fù)?/h2>
結(jié)合BIM技術(shù),建立供配電系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)物理位置(重要的配電用房、重要的設(shè)備機(jī)房)的三維模型空間,導(dǎo)入相關(guān)的配電設(shè)備模型(配電柜、柴油發(fā)電機(jī)組、母線、主要電纜等)。所有配電設(shè)備模型關(guān)聯(lián)實(shí)時(shí)的運(yùn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),聯(lián)動(dòng)顯示。其中在重要的機(jī)房?jī)?nèi)、重要的設(shè)備周圍設(shè)置攝像機(jī),采集視頻圖像,與模型聯(lián)動(dòng)。
(1) 供配電系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)信息可視化:環(huán)境溫/濕度,配電設(shè)施信息及編號(hào),空間視頻圖像。
(2) 供配電系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)電氣設(shè)備可視化,BIM建模導(dǎo)入供配電系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)電氣設(shè)備,并且關(guān)聯(lián)相關(guān)信息:電氣設(shè)備安裝位置的三維空間模型,電氣設(shè)備編號(hào)及系統(tǒng),電氣設(shè)備運(yùn)行參數(shù),電氣設(shè)備視頻圖像,電氣設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。
6 結(jié) 語
大型綜合體供配電系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)是整個(gè)供配電系統(tǒng)中重要的配電樞紐。統(tǒng)計(jì)和分析關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行電氣負(fù)荷,可以復(fù)核整個(gè)供配電系統(tǒng)的設(shè)置(包括變壓器負(fù)載率、開關(guān)整定、電氣線路截面),評(píng)估供配電系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的合理性。結(jié)合最佳負(fù)載運(yùn)行的算法,可以給出供配電系統(tǒng)運(yùn)行和負(fù)荷分配的優(yōu)化建議。對(duì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)最大負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間的統(tǒng)計(jì),可以全周期監(jiān)測(cè)大型綜合體供配電系統(tǒng)的運(yùn)行和維護(hù)。建立基于供配電系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的碳排放模型,可以展開對(duì)大型綜合體基于電力能源節(jié)能、降低碳排放的策略研究。
針對(duì)規(guī)模合適的區(qū)域,整體規(guī)劃分布式發(fā)電(太陽能、冷熱電三聯(lián)供),可以實(shí)現(xiàn)區(qū)域整體節(jié)能減排、降低碳排放的目標(biāo)。建立區(qū)域內(nèi)每個(gè)綜合體供配電系統(tǒng)拓?fù)涞慕y(tǒng)計(jì)和分析,可以獲得整個(gè)區(qū)域全年全時(shí)段用電負(fù)荷的分布、容量(包括負(fù)荷的類型)等數(shù)據(jù)信息?；谶@些數(shù)據(jù)可以支持整個(gè)區(qū)域的分布式智能公共電網(wǎng)規(guī)劃,確定分布式發(fā)電的裝機(jī)容量,有效提高區(qū)域電網(wǎng)的輸電能力,對(duì)實(shí)現(xiàn)區(qū)域整體節(jié)能和碳中和的目標(biāo)有重要的價(jià)值。
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石 磊
(上海建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司, 上海 200041)
0 引 言
大型公共建筑越來越多出現(xiàn)在城市的規(guī)劃和建設(shè)之中。這種類型的建筑綜合體通常賦予多種建筑功能,包括辦公、商業(yè)、娛樂、文化、體育等。大型綜合體的用電需求(用電設(shè)施總裝機(jī)容量)會(huì)達(dá)到幾萬千瓦以上,需要規(guī)劃和設(shè)計(jì)一個(gè)比較大的供配電系統(tǒng),來滿足運(yùn)營(yíng)時(shí)存在的大量電氣負(fù)荷需求。
