王 凱

(北京清控人居光電研究院有限公司，北京 100085)

引言

CJJ/T 307—2019《城市照明建設(shè)規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)》指出，“城市照明建設(shè)規(guī)劃應(yīng)貫徹全生命周期的節(jié)能環(huán)保理念；明確城市照明分時分級控制等節(jié)能措施及控制指標(biāo)”，尤其在照明設(shè)計階段，對節(jié)能環(huán)保、能耗估算等方面提出了要求。其中，照明配電電源點(diǎn)的選址和優(yōu)化，是保證負(fù)荷線路能耗最低、布線合理的先決條件。

根據(jù)項(xiàng)目的設(shè)計范圍、載體性質(zhì)、規(guī)模體量等因素，照明電氣節(jié)能設(shè)計的常用措施，一般有以下幾種方式：

1)10 kV供電線路宜深入負(fù)荷中心。根據(jù)負(fù)荷容量和分布，宜使變配電所靠近建筑物用電負(fù)荷中心；

2)根據(jù)照明場所的功能、性質(zhì)、表面材質(zhì)、環(huán)境亮度及所在城市規(guī)模等，確定亮度標(biāo)準(zhǔn)值，盡量降低LPD(照明功率密度)；

3)選用配光適宜、控光性能好、使用壽命長的高效節(jié)能照明光源及燈具，開關(guān)電源應(yīng)自帶PFC(功率因數(shù)補(bǔ)償)，燈具及開關(guān)電源的功率因數(shù)PF≥0.9；

4)照明系統(tǒng)的功率因數(shù)PF≥0.9，鎮(zhèn)流器流明系數(shù)μ≥0.95，波峰系數(shù)CF≤1.7；

5)燈具應(yīng)按使用功能分組，并按平日、節(jié)日、重大節(jié)日等場景模式進(jìn)行分時、分區(qū)智能化控制；

6)照明設(shè)施無不協(xié)調(diào)的顏色對比，不對周邊環(huán)境造成光污染，不影響戶外活動與交通出行；

7)照明設(shè)備的諧波含量應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB 17625.1《電磁兼容-限值-諧波電流發(fā)射限值》規(guī)定的C類設(shè)備的諧波電流限值；

8)照明設(shè)施應(yīng)設(shè)有電能計量儀表，儀表精度等級不低于1.0級，并納入城市照明信息管理系統(tǒng)，具有統(tǒng)計設(shè)施的基本信息和能耗情況的功能；

9)配電變壓器應(yīng)選用D yn11結(jié)線組別的變壓器，并應(yīng)選擇低損耗、低噪聲的節(jié)能產(chǎn)品，配電變壓器的能效等級應(yīng)達(dá)到2級及以上，其空載損耗和負(fù)載損耗不應(yīng)高于GB 20052—2020《電力變壓器能效限限定值及能效等級》規(guī)定的限值。

以上幾種節(jié)能措施中，負(fù)荷中心的確定是照明電氣設(shè)計中非常重要的一個環(huán)節(jié)。JGJ 16—2008《民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范》中第3.3.1條規(guī)定，“將變配電所靠近負(fù)荷中心的位置”，其目的是“降低電能損耗、保證電壓質(zhì)量、節(jié)省線材，這是供配電系統(tǒng)設(shè)計時的一條重要原則”。

負(fù)荷中心[1]的概念，廣義上是指電力系統(tǒng)中負(fù)荷相對集中的地區(qū)；從狹義上來說，是指在具有多個建構(gòu)筑物或多個用電負(fù)載的配電系統(tǒng)中，其電源點(diǎn)能滿足整體區(qū)域的配電線路能耗最小的理想位置。

1 負(fù)荷中心的選址

對于多個末端負(fù)載來說，最佳的電源點(diǎn)即變配電所位置就是負(fù)荷中心。負(fù)荷中心通常不是幾何意義上的中心點(diǎn)，既跟各負(fù)載的距離有關(guān)，也跟各負(fù)載的功率大小有關(guān)。確定負(fù)荷中心的方法，除了利用功率損耗、電壓損失等方法進(jìn)行驗(yàn)算外，一般有三種方法來進(jìn)行計算：負(fù)荷指示圖法、負(fù)荷電能矩法和負(fù)荷功率矩法[7]。

