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1 TIP 全集成能源管理高层建筑供配电应用手册 高层建筑供配电应用手册 Answers for infrastructure and cities.

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3 目录 引言高层建筑定义 1 高层建筑管理系统 高层建筑整体解决方案 高层建筑自动化 区域控制和室内自动化 火灾防护 安防系统 安全照明 高层建筑其他电气装置 14 2 电能管理 透明化要求的测量电气参数 图形表示方法 负荷曲线分析 典型的测量值 电价 智能电网 运行管理 24 3 高层建筑设计任务 初步设计 电能管理系统初步设计 高层建筑设计边界条件 决定需求功率 光伏电源应用 36 5 系统设备的选择 中压动力中心和远程控制站 中压环网二次配电用开关装置 配电变压器 低压主配电系统 分支配电系统 低压配电保护设备 电能管理系统 77 6 中低压电气设备的性能描述 中压开关设备 配电变压器 母线槽系统 低压成套开关设备 分支配电柜 电能管理系统 配电网络计算 验证选择性 内部故障压力计算 98 7 附录 相关标准 缩略语 配电技术网址汇总 电源网络规划 配电设计任务与要求 配电系统概念 超高层建筑供电理念 44

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5 引言 高层建筑定义

6 高层建筑定义 引言 据统计,2010 年全球约有 50% 的人口居住在城市中, 预计到 2050 年城市人口比例将上升至 70% 城市化进程的加速, 以及城市的日益繁华导致了城市人口的膨胀, 百万以上人口的大城市不断出现 必须充分利用现代化城市的现有土地资源, 容纳更多的人口, 从而使高层建筑不断涌现 高层建筑定义 2012 年 3 月 23 日维基百科德国网站 ( de) 依据德国国家建筑标准把建筑物顶层高于地平面 22m 以上的建筑物定义为高层建筑 依据是当发生火灾时, 消防云梯救人的最大高度为 ( 高于地平面 )23m, 高层建筑必须考虑火灾救援和保护措施, 在相关高层建筑标准中, 对逃生楼梯有具体的要求和详细的说明 不同国家关于高层建筑的界限定义并未完全统一 在我国, 根据民用建筑设计规范 (GB ), 住宅建筑按层数分类 : 一层至三层为低层住宅, 四层至六层为多层住宅, 七层至九层为中高层住宅, 十层及十层以上为高层住宅 ; 除住宅建筑之外的民用建筑高度不大于 24m 为单层和多层建筑, 定义 高层建筑高度 (m) 施工时间 ( 年 ) 摩天大楼 大约 2 4 超高层摩天大楼 大于 24m 为高层建筑 ( 不包括建筑高度大于 24m 的单层公共建筑 ); 建筑高度大于 100m 的民用建筑为超高层建筑 维基百科将超高层建筑依据建筑物的高度进行分类 详见表 1 现代化设计要求 现代化高层建筑对供配电系统的要求越来越高 设计高层建筑时, 必须从生命周期考虑建筑物的高度安全性 灵活性以及对环境和生态的高要求 ; 考虑新能源的应用, 降低投资费用和运行费用等因素 另外建筑物中有很多的电气装置, 需要协调配合, 充分发挥它们的服务功能, 这也是一种挑战 建筑物中主要电气装置有供暖 通风 空调 制冷等设施, 主要系统有消防系统 安全防范 ( 防盗防入侵 ) 系统 楼宇自动化系统 供配电系统等等 现代化设计思维不是把上述系统和装置分开来处理, 而是必须相互协调配合, 最大化的发挥单个装置的服务功能 因此, 采用网络通信方式, 连接各类电气装置, 这是最优化的解决方案 本应用手册提供了高层建筑中需要的全部电气装置的概览, 并介绍基本和初步设计的方法 如高层建筑能源管理系统的设计要求 ; 又如, 一幢已使用了 50 多年的综合建筑楼, 其中的酒店宾馆需要翻新装修, 需要开设新商铺, 计算中心增添新 IT 设备, 办公室更改用途, 生命周期中的设施继续使用等 特高层摩天大楼 > 500 >5 表 1 按高度对高层建筑分类 6 全集成能源管理 高层建筑定义

7 第 1 章 高层建筑管理系统 1.1 高层建筑整体解决方案 高层建筑自动化 区域控制和室内自动化 火灾防护 安防系统 安全照明 高层建筑其他电气装置 14 1 全集成能源管理 高层建筑管理系统 7

8 1 高层建筑管理系统 1 在项目规划设计阶段, 项目优化和完善的潜力最大 在这一阶段, 主要的规划内容是考虑建筑物在安装和使用期间可能出现的额外费用和增加的成本费用等因素 与传统的设计方法比较, 整体规划设计方法能不断提高投资效益 用综合规划设计方法处理复杂工程项目时, 首先考虑采用一个供应商的系统和产品, 通过智能化集成和协调配合, 使其成为高性价比的解决方案 1.1 高层建筑整体解决方案 建筑物整体解决方案是在确保生命和财产安全的前提下, 在舒适性 方便性和灵活性与无故障运行之间建立起一种平衡 从建筑物的生命周期考虑, 该建筑物必然是高度自动化和智能化的建筑 从建筑物的需求和结构看, 整体解决方案是指建筑技术管理学科 ( 楼宇集中控制系统 TBM), 包括 : 建筑物集中控制系统 ; 暖通空调和制冷监控制系统 ; 场所和区域自动化控制 ; 配电系统 ; 消防系统 ; 防盗和入侵保护系统 ; 门禁控制系统 ; 视频监视系统 ; 自动化照明系统 ; 集成第三方系统 ; 显示报警和楼宇数据 1.2 高层建筑自动化 楼宇自动化是一个全面综合的解决方案, 目的是向整个建筑物或建筑物内各类场所和室内提供舒适的服务功能 对采暖 通风 空调 照明 百叶窗等设施进行开环和闭环自动控制 ; 配电系统向各类服务功能设施和整个建筑物提供可靠的电能 在欧盟国家, 建筑物能耗约占总能耗的 40% 依据欧盟法规 2010/31/EU 和建筑物能效指标法规 (EPBD) 要求, 欧盟以 1990 年的能耗为基准, 制定了在 2020 年前实现提高能源效率 20% 的目标 其中, 最重要的措施是创建建筑物能源通行证 ( 即能源效率认证 ), 以决定建筑物最低的能源要求 楼宇自动化系统中的组成部分 ( 或部件 ) 依据 EN15232 建筑物能效 楼宇自动化与管理系统对建筑能效的影响 标准进行评价, 楼宇自动化系统或管理系统的目的是降低能源损耗或提高能源效率 楼宇自动化系统 (BAS) 按其性能指标 ( 见图 1-1) 分为 4 类 : D 类 : 目前不配置能效管理系统, 且将来也无此需求, 新建筑物不允许再使用此类系统 ; C 类 : 对应于目前普遍使用的楼宇自动化系统, 基本上满足当前的使用要求 ; B 类 : 功能及能效指标高于 C 类水平, 还需进一步完善和优化的系统 ; A 类 : 具有优越的电能效率指标 BACS 性能等级 A 级能效性能优异的 BACS+TBM 系统 B 级高质量的 BACS+TBM 系统 C 级标准的 BACS 系统 D 级能效指标差的 BACS 系统 A B C D BACS = 楼宇自动化控制系统 TBM = 建筑物技术管理系统 图 1-1 按 EN 标准对楼宇自动化系统分类 8 全集成能源管理 高层建筑管理系统

9 这个新标准还给出了计算电能效率指标的规则, 适用于不同功能及不同复杂程度的各类建筑物 : 写字楼, 酒店 ; 教室 ; 礼堂 ; 餐厅 ; 零售中心 ; 医院 高层建筑参照该标准中的一些条款, 可以清楚地了解高层建筑应采用的 BAS 等级, 应实现的能效指标 1.3 区域控制和室内自动化 室内自动化 现代化控制概念是一种集成化的解决方案, 把空调, 照明和遮阳等功能综合在一起, 这是调节室内气候, 实现工作与生活舒适性的前提 设计应选用成熟的产品和系统, 满足服务设施功能的要求, 同时也要符合建筑物整体的需求 应该使用具有通信功能的系统, 设计的楼宇自动化系统应符合 EN15232 标准中 A 级 ( 简称 EA) 系统的要求 KNX/ EIB 是全球性通用的开放式通信协议, 符合 EN 50090(VDE 0829) 标准的要求, 能组建符合 EA 级要求的楼宇监控和管理系统 这类自动化系统具有灵活性, 并且系统扩展方便, 适合不同类别的建筑物使用 1.4 火灾防护 火灾是指在时间和空间上失去控制的燃烧造成的灾害 生活中, 火灾隐患无处不在, 并很难通过单纯的施工措施来消除 有效的防火措施须满足下述两个条件 : 首先, 快速和正确地探测火源发生地, 并发出信号 ; 其次, 必须尽快地采取正确的措施, 避免发生火灾, 或至少把引发火灾的可能性和经济损失降到最低, 实现 预防 - 检测 - 灭火 - 总结 一套完整的火灾防护策略的控制链 ( 图 1-2) 德国 现代高层建筑法规 对防火设施有如下要求 : 消防电梯 : - 安装在火灾和烟雾不可能发生的场合 独立的竖井里 ; - 可停在高层建筑的每一楼层 ; - 电梯口至每一楼层的最远距离小于 50m 正压通风系统 : 防止烟雾渗透到安全楼梯 大厅 消防梯和楼厅等地方 自动化消防系统 : 高层建筑的两根主 ( 电源 ) 电缆, 应分别敷设在不同的竖井里 火灾报警系统, 火灾报警控制中心, 消防电梯控制 ; 火灾报警系统必须包括自动化烟雾传感器, 检测如下地点 : - 居住房间和办公室 ; - 布线系统的电缆槽和桥架 ; - 房间吊顶的狭窄地方 ; - 楼层死角地方 ( 对公寓套房或住户, 应安装足够数量的主烟雾探测器 ) 1 全集成能源管理 高层建筑管理系统 9

10 1.4.1 火灾防护理念 火灾探测系统 1 必须按如下方法设计火灾防护措施 : 尽快检测出火源地点 ; 阻止火焰蔓延 ; 及早发出报警信号, 给出紧急疏散撤离命令 ; 消防队尽早出动, 采取相应措施 ; 在未对生命财产造成损失前消灭火焰 ; 有效的排除烟雾 把火灾探测和报警, 人员疏散和灭火系统优化协调配合, 要比单独的防火解决方案更为有效 从更安全的概念考虑, 火灾防护系统也应方便地集成到一个较大范围的综合管理系统中, 其中包含防盗防入侵安全防范系统, 门禁系统以及视频监控系统等 从而引出了综合灾害管理系统概念, 它整合了楼宇自动化控制系统和相关的智能互动, 能更有效地保护生命财产和环境的安全 出现火灾后采取人为干预措施的响应时间, 是避免火灾的一个重要因素 该时间越短, 则造成的直接经济损失和间接经济损失越小 消防系统不能防止火灾发生, 但可在火灾起始阶段把它扑灭, 这一点对有 ( 昂贵财产, 停产和停机成本高等 ) 特殊风险的建筑物尤为重要 因为火灾造成的损失是无法估量的 最基本的要求是快速 可靠地检测和定位火源的位置, 根据实际情况, 在正确的时间采取正确的措施扑灭火灾 在大多数情况下, 自动化消防系统可以提供最好的干预措施扑灭火灾 西门子能提供适应性广泛的灭火系统, 适用各种应用场合, 给出最优化的保护, 成套的消防设备也确保了最快速 最有效的灭火效果 先进的 Cerberus PRO FS720 是智能化火灾探测系统, 采用智能信号分析技术和评估模型, 能在恶劣的环境条件下, 快速可靠地探测烟雾 热量和火焰等火灾征象 ( 图 1-3) 事件分析, 外部防火灾措施 内部火灾防护理念 事件分析, 内部防火灾措施 预防火灾发生 : 避免火灾发生 : 火灾检测 火灾对策 火灾报警 / 人员撤离 灭火 标准 / 规程 火灾防护理念 研发与创新 基础设施 意想不到的火源 避免 : 破坏性火灾 减少火灾损失 图 1-2 整体火灾防护控制链 10 全集成能源管理 高层建筑管理系统

11 火灾报警与人员疏散撤离系统火灾防护最重要的是在出现火灾危险的第一时间, 能快速 可靠 有效地把火灾险情输送出去 已证明基于电声或语音控制的报警和人员疏散系统是应对火灾险情的最佳解决方案 独特的火灾报警信号, 明确清晰的疏散灯光指示, 可靠的逃生行为规则和指令, 能帮助疏散人员消除恐慌 除了快速探出火源外, 快速有序地组织撤离疏散对拯救生命非常重要, 同时也会影响火灾赔偿裁决 紧急疏散措施要求在正确的时间, 正确的地方提供正确的信息, 消除建筑物在应急情况下可能出现的恐慌现象 高层建筑物, 如酒店, 银行, 行政大楼, 或有大量游客的购物中心, 高等院校和电影院等建筑物及场所, 在出现火警情况下, 最重要的是高效快速的人员疏散管理, 采用扩音器传送清晰的语言疏散指令和信息, 避免出现恐慌和混乱, 快速 有序地撤离, 获取更多的生存机会 所以, 基于语言的报警系统是一个理想的系统, 进一步完善了建筑物的火灾报警系统 消防灭火系统扑灭烈火需要适合的灭火器 常见的有粉末 湿式 泡沫灭火器, 或是这些灭火器的组合 一个量身定制的消防战略体系能在发生火警的危急情况下, 不仅保护建筑物, 也能保护建筑物自身及周围的环境 消防灭火系统不能防止一场火灾的发生, 但可借用烟雾传感器把火灾消灭在萌芽阶段 1 传感器探测烟雾实时分析烟雾状态参数的动态影响 结果 低敏感 传感器信号 / 信号波形 恶劣环境 危险信号 不报警 报警 敏感 一般环境 先进信号分析技术 良好环境 图 1-3 智能信号分析技术的功能原理 全集成能源管理 高层建筑管理系统 11

