CN108846155B - 建筑工程电气负荷中心矢量计算方法及变电所设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种建筑工程电气负荷中心矢量计算方法，利用最小负荷矩法量化计算电气负荷中心，获得变电所的最佳理论位置，具体包括(1)设定该计算方法的计算前提：电气线路都是按照三个轴线敷设的；(2)对于不完全平衡的***，按照经纬柱网下最佳负荷中心的坐标点(x,y,z)将分别落在某些负荷的轴线对应的坐标点上的规律，除了完全平衡的***，把一组负荷分解到三个轴线的坐标系中，找到一个点，所有负荷到这一个点上的负荷矩之和是最小，从而获得的这一个点就是***的最佳负荷中心，其坐标点对应变电所的最佳理论位置。还公开了基于此方法的变电所设计方法，确定科学的变电所供电面积和负荷容量，克服了变电所容量过大，单台容量过大，***过于集中，能耗损失的问题，结合负荷分布状态，形成多个小容量变电所供电的***供电思路。

Description

建筑工程电气负荷中心矢量计算方法及变电所设计方法

技术领域

本发明涉及电力***技术领域，特别是涉及一种电气负荷中心矢量计算方法以及根据该计算方法确定变电所数量和位置的方法。

背景技术

变电所设计属于电气***设计，其目的在于通过负荷分析，设立合适的电气***，寻找出***最小的总负荷矩，以达到节能目的。通常将变电所设置在负荷中心，可减少配电损耗，线路压降最小化，即电能效率最高。既往的变电所设计存在如下缺点：

(1)对于负荷中心仅仅是定性的分析，没有定量的计算；

(2)即使存在粗略的定量计算，其方法的准确性也是有待确定。

具体来说，现有技术通常使用负荷重心法，负荷中心究竟是否应该按照负荷的相对重心来计算，需要具体分析一下。

1)负荷重心法：IEC 60364-8附录中提出的是负荷的重心作为负荷的中心。如图1所示，在区域内的负荷的容量及位置分别为：

L1(x1,y1,z1)；L2(x2,y2,z2),；L3(x3,y3,z3)…

则负荷中心坐标位置为:

(X,Y,Z)＝(L1*(x1,y1,z1)+L2*(x2,y2,z2)+L3*(x3,y3,z3))+...)/(L+L2+L3+...)

从图1分析中显示的是当三个负荷相等时，负荷中心在三角形的重心上。具体计算如下：

用电量分别为3个80kWh在一个平面上的负荷，计算它们的负荷中心，见图1：

负荷L1:80kWh(1,1,0),

负荷L2:80kWh(9,9,0)

负荷L3:80kWh(20,5,0)

负荷中心坐标：

(x,y,z)＝(80*(1,1,0)+80*(9,9,0)+80*(20,5,0)/(80+80+80)＝(10,5,0)见图1B点。

从图2分析中显示的是当三个负荷不同时，负荷中心考虑负荷的不同容量，三角形的重心位置有所调整。具体计算如下：

用，电量不同的3个负载，计算它们的负荷重心，见图2：

负荷L1:80kWh(1,1,0)

负荷L2:80kWh(9,9,0)

负荷L3:320kWh(20,5,0)

该负荷中心坐标是：

(x,y,z)＝(80*(1,1,0)+80*(9,9,0)+320*(20,5,0)/(80+80+320)＝(15,5,0)

见图2B点。

从附图1分析中显示的是当三个负荷相等时，负荷中心在三角形的重心上。

附图2分析中显示的是当三个负荷不同时，负荷中心考虑负荷的不同容量，三角形的重心位置有所调整。

参见图1和3，仍以上面的三角形负荷为例子，当三个顶点负荷相同，如果按照重心法，则负荷中心应该在B点(10,5,0)，但如果考虑一点到三个顶点的距离之和最短，应该是这个三角形的费马点A点(9.1247,8.4361,0)。因此可以证明重心点B并不是距离三个顶点距离和最短的一点A点。只有正三角形重心点与费马点才会重叠。

再以一个数轴上的例子为例，参见图4，如果数轴上两点上各有负荷L1，L2，当两负荷相等时，负荷中心按照一般技术人员的直觉在两点的中心处，如果L2负荷是L1的4倍时，则负荷中心应该是离L2比较近的1/4处。实际上如果两点上负荷一样，其实变电所设在L1、L2之间的任意一点效果都是一样的，如果两点负荷不一样，变电所设在负荷大的L2上，而不是在离L2比较近的1/4处，参见图5。

