收稿日期：2023-07-25

基金項(xiàng)目：安徽省自然科學(xué)基金（2108085QE238）；安徽省重點(diǎn)研究與開發(fā)計(jì)劃（202104a05020056）

通信作者：陶 駿（1971—），男，博士、教授，主要從事特種電源系統(tǒng)、大功率脈沖電源系統(tǒng)等方面的研究。Jun.Tao@ahu.edu.cn

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1204 文章編號(hào)：0254-0096（2024）05-0422-09

摘 要：超高層建筑配電網(wǎng)的兩階段優(yōu)化，階段Ⅰ依據(jù)建筑配電變壓器標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，以負(fù)荷飽和度、反峰谷差率和日負(fù)荷率為評(píng)估指標(biāo)，優(yōu)化超高層建筑的供電區(qū)劃分；階段Ⅱ以最小化變壓器和線路投資成本、系統(tǒng)年網(wǎng)損為目標(biāo)，優(yōu)化建筑內(nèi)變壓器和中低壓線路的配置方案；以某實(shí)際超高層建筑為例進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明所提超高層建筑配電網(wǎng)兩階段優(yōu)化方法不僅能減少設(shè)備的初始投資，還可進(jìn)一步提升超高層建筑配電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。

關(guān)鍵詞：配電網(wǎng)；建筑布線；電力分配；變電站；超高層建筑

中圖分類號(hào)：TU976+.1""" """""""""""" """""""""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

中國(guó)《民用建筑設(shè)計(jì)通則》規(guī)定：建筑高度超過100 m時(shí)，不論住宅及公共建筑均為超高層建筑［1］。超高層建筑通常集商住樓、寫字樓、高檔公寓、賓館酒店、娛樂場(chǎng)所、大型商場(chǎng)、百貨超市、地下車庫(kù)于一體，其負(fù)荷種類多、密度大，不同業(yè)態(tài)負(fù)荷的特性具有顯著差異［2］。如何科學(xué)合理配置建筑內(nèi)變壓器及其供電線路，對(duì)提高超高層建筑供配電系統(tǒng)運(yùn)行的安全可靠和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要作用。

超高層建筑內(nèi)部的供配電系統(tǒng)規(guī)劃隸屬于中低壓配網(wǎng)層面。目前，已有研究對(duì)超高層建筑中變壓器的選址定容問題展開了分析與討論。文獻(xiàn)［3］基于建筑內(nèi)部變壓器選址的基本原則，分析了變壓器設(shè)置在地下室和避難層的優(yōu)缺點(diǎn)，但其僅限于200 m以下超高層建筑。隨著超高層建筑高度的增加，變壓器的備選安裝位置將增加，基于建筑電氣設(shè)計(jì)原則的傳統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)方案存在優(yōu)化空間。文獻(xiàn)［4］以實(shí)際超高層建筑供配電系統(tǒng)為例，提出若干種變壓器的設(shè)置位置方案，并從電能損耗、電壓降落和投資成本等方面進(jìn)行對(duì)比分析；文獻(xiàn)［5］針對(duì)超高層建筑負(fù)荷的等級(jí)劃分、電源進(jìn)線等問題，總結(jié)了變壓器的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)與注意事項(xiàng)。值得注意的是，已有的變壓器配置方案僅從滿足超高層建筑用電設(shè)計(jì)規(guī)范的角度出發(fā)，在簡(jiǎn)單對(duì)比了不同方案間經(jīng)濟(jì)性后確定最終方案，但無法保證所選方案的最優(yōu)性。

變壓器的優(yōu)化配置首先要確定變壓器的供電范圍，文獻(xiàn)［6］根據(jù)配電網(wǎng)規(guī)劃的相關(guān)原則、目標(biāo)，以及土地的性質(zhì)和開發(fā)深度，對(duì)供電區(qū)域進(jìn)行劃分；文獻(xiàn)［7］針對(duì)大規(guī)模配電網(wǎng)負(fù)荷點(diǎn)多的問題，以負(fù)荷權(quán)重改進(jìn)K-均值算法，對(duì)負(fù)荷點(diǎn)進(jìn)行聚類分區(qū)。僅依據(jù)用地性質(zhì)與負(fù)荷量劃分的供電區(qū)線路最高負(fù)載率高而平均負(fù)荷率低、峰谷差大、設(shè)備利用率低。因此，現(xiàn)研究在供電區(qū)劃分時(shí)會(huì)考慮負(fù)荷的特性［8-12］。文獻(xiàn)［8］針對(duì)當(dāng)前配電網(wǎng)規(guī)劃中因未能考慮負(fù)荷特性互補(bǔ)而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)規(guī)模偏大與設(shè)備利用效率偏低等問題，提出一種考慮負(fù)荷特性互補(bǔ)及供電單元?jiǎng)澐值闹袎号潆娋W(wǎng)實(shí)用化自動(dòng)布線方法；文獻(xiàn)［9］提出一種基于負(fù)荷峰谷耦合特性的供區(qū)優(yōu)化方法，從可靠性、承載力、降冗余等方面提升配電網(wǎng)的效能；文獻(xiàn)［10］基于不同類型的典型日負(fù)荷曲線建立負(fù)荷最優(yōu)組合模型，從而建立變電站綜合負(fù)荷優(yōu)化模型，提高了配電網(wǎng)的可靠性與經(jīng)濟(jì)性；文獻(xiàn)［11］根據(jù)不同供電區(qū)域的負(fù)荷特性，以電網(wǎng)年單位面積最低成本為目標(biāo)函數(shù)，對(duì)35 kV和110 kV變電站的主變壓器容量進(jìn)行優(yōu)化。綜合類的超高層建筑業(yè)態(tài)多樣、負(fù)荷特性各異并存在地理位置上的接壤，存在以負(fù)荷特性劃分供電區(qū)的優(yōu)化條件與空間。