12 1.5 安防系统 安全性正日益成为一个重要的课题 保护人身和财产的安全 反对暴力, 采取措施制定合理的规则已被纳入现代风险管理的考虑范围 天真和疏忽等同于安保措施不足, 客观上帮助窃贼犯罪 必须实施主动保护和被动保护相结合的措施 机械保护措施称被动保护 ; 电子报警系统称主动保护 遵守简单的安全规则, 必要的日常审慎能降低风险, 是对安全性的另一种重要贡献 入侵分子通过破坏手段闯入建筑物内, 使设施损坏 中断系统运行, 丢失重要的数据 所以, 安全性概念要求实施高防护等级的电子式安全防范系统 与机械式防范措施相比, 电子式安全防范系统能在第一时间探出窃贼采用破坏手段闯入建筑物, 并能立即通知安全管理人员 这是它的优势, 是纯机械式装置无法做到的 鉴于现代化建筑物中的玻璃门 轻型结构件及一般防护措施, 所以不考虑采用被动机械式防侵入和抢劫检测系统, 而采用主动电子式安全防范系统 我们推荐电子式和机械式混合的安全防范系统, 只要窃贼破门而入, 就会立即通知安全人员进行干预 缩短窃贼闯入室内的停留时间, 意味着会极大的减少损失和破坏 1 四大安全须知保护生命财产和建筑物的安全基于以下四大原则 : 谨慎是一种有效的保护, 无需费用 ; 机械防盗设备是第一道保护 ; 电子式防盗报警系统能可靠探测窃贼入侵 ; 立即发出报警信息, 请求提供救援 电子式防入侵和防抢劫检测系统该系统必须考虑与安全性有关的下列因素 : 考虑建筑物内部的员工或访客, 防止外部的入侵者 ; 现金 珠宝 艺术品 高质量的产品和系统, 以及信息资料和数据 ; 保护的对象处在喧闹区域或安静区域 ; 社会环境不好, 故意破坏行为 ; 极端分子的破坏捣乱 视频监控系统成熟的安全防范系统还应包含视频系统 除了实时监控目标区域外, 还应采用生态特征方法鉴别人员或识别危险分子 该系统应包含如下的重要组成部分 : 固定式数字式区域监视对目标区域进行监视, 自动检测各种变化细节, 监控不同的报警区域 一旦触发报警, 则起动数字式视频记录程序, 并把事件上传给更高一级的管理系统 固定式数字区域监视也适用现有的 IT 设施 移动式视频系统高速可用性的图像和数据信息, 对外部装置的监控 服务人员的生命状态的监控以及移动业务模式的管理等尤为重要 大量的摄像头和传感器可按移动数字系统分组, 通过现代化通信网络把产生多媒体储存信息快速地传送出去 12 全集成能源管理 高层建筑管理系统

13 记录报警工况状态视频监控系统通过回放记录的事故, 不仅了解事故处理的全过程, 而且也是一个处理事故全过程的文件 : 包括记录的视频, 信息的传送和储存, 采取的相应措施, 集中的数字分析, 归档保存等 视频系统和控制中心之间的通信可以是以太网 TCP/IP, ATM( 异步传输模式 ), 或其他的 TN( 传输网络 ) 结构 门禁控制门禁控制是高层建筑中的一个独立的装置, 安全规则要求合理采用门禁技术, 允许授权人员通过门禁控制设施出入建筑物, 允许对有资格的人员配置权限使其在一定的时间段内出入不同地理位置的门禁控制设施 因此门禁系统需要灵活的 具有开放式结构的网络系统, 需要特殊的结构和特殊的流程, 确保门禁系统有效性 必须考虑如下的一些因素 : 如高层建筑的规模及布置方式, 容纳的人员数, 门和电梯数, 出入门的控制以及一些附加功能等 面向未来的解决方案不仅要连接业务管理系统, 也要与其他的安全系统相连接 通过与建筑物管理系统连接, 优化能源性能方面的信息 1.6 安全照明 德国 MHRD 要求高层建筑必须有安全照明系统, 当正常照明系统出现故障时, 自动切换到安全照明系统 如下区域必须有安全照明系统 : 应急撤离疏散路径 ; 大堂电梯区域 ; 安全撤离疏散路径上的安全标志 除上述要求外, 安全照明还有更多的保护要求, 如消防和报警系统照明, 也是逃生救援的设施 与 IEC (VDE ) 对比, 应急照明指南 是纯信息方面的标准, 德国预标准 DIN V VDE V 对高层建筑安全照明作如下规定 : 照度与 DIN EN 1838 一致 ; 依据发生恐慌的危险性和风险评估, 投入应急照明时间为 1-15s 之间 ; 安全电源额定运行时间为 3h( 对住宅类高层建筑, 要求 8h 连续运行时间, 安全照明与正常照明同时供电情况例外 ; 有灯光指示的按钮开关作为就地控制时, 要保证正常电源故障时, 在任一地点均能看到此按钮开关 安全电源向安全设施供电时, 按设定的时间自动关断安全照明 ); 连续工作照明, 背光安全标志 ; 允许使用集中电源系统 (CPS) 或低功率电源系统或单蓄电池系统 ; 发电机向安全照明供电时, 允许断电时间为 0-15s 1 全集成能源管理 高层建筑管理系统 13

14 1 1.7 高层建筑其他电气装置 电梯 德国巴伐利亚洲制定的 高层建筑方针和指南 中规定 : 高层建筑必须至少设有两部以上的电梯, 要求在每一层均设电梯口, 电梯口设置在近走廊或大厅的地方, 能很方便地到达 ( 该楼层的 ) 每一处地方 ; 地下停车场, 地下室或设备间等无窗口的场合, 电梯口只能设在大厅附近 ; 至少有一部电梯能直接与公共交通区域连接, 能上轮椅车和担架或搬运货物, 电梯内高度不低于 2.1m 大楼内人员不必通过爬楼梯的方式, 就可到达每一层的娱乐室休息 每一层均有清晰的楼层数字和去电梯口和最近楼梯方向的固定标志 ; 普通电梯不能作疏散撤离用的, 应有固定标志明确说明不能在发生火灾时使用 要确保电梯供电的可靠性, 必须保证在正常供电系统故障时, 由安全电源 ( 后备电源 ) 继续供电, 至少要保证能把电梯停在大楼入口处的楼层上 有关消防电梯的要求请参考 1.4 节 由于高层建筑每天有大量的顾客来到不同的楼层从事不同的业务, 或运送货物 ; 有酒店宾馆的超高层建筑至少需要 20 部或以上的电梯 超高层建筑中需要现代化的电梯, 升降速度可达 15m/s, 高度大于 500m 时, 速度甚至更高 值得注意的是电梯加速度为 1.2m/s 2, 电梯达到 15m/s 的运行速度需要 12.5s 时间, 突然的加速和减速会使乘客非常不舒服 为了限制电梯内的压力使其低于乘客耳朵承受的压力, 需要在电梯内控制大气压力, 以减少乘客的不舒适感, 并降低由竖井中空气阻力产生的噪声 备用电源高层建筑中与生命财产有关的安全设备必须有备用电源作为备份 安全设备和装置如应急照明 消防电梯 人员疏散撤离系统及无线电通信设备 增压泵 火灾报警和消防灭火系统 与安全有关的通风 烟雾报警系统 门禁及安全防范系统等等 IEC 或 DIN VDE 具体规定了安全电源的技术要求 请注意一般安全负载允许 15s 时间以内的失电工况 备用电源设备必须是阻燃的, 备用供电自成体系, 对低压配电系统来说, 备用电源系统在空间上 ( 包括布线系统 ) 独立于正常供电系统 一些重要的客户和不允许停电的设备需要用 UPS 作备份, 确保连续供电 增压泵依据德国巴伐利亚州政府的 高层建筑方针和指南, 高层建筑供水管网络对流量与水压有最低要求, 如条件最差的水龙头水压为 3bar, 流量为 100L/min 时, 必须增设水压提升装置 ( 增压泵 ) 在干式的竖井水管网络中, 供水源与最高水龙头之间的高度大于 80m, 必须内置增压泵 通过增压泵, 确保在水流量为 100L/min 时, 所有的水龙头的水压 3-8bar 之间 因此, 在超高层建筑中适合采用高速电梯, 至少采用两组高速 ( 直达 ) 电梯, 运送旅客到达不同的高度, 并在该高度位置转乘其他电梯 对购物中心来说, 除消防电梯和直达电梯外, 也需要货梯和自动扶梯 14 全集成能源管理 高层建筑管理系统

15 第 2 章 电能管理 2.1 透明化要求的测量电气参数 图形表示方法 负荷曲线分析 典型的测量值 电价 智能电网 运行管理 24 2 全集成能源管理 电能管理 15

16 2 电能管理 2 现代化配电系统的关键是要确保建筑物连续供电, 要求配电系统具有灵活性 安全性和可靠性 建筑物总运行费用中, 电费所占的比例很大, 并且随着能源成本的不断提高, 有持续增加的趋势 建筑物运行最基本的目标是可持续地降低运行费用, 提高电能效率, 降低能源损耗, 优化能源成本, 重点关注生态和经济两大方面, 这也是设计阶段的最基本的目标 依据德国建筑师和工程费用规程 (HOAI) 要求, 对建筑物能源需求进行分析 高层建筑分为两个设计阶段 : 阶段 1 是建立基本数据, 阶段 2 是进行预设计 其目标是商定可使用的能源类型, 可开发的新能源 ; 研究测量系统测量能源参数 依据建筑物中的能源流, 通过测量手段了解能源参数, 使其透明化 由此实现能源参数透明化, 能源管理以及提高能源效率三者之间的互动 依据能源管理系统对能耗数据的采集和处理, 形成参数化的能耗信息, 实现透明化管理 一幢建筑物的能源效率与采用的自动化系统 设备的能效等级直接有关, 通常依据用户 ( 如下 ) 的技术要求综合考虑 : 电能效率电能效率描绘了能源损耗与产生效益之间的关系, 对电动机来说, 效率是在给定时间内输入功率与有效输出功率之比 效率是设计的基本要素 能源透明化透明化可创建数据基准, 便于采取措施和对策, 改善电能效率 电能透明化是建筑物运行管理的一部分, 只能通过实际运行, 才能分析能源流及损耗状态, 即能源参数 所以在初步设计阶段, 就应考虑电能数据的测量 评价及管理系统 电能管理德国 VDI4602 导则中的表 1 对能源管理作如下定义 : 能源管理实质是在组织和系统上对能源的采购 能源转换与配送以及能源应用之间的业务进行相互协调, 以满足生态环保和经济运行的目标要求 在标准中把协调全部能源资源的系统定义为能源管理系统 : 能源管理系统应包括能付诸实践的组织机构和信息机构, 其中涉及的技术资源是指硬件和软件 电能管理除了考虑人身安全和系统保护外, 还把测量仪表作为配电系统的一个组成部分, 欧盟 EN 标准也是这样要求的 因此在设计的早期阶段就应考虑能源管理系统, 确定测量点, 定义测量范围, 选择符合要求的测量仪表 配电系统生命周期成本 ( 即电费 ) 中, 配电 ( 电缆 ) 线路或母线槽系统的损耗 变压器的损耗等所占比重很大, 不可忽略, 必须进行计算 对电阻性负载, 按下式计算功率损耗 : P v = I 2 x R ( I: 电流 ; R: 电阻 ) 能耗成本为电价乘电能损耗 为了能反映实际运行工况, 估算功率损耗, 需要一条给定时间周期的负荷曲线作为依据 负荷曲线反映了设备实际运行的功率损耗, 是计算生命周期成本的先决条件 从供电局购买的电能, 其中大约 5% 的电能消耗在配电系统中, 转化为热能散发 通过优化配电系统设备的选型, 可降低电能损耗, 如依据负荷曲线选择变压器 母线槽系统和电缆, 至少能降低 1% 的电能损耗, 即设备选型有 1% 的节能潜力, 与整个配电系统 5% 的电能损耗相比, 相对节能 20% 回顾过去 20 年, 优化选型方法是绝对不可以忽略的 当今的电气工程项目设计需考虑生命周期成本, 把优化变压器的损耗 降低母线槽系统和电缆线路的损耗视作为一项标准的服务, 即为用户提供设备选型 优化能效的服务 16 全集成能源管理 电能管理

17 2.1 透明化要求的测量电气参数 中压进线 ( 系统容量 ), 变压器和发电机容量以视在功率 S (kva) 为单位, 配电系统中的母线槽系统 电缆线路 保护开关设备以电流 (A) 为单位, 终端负荷通常关心有功功率 (kw) 和功率因数 (cos ϕ) 这些是电能管理系统的设计依据, 需要通过测量设备采集上述电气参数, 正确显示测量值, 验证实际运行中的能耗工况 当用电量或用电费用需要分摊到不同的成本中心时, 各单位需要分别测量各自关心的电能参数, 见图 2-1 为了保证运行装置或设备的电能透明度, 需要在变压器低压出线端测量视在功率, 还要测量电压 (U)[V] 电流 [A] 功率因数 总的谐波 ( 电压和电流 ) 失真分量 (THD) 变压器为正常电源的配电网络, 可在变压器低压侧的下级线 电力供应商 配电系统运行商 电能管理 协调购电行为 满足应用要求 配电系统 中压进线 2 重点是生态和经济两大目标 变压器 G 发电机组 电能透明化 能源流曲线及分析 配电 UPS 电能效率 电能应用 自动化 照明系统 传动系统 用电设备 图 2-1 用透明化手段管理电能提高能效方案 全集成能源管理 电能管理 17

