建筑供配电中的负荷计算

建筑供配电中的负荷计算
摘要
什么是负荷呢？习惯上称线路中的负荷指导线流过的电流值，电气设备的负荷指其输入或输出的功率。

民用建筑的用电设备越来越多，其用电设备总安装功率也越来越大，已逐渐成为城市电网中的主要用电负荷之一。

其负荷计算应加以重视，合理的负荷计算能使所选变配电设备得到充分利用，对降低电气设备投资有重大意义。

俄罗斯就设立了“电气负荷委员会”这一专门机构，长期对电气负荷进行研究。

日本则以通产局和电力公司为主的“合理用电指导委员会”专门对用电情况进行调查和评价。

在香港中华电力公司和香港电灯公司也都十分注意对用电负荷的研究并及时制订相应的指标。

因此合理的负荷计算对建筑电气设计具有重要意义。

一般来讲，现在的建筑有两大特点：一是智能化程度越来越高．二是建筑内的设备电气化程度越来越高．且用电负荷越来越大，在《民用建筑电气设计规范》(JGJ/T16—2008)4．3．8条款中规定“变压器低压侧电压为0.4kV时，住宅小区变电所单台变压器容量不宜大于1250kV A，预装式变电所变压器，单台容量不宜大于800kV A，其他变电所单台变压器容量不宜大于2500kV A。

”的上限也常常在实际工程设计中被突破。

现在0．4kV配电系统中．单台变压器容量为1600kV A、2000kV A甚至2500kV A的变配电所在高层建筑中已屡见不鲜。

另外由于用电负荷越来越大，且存在不少高压用电设备，以至于需要采用两路110kV或35kV市政电源供电。

由此可见，民用建筑已逐渐成为城市电网中的主要用电负荷之一，其负荷计算应加以重视。

合理的负荷计算能使所选变配电设备得到充分利用，对降低电气设备投资有重大意义。

关键词：电力系统概述；电力负荷的分类；民用建筑；负荷计算
第一章电力系统概述
1.1 什么是电力系统
由发电、输电、变电、配电和用电等环节组成的电能生产与消费系统。

它的功能是将自然界的一次能源通过发电动力装置转化成电能，再经输电、变电和配电将电能供应到各用户。

为实现这一功能，电力系统在各个环节和不同层次还具有相应的信息与控制系统，对电能的生产过程进行测量、调节、控制、保护、通信和调度，以保证用户获得安全、经济、优质的电能(图1)。

图1 电力系统示意
1.2电力系统构成
电力系统的主体结构有电源（水电站、火电厂、核电站等发电厂），变电所（升压变电所、负荷中心变电所等），输电、配电线路和负荷中心。

各电源点还互相联接以实现不同地区之间的电能交换和调节，从而提高供电的安全性和经济性。

输电线路与变电所构成的网络通常称电力网络。

电力系统的信息与控制系统由各种检测设备、通信设备、安全保护装置、自动控制装置以及监控自动化、调
度自动化系统组成。

电力系统的结构应保证在先进的技术装备和高经济效益的基础上，实现电能生产与消费的合理协调。

其典型结构如下图
电力系统典型结构
第二章负荷分级及供电要求
2.1 负荷分级
用电负荷应根据供电可靠性及中断供电在政治、经济上所造成的损失或影响的程度，分为一级负荷、二级负荷及三级负荷。

2.1.1 一级负荷
符合下列情况之一时，应为一级负荷：
（1）中断供电将造成人身伤亡时。

（2）中断供电将在政治、经济上造成重大影响或损失时。

（3）中断供电将影响有重大政治、经济意义的用电单位的正常工作，或造成公
共场所秩序严重混乱时。

例如：重要通信枢纽、重要交通枢纽、重要的经济信息中心、特级或甲级体育建筑、国宾馆、国家级及承担重大国事活动的会堂以及经常用于重要国际活动的大量人员集中的公共场所等用电单位中的重要电力负荷。

在一级负荷中，当中断供电后将影响实时处理重要的计算机及计算机网络正常工作以及特别重要场所中不允许中断供电的负荷，为特别重要的负荷。

2.1.2 二级负荷
符合下列情况之一时，应为二级负荷：
（1）中断供电将造成较大政治影响时。

（2）中断供电将造成较大经济损失时。

（3）中断供电将影响重要用电单位的正常工作，或造成公共场所秩序混乱时。

2.1.3 三级负荷
不属于一级负荷和二级负荷的用电负荷应为三级负荷。

2.1.4 特殊负荷
（1）民用建筑中消防用电的负荷等级，应符合《高层民用建筑设计防火规范》GB50045、《建筑设计防火规范》GBJ16等国家现行的相关规范的规定。

