智能化配电系统在体育场馆的应用_张林.pdf

2022 年 12 月第 16 卷 第 6 期智能建筑电气技术Electrical Technology of Intelligent Buildings智能化配电系统在体育场馆的应用张 林(北京市建筑设计研究院有限公司,北京 100055)摘要 通过阐述智能配电系统在国家速滑馆场项目中的应用,对智能配电系统的构成、功能作用、智慧系统扩展进行分析,总结了其与传统电力监控系统相比的优势,并就其对配电系统可靠性、经济性的提升及未来的发展方向进行探讨。关键词 速滑馆;智能配电系统;智慧系统中图分类号:TU852文献标识码:A文章编号:1729-1275(2022)06-0073-05Application of Intelligent Power Distribution System in Sports VenuesZhang Lin(Beijing Institute of Architectural Design Co.,Ltd,Beijing 100045,China)Abstract:This paper describes the application of intelligent power distribution system in the nationalspeed skating stadium project,and analyzes the composition,function and expansion of intelligent powerdistribution system,and summarizes the advantages compared with traditional power monitoring system,and discusses the reliability,economic improvement and future development direction of intelligent powerdistribution system.Keywords:speed skating hall;intelligent power distribution system;intelligent system作者简介:张林,本科,工程师,Email:87737705 。0引言 随着物联网、云服务、大数据、人工智能、移动互联等现代信息技术的成熟应用,信息化与建筑的融合成为电气行业的热点。其中,智慧配电系统作为其中的典型代表,在民用建筑领域,特别是重大项目中大放异彩,并得到了越来越多业内参建各方及运营单位的认可。国家速滑馆为北京在冬奥会期间新建场馆,也是唯一一个新建场馆,其智能配电系统的应用,是场馆的智能化建的重要组成部分,随着 2022 年冬奥会的顺利闭幕,也为场馆可持续发展提供了有力保障,得到了各方一致好评。本文结合国家速滑馆智能化配电系统设计,对智能化配电系统构成、可靠性及未来的发展进行探讨,希望对业内同仁提供参考。1建筑概况 国家速滑馆位于北京市朝阳区,国家网球中心以南,毗邻奥林匹克森林公园,被形象地称为“冰丝带”。总建筑面积 126 000m2,地上建筑面积 28 925m2,地下 97 075 m2。本馆为大型多功能冰上项目场馆,在 2022 年冬奥会期间,承担大道速度滑冰项目(Speed Skating)的比赛;并且在冬奥会之后面向公众开放,为“全民上冰”提供了场所。2供电条件 本场馆为特级场馆,因承办冬奥赛事,经与电力部门沟通,确定采用三路高压供电。建筑体量巨大,用电负荷多且重要,考虑到供电半径及经济运营,变配电室及柴油发电房分散设置在场馆各负荷中心。针对这种情况,智能配电系统的应用,大幅度提高了系统的稳定性和可靠性,保证了系统长期平稳优化运行。2.1 高压供电 本工程为三路 10kV 高压供电,10kV 高压配电系统为三路电源两用一备,每路 10kV 电源均能承担全部用电负荷,如图 1 所示。第一路 10kV 电源引自安慧 110kV 变电站,另外两路则引自国家速滑馆园区内的新建 110kV 变电站,位于速滑馆首层南侧。