供電區(qū)確定后，可建立最優(yōu)化模型獲得配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的配置方案［13-15］。文獻(xiàn)［13］提出一種基于儲(chǔ)能與分布式電源協(xié)同控制的不平衡配電網(wǎng)兩階段優(yōu)化策略，能有效提升配電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性與安全性；文獻(xiàn)［14］提出一種含分布式光伏的配電系統(tǒng)規(guī)劃方法，可兼顧分布式電源接入容量與系統(tǒng)運(yùn)維損耗；文獻(xiàn)［15］提出基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃的光伏組件最優(yōu)布線算法，提高了線路規(guī)劃的效率與準(zhǔn)確度。上述配電網(wǎng)規(guī)劃中，為兼顧投資成本與運(yùn)行成本，將配電網(wǎng)規(guī)劃分為多個(gè)階段或?qū)⒁?guī)劃與運(yùn)行協(xié)同考慮。但是，現(xiàn)有的研究成果大都針對(duì)城市配電網(wǎng)規(guī)劃，缺乏對(duì)超高層建筑配電網(wǎng)規(guī)劃的研究。

超高層建筑的配電網(wǎng)規(guī)劃與傳統(tǒng)“平面”配電網(wǎng)規(guī)劃有著很大的區(qū)別。一方面，超高層建筑的變壓器只能放置于避難層或設(shè)備層，其供電區(qū)劃分需考慮變壓器的位置約束；另一方面，在網(wǎng)架規(guī)劃階段，“立式”的配電網(wǎng)線路有著固定的延伸方向，僅從變壓器出線至供電區(qū)末端。基于以上，傳統(tǒng)的“平面”配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方法難以適用。

據(jù)此，本文提出一種計(jì)及負(fù)荷特性的超高層建筑配電網(wǎng)兩階段優(yōu)化模型。首先依據(jù)建筑變壓器容量的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格對(duì)超高層建筑的負(fù)荷進(jìn)行劃分，劃分時(shí)考慮負(fù)荷的互補(bǔ)特性，以負(fù)荷飽和度、反峰谷差率、日負(fù)荷率作為各供電區(qū)域劃分的評(píng)估指標(biāo)，以優(yōu)化算法求解得到超高層建筑的供電區(qū)域劃分。獲得供電區(qū)域的劃分結(jié)果后，以變壓器設(shè)備、線路的投資成本與系統(tǒng)運(yùn)行網(wǎng)損成本最小為目標(biāo)，獲得超高層建筑的變壓器與各電壓等級(jí)下的線路配置方案。最后，以某超高層建筑真實(shí)案例進(jìn)行仿真驗(yàn)證，分析比較優(yōu)化方案與原方案的各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)與供電區(qū)的負(fù)荷特性。

1 超高層建筑的供電區(qū)分析

1.1 超高層建筑變壓器位置分析

超高層建筑的電源一般由市內(nèi)變電所引入，進(jìn)線至地下室變電站后再配置各類電纜或密集型母線槽引至各層配電柜。由于超高層建筑結(jié)構(gòu)的特殊性，變壓器的位置只能放置于設(shè)備層或避難層。當(dāng)樓層過高時(shí)，遠(yuǎn)距離供電不僅會(huì)消耗較多的電纜與母線，增加初始投資，而且會(huì)在高層區(qū)域電纜或母線末端形成較大的電壓降，增加運(yùn)行損耗成本。為保證各樓層的電壓合格率，一般在高度超過200 m的樓層設(shè)置額外的變電站，但變壓器設(shè)置在高層，需增加避難層的層高和房間的隔音成本，影響避難層的使用面積。此外，高層變壓器的容量受限于電梯的承重能力，一般高層變壓器的容量不超過1250 kVA。

超高層建筑變壓器的配置受諸多約束，其配置方案不僅關(guān)系著變壓器設(shè)備本身的投資成本，還影響著線路的投資與運(yùn)行成本。由于超高層建筑配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的“立式”特點(diǎn)，其線路有著固定的延伸方向。當(dāng)超高層建筑變壓器的供電區(qū)確定后，變壓器僅需出線穿越各樓層直至供電區(qū)末端，配電網(wǎng)的主接線拓?fù)湟矊⒋_定。

在對(duì)超高層建筑變壓器位置分析后即可考慮建筑變壓器的配置環(huán)節(jié)，配置的首要步驟是為各變壓器劃分供電區(qū)。目前，超高層建筑變壓器的供電區(qū)一般依據(jù)建筑的業(yè)態(tài)進(jìn)行劃分，一組變壓器供一類建筑區(qū)域的所有負(fù)荷，這樣的供電形式有利于管理，但未考慮不同類型建筑負(fù)荷的特性，以至于多數(shù)供電區(qū)域配置的變壓器容量較大，供電區(qū)內(nèi)的日負(fù)荷率較低、峰谷差大，變壓器容量節(jié)能評(píng)價(jià)指標(biāo)較低。綜合類的超高層建筑業(yè)態(tài)多樣、負(fù)荷特性各異并存在地理位置上的接壤，存在以負(fù)荷特性劃分供電區(qū)的優(yōu)化條件與空間。