根據(jù)不同城市電網(wǎng)的電力運(yùn)行規(guī)程,這種規(guī)模的建筑綜合體供配電系統(tǒng)通常需要設(shè)置1個(gè)總降壓站以及多個(gè)二級(jí)降壓分變電站。整個(gè)供配電系統(tǒng)的電壓跨度從幾萬伏到幾十伏,供配電系統(tǒng)的配電距離達(dá)到幾百米甚至上千米。供配電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)于這種大型綜合體的運(yùn)營(yíng)管理是非常重要的。本文用網(wǎng)絡(luò)的觀點(diǎn),確定整個(gè)供配電系統(tǒng)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn),建立供配電系統(tǒng)拓?fù)?結(jié)合運(yùn)行管理需求,建立不同的統(tǒng)計(jì)和分析模型。通過對(duì)供配電系統(tǒng)拓?fù)涞某掷m(xù)監(jiān)測(cè),采集到各種相關(guān)實(shí)時(shí)電氣數(shù)據(jù),運(yùn)用系統(tǒng)、科學(xué)的統(tǒng)計(jì)方法,結(jié)合多種分析算法,定期對(duì)供配電系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估和分析,實(shí)現(xiàn)供配電系統(tǒng)合理、穩(wěn)定、節(jié)能的運(yùn)行目標(biāo)[1-2]。
1 大型綜合體供配電系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)
1.1 基礎(chǔ)電氣負(fù)荷的統(tǒng)計(jì)
大型綜合體的供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)是基于對(duì)所有用電設(shè)施進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。采用的依據(jù)是所有用電設(shè)施的電氣參數(shù)和功能區(qū)域的功率密度。由于統(tǒng)計(jì)的都是末端實(shí)際用電設(shè)施,在供配電系統(tǒng)中是處于最末一級(jí)的配電。最末一級(jí)的配電由于直接面對(duì)用電負(fù)荷,可以采用最合理、最經(jīng)濟(jì)的配電技術(shù)(包括計(jì)算電流的選取、電氣控制技術(shù)的使用)。實(shí)際運(yùn)行過程中,末端配電系統(tǒng)產(chǎn)生的電氣異常狀況是容易快速調(diào)整和處理的。
電氣負(fù)荷可以分為照明負(fù)荷與動(dòng)力負(fù)荷,建筑物內(nèi)照明類用電設(shè)施是極為重要的基礎(chǔ)性電氣負(fù)荷,從配電管理的角度,為避免受到建筑內(nèi)其他動(dòng)力設(shè)備設(shè)施使用的干擾,所有照明電器以及非專用設(shè)施的插座都可以歸類為照明負(fù)荷,獨(dú)立統(tǒng)計(jì)。其他用電設(shè)施歸類為動(dòng)力負(fù)荷。這樣分類可以有力保障照明設(shè)施運(yùn)行的穩(wěn)定,同時(shí)也有助于對(duì)建筑內(nèi)照明負(fù)荷的控制和節(jié)能管理。事實(shí)上照明節(jié)能措施對(duì)建筑物節(jié)能有極為重要的價(jià)值和意義。動(dòng)力負(fù)荷包括冷熱源設(shè)備、風(fēng)機(jī)、水泵、電梯等。
電氣負(fù)荷依據(jù)國(guó)家規(guī)范來明確負(fù)荷等級(jí),包括特級(jí)負(fù)荷、一級(jí)負(fù)荷、二級(jí)負(fù)荷、三級(jí)負(fù)荷。不同等級(jí)的電氣負(fù)荷應(yīng)實(shí)施對(duì)應(yīng)的供配電要求。對(duì)所有電氣負(fù)荷進(jìn)行分類和分級(jí)的結(jié)果,是規(guī)劃和設(shè)計(jì)供配電系統(tǒng)的基礎(chǔ)。
某項(xiàng)目電氣負(fù)荷統(tǒng)計(jì)如表1所示。
表1 某項(xiàng)目電氣負(fù)荷統(tǒng)計(jì)
1.2 供配電系統(tǒng)規(guī)劃
大型綜合體的用電需求大,供配電的物理半徑通常也比較大。供配電系統(tǒng)的分級(jí)是基于電氣負(fù)荷的分類分級(jí)、供配電技術(shù)、配電管理需求的綜合權(quán)衡。對(duì)于末端電氣負(fù)荷采用的配電技術(shù)準(zhǔn)確與合理,其上一級(jí)和更上一級(jí)的配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)配電的區(qū)域、區(qū)域內(nèi)電氣負(fù)荷進(jìn)行綜合的合理規(guī)劃。負(fù)荷統(tǒng)計(jì)需要對(duì)負(fù)荷進(jìn)行定性,是間歇性負(fù)載還是穩(wěn)態(tài)負(fù)載,是容性負(fù)載還是感性負(fù)載,是動(dòng)力負(fù)載還是照明負(fù)載,是一級(jí)、二級(jí)還是三級(jí)負(fù)荷。綜合以上負(fù)荷定性和分類,就是對(duì)各級(jí)供配電系統(tǒng)的定量(定負(fù)荷)設(shè)計(jì)。
1.3 供配電系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的確定