负荷中心一般是总负荷矩最小所在点，但是通过附图1-5的说明看到，当前的负荷中心计算方法(也即重心法)并不是总负荷矩最小，因此可以得出，计算电气负荷的中心不应该按照重心法去计算。

另外，对于变电所的设计，变电所的位置决定了低压配电***电缆的长度和截面积，过去的做法是按建筑物的面积，负荷的分布以及需求功率等因素确定变电所的位置及数量，这些因素之间的关联复杂且难以计算，而传统的计算电气负荷的中心的重心计算法是不准确的，不能用于指导变电所的设计。

因此，需要新方法以确定电气负荷中心。

发明内容

据此，发明人提出了最小负荷矩法，也即应该找到一种新的矢量计算方法，找到一个点：各负荷到此点的负荷乘于距离(负荷矩)之和最小，而且除非***完全平衡，最小负荷矩的坐标总是落在某一个负荷的负荷数轴坐标上。

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种建筑工程电气负荷中心矢量计算方法及基于该方法的变电所设计方法，该设计方法中所使用的建筑工程电气负荷中心的矢量计算方法按照***最小负荷矩计算获得，通过变电所单位负荷距的比对，确定科学的变电所供电面积和负荷容量，克服了目前变电所容量过大，变压器单台容量过大，***过于集中，造成能耗损失的问题，结合负荷分布状态，形成多个小容量变电所供电的***供电思路。

本发明的目的在于提供一种用于确定建筑工程的电气负荷中心的方法，其特征在于包括如下步骤：找到一个点，所有负荷到这一个点上的负荷矩之和是最小的，这一个点即为建筑工程的电气负荷中心。

优选地，所述方法为矢量计算方法，所述步骤包括：

(1)根据现有建筑物多为经纬柱网形式的特征，设定该计算方法的计算前提：电气线路都是按照三个轴线敷设的；

(2)对于不完全平衡的***，按照经纬柱网下最佳负荷中心的坐标点(x,y,z)将分别落在某些负荷的轴线对应的坐标点上的规律，除了完全平衡的***，把一组负荷分解到三个轴线x轴，y轴或z轴的坐标系中，找到一个点，所有负荷到这个点上的负荷矩之和是最小的，从而获得的这个点就是电气负荷中心，其坐标点对应变电所的最佳理论位置。

本发明的目的还在于提供一种基于建筑工程电气负荷中心计算方法的变电所设计方法，包括如下步骤：

(1)利用所述方法量化计算出电气负荷中心，包括在所述建筑工程找到一个点，所有电气负荷到这一个点上的负荷矩之和是最小的，该点即为电气负荷中心，是变电所的最佳理论位置；

(2)根据上述电气负荷中心以及划分的不同供电区域，设计多套变电所配置方案，计算每个配置方案中变电所区域各负荷到变电所的总负荷矩及平均负荷距，评估所设计的变电所的经济性，确定最终的变电所数量和位置。

优选地，所述步骤(1)所述电气负荷指用电设备一年的用电量，所述用电量包含设备的工作制，所述工作制包括长时工作制、短时工作制和瞬时工作制。

优选地，所述步骤(1)包括：

(1-1)利用建筑信息模型***(BIM)，定位每个配电箱为用电节点；

(1-2)初步进行供电区域分化，区域内的用电节点通过建筑工程电气负荷中心矢量计算方法量化计算，得到理论的区域内的负荷中心坐标，也就是变电所的最佳理论位置，实际变电所的位置原则上应当尽量接近负荷中心的坐标位置。

优选地，所述步骤(2)的经济性标准在于：负荷越集中在电气负荷中心，则***的平均负荷距越小，***能耗越低；变电所位置以及数量的不同，带来整个建筑的总负荷矩不同；负荷相同的***，总负荷矩越小，***越紧凑；其中所述平均负荷距定义为电气***中各负荷到供电点的平均距离，即总负荷矩与总的负荷量的商。

优选地，述步骤(2)经济性要素包括：(1)建筑面积与多中心的设置和加设分变电所的权衡；***变压器台数、分变电所负荷开关柜数量、高压间隔数量带来的经济成本；低压电缆减少带来的成本节约。

优选地，所述步骤(2)多套方案包括不同的变电所数量以及变电所的位置。

优选地，所述设计方法不考虑应急负荷。

本发明的目的还在于提供一种建筑工程，包括根据本发明所述方法设计的变电所。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。本发明的目标及特征考虑到如下结合附图的描述将更加明显，附图中：