1.2 典型建筑負(fù)荷的分類與負(fù)荷特性

不同業(yè)態(tài)的建筑有著不同的負(fù)荷特性，其負(fù)荷特性主要體現(xiàn)在同一天內(nèi)每個(gè)時(shí)刻的負(fù)荷量大小不同、不同季節(jié)或不同工作日的最大負(fù)荷值不同。就典型的綜合類超高層建筑而言，其負(fù)荷類型可分為居民（公寓）負(fù)荷、辦公（行政）負(fù)荷、商業(yè)負(fù)荷、酒店負(fù)荷、車庫(kù)負(fù)荷。以居民用戶與辦公用戶的日負(fù)荷特性為例，不同業(yè)態(tài)的用戶負(fù)荷四季工作日典型日負(fù)荷曲線如圖1所示。

four seasons in different business forms

由圖1可看出，居民與辦公用戶的用電高峰存在明顯的時(shí)差，居民用電高峰出現(xiàn)在18：00—22：00，而辦公用戶的用電高峰出現(xiàn)在08：00—12：00、14：00—18：00。將兩類用戶的春季典型工作日用電行為乘以相應(yīng)樓層的負(fù)荷量，對(duì)比即居民用戶與辦公用戶的負(fù)荷互補(bǔ)特性圖，如圖2所示。

1.3 考慮負(fù)荷特性互補(bǔ)的優(yōu)勢(shì)

當(dāng)負(fù)荷曲線差異較大的樓層負(fù)荷組合在一起時(shí)，供電區(qū)整體的負(fù)荷峰值將小于各樓層負(fù)荷峰值之和。這種互補(bǔ)的負(fù)荷特性可用負(fù)荷同時(shí)系數(shù)表示［16］，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

[K=Q1Q]"""""" （1）

式中：[Q1]——供電區(qū)負(fù)荷的峰值，kVA；[Q]——各樓層負(fù)荷的峰值之和，kVA。

依據(jù)建筑的業(yè)態(tài)進(jìn)行劃分超高層建筑變壓器的供電區(qū)，其區(qū)內(nèi)均為同類型的負(fù)荷，負(fù)荷同時(shí)系數(shù)很高。變壓器容量的選擇依據(jù)負(fù)載率、同時(shí)系數(shù)、需求系數(shù)和負(fù)荷量［17］，當(dāng)同時(shí)系數(shù)很大時(shí)，需選擇較大容量的變壓器以滿足計(jì)算負(fù)荷需求，此類變壓器配置初始投資較大、容量節(jié)能評(píng)價(jià)指標(biāo)與利用率較低。

具有負(fù)荷特性互補(bǔ)的供電區(qū)，其不同樓層的負(fù)荷同時(shí)系數(shù)較低，按此系數(shù)配置變壓器設(shè)備可降低變壓器的配置容量，減少變壓器設(shè)備投資與運(yùn)行資源的浪費(fèi)。另一方面，在供電區(qū)域劃分時(shí)考慮負(fù)荷特性可減少供電區(qū)域的峰谷差，提高供電區(qū)域的日負(fù)荷率。

2 階段Ⅰ-超高層建筑供電區(qū)的最優(yōu)劃分

階段Ⅰ以建筑變壓器容量的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格對(duì)超高層建筑的負(fù)荷進(jìn)行劃分，實(shí)質(zhì)上是將超高層負(fù)荷以建筑變壓器容量的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格進(jìn)行組合。

2.1 優(yōu)化變量

供電區(qū)劃分模型的優(yōu)化變量為各個(gè)供電區(qū)的變壓器容量，如式（2）所示。

[ST，i=ST，1，ST，2，...，ST，N1×N]"""" （2）

式中：[ST，i]——第[i]個(gè)供電區(qū)的變壓器容量規(guī)格，kVA；[N]——供電區(qū)數(shù)。供電區(qū)數(shù)[N]等于超高層建筑的總負(fù)荷除以最小變壓器容量規(guī)格的取整結(jié)果，如式（3）所示。

[N=i=1NSD，iST，min×2]""""" （3）

式中：[SD，i]——第[i]個(gè)供電區(qū)的總負(fù)荷量，kVA；[ST，min]——最小的變壓器容量規(guī)格，kVA。

2.2 目標(biāo)函數(shù)

2.2.1 平均負(fù)荷飽和度

以平均負(fù)荷飽和度作為劃分模型的子目標(biāo)1，可避免按照變壓器容量的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格分區(qū)后，某一供電區(qū)的負(fù)荷量較小這類不合理的分區(qū)結(jié)果，如式（4）所示。

[f1=1Ni=1NSD，iST，i]""" （4）

[SD，i=k=LS，iLE，iSc，k]" （5）

式中：[Sc，k]——第[k]層樓的總負(fù)荷量，kVA；[LS，i]——第[i]個(gè)供電區(qū)的起始樓層數(shù)；[LE，i]——第[i]個(gè)供電區(qū)的終止樓層數(shù)。