根據(jù)供配電系統(tǒng)的綜合規(guī)劃、分級(jí),可以確定重要的配電樞紐和配電裝置分布。從系統(tǒng)上看,這些位置是電氣負(fù)荷的總匯聚點(diǎn)和分匯聚點(diǎn),是重要建筑設(shè)備的配電點(diǎn),也是整個(gè)供配電系統(tǒng)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。
依據(jù)供配電裝置物理位置確定變配電所、發(fā)電機(jī)房、特級(jí)負(fù)荷配電機(jī)房、一級(jí)負(fù)荷配電機(jī)房、大容量機(jī)電設(shè)備機(jī)房。
依據(jù)供配電系統(tǒng)確定中高壓變配電系統(tǒng)(包括400 V一級(jí)配電系統(tǒng))、發(fā)電機(jī)配電系統(tǒng)、電源切換系統(tǒng)(ATS)。
依據(jù)供配電系統(tǒng)分級(jí)確定系統(tǒng)總配電側(cè)、區(qū)域總配電側(cè)。
2 建立大型綜合體的供配電系統(tǒng)拓?fù)?/h2>
大型綜合體接入市政電力電源的總變配電站(供電系統(tǒng)),加上規(guī)劃的各級(jí)分配電系統(tǒng),就構(gòu)成了完整的供配電系統(tǒng)。大型綜合體的供配電系統(tǒng)復(fù)雜,需要設(shè)置一級(jí)或多級(jí)降壓(35 kV/10 kV/0.4 kV),分設(shè)多個(gè)分變電所(包括自備電源的設(shè)置),各分變電所需要聯(lián)結(jié)多個(gè)配電分區(qū)或重要設(shè)備機(jī)房。
系統(tǒng)性分析和管理整個(gè)供配電系統(tǒng)是非常重要的。通過對(duì)整個(gè)供配電系統(tǒng)內(nèi)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的把握,構(gòu)建大型綜合體供配電系統(tǒng)的拓?fù)?是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性管理的有效方法。
建立大型綜合體供配電系統(tǒng)拓?fù)涞幕疽?確定供配電系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn);關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)計(jì)算負(fù)荷;關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)配電電器基本參數(shù);接入關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)電氣線路的相關(guān)參數(shù)
供配電系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)是整個(gè)配電系統(tǒng)的核心和樞紐,監(jiān)測(cè)基于關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的供配電系統(tǒng)拓?fù)?采集各個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的相關(guān)電氣數(shù)據(jù),建立各種統(tǒng)計(jì)和分析模型,可以全面、系統(tǒng)性地管理整個(gè)供配電系統(tǒng)。
3 基于供配電系統(tǒng)拓?fù)涞倪\(yùn)行數(shù)據(jù)分析
3.1 供配電系統(tǒng)的基本評(píng)價(jià)
大型綜合體供配電系統(tǒng)的基本評(píng)價(jià)是對(duì)電氣負(fù)荷統(tǒng)計(jì)分類、配電分級(jí)的合理性評(píng)價(jià),也是對(duì)大型綜合體供配電系統(tǒng)穩(wěn)定的基礎(chǔ)性評(píng)價(jià)。設(shè)計(jì)階段對(duì)電氣負(fù)荷的計(jì)算是基于對(duì)基礎(chǔ)用電設(shè)施分類和分級(jí)的統(tǒng)計(jì),結(jié)合供配電技術(shù)以及配電管理需求進(jìn)行供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì),并不能定性和定量地評(píng)價(jià)供配電系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的穩(wěn)定性與合理性。
供配電系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)運(yùn)行的基本評(píng)價(jià)包括:
(1) 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)電氣系統(tǒng)性能合理性評(píng)價(jià)。通過對(duì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)電氣運(yùn)行數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè),評(píng)價(jià)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的電氣裝置、電氣系統(tǒng)的合理性和冗余度。包括電流、功率因數(shù)、三相不平衡度、諧波分析、各級(jí)變壓器負(fù)載率等。