18 路测量单相电压, 或电压降 依据预期的最大负荷电流, 校验每条终端线路允许的电压降范围 (+10% /-14%) 对 100V~1000V 交流电网,IEC 60038(VDE ) 规定 : 允许的电压降为 ±10%; (DIN VDE ) 中, 终端用户装置允许的附加电压降为 4%( 图 2-2) 发电机为 ( 应急或安全 ) 电源的配电网络, 可按变压器配电网络处理, 即用电度表记录 kwh( 电量 ) 反映发电机的输出电功率 依据用电设备的功率和用电量向用户收取电费 在设计阶段, 如果电表记录用于计算电费帐单, 其精度必须满足计量要求 2.2 图形表示方法 电能管理系统中, 数字测量值是各种图形表示方法的基础 通常用图形表示的测量值, 用户容易理解 ( 图形化的 ) 用电设备与需求电量之间的关系, 以及配电系统对设备电能需求的响应状况 由于平均输出功率和功率损耗均与时间有关, 通常按 15 分钟时间间隔计算平均输出功率和平均电能损耗 测量 15 分钟时间间隔的平均有功功率 P, 则平均电能损耗 E = P x 0.25h [kwh]; 测量 15 分钟时间间隔的平均电能损耗 E, 则平均有功功率 P = E / 0.25h [kw] 负荷曲线 负荷曲线是测量值的图形表示 X 轴表示时间 ;Y 轴表示测 量值 进线 W 运行商测量点测量总电能 W total 推荐的测量参数 变压器 配电 G 发电机 U 测量 3 相 U, I, S, THD IS 和功率因数 cos THD G U 测量 3 相 U, I, P, W IP 和功率因数 W cos I 或 I cos 测量 3 相电流和功率因数 M P P 传动装置用电设备 M I P cos 测量 3 相电流 功率 功率因数 P I cos 测量 3 相电流和功率因数 P W 计费用 3 相电能表 W total 租赁电气设备 P 图 2-2 高层建筑推荐的测量方案 18 全集成能源管理 电能管理

19 一年的负荷曲线 ( 图 2-3) 从新年第一天的 00:15 分开始测量, 年末 24:00 整结束测量 平均采样周期为 15 分钟, 一小时 4 次, 每次给出 15 分钟的平均输出功率 一年的负荷曲线主要用作如下分析 : 分析一年总的需求电量 ; 典型的电能消耗模式 ; 测量值显著变化的时间段及相关原因 ; 给出负荷基准值 请注意, 对综合用途的高层建筑, 需要分析和了解不同服务功能的一些特殊的负荷曲线, 通过分析, 了解特殊的异常情况, 便于向建筑物中的用户或租赁用户提供更好的服务 根据时间轴的分辨率, 可对一些特殊的工况行为作出针对性的解释, 以及预测负荷的趋势等 分析和评价年负荷曲线, 得出负荷的概况 : 负荷模型 ; 供电的连续性 ( 数月内的 ); 年中峰值负荷的时间段 ; 不同季节用电量的差异性 ; 节假日与特殊状态的负荷概况 ; 设定负荷基准线 ( 最低性能要求 ) 月负荷曲线图 ( 图 2-4) 可用于说明一些典型的负荷行为 : 月用电量及购电合同的相似性 ; 供电连续性 ( 数周内 ); 夜间用电量 购电合同及费率 ; 月基准负荷 ; 周末及节假日用电情况 ( 图 2-5); 白天特殊的明显差异的用电情况 8,000 kw 7,000 kw 6,000 kw 5,000 kw 4,000 kw 3,000 kw 2,000 kw 1,000 kw 1 kw 周 图 2-3 一个测量点的年负荷曲线 6,000 kw 5,000 kw 4,000 kw 3,000 kw 2,000 kw 1,000 kw 1 kw 负荷曲线最大值 5 % 10 % 图 2-4 一个测量点的月负荷曲线 6,000 kw 5,000 kw 4,000 kw 3,000 kw 2,000 kw 1,000 kw 1 kw CW 53 CW 1 CW 2 CW 3 CW4 星期一星期二星期三星期四星期五星期六星期日 图 2-5 一个测量点的周负荷曲线 2 如 : 白天需求电量 ; 白天负荷变化情况 ; 典型 3 班制用电情况 ; 需求的峰值用电量等 全集成能源管理 电能管理 19

20 按 15 分钟时间间隔的测量值, 画出 24 小时的日负荷曲线 ( 图 2-6) 从曲线图的时间上可分辨如下一些测量点: 精确显示日需求电量, 瞬时负荷变化情况 ; 不工作时的用电情况 ; 早班和晚班的负荷变化情况 负荷功率概览图 (2-7) 表示一个测量点在一年内的负荷功率的变化情况 X 轴表示测量的负荷功率值,Y 轴表示工作的总小时数 该曲线依据 15 分钟间隔的采样周期, 由测量的功率值绘制的, 从基准负荷开始测量, 达到最大购电容量时结束 利用该曲线可分辨核心功率区域, 即能了解一个装置或系统最频繁出现的功率值 2.3 负荷曲线分析 为了强调相关性, 分析负荷曲线图反映的特征参数值和典型的工况条件, 按如下 3 种方式处理和分析测量值 : 负荷功率概览 ; 分布频率 ; 最大值分析 该曲线很重要, 主要用于分析能效, 给出结论是否达到预期的电能效率 如 : 变压器或电气设备的额定值 ; 通过电气损耗分析设备生命周期的费用 分布频率 2 频率分布曲线是对负荷功率概览累计值的统计分析,X 轴表示累计的小时数,Y 轴是相关小时数需要的功率值, 见图 (2-8) 因为小时数是从 0 开始, 曲线以购电功率的最大 6,000 kwh 2010 年 1 月 12 日早班 晚班 值开始, 基准功率时结束 频率分布曲线可得出购电连续性的结论, 特别是在偏离平均曲线进程时允许得出这样的结论 5,000 kwh 4,000 kwh 从功率分布频率曲线给出一些典型的评价 : 3,000 kwh 2,000 kwh 1,000 kwh 1 kwh 峰值负荷的特征 ; 购电的连续性 ; 早晚班用电模式 ; 基准负荷 图 2-6 一个测量点的日负荷曲线 300 h 250 h 200 h 150 h 100 h 5 h 8,000 kw 7,000 kw 6,000 kw 5,000 kw 4,000 kw 3,000 kw 2,000 kw 1,000 kw 0 kw 1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000 7,000 图 2-7 一个测量点一年内的负荷概览 0 kw 0 h 1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000 7,000 8,000 9,000 图 2-8 一年内的频率分布及平均曲线的情况 20 全集成能源管理 电能管理

21 2.3.3 最大值评估图 ( 2-9) 是最大功率值的图形表示, 测量的最大值附有时标 有两根基准线, 一根是低于峰值负荷 5% 的基准线, 另一根是 10% 基准线 通过极大值可清楚地看到, 负荷管理系统在很多的 15 分钟的时间段中参与了控制, 使需求功率不超过定义的峰值功率 可在白天时间段, 根据功率最大值的变化, 绘制出特殊的峰值负荷的分布, 或者给出月内的最大功率值 根据特殊的峰值负荷, 使管理人员能够判断是否需要调整负荷管理, 或改变装置的管理 平均值 这些数据对能源管理来说非常有用, 它们说明了与时间有关的能源需求 典型的测量参数有 : 电能 ( 每小时 kw 数 ); 峰值功率 ( 对需求费用来说很重要 ); 用电周期 ( 对电价来说很重要 ); 满负荷小时数 ; 同时系数 ; 单位特殊功率值 ( 即早晚班值, 以项目为基础的值, 规定时间工作的值 ); 最大值, 最小值, 平均值 ( 指电压 电流 功率因数 功率和功等 ) 2.4 典型的测量值 一个测量点的典型测量值代表一种工况, 可与其他工况作比较 分析典型工况, 按月或年求和, 计算最大值 最小值和 注意 : 直接显示的典型值是进一步深入分析的基础, 其结果可用于典型的建筑物中 ( 单位面积的电能 与制冷系统有关的需求功率 特殊环境有关的极端测量值等等 ) 有关典型值, 数据分析和解释等更详细的资料请查阅 M. Wei, Datenauswertung und Energiemanagement,2010 (ISBN ) 2 4,000 kw 3,900 kw 3,800 kw 3,700 kw 3,600 kw 3,500 kw 3,400 kw 3,300 kw 分钟值 3,904 kw 3,856 kw 3,848 kw 3,848 kw 3,832 kw 3,824 kw 日期 / 时间 : : : : : :15 15 分钟值 3,816 kw 3,816 kw 3,808 kw 3,800 kw 3,792 kw 3,792 kw 日期 / 时间 : : : : : :45 15 分钟值 3,792 kw 3,792 kw 3,784 kw 3,784 kw 3,776 kw 3,776 kw 日期 / 时间 : : : : : :15 减少峰值负荷 5 % 10 % 为 3,709 kw 为 3,514 kw 20 个最大值之间不超过 3 % (3783 kw) 图 2-9 对峰值负荷测量值的排序, 观察最大值的变化范围 全集成能源管理 电能管理 21

22 2.5 电价 电费由用电量 需求费用和税收等部分组成 : 电价是用电量 ( 电度 )[kwh] 与单位电价 [Cent/kWh] 的乘积 需求费用在德国是用户申请, 供电局同意提供的电量, 其单位价格为 ( /kw ), 是 15 分钟 ( 或 n 倍 15 分钟 ) 时间段购买的电功率 税收, 如果由热电厂供电时, 这部分税收包括增值税 生态税 如使用新能源时, 还包括新能源费用 税收计算时一般按总用电量和需求功率两项费用之和再乘一个百分数 对内来说有的电价不考虑税收费用, 仅计算用电量 kwh 和需求费用 电价 ( /kwh ) 一般以月为单位记帐更新 AEP 为平均电费, 实际的用电 kwh 费用加上实际的需求费用再除以供电局提供的电量, 即 : ( 实际总电费 [ ] + 需求费用 [ ]) AEP [Cent/kWh] = 用电量 [kwh] 如把电价作为用电周期的一个函数, 可采用图形表示, 说明用电 (kwh) 费率 需求费用以及特定时间范围内的相互关系, 成为一个优化能耗的窗口 ( 图 2-10), 该窗口由以下关键点定义 : 保持最大购电合同时, 寻找可能的节电的潜力 ; 保持相同用电量的前提下, 能否减少购电量 ; 2 用电量降 10 % 平均电价 峰值功率降 10 % AEP Ct/kWh ,160,000 kwh 7,086 kw 3,178,000 Ct kwh 23,511,492 kwh 7,086 kw 3,436,500 Ct kwh 23,511,492 kwh 6,400 kw 3,351,500 Ct kwh Ct kwh 电价协议 减少 kwh 费率 -10% 至 9.9Ct/kWh 减少需求费用 -10% 至 108 /kw Ct kwh ,800 2,900 3,000 3,100 3,200 3,300 3,400 3,500 3,600 3,700 3,800 用电周期 图 2-10 平均电价的一个 优化窗口 举例 22 全集成能源管理 电能管理

23 2.6 智能电网 寻找降低 kwh 费率的可能性 ; 寻找降低需求费用的可能性 假设图 2-10 中, kwh 费率和需求费用均降低 10%, 优化窗口中的 3 个表格的 kwh 费率和需求费用为固定的价格 请注意 : 从优化窗口看到的不是绝对的电价, 而是用电量 (kwh) 的平均电价 依据供电 ( 供电局或电网运行商 ) 的实际情况, 用电量的变化与峰值功率变化均会对电价 ( 在谈判合同协议时 ) 产生影响 当然还有其他一些影响因素, 如特征参数, 配电系统, 评估方法等 智能电网 该术语说明了一个高性价比的电能网络管理系统, 实现了发电 电能储存 输配电和用电之间的智能互动的关系 ( 图 2-11): 用电是智能电网的一部分, 作为一个接口连接智能电网 电力供应商供应电力, 但要求提供预测一周的 ( 以 15 分钟时间段作为间隔的 ) 需求功率, 电价等于用电时间乘以合同 (kwh) 费率 配电系统运行商负责连接智能电网, 期待一份购电 ( 输出功率 ) 的声明, 定价基础是协议的需求费用乘以合同期间内 ( 月或年 ) 最高的 15 分钟的功率值 计量员测量用户的用电量, 并向用户提供账单, 收取一定的服务费 生物能电站 2 电力控制系统 能源管理系统 能源交换 账单 通信网络 热电站 气象服务 能源集中器 光伏发电 风力发电 远程计量 重要负荷 通信单位 Fuel cell 分布式小型热电联供或光伏系统 配电箱 图 2-11 智能电网组成及各部分之间的能源管理和通信 全集成能源管理 电能管理 23

24 单线图状态信息保护信息测量参数 变压器 ON / OFF 分接头 ( 一次侧 ) 脱扣 / 熔断器熔断信息 操作次数 ON / OFF 脱扣 / 熔断器熔断信息 过负荷信息 温度保护信息 电流 电压 cos 功率 中性线 / 地线 电流谐波 电压 低压进线 电流 主开关柜 电缆 分配电柜 电流 终端配电 2 M 图 2-12 配电系统运行示意 用户设备 电流 2.7 运行管理 能源管理系统是管理建筑物经济运行的基础, 重点是电源系统 使用状态显示和信号设备有效地监控能源损耗和系统经济运行必须与建筑物结构和功能要求相一致 在项目的起步阶段, 就应考虑楼宇自动化的辅助测量和控制系统, 必须具有如下的功能层次 : 采集设备的状态信息和测量参数, 数据处理 ; 操作员的控制与检测可视化 重点有利于运行管理系统, 理由如下 : 方便快速地在线观察建筑物能源流和能源损耗 ; 可靠地检查记录的测量值, 避免读数错误 ; 调整用电负荷, 优化购电合同 ; 根据实际的需求, 更精确地规划, 更经济地用电 ; 能源费用透明化 ; 可参照的基准值 24 全集成能源管理 电能管理