2.2.2 平均日負(fù)荷率

以平均日負(fù)荷率作為劃分模型的子目標(biāo)2，提高變壓器的利用率，如式（6）所示。

[f2=14j=141Ni=1NSav，i，jSmax，i，j]""""" （6）

[Sav，i，j=124t=124SD，i，j，t]"""" （7）

[Smax，i，j=max1≤t≤24SD，i，j，t]"" （8）

[SD，i，j，t=k=LS，iLE，iSc，k，j，t] （9）

式中：[Sav，i，j]——第[i]個(gè)供電區(qū)在第[j]季節(jié)的典型工作日的平均負(fù)荷量，kVA；[Smax，i，j]——第[i]個(gè)供電區(qū)在第[j]季節(jié)的典型工作日的最大負(fù)荷量，kVA；[SD，i，j，t]——第[i]個(gè)供電區(qū)在第[j]季節(jié)的典型工作日的[t]時(shí)刻負(fù)荷量，kVA；Sc，k，j，t——第[k]層樓在第[j]季節(jié)的典型工作日的[t]時(shí)刻負(fù)荷量，kVA。

2.2.3 平均反峰谷差率

平均反峰谷差率使用一減去峰谷差率將負(fù)向指標(biāo)轉(zhuǎn)換為正向指標(biāo)，以平均反峰谷差率作為劃分模型的子目標(biāo)3，如式（10）所示。

[f3=14j=141Ni=1N1-Smax，i，j-Smin，i，jSmax，i，j] （10）

[Smin，i，j=min1≤t≤24SD，i，j，t]""" （11）

式中：[Smin，i，j]——第[i]個(gè)供電區(qū)在第[j]季節(jié)的典型工作日的最小負(fù)荷量，kVA。

2.2.4 供電區(qū)劃分評(píng)估指標(biāo)

利用線性加權(quán)組合法將3個(gè)子目標(biāo)通過權(quán)重組合成供電區(qū)劃分模型的目標(biāo)函數(shù)F。

[maxF=w1f1+w2f2+w3f3]""" （12）

式中：[w1]、[w2]、[w3]——各目標(biāo)的權(quán)重。

2.3 約束條件

2.3.1 變壓器約束

超高層建筑的每個(gè)供電區(qū)一般由兩臺(tái)相同容量變壓器同時(shí)供電，變壓器容量的規(guī)格一般為800、1000、1250和1600 kVA［18］。由于超高層建筑結(jié)構(gòu)的特殊性，裙房與地下室面積較大，可放置較大容量的變壓器，高層的設(shè)備層或避難層放置的變壓器容量不超過1250 kVA。變壓器約束可描述為：

[ST，i∈[800×2，1000×2，1250×2，1600×2]，1≤i≤m[800×2，1000×2，1250×2]，mlt;i≤N]"" （13）

式中：前[m]個(gè)供電區(qū)的變壓器放置在裙房和地下室，第[m～N]個(gè)供電區(qū)的變壓器放置在建筑高層的避難層或設(shè)備層。

2.3.2 變壓器負(fù)載率約束

變壓器的負(fù)載率約束可描述為：

[SD，iST，i≤βL]""" （14）

式中：[βL]——變壓器的負(fù)載率?？紤]到變壓器的節(jié)能和留有余量，變壓器的負(fù)載率一般取70%～85%［19］。

2.3.3 供電需求約束

超高層建筑變壓器容量大于供電區(qū)內(nèi)總負(fù)荷量，滿足基本的供電需求，供電需求約束可描述為：

[k=LS，iLE，iSc，k≤ST，i≤k=LS，iLE，i+1Sc，k]"""""" （15）

2.4 優(yōu)化流程

當(dāng)優(yōu)化算法配置供電區(qū)變壓器后，依據(jù)式（15）劃分供電區(qū)。第一個(gè)供電區(qū)起始樓層數(shù)為1，比較該供電區(qū)的變壓器容量與負(fù)荷量，獲得該供電區(qū)的終止樓層數(shù)和負(fù)荷量，之后的供電區(qū)的起始樓層數(shù)為上一個(gè)供電區(qū)的終止樓層數(shù)加1，如式（16）所示。

[LS，1=1LS，i+1=LE，i+1，i=1，…，N-1]""""" （16）

階段Ⅰ優(yōu)化模型使用粒子群算法求解，其具體流程如圖3所示。

3 階段Ⅱ-超高層建筑配電網(wǎng)規(guī)劃

在對(duì)超高層建筑供電區(qū)劃分后，可獲得各供電區(qū)域的起始樓層數(shù)與終止樓層數(shù)，依據(jù)供電區(qū)的負(fù)荷量與同時(shí)系數(shù)計(jì)算變壓器的容量。各供電區(qū)變壓器配置后，依據(jù)線路載流量配置各供電區(qū)變壓器的10 kV電纜與0.4 kV密集母線，并計(jì)算各段線路的年損耗，以經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的解作為超高層建筑的規(guī)劃方案。

3.1 優(yōu)化變量

優(yōu)化變量為各供電區(qū)的變壓器位置，如式（17）所示。

[WT，i=WT，1，WT，2，...，WT，N1×N]"""""" （17）

3.2 目標(biāo)函數(shù)