1)負(fù)荷指示圖法。負(fù)荷指示圖是將電力負(fù)荷按一定比例用負(fù)荷圓標(biāo)示在負(fù)載群的總平面圖上。各負(fù)載的負(fù)荷圓圓心應(yīng)與負(fù)載群的負(fù)荷“重心”(即負(fù)荷中心)大致相符。對于負(fù)荷均勻分布的負(fù)載群，這一重心就是負(fù)載群的中心。對于負(fù)荷分布不均勻的負(fù)載群，這一重心應(yīng)偏向負(fù)荷集中的一側(cè)。

負(fù)荷圓的半徑r，由負(fù)載群的計算負(fù)荷P=Kπr2得

(1)

式(1)中，K為負(fù)荷圓的比例，取值為負(fù)荷圓單位面積所表示的負(fù)載功率。

負(fù)荷指示圖法的缺陷是只能大致確定負(fù)載群的負(fù)荷中心，另外負(fù)荷圓比例與圖紙精度有關(guān)。

2)負(fù)荷功率矩法。設(shè)某負(fù)載群有n個負(fù)載分別位于(Xi，Yi)，有功功率為Pi。現(xiàn)假設(shè)負(fù)荷中心點(diǎn)的坐標(biāo)為(X0，Y0)，該點(diǎn)的總有功功率為P0=P1+P2+…+Pi(i=1,2，…，n)，負(fù)荷功率矩M=PL[4]，仿照重心力矩方程可得

X0∑Pi=P1X1+P2X2+…+PiXi,

Y0∑Pi=P1Y1+P2Y2+…+PiYi

(2)

寫成一般式為

X0∑Pi=∑(PiXi)，Y0∑Pi=∑(PiYi)

(3)

可求得負(fù)荷中心P0(X0，Y0)的坐標(biāo)為

式(4)中，Mxi和Myi分別為各負(fù)載在x軸和y軸上的等效負(fù)荷矩，本方法僅考慮各負(fù)載的有功功率，不考慮工作時間的不同，因此本算法也稱為“靜態(tài)負(fù)荷中心法”。

3)負(fù)荷電能矩法。對于負(fù)載群中的多個負(fù)載存在不同工作制，或者不同工作時間時，該負(fù)載群的負(fù)荷中心有可能是隨時間變化的。此時的負(fù)荷中心不僅與各負(fù)載的功率和距離有關(guān)，也與各負(fù)載的工作時間有關(guān)，即與各負(fù)載的年電能消耗量有關(guān)。從而又提出了按負(fù)荷電能矩[2]來確定負(fù)荷中心的方法，即“動態(tài)負(fù)荷中心法”，也稱為負(fù)荷電能矩法，這種算法是對靜態(tài)負(fù)荷中心法的提升，對于工作時間不同的負(fù)載群更加準(zhǔn)確。

按負(fù)荷電能矩法確定負(fù)荷中心P0(X0，Y0)的公式為

(5)

式(5)中，Pi為各負(fù)載的有功功率，Wi為各負(fù)載的年有功耗電量；ti為各負(fù)載在同一時段內(nèi)的實(shí)際工作時間，應(yīng)采用各負(fù)載的年最大負(fù)荷利用小時計算。

IEC 60364-8-1:2019《Low-voltage electrical installations-Part 8-1: Energy efficiency》中附錄A.1提出的負(fù)載重心法，計算公式與上式類似，即負(fù)載重心的坐標(biāo)為

(6)

其中EACi為各負(fù)載年預(yù)計耗電量，(xi，yi)為各負(fù)載的坐標(biāo)。

2 應(yīng)用案例分析

以某小型文旅公園的景觀照明項(xiàng)目為例，該公園長約為900 m，寬約為280 m，占地面積為33公頃。整個園區(qū)分為綠野仙蹤、休閑中庭、森林球場和濱水廣場四個部分。園區(qū)的道路設(shè)計變化豐富，分為主路、支路和小路，利用地形高差給人以安全感的同時提供私密空間；休閑中庭位于園區(qū)中部，沿地形逐級遞增，最高點(diǎn)為圓心廣場；中下部為過渡區(qū)，設(shè)有籃球場和停車位；最南端為濱水廣場，設(shè)有3組水景噴泉。

公園內(nèi)的用電負(fù)荷主要是景觀照明、功能照明、辦公、球場、充電樁及噴泉，設(shè)有6個配電箱，總設(shè)備功率為431 kW，使用一臺500 kVA箱變供電，變壓器負(fù)載率約74%。

2.1 計算理想負(fù)荷中心點(diǎn)坐標(biāo)