冬奥会期间采用合环保护技术,以提高场馆供电的可靠性;冬奥会赛后根据场馆自身使用需求,还将承办大型国际赛事,故保留三路高压供电。37DOI:10.13857/11-5589/tu.2022.06.011智能建筑电气技术2022 年图 1 高、低压配电系统主接线图2.2 变电室的布置 总装机 19 500 kVA,共设置 1 主 4 分共 5 个变电室。具体分布如表 1。变、配电站设置情况统计表表 1名称变压器装机容量/kVA位置配电范围备注高压分界室19 500场馆南侧首层设全楼主变配电站21 25021 000场馆南侧地下一层场馆南侧1#分变配电站21 25021 000场馆北侧地下一层场馆北侧2#分变配电站22 000场馆北侧地下一层冷冻机房专用3#分变配电站22 000场馆北侧地下一层制冰机房专用4#分变配电站21 250西侧车库西侧车库 为满足一级负荷中特别重要负荷及消防应急负荷在市电故障时连续供电的要求,在地下二层南北两侧分别设置柴油发电机房,机房内各设置 1 台低压柴油发电机组,每台机组常用功率为 1 320kW。变电室布置图如图 2 所示。图 2 国家速滑馆变电室布置示意图2.3 负荷分级 因冬奥会转播需求,存在大量的一级负荷中还有很多特别重要负荷(见表 2),对负载运行监控管理要比一般工程高,尤其在赛时保障期间,电力部门不仅要对变配电室低压出线线路进行实时监控管理,还要对重要赛时负荷(如场地照明、转播机房等)末端电源 ATS 进行实时监控。本次智能配电系统的运用对电力部门保障工作提供了有力支持,对场馆赛后配电系统安全、稳定、可靠的运行起到十分积极的作用。速滑馆负荷分级表表 2负荷级别用电负荷名称供电方式备注一级负荷特别重要负荷一级负荷包括新闻发布厅、主席台等照明负荷,升旗控制、现场影像采集及回放、等系统及其机房用电负荷,网络机房、固定通信机房、扩声及广播机房等用电负荷,电台和电视转播设备,场地安全照明、TV 应急照明负荷等赛时三路市电,末端双路自动互投+应急柴油发电机。弱电机房等处设置 UPS 电源消防和安防用电设备等赛时三路市电,末端双路自动互投+应急柴油发电机。弱电机房等处设置 UPS 电源包括血样收集室、医疗站用电设备、冰场制冰系统、临时兴奋剂检查室等用电设备,运动员及裁判员用房、VIP 办公室、包厢、奖牌储存室、观众席等照明负荷,建筑设备管理系统、售检票系统等用电负荷,场地照明负荷、直接影响比赛的空调系统。赛时三路市电,末端双路自动互投+应急柴油发电机。建筑设备管理系统、售 检 票 系 统 等 设 置 UPS电源。生活水泵、污水泵等用电、广场照明双路互投供电二级负荷非比赛用电,普通办公用房等用电负荷单路供电广告用电等用电负荷单路供电三级负荷景观等用电负荷单路供电47第 16 卷 第 6 期张 林.智能化配电系统在体育场馆的应用3智能配电网3.1 智能配电系统构成 本工程智能配电系统的主机设置在变电室内,系统的结构设计模式为分散、分层、分布式,系统由现场数据采集层、通信管理层以及系统管理层三层拓扑结构组成,其中采集层通过智能模块对设备数据进行采集,经由通讯系统将数据传输或控制命令准确传送到管理控制中心,最终在管理控制中心将采集的所有数据储存、分析,进而实现对场馆配电网及部分设备的远程控制及管理。整个系统的工作电源均由 UPS 提供,提高了系统自身供电的可靠性。(1)数据采集层本工程通过在变电所低压配电柜内进线总断路器、母联断路器、馈线断路器部署智能模块,该智能模块设置于断路器本体,实现本地或远程监控测量、通讯及遥控功能,模块的通信协议采用国际上通用的 Modbus RTU 通讯协议。本工程 5 个变配电室总共 14 台变压器,低压柜 196 面(低压进线、母联及馈线断路器智能模块总共 679 个),54 面高压柜的综保,智能模块对每个变电所内各配电线路的电力参数、变压器设备的温度和风机状态等参数,进行现场采集。除此之外,柴油发电机起动及运行参数、场地照明及重要机房的 UPS相关状态参数和故障报警、太阳能光伏系统监控信息状态、场地照明及重要机房的 ATS 运行状态信息等也通过末端智能模块或智能数字计量仪表进行采集,总信息采集点数超过 1 000 个,采集规模大,覆盖面广(图 3)。