3.2.1 變壓器成本

以變壓器成本作為規(guī)劃模型的子目標(biāo)1，如式（18）所示。

[g1=RTi=1NCT，i]"" （18）

[RT=r（1+r）n1+rn-1]""""" （19）

式中：[RT]——變壓器設(shè)備等年值系數(shù)；[CT，i]——第[i]臺(tái)變壓器的單價(jià)，元；[r]——折現(xiàn)率；[n]——使用壽命。

根據(jù)《電力工程設(shè)計(jì)手冊(cè)》，兩臺(tái)等容量變壓器在配置時(shí)每臺(tái)容量滿足兩個(gè)條件：

1）滿足總計(jì)算負(fù)荷70%的需要；

2）滿足全部一、二級(jí)負(fù)荷[SD，i（Ⅰ，Ⅱ）]的需要。

變壓器容量計(jì)算方法如下：

[Ki=14j=14Smax，i，jk=LS，iLE，iSc，k]""" （20）

[SZ，i=KiSD，i] （21）

[αZSZ，i≤ST，i]"""" （22）

[SD，i（Ⅰ，Ⅱ）≤ST，i]""""" （23）

式中：[Ki]——第[i]個(gè)供電區(qū)的負(fù)荷同時(shí)系數(shù)；[SZ，i]——第[i]個(gè)供電區(qū)計(jì)算負(fù)荷，kVA；[αZ]——總計(jì)算負(fù)荷的百分比；[SD，i（Ⅰ，Ⅱ）]——第[i]個(gè)供電區(qū)全部一、二級(jí)負(fù)荷，kVA。

3.2.2 10 kV電纜成本

以10 kV電纜成本作為規(guī)劃模型的子目標(biāo)2，如式（24）所示。

[g2=RL10i=1NWT，i-WT10，iHCL10，i×2]""" （24）

式中：[RL10]——10 kV電纜等年值系數(shù)；[WT，i]——第[i]個(gè)供電區(qū)變壓器所在樓層數(shù)；[WT10，i]——第[i]個(gè)供電區(qū)10 kV進(jìn)線變電站所在樓層數(shù)；[H]——平均樓層高度，m；[CL10，i]——第[i]個(gè)供電區(qū)電纜單價(jià)，元/m。

3.2.3 10 kV電纜年網(wǎng)損成本

以10 kV電纜年網(wǎng)損成本成本作為規(guī)劃模型的子目標(biāo)3，如式（25）所示。

[g3=2rei=1NI2L10，iWT，i-WT10，iHrL10，iTmax]" （25）

[IL10，i=SD，i23UNcosθ]""""" （26）

式中：[re]——單位網(wǎng)損電價(jià)，元/kWh；[IL10，i]——第[i]個(gè)供電區(qū)變壓器進(jìn)線的電流，A；[rL10，i]——第[i]個(gè)供電區(qū)10 kV電纜的單位電阻，Ω/m；[Tmax]——最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)，h。

3.2.4 0.4 kV密集母線成本

以0.4 kV密集母線成本作為規(guī)劃模型的子目標(biāo)4，如式（27）所示。

[g4=RL4i=1NLE，i-LS，iHCL4，i×2]""""" （27）

式中：[RL4]——0.4 kV密集母線等年值系數(shù)；[CL4，i]——第[i]個(gè)供電區(qū)變壓器0.4 kV出線密集母線的單價(jià)，元/m。

3.2.5 0.4 kV密集母線年網(wǎng)損成本

變壓器的供電方式可分為上供、下供和上下供3種。0.4 kV密集母線網(wǎng)損成本的計(jì)算方法如下：

[g5=2rei=1NEupP，i+EdownP，iTmax]""" （28）

[EupP，i=EupU，iUNIup，iEdownP，i=EdownU，iUNIdown，i]" （29）

[EupU，i=Iup，iLup，iui%EdownU，i=Idown，iLdown，iui%]""" （30）

[Iup，i=Sup，i23UNcosθIdown，i=Sdown，i23UNcosθ] （31）

式中：[EupP，i]、[EdownP，i]——第[i]個(gè)供電區(qū)密集母線的上供、下供功率損耗，kW；[EupU，i]、[EdownU，i]——第[i]個(gè)供電區(qū)密集母線的上供、下供電壓損耗百分?jǐn)?shù)；[Iup，i]、[Idown，i]——第[i]個(gè)供電區(qū)密集母線的上供、下供電流，A；[Lup，i]、[Ldown，i]——第[i]個(gè)供電區(qū)密集母線的上供、下供最大距離，m；[Sup，i]、[Sdown，i]——第[i]個(gè)供電區(qū)密集母線的上供、下供負(fù)荷，kVA。

根據(jù)變壓器與供電區(qū)的位置關(guān)系可計(jì)算變壓器的單邊負(fù)荷與最大供電距離。

1）變壓器向上供電

[WT，i≤LS，iSup，i=k=WT，iLE，iSc，kLup，i=LE，i-WT，iHSdown，i=0Ldown，i=0]"" （32）

2）變壓器向上向下供電

[LS，ilt;WT，i≤LE，iSup，i=k=WT，iLE，iSc，kLup，i=LE，i-WT，iHSdown，i=k=LS，iWT，iSc，kLdown，i=WT，i-LS，iH]"""""" （33）

3）變壓器向下供電

[LE，ilt;WT，iSup，i=0Lup，i=0Sdown，i=k=LS，iWT，iSc，kLdown，i=WT，i-LS，iH]"""" （34）

3.2.6 配電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性評(píng)估指標(biāo)