附图1为根据现有技术的负荷容量相同情况下的重心法图示。

附图2为根据现有技术的负荷容量不同情况下的重心法图示。

附图3为根据本发明负荷容量相同情况下最短负荷矩法下费马点的图示；

附图4为根据现有技术的数轴上负荷容量相同情况下和负荷容量不同情况下重心法分别获得的负荷中心图示；

附图5为根据本发明在数轴上负荷容量相同情况下和负荷容量不同情况下最小负荷矩法分别获得的负荷中心图示；

附图6为根据本发明实施例的负荷容量相同情况下根据经纬柱网最小负荷矩法获得的负荷中心图示；

附图7为根据本发明实施例的负荷容量不同情况下根据经纬柱网最小负荷矩法获得的负荷中心图示。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

(1)负荷矩：一个电气负荷输送一段距离而产生的功，负荷与距离之积；

(2)***总的负荷矩：一个电气***，各负荷到供电点的负荷矩之和；

(3)平均负荷距：一个电气***，各负荷到供电点的平均距离，即***总负荷矩与***总的负荷量的商。

该实施例中采用的一种建筑工程电气负荷中心矢量计算方法，包括如下步骤：

(1)根据现有建筑物多为经纬柱网形式的特征，设定该计算方法的计算前提：电气线路都是按照三个轴线敷设的；

(2)对于不完全平衡的***，按照经纬柱网下最佳负荷中心的坐标点(x,y,z)将分别落在某些负荷的轴线对应的坐标点上的规律，除了完全平衡的***，把一组负荷分解到三个轴线x轴，y轴或z轴的坐标系中，找到一个点，所有负荷到这一个点上的负荷矩之和是最小的点，从而获得的这一个点就是***的最佳负荷中心，其坐标点对应变电所的最佳理论位置。

变电所的设计过程是基于上述建筑工程电气负荷中心矢量计算方法进行的，并且设计方法不考虑应急负荷，包括如下步骤：

(1)利用建筑工程电气负荷中心矢量计算方法量化计算电气负荷中心，所述建筑工程电气负荷中心矢量计算方法会找到一个点，所有电气负荷到这一个点上的负荷矩之和是最小的，该点即为电气负荷中心，即变电所的最佳理论位置，电气负荷指用电设备一年的用电量，所述用电量包含设备的工作制，所述工作制包括长时工作制、短时工作制和瞬时工作制，包括：

(1-1)利用建筑信息模型***(BIM)，定位每个配电箱为用电节点；

(1-2)初步进行供电区域分化，区域内的用电节点通过建筑工程电气负荷中心矢量计算方法量化计算，得到理论的区域内的负荷中心坐标，也就是变电所的最佳理论位置，实际变电所的位置原则上应当尽量接近负荷中心的坐标位置；

(2)根据划分的不同供电区域设计多套变电所配置方案，包括不同的变电所数量以及变电所的位置，计算每个配置方案中变电所区域各负荷到变电所的***总的负荷矩及变电所的平均负荷距，评估所设计的变电所的经济性，确定最终的变电所数量和位置。

其中，经济性标准在于：负荷越集中在电气负荷中心，则***的平均负荷距越小，***能耗更低；变电所的不同数量，整个建筑的***总的负荷矩不同；负荷相同的***，***总的负荷矩越小，***越紧凑；其中所述***的平均负荷距定义为电气***，各负荷到供电点的平均距离，即***总负荷矩与***总的负荷量的商。

而经济性要素包括：(1)建筑面积与多中心的设置和加设分变电所的权衡；***变压器台数、分变电所负荷开关柜数量、高压间隔数量带来的经济成本；低压电缆减少带来的成本节约。

计算中所采用的最短负荷矩法以附图1-3的三角形负荷作为计算的实施例。更为详细的计算过程参见背景技术部分，其结论在于当三个顶点负荷相同，如果按照重心法，则负荷中心应该在B点，但如果考虑一点到三个顶点的距离之和最短，应该是这个三角形的费马点A点。因此可以证明重心点B并不是距离三个顶点距离和最短的一点A点。只有正三角形重心点与费马点才会重叠。

参见附图4和5，如果数轴上两点上各有负荷L1，L2，当两负荷相等时，变电所设在L1、L2之间的任意一点效果都是一样的，如果两点负荷不一样，变电所设在负荷大的L2上，而不是在离L2比较近的位置上。