25 第 3 章 高层建筑设计任务 3.1 初步设计 电能管理系统初步设计 高层建筑设计边界条件 决定需求功率 光伏电源应用 36 3 全集成能源管理 高层建筑设计任务 25

26 3 高层建筑设计任务 毫无疑问, 在设计阶段优化超高层建筑的供配电系统, 改善提高设计质量的潜力最大 在设计阶段, 可以调整各项附加的费用及安装调试过程中的费用 与传统的设计方法比较, 集成设计方法可以连续提高项目的性价比 以一个复杂的项目为例, 集成设计是采用一个供应商提供的产品和系统, 集成智能元器件对系统进行综合考虑协调配合, 集合成为一个高性价比的解决方案 选用不同制造商的系统和产品, 通过接口技术精心设计组合成一个系统的传统设计方法, 因其薄弱环节多, 可靠性低, 备件复杂, 管理麻烦等原因实质已被淘汰 网络结构简单清晰 ; 从中压配电系统至低压负荷中心分析性价比 ; 依据工作电流和故障电流优化电气设备的额定参数 ; 通过冗余性 选择性 短路强度校核 过电压保护 设备可用性等指标分析系统供电的可靠性和运行安全性 ; 电能质量, 电源系统扰动, 电磁兼容性 ; 维护简单, 统一的备件备品 ; 减少电压降和配电线路损耗 ; 海拔高度 湿度 环境温度等环境条件, 要求的防火保护 空间边界条件等 初步设计 一幢高层建筑中, 由于不同用户要求不同的用途 布置及装潢风格, 因此需要相应的配电系统来满足需要 初步设计汇总边界条件时, 必须要考虑如下的因素 : 建筑物中不同区域的功能 形状和类别, 反映了区域供电的差异性 ; 符合建筑规程与法规的要求 ( 如德国现代高层建筑指令 - MHRD 等 ); 满足运行要求的技术 设备和装置 ; 满足配电运行商的要求, 供电技术条件 ; 需求功率的用途, 费率 通电费用 ; 可能的分布式发电系统 ( 自用, 储电 或并网卖电 ); 依据建筑物应用类别, 用电区域的负载, 确定要求的接通电功率 ( 或电量 ); 确定负荷中心, 布置变电站和低压配电系统 按如下条件作方案比较, 按用途和性价比, 寻找最优方案 : 是否符合电气规程 (VDE 0100 和 VDE 0101) 电气系统对人身安全的要求 ( 防止事故发生的规则 ), 满足规程对特殊系统和场地的要求 ; 设计供电系统除需要满足上述要求外, 还需按如下准则选择设备 : 配电系统负荷统计 ; 同时系数 ; 负荷系数 ; 按用电区域的负荷估算功率因数 ; 考虑配电系统网络结构 : - 负荷中心数量 位置 总的容量 ; - 确定变压器位置和低压配电系统 ( 按电压降和线路损耗考虑 ); - 布线系统 ; - 低压或中压应急电源 ; 设备选型 : - 电气设备 ; - 开关设备 ; - 配电变压器 ; - 选择电缆截面或母线槽系统 ; - 系统保护等 26 全集成能源管理 高层建筑设计任务

27 3.2 电能管理系统初步设计 使用能源管理系统 (EMS) 的目的是从系统考虑采集和分析能源流的数据, 提供投资决策依据, 采取措施, 不断提高能源的效率 合理选择测量仪表 ( 设备 ), 采用软件分析评估测量数据, 是创建能源管理系统的前提 通过能源管理系统给出可持续提高电能效率的方法, 其主要目的在于 : 降低电能费用 ; 可持续地管理电能 ; 保护环境 ; 优化资源和时间 ; 改善形象, 获得社会认可 ; 减免税收 为了实现上述目标, 应在设计开始至安装和调试和投入使用的全过程综合考虑能源管理系统 (EMS ), 在初步设计中包含测量环节的内容, 应与第 2 章图 2-2 要求一致 根据 ISBN 能源管理系统数据评估 文件中描绘的测量和显示是组建一个能源管理系统的基础 负荷管理和能源计划高层建筑中不同的应用装置要求不同的需求功率和能源, 负荷管理和用电计划是在设计阶段给出的 利用负荷管理可把功率损耗维持在一个设定值内, 避免 ( 限制 ) 出现峰值功率 因为峰值功率是购电协议中的一个条款, 必须与配电运行商协商讨论的 为了限制峰值负荷的出现, 需要负荷管理, 在 测量参数显示信息 电压 电流 线电压 U L1-L2, U L1-L3, U L2-L3 特征值 不平衡负荷的识别 相电压 U L1-N, U L2-N, U L3-N 接地故障检测 相电流 I L1, I L2, I L3 特征值 不平衡负荷的识别 中性线电流 I N 中性线电流说明 3 相电流不平衡或有谐波 借助功率显示, 反映用电 ( 损耗的 ) 行为 3 功率因数 总 cos ϕ 相 cos ϕ cos ϕ cos ϕ L1, cos ϕ L2, cos ϕ L3 特征值 负荷曲线 显示需要的无功补偿 无功补偿可能出现的问题 有功功率 P 特征值功率值比较 功率 无功功率 Q 特征值负荷的时间依赖性 视在功率 S 特征值描述设备的用电行为 需求电能 W,Demand 特征值 15 分钟的电能需求 供给电能 W,Supply 15 分钟的提供的电能 电能 负荷曲线 总的用电量 总的能源损耗 电量检查 成本中心定价 电能质量 总谐波失真电压 THD U 特征值谐波滤波器 负荷曲线 识别问题, 如临界值等 表 3-1 初步规划参数测量与显示 全集成能源管理 高层建筑设计任务 27

28 设计阶段需要考虑卸负荷, 即有条件接通或断开的用电负荷 ; 此外, 还需考虑负荷管理所针对的配电网络, 相关电参数信息, 采取的自动化技术等, 以及能清晰地显示不同用电区域的运行工况 另外, 对混合型的或综合楼来说, 必须考虑足够大 ( 最大化 ) 的需求功率 电价由 kwh 费率和需求费用构成, 当设计测量系统和评估电能效率方法时, 必须考虑负荷和负荷预测管理, 以便制定按需求优化的用电计划 购电合同应与用电计划一致, 这对优化电费起很重要的作用 当履行这样的合同时, 用户将提前一周预测每 15 分钟时间段需求电能 购买电力时应充分考虑上述因素, 与运行商协商双方同意的需求电价 如果实际的需求小于预测的需求电量, 支付的是双方同意的购电价格, 支付的电费要高于实际使用的电费, 显然对电力用户是不利的 ; 如实际用电量大于预测的需求电量时, 用户需要支付附加费用, 该费用是依据需求时间段的补充服务计算的 网络集线器 图 3-1 不同应用层面的空间布置示意 网络集线器 酒店宾馆 70 m x 25 m 办公场地 90 m x 40 m 购物中心 医疗中心 活动中心 130 m x 80 m 地下室 : 数据中心, 变电所及机电设备安装场所, 停车场 150 m x 150 m 3 如果供电合同包含用电计划条款, 此时预测管理应检测用电计划 如需求大于预测, 必须切断部分负荷 ; 反之, 则可接通部分负荷 所以, 应定义一些可接通或断开的负荷, 这就是负荷管理功能 3.3 高层建筑设计边界条件 建筑物包含的功能和区域垂直分布情况见表 3-2, 分布示意图见图 3-2, 图中用不同的颜色显示不同类别的自动化电梯 除考虑每一层外, 还要考虑必须的技术装置 设备 电梯或自动扶梯等, 安装设备和装置的区域, 以及墙壁等位置 楼层面积减去 10% 楼梯 墙和走廊的面积 每层的有效使用面积的 10% 为安装设备和装置的面积和电梯要求的面积 我们不可能把一幢高层建筑定义为标准化建筑, 因为每一幢建筑物有它特定的气候和环境条件 特殊的用途, 应符合的标准和法规 业主的希望和要求 选用设备的档次和技术参数 投资费用和施工计划等均不相同 为此, 选择以下的技术参数作为超高层建筑的设计案例 : 一幢 80 层高的综合用途的超高层建筑, 其中地上 75 层, 地下 5 层, 层高 4m 或 5m, 建筑物离地表的总高度高于 300m; 从结构上讲是细高型建筑, 大楼里的室内和玻璃窗是用户友好型的, 必须减少风力对高层建筑顶部的晃动和干扰 ( 图 3-1) 楼层 功能区 每层面积 (m 2 ) 总面积 (m 2 ) F 72 至 74 设备室 ,250 F 57 至 71 宾馆 ,250 F 6 至 56 办公室 ,600 F 5 活动中心 / 医疗中心 ,000/4,400 GF 至 F 4 休息室 商店 ,000 BM -1 设备室 仓库 / 计算机房 ,500/6,000 BM -5 至 -2 停车场 ,000 表 3-2 高层建筑功能垂直分布示意图 28 全集成能源管理 高层建筑设计任务

29 3.4 决定需求功率 在建筑物供配电系统设计的第一阶段, 已经给出了计算总需求功率的方法, 建立了基本数据 考虑建筑物的功能 基础设施和运行, 估算有效使用面积 为使获得的数据符合实际情况, 需要设计师有设计经验, 并充分了解客户对建筑物施工工艺的想法, 直接利用这些经验和想法作为边界条件, 初步估算投资预算 在初步设计的第二阶段, 应该形成重要系统和设备选型的概念, 考虑投资效益 环境兼容性和可持续性等一些变量 估算需求功率 根据建筑物室内的结构特点 舒适性和空调的铭牌功率估算一个室内的需求功率, 同时考虑一些重要的因素, 如设备和装置的费用 集成到建筑物管理系统中的集成费用 成熟的技术并非一定能集成到高质量的解决方案中 西门子从大量的工程实践中取得了丰富的经验, 形成了简单的计算方法 用负荷密度方法估算需求功率, 高层建筑依据有效使用面积, 大约按 W/m 2 来估算需求功率 该功率的变化范围比较大, 设计师必须计算实际的功率值是接近 60W/ m 2, 还是接近 150W/ m 2 为此, 估算该需求功率时, 可以参考给出的一个修正系数表 ( 表 3-3) EN 标准也使用该修正表 用有效系数, 量化建筑技术特性的分类, 使用楼宇自动化技术 (BA), 应用建筑物技术管理 (TBM) 3 表 (3-3) 是校正系数在 0-1 范围内, 适用 BA 和 TBM 和技术建筑特征的设施 需求功率受众多因素影响, 我们只使用一些简单的计算模式, 局限于以下的六大特征因素 : 购物中心自动扶梯快速客梯消防电梯 ( 每层都停 ) 货梯 ( 每层都停 ) 高速电梯 ( 仅在标注的层停 ) 设备房 活动中心 酒店楼层 购物中心 办公楼层 数据中心 地下停车场图 3-2 超高层建筑功能分布, 及电梯布置方案图 建筑物的布置 ; 房间结构 ; 舒适度等级 ; 空调选择 ; 技术特征 ; BA/BTM 全集成能源管理 高层建筑设计任务 29

30 当然有时也会使用已有的系数作为边界条件, 设计师和客户应同意这系数, 以保证计算的可用性 6 个校正系数相应于六个特征因素, 以区分建筑物模型中的需求功率 K plc 对应建筑物布置 ; K struct 对应房间的结构 ; K comf 对应舒适度等级 ; K clim 对应空调设备 ; K tech 对应技术特征 ; K BA/TBM 对应 BA/TBM 等级 D (C) C (B) B (A) A (A+) 办公室 礼堂 学校 ( 教育设施 ) 医院 宾馆酒店 饭店 批发零售大楼 工业设施, 体育设施, 库房等其它类型建筑不作区分, 所以选取系数 1 适用各种等级 表 3-3 按 IEN 15232, 楼宇自动化系统的有效系数 ( 不适用居民楼 ) 3 这里不采用对系数作加权运算的方法, 而把全部校正系数的平均值定义为总修正系数 : (k plc + k struct + k comf + k clim + k tech + k BA/TBM ) k tot = 6 为了决定特指的需求功率, 可从最低的负荷密度值开始 (60W/m 2 ), 用 6 个子系数估算总修正系数 K tot 用于 90 W/m 2 到 150 W/m 2 修正, 用这系数作加权平均法运算后与 60W/m 2 相加, 见图 3-3 建筑物布置 修正系数 K plc 建筑物的位置原则上影响供配电设计, 为了估算需求功率, 需解决以下一些问题 : 与相邻建筑物有关的特殊条件 ; 交通与供电电源 ; 可能的供电形式 ; 是否有合法的边界条件 由于超高层建筑必须考虑当地的特殊条件, 取布置系数 K plc =0.5 特殊功率 W/m k tot k plc k struct k comf k clim k tech k BA/TBM 校正系数 图 3-3 校正系数对特殊功率的影响 房间结构 修正系数 K struct 较小的房间容易通风, 室内照明由于墙和天花板的反光效应, 采光效果好 所以修正系数可按房间的高度加以考虑 图 3-4 曲线也考虑了直接通风, 无空调设备的小房间和小面积区域的修正系数 ; 对于大房间和大厅一般取大的修正系数 设计师的经验和知识, 以及客户要求的合同条款是决定该系数的主要因素, 根据项目的具体情况也可咨询西门子 TIP 工程师 30 全集成能源管理 高层建筑设计任务