(2) 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)電氣線路穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。通過對(duì)關(guān)鍵電氣節(jié)點(diǎn)電氣運(yùn)行數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè),評(píng)價(jià)相關(guān)電氣運(yùn)行線路的穩(wěn)定性。包括線路運(yùn)行電壓、線路運(yùn)行電流、線路運(yùn)行溫度等。
3.2 運(yùn)行負(fù)荷統(tǒng)計(jì)與分析
大型綜合體的供配電系統(tǒng)在投入運(yùn)行后,電氣負(fù)荷是逐漸趨于穩(wěn)定的。如果業(yè)態(tài)穩(wěn)定,總體電氣負(fù)荷變化隨季節(jié)、月、日都趨于穩(wěn)定分布。通過對(duì)供配電系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè),可以獲得基于供配電系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的各類電氣負(fù)荷分布,結(jié)合對(duì)實(shí)際運(yùn)行的各項(xiàng)電氣數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),建立分析模型和算法,提出供配電系統(tǒng)的優(yōu)化方案,實(shí)現(xiàn)供配電系統(tǒng)的穩(wěn)定、安全、節(jié)能運(yùn)行。
(1) 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)最大負(fù)荷及最大負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間統(tǒng)計(jì)。
① 對(duì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的電氣運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè),統(tǒng)計(jì)和計(jì)算每個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的最大負(fù)荷/月、最大負(fù)荷/年,以及逐時(shí)負(fù)荷/日時(shí)間軸、逐日負(fù)荷/月時(shí)間軸、逐月負(fù)荷/年時(shí)間軸。
② 最大負(fù)荷/年是供配電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下,各個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)一年內(nèi)出現(xiàn)的最大負(fù)荷,是評(píng)價(jià)系統(tǒng)局部、整體穩(wěn)定性的有效依據(jù)。
③ 最大負(fù)荷/月、最大負(fù)荷/日是大型綜合體運(yùn)營(yíng)管理中用于負(fù)荷預(yù)測(cè)和負(fù)荷控制的重要參數(shù)。
④ 逐時(shí)負(fù)荷/日時(shí)間軸、逐日負(fù)荷/月時(shí)間軸、逐月負(fù)荷/年時(shí)間軸是實(shí)施區(qū)域分布式能源、智能電網(wǎng)的重要計(jì)算和分析參數(shù)。
3.3 運(yùn)行監(jiān)測(cè)與分析
(1) 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)電氣設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測(cè)。
① 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)電器設(shè)備監(jiān)測(cè)。穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下,監(jiān)測(cè)中低壓開關(guān)電器的運(yùn)行數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)開關(guān)通電時(shí)間、操作次數(shù),分析開關(guān)電器的保護(hù)整定值、選擇性計(jì)算。
② 變壓器運(yùn)行監(jiān)測(cè)。穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下,監(jiān)測(cè)和分析變壓器的運(yùn)行溫度、負(fù)載率(運(yùn)行時(shí)間),提出變壓器性能評(píng)估。
③ 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)溫/濕度監(jiān)測(cè)。包括配電室環(huán)境溫濕度、開關(guān)柜內(nèi)和配電柜內(nèi)溫度、電纜和母線電氣接點(diǎn)溫度。
3.4 運(yùn)行的電能碳排放換算與分析