基于线路敷设为轴向敷设，参见图6和图7，首先分析最初的三个等量负荷80(1，1，0)、80(9，9，0)、80(20，5，0)分析，以X轴上的负荷分析，最佳负荷中心应该是在9的位置。以Y轴上的负荷分析，最佳负荷中心应该是在5的位置。最佳负荷中心A’坐标为(9,5,0)。可以看出最佳负荷中心点因为经纬柱网从A点(9.1247,8.4361，0)转移到A’点(9,5,0)。再分析三个不等量负荷80(1，1，0)、80(9，9，0)、320(20，5，0)分析，以X轴上的负荷分析，最佳负荷中心应该是在20的位置。以Y轴上的负荷分析，最佳负荷中心应该是在5的位置。最佳负荷中心A’坐标为(20,5,0)，这样，在一个平面的三个负荷，实际的最佳负荷中心是A’。

图6和图7可以看出，经纬柱网下最佳负荷中心的坐标点将分别落在某些负荷的轴线对应的坐标点上。除了完全平衡的***。这样我们把一组负荷分解到三个轴线的坐标系中，总能找出，某一个点上的其他负荷到这一点上的距离和是最小的。这个点就是***的最佳负荷中心。

计算一下三个等量负荷80(1，1，0)、80(9，9，0)、80(20，5，0)的最小负荷矩为：

X轴(9-1)*80+(9-9)*80+(20-9)*80＝1520kWm

Y轴(5-1)*80+(9-5)*80+(5-5)*80＝640kWm

总的最小负荷矩：2160kWm

平均负荷距：2160/240＝9m

计算一下三个不等量的负荷80(1，1，0)、80(9，9，0)、320(20，5，0)的最小负荷矩为：

X轴(20-1)*80+(20-9)*80+(20-20)*320＝2400kWm

Y轴(5-1)*80+(9-5)*80+(5-5)*320＝640kWm

总的最小负荷矩：3040kWm

平均负荷距：3040/480＝6.333m

第二实施例，对于建筑面积5万平方米，负荷容量3280的***，分别采用一个变电所和两个变电所的方案进行比对，从而获得对于该方法步骤(2)的一个经济评估过程以及后续设计经验的总结，具体参数见下表1：

表1建筑物参数

方案一：一个变电所，设置在地下二层

上述实例可看出：变电所的理论负荷中心坐标：(20，10，-4)

实际变电所在地下二层坐标：(20，10，-8),最小负荷矩为：146720。***的负荷到变电所的平均负荷距为44.7m。距离变电所距离最远的负荷为屋顶风机72m。

这个***的平均负荷距小于50m，最大距离72m。按照目前看已经是比较节能合理的***。

方案二：两个变电所：地下二层一个，供地下到二层到负荷，屋顶设置一个，供三层到屋顶到负荷。

1#变电所在地下二层坐标：(40，50，-8)(理论最佳坐标为(40，50，-4))，最小负荷矩为：80520，平均负荷矩31.5m。

2#变电所在屋顶坐标：(20，10，64)(理论最佳坐标为(40，50，-4))，最小负荷矩为：21200，平均负荷矩24.9m。

上述可看出：两个变电所的方案平均负荷距为31m，是一个变电所的44.7m的69.4％。也就是将比第一方案减少30％的低压线路损耗。

线路损耗如果按照***用电量的5％计算，则第二方案可以节约1.5％的***能耗。

第二个实施例中***大小的经济分析

要素:

(1)建筑面积，多中心的设置，需要加设分变电所。多处变电所，建筑面积方面的需求可能会略有增加。如果安排得当，不是主要因素。

(2)关于增加管理成本，未来电力***监控自动化，智能化，分变电所无人职守将是常态。不会增加人力成本。

(3)如果***变压器台数不增加，高压间隔无须增加，分变电所增加负荷开关柜。如果***变压器台数略有增加，还需要增加高压间隔。增加费用5-10％。

(4)低压电缆减少30％，减少电力***费用的10％-15％。

结论：

从上述计算可以得出如下结论：

(1)负荷中心计算，不应按照负荷重心法计算，而是应该求得***最小负荷矩。

(2)负荷的概念与传统我们计算变压器容量的负荷计算30分钟最大出力不是一个概念。这里的负荷是指用电设备一年的用电量。包含了设备的工作制。长时工作制的设备用电量将同比高，而短时工作制，瞬时工作制的设备，相对于用电量就同比要低一些。如果要把电气***节能做到比较深入，需要初步估算出设备的年用电量。在因负荷计算系数取值中也考虑了设备工作制的因素，目前的设计中也可以简化为负荷计算值。应急负荷不用考虑在内。