图 3 变电室数据采集层示意图(2)通讯管理层本工程采用以太网通过光纤连接智能配电系统主机与各个变配电室内的智能网关,保证了快速稳定的数据传输,技术成熟、安全稳定且硬件成本低廉。智能网关到各信息采集设备间采用标准Modbus RTU 通讯协议,RS485 通讯接口,可有效抑制共模信号干扰,具备较强的抗干扰能力,可靠性、兼容性高,具有远程控制功能。智能网关可通过 5G移动通讯网络以及有线网口接入以太网,通过身份认证、通讯加密等措施保证系统网络的安全、可靠、稳定。通过在系统平台预留的,为上传供电主管部门的通信接口以及奥运电力保障中心的通讯接口(图4),有效保证了赛时场馆变电室内重要运行参数,通过高压分界小室内专用光端设备与供电局专用以太网连接,传输至电力公司及赛时保障部门,实现了多地同时检测及远程管理,为远程多用户管理提供了技术手段。图 4 与电力公司及赛时保障部门通讯示意图(3)系统管理层系统管理层(图 5)设置于主变电室的值班室内,系统管理层包含了硬件与软件两个部分,硬件包含了系统的以太网终端交换机、智能专用以太网网关、智能配电系统主机、网络防火墙、智能视屏终端机、故障预警及诊断系统主机、UPS 不间断电源、打印机、操作台等相关设备;软件为智能配电系统平台,包含一体化运维功能、云服务平台管理,电力监控功能及负载自动控制等应用系统。3.2 系统功能 包含电力监控功能及负载自动控制的基本功能,对现场采集的各种电力参数进行统一分类、储存及管理,实时反馈电力数据,通过系统对各个变配电室进行实时管理外,还可实现单站/单柜的分布式数字化控制,实现电力设备的就地监控、快速57智能建筑电气技术2022 年图 5 变电室系统管理层示意图分析和运维辅助。此外,智能配电系统可远程对智能监控模块参数设置进行遥调,并提高配电系统安全可靠性、资产和运维管理效率、能源使用效率,建立综合监管控平台;还具有一体化运维功能,可实现配电网络可视、断路器远程遥控,电能质量事件全过程、扰动方向判定,源建模及绩效分析;可扩展为强弱电一体化监控,为管理系统提供实时电力数据。通过软件可对系统故障做预测仿真,提前纠错、模拟变化影响,检查系统隐患,防止出现失稳、停机等系统异常,辅助运行人员提前制定应急措施,作为后期馆方物业提高场馆配电系统安全可靠性、资产和运维管理效率、能源使用效率的综合监管控平台。3.3 系统扩展 本场馆拥有智慧场馆系统平台,智能配电系统作为一个独立的子系统,电能监测中断路器智能模块所具有远传通讯功能,可通过提供通用接口及通讯协议与智慧平台实现集成,用户可通过智慧平台系统对配电网络进行实施数据监视、控制和协调,在统一的用户界面下实现多系统综合管理,提高用户管理能力及各系统的运行效率。4与传统电力监控网对比4.1 可靠性 传统电力监控网自动化程度低,对设备的依赖性较强,缺乏必要的控制手段。通常采用全 485 总线网络,面对大型多个变配电室项目时,运行传输速度慢、响应速度低、安全可靠性相对较差;同时缺乏对末端设备用电过程检测以及设备能耗细节的分析管理,无法防范设备故障带来的风险。这些风险影响用户的用电体验,同时也影响了设备运行的可靠性。智能配电系统可实现配电网络可视、断路器远程遥控,电能质量事件全过程、扰动方向判定,对能效实时分析管理。通过智能化设备中的传感器对设备寿命预期进行计算,帮助制定运维计划与备品管理在设备出现运行风险前进行处置。末端采用 485 总线网络有一定抗干扰能力,远程传输采用以太网网络,快速稳定,可有效快速进行故障定位和排查,对配电网络的持续可靠运行,起着重要的保障作用;系统还提供了更多的管理维度、全面的数据、图表,通过故障录波还可以快速分析突发电力事故原因,全方位提升配电系统安全可靠性。4.2 经济性 传统配电监控系统一次建设投入相对较低,但后期运行维护成本较高,对于电能的能耗管理更多只是事后统计。智能配电系统则正好相反,初期投入相对较高,但后期运维成本可以通过系统提供的管理手段得到有效控制,虽然对运维工作人员有更高的技术要求,但减少了电力运维团队的人数和整体开支。