為應(yīng)對(duì)節(jié)能減排的社會(huì)發(fā)展要求,碳排放、碳中和是具體到“量”的整體指標(biāo)考核。建立綜合體的電能碳排放量化模型,分析具體的可實(shí)施節(jié)能策略,結(jié)合節(jié)能優(yōu)化算法,獲得每個(gè)綜合體的量化碳中和模型。在實(shí)際運(yùn)行過程中始終監(jiān)測(cè),有助于具體量化考核節(jié)能效果。
根據(jù)大型綜合體供配電系統(tǒng)拓?fù)涿總€(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的電力能耗(逐時(shí)負(fù)荷/日時(shí)間軸、逐日負(fù)荷/月時(shí)間軸、逐月負(fù)荷/年時(shí)間軸),換算出逐時(shí)、逐日、逐年的二氧化碳排放量,建立大型綜合體使用電力能耗的碳排放量的基礎(chǔ)分析模型,對(duì)于量化分析和修正電力節(jié)能措施,實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排有重要數(shù)據(jù)指導(dǎo)意義。
C=PQGWP
(1)
式中:C——建筑物運(yùn)行電力能耗碳排放量;
P——建筑物運(yùn)行電力能耗;
Q——電能碳排放因子;
GWP——電能全球變暖潛能值。
4 基于供配電系統(tǒng)拓?fù)涞倪\(yùn)行分析模型
供配電系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)電氣數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)是基于對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行性能評(píng)價(jià)和系統(tǒng)運(yùn)行策略分析,包括負(fù)荷分析、電能質(zhì)量、配電電器工況、節(jié)能策略分析、供電保障策略等。建立各種算法分析模型,隨著系統(tǒng)運(yùn)行趨于穩(wěn)定,實(shí)時(shí)采集相關(guān)電氣數(shù)據(jù)迭代,實(shí)現(xiàn)供配電系統(tǒng)的持續(xù)分析。
4.1 建立負(fù)荷分析模型
負(fù)荷分析模型包括最大負(fù)荷/年、最大負(fù)荷/月、逐時(shí)負(fù)荷/日時(shí)間軸、逐日負(fù)荷/月時(shí)間軸、逐月負(fù)荷/年時(shí)間軸。根據(jù)分析需要,建立以下各項(xiàng)負(fù)荷的分析模型分項(xiàng):總電力負(fù)荷,空調(diào)季冷熱源設(shè)施電力負(fù)荷,建筑設(shè)備(電梯、水泵等)電力負(fù)荷,照明電力負(fù)荷,功能性設(shè)施電力負(fù)荷。
4.2 建立運(yùn)維分析模型
(1) 變壓器運(yùn)維分析。建筑物處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下,建立基于變壓器在各種負(fù)載率下運(yùn)行溫度、運(yùn)行時(shí)間統(tǒng)計(jì),結(jié)合算法評(píng)估變壓器基本性能,提出具有可行性的變壓器運(yùn)維策略。
(2) 供配電系統(tǒng)電氣裝置性能分析。
① 采用關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的最大負(fù)荷/年數(shù)據(jù),結(jié)合關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的開關(guān)電器操作次數(shù)、通電時(shí)間以及配電室環(huán)境溫度、開關(guān)柜內(nèi)、配電柜內(nèi)溫度,分析和評(píng)估關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)電器設(shè)備(開關(guān)、接觸器等)的電氣保護(hù)性能。
② 采用關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)電氣線路的實(shí)時(shí)運(yùn)行工況,統(tǒng)計(jì)包括長(zhǎng)期運(yùn)行電流、電壓、運(yùn)行時(shí)間、敷設(shè)環(huán)境溫度、濕度等參數(shù),結(jié)合電氣線路溫度監(jiān)測(cè),模擬計(jì)算和評(píng)估電纜、母線的冗余和電氣絕緣性能變化。
(3) 電能質(zhì)量及能耗分析。供配電系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)設(shè)置電能質(zhì)量測(cè)量裝置,局部和總體的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析電能質(zhì)量狀況(包括供電偏差、電壓波動(dòng)、諧波分析、電壓閃變、三相不平衡度等),計(jì)算和分析分類的電力能耗。
4.3 建立碳排放分析模型
(1) 分類的電力能耗碳排放模型。建筑物的電氣設(shè)施包括照明電器、充電設(shè)施、冷熱源機(jī)電設(shè)施、風(fēng)機(jī)、水泵、電梯、功能性設(shè)施等。依據(jù)大型綜合體供配電系統(tǒng)拓?fù)?建立根據(jù)電氣設(shè)施分類的電力能耗碳排放模型(照明電力能耗碳排放模型、冷熱源電力能耗碳排放模型等),以及總電力能耗碳排放量模型。對(duì)于分析電力能耗碳排放組成,制定節(jié)能技術(shù)的運(yùn)用策略有重要的指導(dǎo)意義。