配電網(wǎng)規(guī)劃中的5個(gè)子目標(biāo)均有相同的度量單位，將5個(gè)子目標(biāo)通過加和組成規(guī)劃模型的目標(biāo)函數(shù)[G]。

[minG=g1+g2+g3+g4+g5]""" （35）

3.3 約束條件

3.3.1 變壓器位置約束

由于超高層建筑結(jié)構(gòu)的特殊性，其變壓器的位置只能選擇超高層建筑的設(shè)備層或避難層。變壓器位置約束如式（36）所示。

[WT，i∈ωT，1，…，ωT，j，…，ωT，m1×m]"""""" （36）

式中：[ωT，j]——第[j]個(gè)設(shè)備層或避難層的樓層數(shù)；[m]——超高層建筑設(shè)備層或避難層的總數(shù)。

3.3.2 線路最大容量約束

為防止線路過載，電力線路在正常情況下運(yùn)行輸送的最大功率會(huì)留有一定裕度。線路最大容量約束如式（37）所示。

[SD，i≤η0CL，i]""" （37）

式中：[CL，i]——第[i]個(gè)供電區(qū)線路的傳輸容量，kVA；[η0]——線路負(fù)載率上限。

3.3.3 電壓降約束

《建筑電氣常用數(shù)據(jù)手冊(cè)》規(guī)范20 kV及以下三相供電電壓偏差允許值為標(biāo)稱電壓±7%［20］。線路電壓降約束如式（38）所示。

[EupU，i≤U0%EdownU，i≤U0%]"""""" （38）

式中：[U0]——電壓偏差允許值。

3.4 優(yōu)化流程

粒子群算法求解超高層建筑的配電網(wǎng)規(guī)劃模型的流程如圖4所示。

4 算例分析

本文的案例來源于文獻(xiàn)［21］，該超高層建筑是由高端購(gòu)物中心、甲級(jí)商務(wù)辦公、公寓和超五星級(jí)酒店所組成的建筑綜合體，包括超高層塔樓和高層商業(yè)裙房，總建筑面積為270065.42 m2，總高度431 m。該超高層建筑的業(yè)態(tài)負(fù)荷分布為：商業(yè)、設(shè)備機(jī)房、后勤配套服務(wù)及汽車庫(kù)（地下1～8層）；辦公、五星級(jí)酒店、公寓出入口及商業(yè)、餐飲（地上1～6層）；五星級(jí)酒店宴會(huì)廳、會(huì)議中心（地上7層、7夾層）；辦公（10～39層）、公寓（40～62層）、五星級(jí)酒店（65～88層）。本文使用該超高層建筑的樓層負(fù)荷信息，以計(jì)及負(fù)荷特性的超高層建筑配電網(wǎng)兩階段優(yōu)化方法對(duì)其配電網(wǎng)進(jìn)行重新規(guī)劃，比較兩種方案的供電區(qū)負(fù)荷特性、配電網(wǎng)投資與運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

4.1 算例參數(shù)

該超高層建筑地上88層，地下8層，樓層編號(hào)從地下8層開始編號(hào)為1，地上第88層編號(hào)為96層。原方案中超高層建筑的變壓器裝機(jī)容量如表1所示。原方案中還包含商業(yè)、公寓的冷凍機(jī)房配電，該類型的負(fù)荷在配電規(guī)劃中需單獨(dú)配電，本文所述優(yōu)化方法為不包含特殊用電的規(guī)劃。

本文假設(shè)地下2層與地上41層各有一個(gè)10 kV的變電站。10 kV變電站出線至各10/0.4 kV變壓器為10 kV電纜線路，10/0.4 kV變壓器出線至各樓層配電柜為0.4 kV母線線路。超高層建筑配電網(wǎng)的10 kV電纜線路選擇YJV22三芯電力電纜，0.4 kV母線選擇密集型母線槽。

4.2 供電區(qū)劃分結(jié)果分析

考慮負(fù)荷特性的超高層建筑供電區(qū)劃分的優(yōu)化結(jié)果如表2所示，與原方案相比，優(yōu)化方案減少了一個(gè)供電區(qū)，增加了部分供電區(qū)的負(fù)荷量。

兩方案的供電區(qū)負(fù)荷特性如表3所示，可直觀看出，優(yōu)化方案的供電區(qū)的各項(xiàng)負(fù)荷評(píng)估指標(biāo)均有所提高，其中平均負(fù)荷飽和度提升9.19%，平均日負(fù)荷率提升3.47%，平均反峰谷差率提升11.13%。

4.3 配電網(wǎng)規(guī)劃結(jié)果分析

兩種超高層建筑配電網(wǎng)規(guī)劃方案的經(jīng)濟(jì)性比較如表4所示。

對(duì)比兩方案的各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，優(yōu)化方案的配電網(wǎng)總成本比原方案減少79.2萬元，其中變壓器成本減少13.54萬元，10 kV電纜線路成本增加2.85萬元，10 kV電纜線路年網(wǎng)損成本減少2.11萬元，0.4 kV密集型母線槽成本減少33.99萬元，0.4 kV密集型母線槽年網(wǎng)損成本減少34.32萬元。

在優(yōu)化方案中，10 kV電纜線路成本增加但年網(wǎng)損成本下降，分析10 kV電纜線路的各段網(wǎng)損，其單臺(tái)變壓器的每小時(shí)單相電纜網(wǎng)損的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表5所示。