（2）当在主体建筑中有一级负荷中特别重要负荷时，与其有关的空调负荷为一级负荷。

（3）当在主体建筑中有一级负荷时，与其有关的主要通道照明为一级负荷。

（4）一级负荷的电子计算机，其机房及已记录的媒体存放间的应急照明亦为一级负荷。

（5）重要电讯机房的电源为一级负荷，其交流电源的负荷级别应与该建筑工程中最高等级的电力负荷相同。

（6）多层住宅的电梯电力为三级负荷。

（7）对负荷等级没有具体规定的重要电力负荷，应根据实际情况与有关部门协商确定。

2.2 各级负荷供电要求
2.2.1一级负荷供电要求
一级负荷的供电电源应符合下列要求：
一级负荷应由两个电源供电，当一个电源发生故障时，另一个电源不应同时受到损坏。

一级负荷容量较大或有10kV用电设备时，应采用两路10kV或35kV 电源。

如一级负荷容量不大时，应优先采用从电力系统或临近单位取得第二低压电源，亦可采用应急发电机组。

如一级负荷仅为照明或电信负荷时，宜采用不间断电源UPS 或EPS作为备用电源。

一级负荷中的特别重要负荷，尚应增设应急电源，并严禁将其他负荷接入应急供电系统。

2.2.2应急电源
（1）下列电源可作为应急电源：
①独立于正常电源的发电机组。

②供电网络中有效地独立于正常电源的专用的馈电线路。

③不间断电源UPS或EPS。

（2）根据允许中断供电的时间可分别选择下列应急电源：
①快速自动起动的应急发电机组，适用于允许中断供电时间为15s以内的供电。

②带有自动投入装置的独立于正常电源的专用馈电线路，适用于允许中断时间为1.5s以内的供电。

③静止型不间断电源装置，适用于允许中断供电时间为毫秒级的供电。

2.2.3二级负荷供电要求
二级负荷的供电系统，宜由两回线路供电。

在负荷较小或地区供电条件困难时，二级负荷可由一回路6kV及以上专用的架空线路或电缆供电。

当采用架空线时，可为一回路架空线供电；当采用电缆线路时，应采用两根电缆组成的线路供电，其每根电缆应能承受100%的二级负荷。

2.2.4 三级负荷供电要求
三级负荷对供电无特殊要求。

第三章民用建筑的负荷计算
3.1 民用建筑的负荷计算设计理念
目前对民用建筑的电力负荷计算，国内还没有这方面的专门论述。

民用建筑的用电指标，尤其是负荷计算中需要系数的大小，一直是一个意见很不一致，没有完全解决好的问题，主要是因为民用建筑的情况非常繁杂，不同的地区，不同的单位，不同的设备，不同的使用情况，不同的工程规模，不同的建设标准等等，使每平方米建筑面积的用电量有较大的差异，很难给出一个大家均可使用的标准。

工程设计者，往往宁大勿小，使已建成的许多工程的变压器容量选择偏大，多数在很低的负荷率下运行。

1984年在建设部设计局的支持下，由建设部建筑设计院、北京市建筑设计院、上海市华东建筑设计院、西北建筑设计院、西南建筑设计院等单位组成的民用建筑用电负荷调查组，在北京、上海、西安等地对各类宾馆饭店进行了大量的调查研究和蹲点实测，发现有很大的分散性，历时一年多也只获得了阶段性成果。

由于国家经济的迅速发展和人们对民用建筑用电量的认识的较大差别，目前意见仍难统一。

在实际工程设计中基本上是套用一般民用建筑电气设计中的常规计算方法，如需要系数法、二项系数法，单位密度法等。

在方案设计阶段一般采用单位指标法，在初步设计及施工图设计阶段则常采用需要系数法，不同设计单位或设计人员，由于不同的设计理念，在一些系数的取值方面有不同的偏好，结果往往会导致不同的电气设备选型。

例如上海某超高层建筑，总建筑面积为14．1万㎡，使用性质为五星级酒店和商场，其中酒店部分面积为8．7万㎡．商场部分面积为5．4万㎡。

在地下一层设有一座35kV变电站，另外在地下三层、地下一层、第十一层(避难层)、第二十八层(避难层)和第四十七层(避难层)分别设置了六处变配电所。

由于对用电负荷计算的设计理念不同，施工图设计单位与业主聘请的香港某著名机电工程顾问公司对6座变配电所的变压容量有较大的分歧意见。

通过分析他们的用电负荷计算说明书，可知这两家单位都是用需要系数法进行负荷计算，但是在用电项目需要系数取值上却各不相同，如“车库排水”的需要系数香港顾问公司取0．65，设计院取0．45；电梯的需要系数香港顾问公司取0．85，而设计院取0．65。