31 k struct 1 k clim ,000 m ,000 m 2 2,000 8,000 m 2 > 6,000 m 2 1 小房间, 大床房, 标准间 2 大型办公室, 窗口通风 3 零售商店, 医生诊室, 敞开式办公室, 空调间, 标准的设备间 4 敞开式办公室, 百货商店, 高档设备房 图 3-4 用建筑物结构系数 k struct 估算需求功率示意 ( 楼层有效面积作为参数值 ) 很低低平均高很高 数据中心和厨房平均修正系数 图 3-5 用空调系数 k clim 估算需求功率示意 空调需求系数 按不同用户类型 ( 办公室, 百货商店, 酒店客房, 剧院 ) 的平均修正系数 高层建筑中的酒店客房或办公室等用途的修正系数 K struct 一般取 0.3 舒适性和安全性设备 修正系数 K comf 建筑物的舒适度很难定义, 但舒适度很大程度上取决于建筑物的功能和用途 在购物中心其标准主要是指照明系统的照度 ( 或亮度 ), 以及优质的音响系统和监控系统 在办公区域, 也可把这些特征作为舒适度指标考虑 ; 另一方面商店的橱窗几乎不需要百叶窗, 而在办公室和酒店客房是必须的, 是舒适度的一个重要指标 大功率的高速电梯, 特殊的舞台技术装置, 技术先进的设备, 医疗诊断设备等也需要电力供应 而建筑物中监控系统会使高层建筑运行更安全可靠, 对用户更舒适和友好, 因此选取舒适度修正系数 K comf =0.5 经考虑了建筑物特殊的功率需求 我们用曲线表示空调修正系数与空调需求功率的关系, 针对办公室, 宾馆客房, 厨房, 计算中心, 剧院, 仓库, 多层停车场等地点的不同的需求功率要求, 需求等级从高向低变化 尽管有太阳光的辐射作用, 计算机房通常不考虑开设窗户, 但需要精密空调系统, 人为造成恒温恒湿度的环境 应该注意, 空调设置主要与机房结构和舒适度要求有关 对于综合用途的超高层建筑, 假设修正系数 K clim =0.4, 考虑的因素有 : 自然冷却, 空调制冷时空调费用的增长 ( 见图 3-5) 从不同类别的应用曲线中可看到, 只有高需求功率的制冷设备, 如数据中心和厨房, 才会出现稍有不同的曲线形状 技术特征 修正系数 K tech 3 空调修正系数 K clim 设计需考虑空调, 自然通风, 制冷设备的效率以及室内在不削弱光线条件下降低太阳光的照射等因素 德国工程师协会 (VDI) 其出版物 VDI ( 通风和制冷技术指南 ) 中已 当定义建筑物技术设施和装置功能时, 必须区分这些设施和装置的用途和性能 ( 技术版本 ) 高速电梯的起动电流比一般电梯的起动电流大, 风机电动机用电力电子设备控制可以节能, 现代节能灯具和照明系统能降低需求功率, 因此, 采用不同技术的电气设备其效率大不相同 根据 EN15232 标准, 对建筑设施和装置按其电气能效进行分级, 见表 3-4 把表 3-3 中的 EN 标准的效率系数放到表 3-5, 考虑 全集成能源管理 高层建筑设计任务 31

32 修正系数的范围是在 0-1 之间 不对 ( 体育运动设施, 库房以及工业系统等 ) 其他应用类别作区分的话, 把 4 个等级的修正系数均可选取 0.5 高层建筑模型中, 假设采用的建筑技术装置平均花费对应于 B 级 ( 高能效系统的 ) 楼宇自动化设系统, 因此可选取修正系数 K tech =0.3 建筑物管理 修正系数 K BA/TBM 采用与技术特征相同的方法, 用 EN 标准分析建筑物管理的修正系数 对新建筑物, 标准中的 D 等级没有意义, 新建筑物必须采用高能效的的 BA/TBM 系统 采用显示比例缩放修正系数的方式, 其优越性在于通过比例缩放使技术特征适应当代最新技术, 通过自己的经验和知识对能效等级分类 我们可不考虑 D 级, 给出一个新的 A+ 等级 该等级的 BA/TBM 除了具有 A 级的全部性能外, 还考虑远程监控, 远程诊断, 远程控制, 还包括 BA/TBM 对分析工具, 从而可成为智能电网的一个组成部分 新的 4 个等级, 分别为,C B A A+ 然后再根据表 3-5 选取相应的修正系数 等级 A 电能效率 高能效设备和系统 ( 低阻力传动装置 ) 电力电子控制的风机, 晶闸管式逆变器定期维护的远程监控装置 在新建筑物中, 应选择高效率, 正在投资研发的 BA 系统, 作为建筑物设施的自动化, 控制和管理 假定我们在高层建筑的模型中取修正系数 K BA/TBM =0.3 3 可扩展的通信和控制器件或装置 能提高能效的设备和系统 B 可扩展的通信和控制器件或装置 能反映当前技术水平的标准化的设备和系统 C 无通信功能, 只能采用机械方式调整的系统 只满足功能需求的简单设备和系统 D 只能接通 / 断开操作的开关电器 表 3-4 依据 EN 15232, 对应能效等级的技术特征 能效等级 D C B A 办公室 大礼堂 学校, 教育设施 医院 酒店宾馆 大饭店 批发零售商店 表 3-5 依据 EN 15232, 非住宅类建筑 BA/TBM 对应的能效系数和修正系数 这样得出总的修正系数 : (k plc + k struct + k comf + k clim + k tech + k BA/TBM ) k tot = = 0,383 6 因而可得到一个特指的需求功率 : P spec = 60W/m 2 + ( 90W/m 2 x 0.383)= 94.5 W/m 2 根据表 3-2, 该高层建筑案例的建筑面积为 390,000 m 2, 有效 ( 使用 ) 面积为建筑面积乘系数 0.8 则 有效 ( 使用 ) 面积 =390,000 m 2 x 0.8=312, 000 m 2 超高层建筑的有效 ( 使用 ) 面积乘以特指需求功率为整幢建筑物的估算的需求功率 所以该案例的总需求功率为 29.5MW 32 全集成能源管理 高层建筑设计任务

33 3.4.2 估算需求容量 西门子 TIP 供配电系统设计手册 第一册: 配电系统设计原则中已介绍了基于建筑物功能和应用, 按配电装置和设备的功率估算建筑物需求容量方法 依据图 3-2 高层建筑功能垂直分布示意图, 表 3-7, 分别估算超高层建筑各层的需求功率 : - 地下 -5 层至 -2 层 : 为地下停车场有效使用面积 = 0.8 X 建筑面积 =18000 m 2 平均需求功率 ( 负荷密度 ) 为 :8W/ m 2 每一层需求功率 =144kW - 低 ( 地面 ) 层 : 有效使用面积 = 0.8 x 建筑面积 =8320 m 2 购物中心和银行的负荷密度 =50W/ m 2 需求功率 =416kW 层 : 有效使用面积 =0.8 x 10400=8320 m 2 负荷密度按购物中心考虑为 40W/ m 2 每一层的需求功率大致为 333kW - 地下 -1 层 : 计算中心建筑面积 :6000 m 2 / 技术装置和设备区建筑面积 : m 2 计算中心有效使用面积 :0.8 x 6000 m 2 =4800 m 2 设备区有效使用面积 :0.9 x 16500m 2 =14850 m 2 计算中心负荷密度 ( 平均需求功率 )= 1500W/ m 2 计算中心需求功率 = 4800 x 1500 = 7200kW 等级 A B C D 能效和建筑管理能效性能优异的 BA 和 TBM 系统 网络控制室有自动化要求 常规维护 能量监测 支持能源优化能效性能还需进一步完善和优化的 BA 和 TBM 系统 网络控制室无自动化要求 能量监测标准的能效 BA 系统 一次系统要求建筑自动化网络 无房间电子控制, 散热器上无温度调节阀 无能量监测目前不配置能效管理系统, 且将来也无此需求, 新建筑物不允许再使用此类系统 无楼宇自动化网络功能 无房间电子控制 无能量监测 表 3-6 依据 EN 15232, 实现楼宇自动化和建筑管理系统的能效分级 - 5 层 : 大型活动中心 :6000 m 2 / 医疗中心 :4400 m 2 大型活动中心有效使用面积 :0.8 x 6000 m 2 = 4800 m 2 医疗中心有效使用面积 :0.8 x 4400 m 2 = 3520 m 2 大型活动中心负荷密度 :40W/ m 2 医疗中心负荷密度 :100W/ m 2 大型活动中心需求功率 :40 W/ m 2 x 4800 m 2 = 192kW 医疗中心需求功率 :100 W/ m 2 x 3520 m 2 = 352kW 层 : 办公区每层有效使用面积 = 0.8 x 建筑面积 =2880 m 2 办公区负荷密度 :50W/ m 2 每层的需求功率 :144kW 层每层有效使用面积 = 0.8 x 建筑面积 =1440 m 2 酒店负荷密度 :50W/ m 2 每层的需求功率 :70kW 3 全集成能源管理 高层建筑设计任务 33

34 建筑物用途 平均需求功率 1) W/m² 同时系数 2) 平均建筑费用 /m 3 建筑物平均用电费用 2) /m 3 银行 活动中心 办公室 购物中心 酒店 宾馆 超市 医疗中心 多层停车场 数据中心 500 2, ) 该值仅用作估算需求功率, 不能替代精确的计算 2) 该同时系数仅作为指南, 用作初步设计, 需要确认是否合适 表 3-7 依据用途和应用类别估算平均需求功率 制冷与通风系统 技术装置设备间 3 地面以上各层有效使用面积的制冷和空调系统的负荷密度为 50W/ m 2,( 计算中心精密空调系统不在此考虑 ) 地面以上总有效使用面积为 217,800 m 2, 要求的制冷和空调系统的需求功率为 10.89MW 计算中心计算中心有高效率的基础设施和辅助设施, 其用电量的 75% 主要服务于 IT 设备 ( 服务器 路由器 数据储存器和开关设备 ), 其余 25% 的用电量服务于空调和通风系统 不间断电源 照明系统和监控系统等, 用电效率即 PUE 为计算中心总需求功率与 IT 设备的需求功率之比 ( 本案例 IT 设备需求功率为 5400kW) 假设按上面的用电比例, 则 PUE=1.33, 也就是计算中心机房 IT 设备冷却和通风的需求功率为 1800kW 假设每一层的技术装置和设备间的负荷密度或平均需求功率为 10W/m 2, 按计算的有效使用面积, 即可最终决定总的需求功率, 同时, 还需要考虑设备间满足设备要求内的低功率的空调和通风系统 依据表 3-8 计算, 则整幢大楼的技术装置和设备间的总面积为 56,400m 2, 因而总需求功率大约为 560kW 依据表 3-8 的汇总, 整幢大楼的总需求功率大约为 29.9MW 34 全集成能源管理 高层建筑设计任务

35 楼层 用途 每层的建筑面积 m 2 每层的有效使用面积 m 2 每层技术面积 m 2 负荷密度 W/m 2 需求功率 kw 地下 -5 至 -2 地下停车场 22,500 18,000 2, 地下 1a 变电所 机电设备安装场所 16,500 14, 地下 1b 数据中心 6,000 4, ,200 GF 银行 / 商店 10,400 8,320 1, GF, F 1 4 购物中心 10,400 8,320 1, F 5a 活动中心 6,000 4, F 5b 医疗中心 4,400 3, F 6 56 办公室 3,600 2, ,344 F 酒店 / 宾馆 1,750 1, ,050 F 变电所 机电设备安装场所 1,750 1, 表 3-8 建筑物功能分布及需求功率 供电电源 依据 和 章节给出的该高层建筑案例的总需求功率, 就可分别考虑正常供电系统 (NPS ), 安全电源 (SPS) 和 UPS 电源 表 3-7 给出的建筑物各功能区域的需求功率分别乘一个同时系数, 然后再相加得出总的需求功率 总需求功率 =(4.144kW)x 0.6 ( 地下停车场 ) + 416kW x 0.6 ( 银行 / 购物中心 ) kw x 0.8 ( 百货商店 ) kw x 0.8 ( 大型活动中心 ) kw x 0.6 ( 医疗中心 ) kw x 1.0 ( 计算中心 ) kw x 0.6 ( 办公室 ) kw x 0.6 ( 酒店宾馆 ) kw x 0.3 ( 技术装置设备间 ) MW x 0.7 ( 制冷和通风 ) =22.05 MW 假如功率因数为 0.9, 变压器的负荷率为 80%, 则要求变压器总的输出容量 =22.05 MW/ ( 0.8 x 0.9) =30.6MVA SPS 安全电源依据建筑物的功能和应用, 一般为 NPS 容量的 (20-30)% 该超高层建筑案例中, 包含数据中心, 数据中心设施要求较大容量的 SPS 电源和 UPS 电源 SPS 电源应按以下的因素和要求考虑 : 应急照明 : 应急照明的照度大约为正常照明的 3-10%, 与有效安全规程有关 按德国工作场所规程要求 E = 0.1En, 但不低于 15 lux 其中,En 为额定照度 消防控制中心 / 烟囱 / 喷淋系统 / 排烟系统 逃生电梯 消防电梯 为了减少停电时间, 通常对一些设施有特殊要求, 如控制停机过程或维护等 应急情况下, 确保控制和保护系统正常工作 按 IEC (VDE ) 要求, 救生系统要求附加一个电池组作为备用电源, 确保不停电 UPS 主要向计算中心或各类 IT 设备供电, 要求对关键的负荷连续供电, 不间断供电切换电源 计算中心中的精密空调和通风系统也属于该类负荷, 因为服务器机架如出现热点, 会瞬间损坏服务器中的电子器件 3 全集成能源管理 高层建筑设计任务 35