原方案線路總長(zhǎng)568.4 m，總損耗1.66 kWh，優(yōu)化方案線路總長(zhǎng)為784 m，總損耗1.46 kWh。優(yōu)化方案的10 kV線路總長(zhǎng)度更多，故初始投資成本高于原方案。而優(yōu)化方案高層變壓器的容量更小，遠(yuǎn)距離輸送時(shí)的功率損耗更小，故優(yōu)化方案的10 kV電纜線路年網(wǎng)損更小。

對(duì)比優(yōu)化方案與原方案的配電網(wǎng)主干線路拓?fù)洌鐖D5所示。

5 結(jié) 論

本文提出一種計(jì)及負(fù)荷特性的超高層建筑配電網(wǎng)兩階段優(yōu)化模型，將超高層建筑配電網(wǎng)的規(guī)劃分為兩步。

1）Ⅰ階段考慮不同業(yè)態(tài)用戶的負(fù)荷特性對(duì)超高層建筑的供電區(qū)進(jìn)行劃分，使各供電區(qū)的負(fù)荷合理分配并增加負(fù)荷運(yùn)行的穩(wěn)定性。

2）Ⅱ階段以投資與運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)對(duì)配電網(wǎng)中的變壓器與線路進(jìn)行規(guī)劃。對(duì)比某超高層建筑的案例，本文所提超高層建筑配電網(wǎng)兩階段優(yōu)化結(jié)果不僅減少了初始投資成本，還兼顧了配電網(wǎng)的運(yùn)行穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，本文所提供電分區(qū)指標(biāo)的物理意義清晰，易于決策者理解和使用該指標(biāo)定量分析不同方案間的優(yōu)劣性。以建筑變壓器容量規(guī)格劃分供電區(qū)的方法可作為規(guī)劃的預(yù)處理步驟，避免自下而上的供電設(shè)計(jì)所帶來的負(fù)荷分配不均衡問題。本文的不足之處在于優(yōu)化場(chǎng)景偏向于綜合類超高層建筑。此外，本文暫未涉及除電力外的其他能源的規(guī)劃問題，未來的工作包括建立超高層建筑綜合能源規(guī)劃模型，實(shí)現(xiàn)建筑內(nèi)多種能源的協(xié)同互補(bǔ)及能量梯級(jí)利用。

［參考文獻(xiàn)］

［1］"""" GB 50352—2005， 民用建筑設(shè)計(jì)通則［S］.

GB 50352—2005， Code for design of civil buildings［S］.

［2］"""" ZHANG Y M， YAN Z， LI L， et al. A hybrid building power distribution system in consideration of supply and demand-side： a short overview and a case study［J］. Energies， 2018， 11（11）： 3082.

［3］"""" 陳宇. 超高層建筑變電所選址方案的探討［J］. 智能建筑與智慧城市， 2022（10）： 126-128.

CHEN Y. Discussion on site selection scheme of substation in super high-rise building［J］. Intelligent building amp; smart city， 2022（10）： 126-128.

［4］"""" 孫峰. 超高層建筑供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］. 現(xiàn)代建筑電氣， 2015， 6（S1）： 23-28.

SUN F. Design of power supply and distribution system for super high-rise building［J］. Modern architecture electric， 2015， 6（S1）： 23-28.

［5］"""" 何創(chuàng). 超高層建筑變電所設(shè)計(jì)需注意的幾個(gè)問題［J］. 智能建筑電氣技術(shù)， 2019， 13（3）： 25-27.

HE C. Topic for discussion on electric power substation design in super high-rise building［J］. Electrical technology of intelligent buildings， 2019， 13（3）： 25-27.

［6］"""" SUN K， HE D， WANG L， et al. A grid-based method for distribution network planning in urban areas［J］. IOP conference series： earth and environmental science， 2018， 199： 052053.

［7］"""" 肖白， 郭蓓， 姜卓， 等. 基于負(fù)荷點(diǎn)聚類分區(qū)的配電網(wǎng)網(wǎng)架規(guī)劃方法［J］. 電力建設(shè)， 2018， 39（11）： 85-95.

XIAO B， GUO B， JIANG Z， et al. Distribution network planning method based on clustering blocks of load nodes［J］. Electric power construction， 2018， 39（11）： 85-95.

［8］"""" 葛少云， 蔡期塬， 劉洪， 等. 考慮負(fù)荷特性互補(bǔ)及供電單元?jiǎng)澐值闹袎号潆娋W(wǎng)實(shí)用化自動(dòng)布線［J］. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)， 2020， 40（3）： 790-803.

GE S Y， CAI Q Y， LIU H， et al. Practical automatic planning for MV distribution network considering complementation of load characteristic and power supply unit partitioning［J］. Proceedings of the CSEE， 2020， 40（3）： 790-803.

［9］"""" 湯波， 楊鵬， 余光正， 等. 基于負(fù)荷峰谷耦合特性的中壓配電網(wǎng)供區(qū)優(yōu)化方法［J］. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)， 2022， 42（19）： 7051-7063.

TANG B， YANG P， YU G Z， et al. Power supply area optimization method of medium voltage distribution network based on load peak valley coupling characteristics［J］. Proceedings of the CSEE， 2022， 42（19）： 7051-7063.