(3)***的负荷矩，表明了***的大小，量化的体现了负荷越集中，平均负荷距越短的本质。

(4)通过***负荷矩的比对，确定科学的变电所供电面积和负荷容量。通过科学方法论证，摒弃目前变电所容量过大，变压器单台容量过大，***过于集中，造成能耗损失的问题。结合负荷分布状态，形成多个小容量变电所供电的***供电思路。

(5)目前配电箱下端线路平均长度为30-50m，建议变压器到配电箱的平均负荷距控制在50m以内，达到***损耗与***规模相对平衡。

虽然本发明已经参考特定的说明性实施例进行了描述，但是不会受到这些实施例的限定而仅仅受到附加权利要求的限定。本领域技术人员应当理解可以在不偏离本发明的保护范围和精神的情况下对本发明的实施例能够进行改动和修改。

Claims (8)

1.一种用于确定建筑工程的电气负荷中心的方法，其特征在于包括如下步骤：找到一个点，所有电气负荷到这一个点上的负荷矩之和是最小的，这一个点即为建筑工程的电气负荷中心；其中所述电气负荷指用电设备一年的用电量；

所述方法为矢量计算方法，所述步骤包括：

（1）根据现有建筑物多为经纬柱网形式的特征，设定该计算方法的计算前提：电气线路都是按照三个轴线敷设的；

（2）对于不完全平衡的***，按照经纬柱网下最佳负荷中心的坐标点（x,y,z）将分别落在某些负荷的轴线对应的坐标点上的规律，除了完全平衡的***，把一组负荷分解到坐标系中的三个轴线x轴、y轴或z轴上，找到一个点（x、y、z），所有负荷在x轴上到这个点上的x坐标负荷矩之和、在y轴上到这个点上的y坐标负荷矩之和以及在z轴上到这个点上的z坐标负荷矩之和是最小的，从而获得的这个点就是电气负荷中心，其坐标点对应变电所的最佳理论位置。

2.一种基于权利要求1所述方法的变电所设计方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）利用权利要求1所述方法量化计算出电气负荷中心，包括在所述建筑工程找到一个点，所有电气负荷到这一个点上的负荷矩之和是最小的，该点即为电气负荷中心，是变电所的最佳理论位置；

（2）根据上述电气负荷中心以及划分的不同供电区域，设计多套变电所配置方案，计算每个配置方案中变电所区域各负荷到变电所的总负荷矩及平均负荷距，评估所设计的变电所的经济性，确定最终的变电所数量和位置；

其中，所述步骤（1）所述电气负荷指用电设备一年的用电量，所述用电量包含设备的工作制，所述工作制包括长时工作制、短时工作制和瞬时工作制。

3.根据权利要求2所述的变电所设计方法，其特征在于所述步骤（1）包括：

（1-1）利用建筑信息模型***（BIM），定位每个配电箱为用电节点；

（1-2）初步进行供电区域分化，区域内的用电节点通过建筑工程电气负荷中心矢量计算方法量化计算，得到理论的区域内的负荷中心坐标，也就是变电所的最佳理论位置，实际变电所的位置原则上应当尽量接近负荷中心的坐标位置。

4.根据权利要求2所述的变电所设计方法，其特征在于所述步骤（2）的经济性标准在于：负荷越集中在电气负荷中心，则***的平均负荷距越小，***能耗越低；变电所位置以及数量的不同，带来整个建筑的总负荷矩不同；负荷相同的***，总负荷矩越小，***越紧凑；其中所述平均负荷距定义为电气***中各负荷到供电点的平均距离，即总负荷矩与总的负荷量的商。

5.根据权利要求2所述的变电所设计方法，其特征在于所述步骤（2）经济性要素包括：建筑面积与多中心的设置和加设分变电所的权衡；***变压器台数、分变电所负荷开关柜数量、高压间隔数量带来的经济成本；低压电缆减少带来的成本节约。

6.根据权利要求2所述的变电所设计方法，其特征在于所述步骤（2）多套方案包括不同的变电所数量以及变电所的位置。

7.根据权利要求2-6所述的变电所设计方法，其特征在于所述设计方法不考虑应急负荷。

8.一种建筑工程，包括根据权利要求2-7任一项所述方法设计的变电所。

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