36 3 应考虑电源冗余 cosϕ = % 以上的备用功率 ; 计算中心还应考虑不同类别的 UPS 向 IT 设备供电 : 静态 UPS 包括整流器和逆变器以及电池组, 当 NPS 发生短时故障, 则通过储能继续向负荷供电, 供电时间取决于储能缓冲时间 ; 如 NPS 长时故障, 此时必须由 SPS 系统向 UPS 供电 动态 UPS 包括电动 / 发电机组, 飞轮储能设备, 以满足缓冲供电的要求 考虑了冗余, 该案例中的计算中心 UPS 系统总容量为 7500kVA; 另外 250kVA 服务于控制中心 安全系统和应急照明系统 在高层建筑中的一些特殊的地方和室内也需要 UPS 系统, 依据应用类别, 局部不停电负荷的容量与 NPS 之比差异性很大, UPS 电源的下述应用, 仅作为指南参考 : 停车场的付费 出入控制 保卫和安防系统按 (5-10%) 考虑 ; 商店的收银台 通信和安防系统按 (2-5%) 考虑 ; 银行柜台 通信和安防系统按 (3-10%) 考虑 ; 大型活动中心售票口 媒体 保卫和安防系统按 (2-10%) 考虑 ; 医疗中心办公室 通信 安防系统 诊疗系统按 (2-20%) 考虑 ; 办公室数据处理 通信 安防系统按 (2-10%) 考虑 ; 酒店宾馆管理 通信 出入管理 安防系统按 (2-5%) 考虑 ; 从前面考虑的需求功率值, 得出了 250kVA, 包括了小容量分布式配置的 UPS, 其进线电源来自各自楼层配电系统的 NPS 或 SPS 该案例的配电系统的电源容量汇总见表 3-9 电源需求功率 MVA 功率百分数 % NPS 18.5 约 60.5 SPS 4.35 约 14.2 UPS 7.75 约 25.3 表 3-9 高层建筑配电电源 3.5 光伏电源应用 高层建筑的朝阳面特别是顶部楼层的朝阳面, 有利用太阳能, 安装光伏 (PV) 系统的条件 安装光伏电池板 ( 模块 ) 既可保护建筑物的朝阳面, 还具有隔音和隔热作用 ; 设计时, 建筑物朝阳面与安装光伏电池板结合在一起考虑, 评估投资费用和光伏系统带来的附加利益 除建筑物的地理位置外, 光伏系统生产的电能与光伏电池板块的排列 安装的倾斜角度有关 在中欧地区, 光伏电池板最佳倾斜角度为 35 度 ( 至水平 ), 但也有垂直朝南方向排列布置, 与带倾角 35 度布置方式相比较, 其优点在于电池板表面上堆积的灰尘少, 但光电转换效果差, 生产的电能相对减少 25-30% 确定建筑物最大需求功率时, 不考虑光伏系统 IEC (VDE ) 对特殊装置和特殊场合的要求 光伏电源系统 标准很清楚地说明 : 在选择和安装光伏系统应有断开和接通开关, 公共电源必须接入作为电源, 而光伏系统只作为负荷处处理 PV 系统与公共电源系统并联的网络,PV 系统的光电模块产生的 DC 电压通过逆变器转变成 AC 电压 对容量大于 13.8kVA 光伏系统, 从 2012 年起, 德国 VDE-AR-N4105 实用标准有具体的要求, 总结如下 : 频率在 50.2Hz 和 51.5Hz 之间变化, 与频率有关的有功功率从 100% 减少至 48% ( 该功能已集成到光伏逆变器 SINVERT PVM 1 ) cosϕ 值控制在在 0.9 和 -0.9 之间 ( 无功功率 ), 光伏逆变器 SINVERT PVM 已采用该特性曲线 电源和系统保护需检测电源电压 频率 隔离开关或断路器 30kVA 以下的 PV 系统由 SINVERT P VM 光伏逆变器中所带的断路器断进行隔离 100kVA 以下的 PV 系统采用通过型式试验的 SIRIUS 3RT 接触器 3NA 和 5SE 熔断器组合电器作为主要或冗余联络断路器 大于 100kVA PV 系统, 则用 3VL 塑壳断路器, 配电动操作机构和辅助脱扣器 36 全集成能源管理 高层建筑设计任务

37 从概念上看,PV 系统可分为集中式和分布式两种系统 : 集中式 PV 系统 : 在 DC 侧 PV 模块的电能在汇流箱内叠加后, 通过逆变器集中转换成 AC( 见图 3-6 DC 侧的直流电压高达 1000V, 需要保护电器保护 ( 见第 5 章相应的产品 ) 其优点是只有一个装置在房间内, 使用维护方便 ; 缺点是需要直流系统 分布式 PV 系统 : 通常为模块化结构,PV 模块和逆变器在一起, 使用灵活方便 汇流模块直接与逆变器连接, 各逆变器的 AC 侧通过开关并接到 AC 汇流箱中, 成为低压配电电源 ( 见图 3-7) AC 侧需要保护详见第 5 章相应的产品 分布式系统优点是能方便地集成到 AC 电源系统中 ; 缺点是配电设施的维护费用高 图例 : 1 螺旋式熔断器系统 2 PV 熔断器系统 3 DC 负荷开关 4 DC 过电压保护 = ~ 3 图 3-6 集中式光伏发电系统单线原理图 全集成能源管理 高层建筑设计任务 37

38 3 38 全集成能源管理 高层建筑设计任务通过对一些 PV 模块的组合, 分布式 PV 系统在直流侧电缆很少, 光伏逆变器机房简单, 建造容易 这些优点特别适用于高层建筑中 1 更多信息详见 : 图 3-7 分布式光伏发电系统单线原理图 = ~ = ~ = ~ = ~ = ~ = ~ = ~ = ~ = ~ = ~ = ~ = ~ = ~ = ~ = ~ = ~ = ~ = ~ 6 8 = ~ = ~ = ~ = ~ = ~ = ~ 图例 : AC 小型断路器熔断器隔离开关 AC 过电压保护空气断路器

39 第 4 章 电源网络规划 4.1 配电设计任务与要求 配电系统概念 超高层建筑供电理念 44 4 全集成能源管理 电源网络规划 39

40 4 电源网络规划 一旦确定了配电项目的需求功率 负荷中心的数量和位置后, 就应着手考虑供配电系统方案 方案通常追求供电可靠性和灵活性 并能满足未来的需求, 同时注重电能效率和经济运行 配电系统通信功能及智能化等技术指标 用户 : 用户主要要求操作简单 维护方便 安全性 可靠性 灵活性 电能效率 经济运行等指标 ; 还关心合同条款, 工程技术规范等文件 4.1 配电设计任务与要求 明确设计任务和技术要求, 折衷的边界条件和技术规格后, 即可进一步具体考虑设计符合要求的配电系统 4 设计供配电系统前, 投资人 建筑师 电气设计师 监理人员 电力供应商 安装公司和用户等各方之间应充分沟通, 紧密合作, 就项目的技术要求和细节达成共识 所以需要相互协调, 消除一些会产生负面影响的不利因素 : 开发商 : 最终用户或租赁用户还未确定时, 开发商应了解投资安全性 成本组成 使用寿命和灵活性等细节 ; 与用户有关的电能效率 智能电网 光伏 ( 太阳能 ) 应用 电费及账单等事项 建筑师 : 负荷中心 技术设施和设备的布置和空间尺寸 用电区域开关柜和配电线路 安装技术要求 ( 如事故情况下, 开关室至天花板高度是否满足安装规程要求等 ); 建筑物中竖井设施, 光伏发电等等 结构工程师 : 变电所对变压器 发电机和 UPS 以及电池组等电源设备的承重及运输要求, 电缆桥架和梯架对墙壁和地的安装和紧固的要求 监理 : 消防技术要求 ( 防火门和隔室等 ), 排烟通道, 配电系统的冗余和选择性, 用电区域安全的防护措施, 对在建筑物中使用的技术和装置进行检查和认证确认 监督安装和调试 电力运营商 : 确定供电范围, 协调 SPS( 安全电源 ) 系统确保电力供应 SPS 可以是柴油发电机组, 也可由公用电网 ( 即另一个变压器站 ) 专线提供 中压继电保护重点关注配电变压器中压进线与低压电网的选择性保护配合 第三方供应商 : 除盘柜外, 还应关心供水 供暖 通风管路和系统的产品 这类产品应与现有的能源供应理念相结合, 关注电加热 制冷和环境条件等 4.2 配电系统概念 进行配电系统设计, 必须依据行业要求 技术现状 强制性的标准和设计规范, 如必须分别满足数据中心 大型会议厅 医疗场所 特殊工作场所等特殊技术要求 在设计阶段, 一般手头上总是缺少详细的资料和信息, 项目设计至项目实施之间一般有一段很长的时间, 好几个月甚至几年 在这样长一段时间内, 情况是不断变化的, 很显然需要对设计中的一些概念和设计要求不断地优化和改进 应该注意项目和系统完工及交付的最终时间表, 要留出一段过渡时间给验收单位按规程 标准以及相关要求等进行验收 为了组建一个配电系统, 必须着重考虑如下要求 : 配电网络结构与配置必须检查负荷统计是否有漏项, 该漏项是否会改变负荷中心的位置 该理念已在西门子 供配电系统设计手册 第一册中介绍 集中一点接地与 EMC 设计低压配电系统时应依据 IEC (VDE ) 及相关的 EMC 标准, 处理好集中一点接地和 EMC 的问题 另外还需考虑布线系统的要求 : 多根单芯电缆 ( 导线 ) 应对称布线 ; 电缆 ( 导线 ) 之间应有小的间隙 ; 尽力做到三相负荷平衡 ; 动力电缆远离潜在的敏感设备 ; 数据线和通信线与动力电缆分开布线 ; 配电系统采用 TN-S 接地制式 40 全集成能源管理 电源网络规划

41 集中一点接地需知 : 不允许 N 线和 PE 线之间形成环路 ; 两个 TN-S 子系统相互连接时, 实质是双电源互投系统, 必须采用 开关保护 ; PE 线或 PEN 线不允许接开关 ; PEN 线为有绝缘线, 包括配出线 ; 单相短路电流值大小与集中一点接地位置有关 注意 : 配电系统只有一个桥接点拆分为 PE 线和 N 线配出时, 系统的单相短路电流值可能很小 配电网络设计为了做网络计算, 这里引入了一个网络模型 网络计算的目的是为了按电气 ( 工程 ) 规范要求的选择配电设备和线路电缆, 满足保护脱扣条件 设计规范反映在配电网络计算中, 与相关标准之间的关系详见图 4-1 在建筑配电系统中, 选择性地自动切断电源变得越来越重要, 该指标说明了供电的质量和可靠性 按 IEC 或 -718 标准 ( DIN VDE 或 -718), 安全电源系统要求上下级保护设备具有选择性, 使不同的供电区域在空间上实现可靠地故障隔离 高层建筑的数量越来越多, 出现故障时, 要求保护电器 ( 的脱扣器 ) 选择性地自动切断电源 IEC VDE 0102 等同 IEC 标准 取决于国家 国家标准 取决于国家 国家标准 取决于国家产品系列 短路电流计算 负荷电流计算 电功率 ( 有功 无功 视在 ) 开关电器选择 功能 功能 功能 用户定义功能 选型计算依据 IEC IEC IEC IEC 电缆截面 / 保护电器选型计算 DIN VDE 选型标准 VDE 0100 Part 410 VDE 0100 Part 430 VDE 0100 Part 520 VDE 0100 Part 540 VDE 0298 Part 4 4 降容系数 正序 / 零序阻抗 脱扣特性 (I-t) 容通能量 (I 2 -t) 保护电器整定 ( 脱扣特性曲线 ) 功能 缺省值 功能 / 特性曲线 用户定义功能 通常国家标准与 IEC 标准有差异 通常国家标准与 IEC 标准有差异 开关电器技术参数 开关电器技术参数 IEC VDE 0298 第 4 部分参考的安装标准电缆的型式 ( 单芯或多芯 ) 导线材料 ( 铜或铝 ) 绝缘材料 (PVC, XLPE) 多根电缆一起敷设环境温度 取决于 : - 线路长短 - 电缆设计 - 电缆结构 - 布线条件 图 4-1 配电网络计算与相关标准 全集成能源管理 电源网络规划 41

42 一般情况下, 从经济角度考虑, 建筑物的 NPS 系统的上下级保护电器之间常采用选择性和部分选择性相结合的方案 从全球看, 通常采用一个制造厂的开关电器 ( 包括脱扣器 ) 设计配电系统, 因为这样可以提供选择性表格 保护配合数据, 容易实现上下级之间的选择性保护配合 如果采用不同制造厂的产品, 则必须按 IEC (VDE ) 要求测试, 评价选择性保护配合 优越性在于能按配电系统自动选择配电产品, 选型计算依据 IEC/VDE 标准, 选择已被实践证明的优秀装置和开关电器, 使设计变得非常可靠, 并能节省大量事务性的工作时间 在该项目案例中, 通过用网络模型进行设计和计算, 自动选择配电产品, 评价整个配电系统的选择性 图 4-2 为 SIMARIS 设计软件界面的配电网络单线图, 可评价整个系统的选择性 SIMARIS design 设计软件, 基于西门子配电产品开发的软件, 4 图 4-2 用 SIMARIS design 进行网络设计 42 全集成能源管理 电源网络规划