本案例中，負(fù)荷中心是一個理想的假想坐標(biāo)點(diǎn)，僅考慮每一路負(fù)載的位置和功率，以該點(diǎn)為坐標(biāo)的箱變，其整體負(fù)荷功率矩之和最小。

如圖1所示，以左下角軸線交點(diǎn)為原點(diǎn)，為每路負(fù)載均以取其中心點(diǎn)為等效負(fù)載坐標(biāo)，XB1、XB2、XB3分別為箱變的3個可選安裝位置。按式(5)進(jìn)行計算，得出表1。

如表1所示，負(fù)荷中心點(diǎn)的坐標(biāo)為P0(241，315)，該點(diǎn)靠近P4點(diǎn)，位于公園森林球場附近，若箱變設(shè)于此處，則總負(fù)荷電能矩M0=174 892 391 kWh·m， 此點(diǎn)的總負(fù)荷電能矩為該配電系統(tǒng)的最小值。

從圖1可以看出，理想負(fù)荷中心點(diǎn)的坐標(biāo)，并不是位于負(fù)載群的幾何中心，也不是靠近最大負(fù)載P6點(diǎn)；而是位于方案2與方案3之間，其主要原因是各負(fù)載的安裝容量和工作時間，對于負(fù)荷中心點(diǎn)的偏移，起到了決定作用。

2.2 確定最佳的實(shí)際負(fù)荷中心

案例中的箱變安裝位置，當(dāng)然不能設(shè)于假想中的P0點(diǎn)，由于現(xiàn)場條件及管理的需要，只能在3個安裝位置中選擇。線纜的敷設(shè)方式也不可能是圖1中的直線，而應(yīng)沿園區(qū)道路的一側(cè)埋地敷設(shè)，見圖2。

圖1 理想方案中的負(fù)荷中心P0Fig.1 Load center P0 in the ideal plan

表1 理想方案中的負(fù)荷中心和最小負(fù)荷矩

圖2 方案1的實(shí)際負(fù)荷中心及配電路由圖Fig.2 Actual load center and distribution routing diagram of plan 1

圖2僅展示了當(dāng)箱變按照方案1(位于公園北部)安裝時的實(shí)際配電路由平面圖，方案2、3的圖示雷同，本文不再贅述。

根據(jù)表2可以得出，箱變的安裝位置，以方案2為最佳，此時的總負(fù)荷電能矩M2為230 998 155 kWh·m。同時，也可以看出，方案2的箱變位置靠近公園幾何中心，其出線回路的線纜總量L2最??；而方案3的配電箱位于公園南側(cè)，距P0點(diǎn)較遠(yuǎn)，其總負(fù)荷電能矩M3比方案2高出27.76%。

根據(jù)本例可以得出，在總負(fù)荷不變的情況下，負(fù)荷中心的位置，既與各負(fù)載的容量和配電距離有關(guān)，也與各負(fù)載的最大利用小時數(shù)有關(guān)。通常情況下，負(fù)荷中心總是偏向最大以及使用最頻繁的負(fù)載一側(cè)。

本例中箱變的3個選址方案，其總負(fù)荷電能矩的大小相差很大，約89 097 741 kWh·m； 可見，將配電系統(tǒng)中的電源點(diǎn)靠近負(fù)荷中心[3]，不僅可以降低建設(shè)成本，還可減少電能損耗，使得照明電氣達(dá)到節(jié)能設(shè)計的最優(yōu)化。

表2 方案1～3的配電距離和實(shí)際負(fù)荷矩

3 結(jié)論

負(fù)荷功率矩法是確定配電系統(tǒng)最優(yōu)電源點(diǎn)的常用方式，一般適用于工作制以及工作時間相同的負(fù)載。當(dāng)供配電系統(tǒng)的情況比較復(fù)雜，且工作時間不同時，宜采用負(fù)荷電能矩法更為準(zhǔn)確。這也是電氣節(jié)能設(shè)計的重要手段，一般在項(xiàng)目的初步設(shè)計階段使用。負(fù)荷電能矩法適用于變配電所、箱式變電站、柴油發(fā)電機(jī)等供配電設(shè)施的選址設(shè)計，以及修規(guī)街道、景觀綠化、公園廣場等大體量項(xiàng)目的電源點(diǎn)設(shè)計。當(dāng)然，負(fù)荷電能矩法并不是決定負(fù)荷中心的唯一方法，還要結(jié)合具體項(xiàng)目的場地條件、供電半徑、敷設(shè)路由、建設(shè)成本等，并輔以線路電壓損失以及保護(hù)靈敏度進(jìn)行驗(yàn)算。