Ci=PiQGWP
(2)
式中:Ci——建筑物報(bào)告期運(yùn)行電力能耗碳排放量;
Pi——建筑物報(bào)告期運(yùn)行電力能耗;
i——第i類電氣設(shè)施(照明、充電設(shè)施、冷熱源機(jī)電設(shè)施、風(fēng)機(jī)、水泵、電梯等)。
(2) 局部和整體的電力能耗碳排放模型。依據(jù)大型綜合體供配電系統(tǒng)拓?fù)?基于關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)建立區(qū)域和整體的電力能耗碳排放分析模型,對(duì)于考核和分析碳排放的組成、制定和考核碳中和指標(biāo)有重要的指導(dǎo)意義。
5 可視化供配電系統(tǒng)拓?fù)?/h2>
結(jié)合BIM技術(shù),建立供配電系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)物理位置(重要的配電用房、重要的設(shè)備機(jī)房)的三維模型空間,導(dǎo)入相關(guān)的配電設(shè)備模型(配電柜、柴油發(fā)電機(jī)組、母線、主要電纜等)。所有配電設(shè)備模型關(guān)聯(lián)實(shí)時(shí)的運(yùn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),聯(lián)動(dòng)顯示。其中在重要的機(jī)房?jī)?nèi)、重要的設(shè)備周圍設(shè)置攝像機(jī),采集視頻圖像,與模型聯(lián)動(dòng)。
(1) 供配電系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)信息可視化:環(huán)境溫/濕度,配電設(shè)施信息及編號(hào),空間視頻圖像。
(2) 供配電系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)電氣設(shè)備可視化,BIM建模導(dǎo)入供配電系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)電氣設(shè)備,并且關(guān)聯(lián)相關(guān)信息:電氣設(shè)備安裝位置的三維空間模型,電氣設(shè)備編號(hào)及系統(tǒng),電氣設(shè)備運(yùn)行參數(shù),電氣設(shè)備視頻圖像,電氣設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。
6 結(jié) 語
大型綜合體供配電系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)是整個(gè)供配電系統(tǒng)中重要的配電樞紐。統(tǒng)計(jì)和分析關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行電氣負(fù)荷,可以復(fù)核整個(gè)供配電系統(tǒng)的設(shè)置(包括變壓器負(fù)載率、開關(guān)整定、電氣線路截面),評(píng)估供配電系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的合理性。結(jié)合最佳負(fù)載運(yùn)行的算法,可以給出供配電系統(tǒng)運(yùn)行和負(fù)荷分配的優(yōu)化建議。對(duì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)最大負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間的統(tǒng)計(jì),可以全周期監(jiān)測(cè)大型綜合體供配電系統(tǒng)的運(yùn)行和維護(hù)。建立基于供配電系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的碳排放模型,可以展開對(duì)大型綜合體基于電力能源節(jié)能、降低碳排放的策略研究。
針對(duì)規(guī)模合適的區(qū)域,整體規(guī)劃分布式發(fā)電(太陽能、冷熱電三聯(lián)供),可以實(shí)現(xiàn)區(qū)域整體節(jié)能減排、降低碳排放的目標(biāo)。建立區(qū)域內(nèi)每個(gè)綜合體供配電系統(tǒng)拓?fù)涞慕y(tǒng)計(jì)和分析,可以獲得整個(gè)區(qū)域全年全時(shí)段用電負(fù)荷的分布、容量(包括負(fù)荷的類型)等數(shù)據(jù)信息?；谶@些數(shù)據(jù)可以支持整個(gè)區(qū)域的分布式智能公共電網(wǎng)規(guī)劃,確定分布式發(fā)電的裝機(jī)容量,有效提高區(qū)域電網(wǎng)的輸電能力,對(duì)實(shí)現(xiàn)區(qū)域整體節(jié)能和碳中和的目標(biāo)有重要的價(jià)值。
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