43 4.2.2 保护和开关电器的选择 按应用要求选择配电系统中的每一台开关电器, 带符合设计要求的脱扣器 选型依据标称电压 额定电流和分断能力等参数, 由 SIMARIS design 软件作网络计算, 自动选型 设计师按配电网络结构确定保护开关的极数和相应的脱扣器, 以满足过电流保护和短路保护要求, 配电系统上下级保护开关的配合 ( 主要 ) 按选择性原则考虑的同时, 也要考虑整个配电系统的经济性 电子式脱扣器 (ETU) 和热磁脱扣器 (TM) 各有优势, 热磁式脱扣器可实现过载保护和短路瞬时保护, 抗干扰性强, 经济性好 ; 电子式脱扣器可实现过载保护 短路短延时保护 短路瞬时保护 中性线保护及接地保护, 整定时比热磁型精确, 调节范围广, 容易实现上下级之间的选择性级差 ; 另外, 电子式脱扣器容易配置通信功能, 与智能配电系统或电能管理系统接口 案例 : 断路器与辅助脱扣器的选择空气断路器 (ACB) 和限流型断路器 (MCCB,MCB) 是两类不同性质的断路器 ACB 有短时耐受短路电流的能力, 依据 IEC ,TN 系统允许切断电源的时间为 0.4s, 意味着 ACB 向下级的保护开关提供的最大时间级差为 0.4s, 即故障时由下级开关切断电源隔离故障, 因此 ACB 为 B 类断路器, 也称选择性型断路器 MCCB 和 MCB 均为限流型断路器也称 A 类断路器 A 类断路器体积相对小, 性价比较高, 预期的短路电流越大, 则切断故障的时间越短 对大容量的配电网络来说,A 类断路器之间不可能通过电流级差实现选择性保护配合 MCCB 常在分支配电或终端配电系统中使用, 而 MCB 往往局限于终端配电系统中应用 使用 SIMARIS design 设计软件, 网络计算设备选型依据配 电产品进行, 简单 快速 可靠 可联系 TIP 工程师获取软件, 帮助解答使用软件的各种问题 4 全集成能源管理 电源网络规划 43

44 4.3 超高层建筑供电理念 西门子 供配电系统设计手册 第一册 : 配电系统设计原则中谈到, 低压配电系统连接的最大负荷功率大概为 300kW 低压 400V 配电系统向 100m 以外, 功率大于 300kW 负荷供电时, 从安装 维护 运行考虑都是不经济的 第 3 章介绍的超高层建筑案例中, 总的容量为 30MVA, 相应于楼层高度的供电距离大于 300m, 所以应该采用中压供电系统 10kV 和 20kV 的中压系统均能满足超高层建筑的供电要求, 两种不同电压等级的解决方案分别给予说明如下 KV 供电方案国内外很多国家城市采用中压 10kV 电压等级供电 本案例中,10kV 公用电网通过电缆引入到地下一层的动力中心, 见图 3-2 为了安全起见, 正常供电电源系统 (NPS) 采用两路 10kV 电压等级的环网结构, 由各变电所降压后通过母线槽系统组成低压环网, 向高层建筑中全部低压电气负荷供电 ; 安全供电电源系统 (SPS) 也采用环网结构, 确保重要负荷的供电 为了保证两个环网之间相互切换, 在建筑物的上层的设备间内设立一个远程控制站 从图 4-3 可看出, 每一个楼层变电所均可与两个环网相连接 正如前面所统计的需求功率,NPS 为 19MVA, 可由一个环网中的 4 个楼层变电所 ( 环网站 ) 和远程控制站供电或控制, 2 路环网 9 个变电所 ( 环网站 ) 确保冗余供电, 由于建筑物中的需求功率并非均匀地分布在各楼层, 所以需要确定变电所的位置并保证每一个变电所能提供大约为 2.1MVA 的需求功率 图 4-3 还可看出选择的环网不仅满足 NPS 电源系统的要求, 也可满足 SPS 电源的要求 4 建筑物由城市中压电网提供的安全电源的容量为 4.35MVA; 同时还增设一组备用发电机系统, 通过变压器升压后, 向 10kV SPS 网络供电, 为此必须选用两套 2.5 MVA 的发电机和变压器模块 ; 从冗余角度考虑, 还需增加一定容量的发电机 / 变压器模块 该案例建筑物高度 300 多米, 备用发电机系统房一般设在地面附近, 不宜布置在顶层部位, 因为 : 安装麻烦, 投资费用高, 运行维护不经济 ; 发电机燃油供应麻烦, 供油管路需要特殊保护和保养 ; 考虑漏油, 管路损耗 ; 发电机震动影响建筑物的结构等 44 全集成能源管理 电源网络规划

45 KV 供电系统 超高层建筑物中均有数据中心, 图 4-3 中可看出 UPS 进线端接 NPS 系统的低压电网 ; 同时还设置低压发电机装置, 作为 UPS 的备用输入电源, 这样处理的好处是不需要二次电压变换, 即由低压转变成中压, 再由中压转变为低压 UPS 电源系统也需要考虑冗余, 所以众多的 UPS 电源系统的进线端可分别接不同的低压配电系统 有关 NPS 向数据中心 UPS 装置的供电详见 节 对 NPS 来说, 需求功率为 2.1MVA, 每一个环网变电所选用两台容量为 1250KVA 的 GEAFOL 干式变压器 SPS 需求功率为 4.35MVA, 选 8 台容量均为 630kVA(GEAFOL) 干式变压器, 分别布置在 8 个 SPS 环网附近的负荷中心上 从网络中心引出垂直母线槽向各楼层供电, 并与各楼层低压开关装置连接, 通过装置中的断路器向楼层供电 各楼层配电模块的容量不能过大, 如开关柜的硬母线的额定电流应小于 4000A, 短路电流不超过 65KA, 如超过该范围, 会增加很多投资费用 ( 或可采用替代方案, 即在正常开环运行工况条件下, 采用一个分段隔离开关柜拆分母线槽 ) 20kV 供电系统相对更简单, 可不采用双环网供电, 容易实施, 降低了中压开关装置的投资费用和变电所的安装空间的要求 ; 与安全电源的方案结合在一起, 总需求功率约 30MVA 左右 除了一个 NPS 环网供电外, 从中压动力中心至远程控制站仅需一根中压馈线, 见图 4-4 由于电压等级较高, 仅使用一根可切换的备用馈线就能保证有效供电, 甚至在故障情况下, 也不会由故障隔离而产生其它问题 SPS 电源和低压侧供电方面与 10kV 系统大致相同, 无多大区别 与 10kV 相比较,20kV 具有如下优越性 : 导线截面降低 2-3 级 ; 线路损耗降低 ; 改善了短路工况要求, 即降低了额定短路电流和额定短路接通能力的要求 ; 容易满足定时限过电流保护 (DMT) 的时间级差的要求 每一楼层的布置水平母线槽系统, 向楼层的电气设施供电 垂直母线槽分支保护开关采用断路器保护, 水平母线槽分支保护采用熔断器隔离开关保护, 上下级容易实现选择性保护配合 断路器带隔离功能, 确保故障故障跳闸后可靠切除电源 对 SPS 来说, 可在地下一层数据中心附近设置一个独立的备 用发电机房, 并仔细考虑废气排放系统 ( 或排放路径 ) 最后, 有关数据中心使用动态 UPS 的问题将在 章节介绍 所有的开关电器都带通信功能, 配置电动机操作机构, 可在集中控制室远程操作, 便于在故障情况下作出快速反应 4 全集成能源管理 电源网络规划 45

46 正常供电电源系统 (NPS) 4 供电电源 图 KV 供电系统 46 全集成能源管理 电源网络规划

47 备用 / 安全供电电源系统 (SPS) G UPS G DaC 4 G G 全集成能源管理 电源网络规划 47

48 正常供电电源系统 (NPS) 4 供电电源 图 KV 供电系统 48 全集成能源管理 电源网络规划

49 备用 / 安全供电电源系统 (SPS) UPS DaC 4 G G 全集成能源管理 电源网络规划 49

50 4.3.3 用 SIMARIS design 设计配电系统 SIMARIS design 设计软件是通过莱茵 (TUV) 认证的, 本项目例子中, 用它来评价系统的选择性保护配合 首先要进行网络计算, 然后对选择性进行说明, 最后决定整个系统的选择性方案的可行性 只有在设计早期阶段采用这种方法, 才能避免选型错误 保护配合不当导致的系统缺陷 用一个配电网络模型设计超高层建筑中压环网供电系统中的一个配电变电所, 介绍所选用的低压配电产品, 图 4-5 是该变电所低压系统的单线图 假设每一配电变电所的变压器低压侧分别引出 2 路垂直布置的母线槽系统, 分别向 3 个楼层供电, 每一个楼层均布置水平母线槽系统, 水平母线槽有 4 个插接箱, 即引出 4 路分支配电线路以满足该楼层设备的供电要求 SIMARIS design 设计软件可输出一个接口文件, 由 SIMARIS project 项目处理软件作进一步的处理 该软件除了生成设备的视图, 技术说明和设备清单外, 还可给出技术规格和标书文件 还包括项目描述, 电气单线图, 选用设备布置正视图等 4 50 全集成能源管理 电源网络规划