［10］""" LIAN H B， DI X J， SHEN Z Y， et al. Detailed power distribution network planning based on the description of load characteristics［C］//2014 China International Conference on Electricity Distribution （CICED）. Shenzhen， China， 2014： 1759-1762.

［11］""" CUI Y Y， WEI T， ZHAO L J， et al. Research on main transformer capacity configuration of 110～35 kV substation based on different power regions［C］//2014 China International Conference on Electricity Distribution （CICED）. Shenzhen， China， 2014： 680-684.

［12］""" 陳長(zhǎng)青， 李欣然， 張冰玉， 等. 考慮負(fù)荷動(dòng)態(tài)特性的多階段光儲(chǔ)協(xié)調(diào)規(guī)劃研究［J］. 太陽能學(xué)報(bào)， 2022， 43（6）： 8-16.

CHEN C Q， LI X R， ZHANG B Y， et al. Research on multi-stage optical storage coordination planning considering load dynamic characteristics［J］. Acta energiae solaris sinica， 2022， 43（6）： 8-16.

［13］""" 蘇向敬， 劉一航， 張知宇， 等. 計(jì)及源荷不確定影響的不平衡配電網(wǎng)兩階段優(yōu)化［J］. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制， 2022， 50（23）： 94-103.

SU X J， LIU Y H， ZHANG Z Y， et al. Two-stage optimization of unbalanced distribution networks considering impacts of DG and load uncertainties［J］. Power system protection and control， 2022， 50（23）： 94-103.

［14］""" 劉科研， 盛萬興， 馬曉晨， 等. 基于多種群遺傳算法的分布式光伏接入配電網(wǎng)規(guī)劃研究［J］. 太陽能學(xué)報(bào)， 2021， 42（6）： 146-155.

LIU K Y， SHENG W X， MA X C， et al. Research on distribution network planning of distributed photovoltaic access based on multi-population genetic algorithm［J］. Acta energiae solaris sinica， 2021， 42（6）： 146-155.

［15］""" 季一木， 陳忱， 李航， 等. 基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃的光伏組件最優(yōu)布線算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］. 太陽能學(xué)報(bào)， 2020， 41（7）： 113-119.

JI Y M， CHEN C， LI H， et al. Design and implementation of optimum wiring algorithm for PV module based on dynamic programming［J］. Acta energiae solaris sinica， 2020， 41（7）： 113-119.

［16］""" 蔡龍俊， 歐陽生春. 區(qū)域供冷供熱住宅建筑空調(diào)負(fù)荷同時(shí)使用系數(shù)的計(jì)算［J］. 能源技術(shù)， 2006， 27（3）： 130-132.

CAI L J， OUYANG S C. Calculate the simultaneity usage coefficient of household air-conditioning load for district cooling and heating［J］. Energy technology， 2006， 27（3）： 130-132.

［17］""" 陳應(yīng)盛. 配電網(wǎng)10 kV線路接入配電變壓器容量限額研究［J］. 湖南電力， 2020， 40（3）： 48-51， 55.

CHEN Y S. Research on capacity quota of 10 kV transmission line connected to distribution transformer in distribution network［J］. Hunan electric power， 2020， 40 （3）： 48-51， 55.

［18］""" 林福光. 民用建筑電氣設(shè)計(jì)與安裝圖集［M］. 北京： 中國(guó)水利水電出版社， 2004： 27-30.

LIN F G. Atlas of electrical design and installation of civil buildings［M］. Beijing： China Water amp; Power Press， 2004： 27-30.

［19］""" GB 51348—2019， 民用建筑電氣設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)［S］.

GB 51348—2019， Standard for electrical design of civil buildings［S］.

［20］""" 建筑工程常用數(shù)據(jù)系列手冊(cè)編寫組. 建筑電氣常用數(shù)據(jù)手冊(cè)［M］. 北京： 中國(guó)建筑工業(yè)出版社， 1997： 3-9.

Building Engineering Common Data Series Manual Writing Group. Building electrical common data manual［M］. Beijing： China Architecture amp; Building Press， 1997： 3-9.

［21］""" 劉會(huì)兵. 某超高層建筑的供電設(shè)計(jì)［J］. 建筑設(shè)計(jì)管理， 2017， 34（8）： 85-88.

LIU H B. Power supply design of a super high-rise building［J］. Architectural design management， 2017， 34（8）： 85-88.

TWO-STAGE OPTIMIZATION OF DISTRIBUTION NETWORK FOR SUPER HIGH-RISE BUILDINGS CONSIDERING LOAD CHARACTERISTICS

Zhu Qianlong，Li Dawei，Tao Jun

（College of Electrical Engineering and Automation， Anhui University， Hefei 230601， China）

Abstract：The two-stage optimization of the distribution network of super high-rise buildings. According to the standard specifications of building distribution transformers， stage I optimizes the division of power supply areas of super high-rise buildings with load saturation， inverse peak-valley difference rate and daily load rate as evaluation indicators. Stage II optimizes the configuration scheme of transformers and medium and low voltage lines in buildings with the goal of minimizing the investment cost of transformers and lines and the annual network loss of the system. Taking an actual super high-rise building as an example for comparative analysis， the results show that the proposed two-stage optimization method of super high-rise building distribution network can not only reduce the initial investment of equipment， but also further improve the stability and economy of super high-rise building distribution network operation.

Keywords：building wiring； electric power distribution； transformer substations； super high-rise building