以本工程为例,5 个变配电室布置比较分散,如采用传统方式进行运行维护,维护的周期长,成本高。而智能配电系统中的管理平台可用更为低廉成本解决相关问题,达到系统安全稳定运行,降低运行成本的目的。以本工程规模及重要性,显然智能配电系统更为适合。4.3 系统的扩展能力 传统电力监控网扩展能力,以及与监控系统以外的系统兼容性都很差,这也制约了集成化管理。而在这些方面,智能配电系统所具备的强大系统扩展能力优势显著。通过接入场馆的智能集成化管理平台,实现了在 BIM 模型中的能耗可视化管理,并有实时能耗数据显示;强大云平台接入能力,可实现集中监测、抢修调度、预防维护以及在线诊断等一系列主动运维功能。并且在赛后条件允许的情况下,通过带智能模块的断路器等末端电气设备以及场馆内其他智能终端,实现对设备及过程智能化识别及管理。5结束语 智能化电系统是将信息技术、通信网络技术、计算机云平台及计算技术和原有的配电基础设施相互融合组成新型的配电网络,在大型综合体建筑及重点工程中已得到广泛的应用,效果也得到了验证。考虑到地区经济发展差异,特别是在中小型项67第 16 卷 第 6 期张 林.智能化配电系统在体育场馆的应用目中,出于投资成本的考虑,系统简单且成熟稳定的传统电力监控系统还有优势。但随着“中国制造2025”工业 4.0 的到来,智能配电系统的应用会越来越广泛。参考文献 1 民用建筑电气设计标准:GB51348-2019S.北京:中国建筑工业出版社,2019.2 体育建筑电气设计规范:JGJ 354-2014S.北京:中国建筑工业出版社,2014.3 孙成群.简明建筑电气设计手册M.北京:机械工业出版社,2021.4 孙成群.建筑电气设计导论M.北京:机械工业出版社,2022.5 国网宁夏电力有限公司电力科学研究院.智能变电站以太网设备测试运维技术M.武汉:武汉大学出版社,2019.6 夏春荣.供配电技术项目化教程M.北京:北京理工大学出版社,2021.7 徐明刚 张从鹏.智能机电装备系统设计与实例M.北京:化学工业出版社,2021.(上接第 46 页)5结束语 综上所述,一次降压方案在设备投资、机房面积、运行损耗等方面均明显优于二次降压方案,最终本工程选定 35kV 直变 400V 的一次降压的变电方案。日前青春足球场的施工已接近尾声,并将于11 月下旬承办首场足球比赛。回顾本次供电方案比选的过程及结果,固然存在一些本工程的特殊变量,比如当地供电部门对变压器容量的限制;但也能窥见一些普适性规律:二次降压方案中的 35/10kV 中心变电站投资大、机房面积大,而下级 10/0.4kV 变电所相较于 35/0.4kV变电站投资少、机房面积小,因此需要的分变配电室越多(例如地幅越大,负荷越分散),越能均摊中心变电站成本,越能均衡二种方案的造价差异,二次降压的方案的技术经济的评价就越好,反之亦然。既然找到了这场方案竞选的“胜负手”是“下级变配电室的分布及数量”,那么在以后的类似的35kV 变配电方案比选之前,笔者认为,应该营造一个“公平的竞争前提”,即:不宜先确定下级变配电室的分布及数量,再来做一次降压或二次降压的技术经济比较。而是最好在规范允许的范畴内,尽可能的延伸两种降压方案各自的优势;在每种降压方案的范围内,因地制宜,选出各自最优的“代表选手”,再来做比较。也许这才能更靠近那个“经济技术合理”的答案。参考文献 1 史旷博.体育场馆商业配套设计策略研究D.华南理工大学硕士论文.2020.2 窦晓斌.专业足球场供配电系统分析J.现代建筑电气,2021(6).3 供配电系统设计规范:GB 500522009 S.北京:中国计划出版社,2010.4 20kV 及以下变配电所设计规范:GB 500532013S.北京:中国计划出版社,2014.5 尹湘武,杨路.大型产业园区变电所方案设计J.智能建筑电气技术,2021,15(06):36-39.6 徐中磊.体育建筑配电设计探讨J.建筑电气,2015,34(01):17-22.7 李炳华.国家体育场电气关键技术的研究与应用M.北京:中国电力出版社.2014.8 民用建筑电气设计标准:GB 513482019S.北京:中国计划出版社,2020.77