51 NSVA 1.1A TN-S Un = 400 V S 1.1A Busbar 25 m BD2A n m m m m S-LTS 1.1A a Fuse Switch Disc. In = 40 A 3 x 3NA3817 / Size 000 3NP40100CH01 S-LTS 1.1A a Fuse Switch Disc. In = 40 A 3 x 3NA3817 / Size 000 3NP40100CH01 S-LTS 1.1A a Fuse Switch Disc. In = 40 A 3 x 3NA3817 / Size 000 3NP40100CH01 S-LTS 1.1A a Fuse Switch Disc. In = 40 A 3 x 3NA3817 / Size 000 3NP40100CH01 K/L 1.1A Cable/Line 5 m Cu 1(3x10/10/10) K/L 1.1A Cable/Line 5 m Cu 1(3x10/10/10) K/L 1.1A Cable/Line 5 m Cu 1(3x10/10/10) K/L 1.1A Cable/Line 5 m Cu 1(3x10/10/10) TN-S Un = 400 V TN-S Un = 400 V TN-S Un = 400 V TN-S Un = 400 V NSUV 1.1A NSUV 1.1A NSUV 1.1A NSUV 1.1A EL 1.1A Dummy load In = 36.1 A Un = 400 V 3-pole EL 1.1A Dummy load In = 36.1 A Un = 400 V 3-pole EL 1.1A Dummy load In = 36.1 A Un = 400 V 3-pole EL 1.1A Dummy load In = 36.1 A Un = 400 V 3-pole Photovoltaic Pn = 160 kw Sn =200 kva Un = 400 V NS-K/L 1.1A.4 Cable/Line 20 m Cu 1(3x185/185/95) LS 1.1A.4b Circuit-breaker In = 315 A 3WL11063EB311AA2/LSIN LTS-S 1.1A.3a Sw. disc. with fuse In = 125 A 3 x 3NA38328 / Size 000 3NJ61103MA010BB0 ÜSA 1.1A.3a Surge protection arrester Type 2 5SD74240 MS-LS 1.1A.1 Circuit-breaker of type L1.1 In (switch) = 630 A Transformer current = 75/1 A DMT: 7SJ8011 MS-K/L 1.1A.1 N2XS2Y 10 m XLPE 3 x 35 Trafo 1.1A.1 Sn = 1,250 kva ukr = 6 % 10/0.4 kv Dyn5 4GB61443DY001AA0 NS-K/L 1.1A.1 Cable/Line 15 m Cu 5(3x240/240/120) LS 1.1A.1b Circuit-breaker In = 2,000 A 3WL11203EB311AA2/LSIN LS 1.1A.1a Circuit-breaker In = 2,000 A 3WL11203EB311AA2/LSIN MS-LS 1.1A.2 Circuit-breaker of type L1.1 In (switch) = 630 A Transformer current = 75/1 A DMT: 7SJ8011 MS-K/L 1.1A.2 N2XS2Y 10 m XLPE 3 x 35 Trafo 1.1A.1 Sn = 1,250 kva ukr = 6 % 10/0.4 kv Dyn5 4GB61443DY001AA0 NS-K/L 1.1A.2 Cable/Line 15 m Cu 5(3x240/240/120) LS 1.1A2b Circuit-breaker In = 2,000 A 3WL11203EB311AA2/LSIN LS 1.1A.2a Circuit-breaker In = 2,000 A 3WL11203EB311AA2/LSIN NSHV 1.1A TN-S Un = 400 V K 1.1A.4 Capacitor Qn = 300 kvar Un = 400 V 2.00 m 6.00 m m LS 1.1A a LS 1.1A a LS 1.1A a Circuit-breaker Circuit-breaker Circuit-breaker In = 400 A In = 400 A In = 400 A 3VL47402UH360AA0/LSI 3VL47402UH360AA0/LSI 3VL47402UH360AA0/LSI K/L 1.1A K/L 1.1A K/L 1.1A Cable/Line Cable/Line Cable/Line 0.5 m 0.5 m 0.5 m Cu 1(3x240/240/240) Cu 1(3x240/240/240) Cu 1(3x240/240/240) S 1.1A.1.1 Busbar 37 m LXA0651 NSVA 1.1A.1 TN-S Un = 400 V NSVA 1.1A NSVA 1.1A TN-S Un = 400 V TN-S Un = 400 V S 1.1A Busbar 25 m BD2A m m m m S-LTS 1.1A a S-LTS 1.1A a S-LTS 1.1A a S-LTS 1.1A a Fuse Switch Disc. Fuse Switch Disc. Fuse Switch Disc. Fuse Switch Disc. In = 40 A In = 40 A In = 40 A In = 40 A 3 x 3NA3817 / Size x 3NA3817 / Size x 3NA3817 / Size x 3NA3817 / Size 000 3NP40100CH01 3NP40100CH01 3NP40100CH01 3NP40100CH01 K/L 1.1A K/L 1.1A K/L 1.1A K/L 1.1A Cable/Line Cable/Line Cable/Line Cable/Line 5 m 5 m 5 m 5 m Cu 1(3x10/10/10) Cu 1(3x10/10/10) Cu 1(3x10/10/10) Cu 1(3x10/10/10) TN-S Un = 400 V TN-S Un = 400 V TN-S Un = 400 V TN-S Un = 400 V NSUV 1.1A NSUV 1.1A NSUV 1.1A NSUV 1.1A EL 1.1A EL 1.1A EL 1.1A EL 1.1A Dummy load Dummy load Dummy load Dummy load In = 36.1 A In = 36.1 A In = 36.1 A In = 36.1 A Un = 400 V Un = 400 V Un = 400 V Un = 400 V 3-pole 3-pole 3-pole 3-pole S 1.1A Busbar 25 m BD2A m m m m S-LTS 1.1A a S-LTS 1.1A a S-LTS 1.1A a S-LTS 1.1A a Fuse Switch Disc. Fuse Switch Disc. Fuse Switch Disc. Fuse Switch Disc. In = 40 A In = 40 A In = 40 A In = 40 A 3 x 3NA3817 / Size x 3NA3817 / Size x 3NA3817 / Size x 3NA3817 / Size 000 3NP40100CH01 3NP40100CH01 3NP40100CH01 3NP40100CH01 K/L 1.1A K/L 1.1A K/L 1.1A K/L 1.1A Cable/Line Cable/Line Cable/Line Cable/Line 5 m 5 m 5 m 5 m Cu 1(3x10/10/10) Cu 1(3x10/10/10) Cu 1(3x10/10/10) Cu 1(3x10/10/10) NSVA 1.1A.2 TN-S Un = 400 V TN-S Un = 400 V TN-S Un = 400 V TN-S Un = 400 V TN-S Un = 400 V S 1.1A.1.1 Busbar 37 m LXA0651 NSUV 1.1A NSUV 1.1A NSUV 1.1A NSUV 1.1A m 6.00 m 2.00 m LS 1.1A a LS 1.1A a LS 1.1A a Circuit-breaker Circuit-breaker Circuit-breaker In = 400 A In = 400 A In = 400 A 3VL47402UH360AA0/LSI 3VL47402UH360AA0/LSI 3VL47402UH360AA0/LSI K/L 1.1A K/L 1.1A K/L 1.1A Cable/Line Cable/Line Cable/Line 0.5 m 0.5 m 0.5 m Cu 1(3x240/240/240) Cu 1(3x240/240/240) Cu 1(3x240/240/240) NSVA 1.1A NSVA 1.1A TN-S Un = 400 V TN-S Un = 400 V EL 1.1A EL 1.1A EL 1.1A EL 1.1A Dummy load Dummy load Dummy load Dummy load In = 36.1 A In = 36.1 A In = 36.1 A In = 36.1 A Un = 400 V Un = 400 V Un = 400 V Un = 400 V 3-pole 3-pole 3-pole 3-pole S 1.1A Busbar 25 m BD2A m m m m S-LTS 1.1A a S-LTS 1.1A a S-LTS 1.1A a S-LTS 1.1A a Fuse Switch Disc. Fuse Switch Disc. Fuse Switch Disc. Fuse Switch Disc. In = 40 A In = 40 A In = 40 A In = 40 A 3 x 3NA3817 / Size x 3NA3817 / Size x 3NA3817 / Size x 3NA3817 / Size 000 3NP40100CH01 3NP40100CH01 3NP40100CH01 3NP40100CH01 K/L 1.1A K/L 1.1A K/L 1.1A K/L 1.1A Cable/Line Cable/Line Cable/Line Cable/Line 5 m 5 m 5 m 5 m Cu 1(3x10/10/10) Cu 1(3x10/10/10) Cu 1(3x10/10/10) Cu 1(3x10/10/10) TN-S Un = 400 V TN-S Un = 400 V TN-S Un = 400 V TN-S Un = 400 V NSUV 1.1A NSUV 1.1A NSUV 1.1A NSUV 1.1A EL 1.1A EL 1.1A EL 1.1A EL 1.1A Dummy load Dummy load Dummy load Dummy load In = 36.1 A In = 36.1 A In = 36.1 A In = 36.1 A Un = 400 V Un = 400 V Un = 400 V Un = 400 V 3-pole 3-pole 3-pole 3-pole S 1.1A Busbar 25 m BD2A m m m m S-LTS 1.1A a S-LTS 1.1A a S-LTS 1.1A a S-LTS 1.1A a Fuse Switch Disc. Fuse Switch Disc. Fuse Switch Disc. Fuse Switch Disc. In = 40 A In = 40 A In = 40 A In = 40 A 3 x 3NA3817 / Size x 3NA3817 / Size x 3NA3817 / Size x 3NA3817 / Size 000 3NP40100CH01 3NP40100CH01 3NP40100CH01 3NP40100CH01 4 K/L 1.1A Cable/Line 5 m Cu 1(3x10/10/10) K/L 1.1A Cable/Line 5 m Cu 1(3x10/10/10) K/L 1.1A Cable/Line 5 m Cu 1(3x10/10/10) K/L 1.1A Cable/Line 5 m Cu 1(3x10/10/10) TN-S Un = 400 V TN-S Un = 400 V TN-S Un = 400 V TN-S Un = 400 V NSUV 1.1A NSUV 1.1A NSUV 1.1A NSUV 1.1A EL 1.1A Dummy load In = 36.1 A Un = 400 V 3-pole EL 1.1A Dummy load In = 36.1 A Un = 400 V 3-pole EL 1.1A Dummy load In = 36.1 A Un = 400 V 3-pole EL 1.1A Dummy load In = 36.1 A Un = 400 V 3-pole NSVA 1.1A TN-S Un = 400 V S 1.1A Busbar 25 m BD2A m m m m S-LTS 1.1A a Fuse Switch Disc. In = 40 A 3 x 3NA3817 / Size 000 3NP40100CH01 S-LTS 1.1A a Fuse Switch Disc. In = 40 A 3 x 3NA3817 / Size 000 3NP40100CH01 S-LTS 1.1A a Fuse Switch Disc. In = 40 A 3 x 3NA3817 / Size 000 3NP40100CH01 S-LTS 1.1A a Fuse Switch Disc. In = 40 A 3 x 3NA3817 / Size 000 3NP40100CH01 K/L 1.1A Cable/Line 5 m Cu 1(3x10/10/10) K/L 1.1A Cable/Line 5 m Cu 1(3x10/10/10) K/L 1.1A Cable/Line 5 m Cu 1(3x10/10/10) K/L 1.1A Cable/Line 5 m Cu 1(3x10/10/10) TN-S Un = 400 V TN-S Un = 400 V TN-S Un = 400 V TN-S Un = 400 V NSUV 1.1A NSUV 1.1A NSUV 1.1A NSUV 1.1A EL 1.1A Dummy load In = 36.1 A Un = 400 V 3-pole EL 1.1A Dummy load In = 36.1 A Un = 400 V 3-pole EL 1.1A Dummy load In = 36.1 A Un = 400 V 3-pole EL 1.1A Dummy load In = 36.1 A Un = 400 V 3-pole n... 图 4-5 用 SIMARISdesign 计算一个变电站低压侧的选择性保护配合 全集成能源管理 电源网络规划 51

52 4.3.4 数据中心与 UPS 数据中心中的 IT 设备必须要求采用 UPS 供电, 常用静态 UPS 和动态 ( 旋转式 )UPS 两种装置, 也可交换使用 UPS 配置方案主要考虑环境因素和使用条件 静态 UPS 系统假设数据中心运营商首先考虑采用静态 UPS 供电, 通常数据中心设在地下一层,UPS 装置和辅助发电机组也布置在地下一层的配电室及相应的机房内, 详见图 4-6 对备用发电机组来说, 需考虑燃油供应, 早期的安装和维护 因此, 柴油发电机组与配套的低压配电系统一起安装在发电机房内, 作为冗余电源 从可用性考虑, 数据中心的 UPS 电源系统是一种特殊的设备, 由两组 UPS 系统并联而成, 每组由 6 台 800kVA 的 UPS 组成, 即按 (5+1) 原则考虑, 一台备用 ( 冗余 ) 所以 UPS 电源系统可输出的最大容量为 8000kVA 变压器和发电机考虑 N+1 的原则, 即分别选 5 台 2500kVA 的变压器和发电机设备, 其中一台为备用 NPS 电源作为静态 UPS 的进线和旁路 ( 见蓝线 ) 电源, 静态 UPS 是 交 ( 整流 )- 直 ( 接直流电池 )- 交 (( 逆变 ) 系统 ; 也可由备用发电机 (SPG) 作为进线电源 ; 允许 UPS 装置进线 ( 或旁路 ) 不停电地切换到 SPG 电源 另外, 一台 ( 图中间的 ) 冗余发电机提高了供电可靠性, 在维修或事故情况下, 冗余发电机通过正常打开的断路器接通两组 UPS 系统中的一组 动态 ( 旋转式 )UPS 系统超高层建筑通常设有大型数据中心, 其中的 UPS 装置需要由备用发电机组供电, 因而欧美地区在大型数据中心中推荐通过旋转式 ( 动态 )UPS 系统, 使发电机和 UPS 相连接 设计考虑这种解决方案时, 不仅考虑旋转式 UPS 机房场地的要求和大小, 还要考虑发电机的柴油 ( 或燃油 ) 供应的管理 4 n.c. n.o. n.o. n.c. 每台 2500kVA NPS G G G G G 每台 2500kVA n.c. n.o. n.o. n.c. SPG UPS 每台 800kVA 图 4-6 数据中心静态 UPS 配电系统 (n.o.= 常开 :n.c.= 常闭 ) 52 全集成能源管理 电源网络规划

53 4.3.5 电能管理系统 系统以及废气排放 ( 路径 ) 系统 采用旋转式 UPS 系统直接向数据中心 IT 设施供电的优越性是电源系统简单, 系统保护实施简易可靠, 设备维护方便 为了缩短供电距离, 一般旋转式 UPS 系统机房设置在数据中心旁边, 通过发电机组保障 UPS 系统不间断供电 从图 4-7 可知, 整个数据中心仅需 3 套旋转式 UPS 系统, 就能满足数据中心的供电需求 每套 1 台变压器容量为 2500kVA,3 台 UPS+3 台发电机 ( 容量分别为 800kVA) 但 UPS 系统必须考虑冗余, 采取 N+1 的原则, 即需设置 4 套系统, 以防一套系统故障 ( 或一台变压器检修 ) 时还能保证数据中心正常工作 图 4-4 的中压环网系统, 也适用 SPS 电源系统, 但不与数据中心连接, 说明考虑数据中心的具体情况, 采用冗余原则, 需要设置 2 台或 3 台发电机组, 一台容量为 2500kVA 通过 GEAFOL 变压器模块向 SPS 中压环网供电 正如第 2 章所描述的那样, 通过对记录的特征电能参数分析和评估, 使能源流或能源损耗透明化, 这是提高电气能效的唯一途径 所以需要在中压环网上的各楼层变电所或楼层配电点考虑示范性的能源管理系统 图 4-5 是 SIMARIS design 设计的楼层变电所的单线图 每台变压器通过 S8 低压开关装置和垂直母线槽系统向 3 个楼层配电, 每一个楼层由水平母线槽系统向该楼层的负荷供电, 配电系统具体的开关设备和电能管理系统测量点, 详见图 4-8 的上部 楼层变电所要求测量和记录 2 路 S8 开关柜低压进线侧的电能质量, 测量数据需要与超高层建筑物的以太网格式的数据线连接, 选用 7KM PAC 4200 多功能仪表, 该仪表具有网关功能, 可把串行通信数据转换成以太网数据格式, 传送到配置 Powermanager 电能管理软件的计算机 ( 通常为 Windows 界面的个人计算机 ) 处理 S8 开关柜 2 路输出馈线接垂直母线槽系统, 每一路配 7KM PAC 3200 多功能电表, 把测量数据直接传到以太网 每一个楼层配一台 PAC4200 多功能电表, 楼层水平母线槽系统的插接箱配 7KM PAC3100 电能表, 负荷配电箱配 7KM PAC 相电表, 各楼层的测量值采用 MODBUS 串行通信格式数据, 由各楼层的 PAC4200 多功能测量电表的网关转换成 Ethernet Modbus TCP 格式后, 由 Powermanager 电能管理软件处理 S8 开关柜连接光伏分布式系统的 3WL 空气断路器, 选 com16 通信附件, 再由 PAC4200 多功能电表转换成 Ethernet Modbus TCP 格式, 由 Powermanager 电能管理软件处理 4 2,500 kva UPS + 发电机, 每组 800 kva 每台 2,500 kva 图 4-7 数据中心动态 UPS 系统 (n.o.= 常开 :n.c.= 常闭 ) n.o. n.o. n.o. n.o. n.c. n.c. n.c. n.c. n.c. n.c. n.c. n.c. n.c. n.c. n.c. n.c. G G G G G G G G G G G G NPS 全集成能源管理 电源网络规划 53

54 MS-LS 1.1A.1 MS-LS 1.1A.2 MS-K/L 1.1A.1 MS-K/L 1.1A.2 光伏系统 Trafo 1.1A.1 Trafo 1.1A.2 母线插接箱 5 NS-LS 1.1A.4b LTS-S 1.1A.3a NS-LS 1.1A.1b 1 LS 1.1A.1a NS-LS 1.1A.2b 2 LS 1.1A.2a LS 1.1A.1.1.1a 6 S 1.1A.1.1 S 1.1A S-LTS 1.1A a 7 S-LTS 1.1A a 8 ÜSA 1.1A.3a 3 4 K 1.1A.4 SIVACON S8 按图 4-5 单线图布置的测量点 NSUV 1.1A NSUV 1.1A P EL 1.1A ALPHA P EL 1.1A powermanager 6 LS 1.1A.1.1.1a RS485 Modbus RTU 4 RS485 Modbus RTU 5 Ethernet Modbus TCP 1 2 LS 1.1A.1a PAC4200 NS-LS 1.1A.4b LS 1.1A.2a 3 4 NS-LS 1.1A.1b PAC4200 PAC4200 NS-LS 1.1A.2b 7 PAC3100 S-LTS 1.1A a PAC PAC3100 NSUV 1.1A S-LTS 1.1A a PAC NSUV 1.1A 根据测量点采用的通信网络和多功能测量仪表 PAC3200 PAC3200 3WL 配置 COM16 图 4-8 楼层环网变电所低压配电系统和楼层配电的能源管理方案 54 全集成能源管理 电源网络规划