这两种算法中的需要系数取值，一种是沿用一般民用建筑的电力负荷计算的保守
取值，另一种是考虑智能建筑用电新特点的合理取值。

另外两台变压器的互为备用的冗余容量考虑的也不一样。

用电负荷计算直接影响着供配电系统的设计，变压器的计算容量的差异，不仅会影响变压器、开关柜、无功补偿电容柜、母线等电气设备的选型，按照GBl094规定，我国变压器容量采用国际标准的R10系列，即按R10=101／10=1．26的倍数递增，常见的容量有100、125、160、200、250、315、500、630、800、1000、1250、1600、2000、2500kV A等（一般来讲高层建筑中超过2500kV A的变压器很少采用)。

如果负荷计算相差20％，则变压器的容量就会相差一档。

变压器的选型还会给变配房的配套专业如土建、通风等专业设计造成不同影响。

如不同容量的变压器，其低压出线开关也不一样，不同容量的变压器，其外形尺寸、散热量也不同这些也影响着土建和通风专业的设计。

因此合理的负荷计算对建筑电气设计具有重要意义。

3.2 一般民用建筑的负荷计算
在民用建筑的供配电系统设计中．首先碰到的关键问题是如何计算该建筑供配电系统的计算负荷。

计算负荷是按发热条件选择电气设备的一个假想负荷．“计算负荷”产生的热效应和实际运行中变动负荷所产生的最大热效应相等，所以根据计算负荷选择电气设备．在实际运行中电气设备的最高温升不会超过容许值。

其实计算负荷求解的最准确的办法是首先绘制出典型日负荷曲线，负荷曲线上的PMAX、QMAX、IMAX就是计算负荷(注：负荷曲线应是不同季节的典型负荷曲线，按30min时间间隔绘出)，用PJS、QJS、IJS表示。

但是在进行工程设计时，工程是虚拟的，并未投入实际运行，因此在设计时还无法绘制出实际的负荷曲线。

目前通用的实际计算方法是参照有关建筑电气设计标准的负荷曲线或现有类似的建筑典型负荷曲线，利用该负荷曲线上的特征参数，来进行理论计算。

常用的计算方法有(1)需要系数法；(2)利用系数法：(3)二项式法。

上述几种计算方法都是一种近似算法，其理论依据是相似性原理：即性质相同，功能、档次相似的高层建筑，其负荷曲线相似，尽管建筑面积及规模不同，用电量也不同．但其负荷曲线的特征参数相近似。

因此根据已投入正常运行的不同性质建筑绘制出不同类型的负荷曲线，并统计出负荷曲线的特征参数如需要系数KX．利用系数KL和二项式系数b、c等，供建筑电气设计时参考使用。

第四章 负荷计算
4.1 计算负荷的意义
在进行建筑供配电设计时，基本的原始资料是各种用电设备的产品铭牌数据。

如额定容量、额定电压等，这是设计的依据。

但是，这种原始资料要变成供配电系统设计所需要的假想负荷——计算负荷，从而根据计算负荷按照允许发热条件选择供配电系统的导线截面，确定变压器容量，制订提高功率因数的措施，选择及整定保护设备以及校验供电电压的质量等，是一项较复杂的工作。

4.2 负荷计算的内容
负荷计算的内容包括：
（1）计算负荷，作为按发热条件选择配电变压器、导体及电器的依据，并用来计算电压损失和功率损耗。

在工程上为方便计，亦可作为电能消耗量及无功功率补偿的计算依据。

（2）尖峰电流，用以校验电压波动和选择保护电器。

（3）一级负荷、二级负荷，用以确定备用电源或应急电源。

（4）季节性负荷，从经济运行条件出发，用以考虑变压器的台数和容量。

4.3 设备容量P e 的确定
（1）对于连续运行工作制用电设备的设备容量P e （kW ）
即等于其额定功率P N (kW)。

（2）对于短时运行工作制用电设备，求计算负荷时一般不考虑。

（3）对于反复短时工作制的用电设备的设备容量，是将用某一暂载率下的铭牌额定功率统一换算到一个标准暂载率下的功率。

① 对于电动机的设备容量，因电动机是满负荷起动，所以统一规定换算到暂载率为25%时的功率；
② 对电焊机及电焊装置的设备容量，是指统一换算到暂载率为100%时的额定功率。

（4）照明的设备容量
① 对白炽灯和碘钨灯的设备容量是指灯泡上标出的额定功率（W ），即
P e =P N ·10-3（kW ）
② 对气体放电灯的设备容量是指灯管功率（W ）加镇流器中的功率损失,即
P e =（1.1~1.2）P N ·10-3（kW ）
式中系数对高压水银灯、金属卤化物灯取1.1；对荧光灯取1.2。

③ 对不同性质的建筑物估算照明的设备容量，可采用单位面积照明容量法来计算，即 1000ω⨯=
S P e (kW) S —建筑物的平面面积（m 2）
； ω—照明单位容量（W/ m 2）。

4.4 负荷计算的方法
负荷计算的方法有需用系数法、利用系数法、二项式法和单位面积功率法等。

在实际的建筑工程供电设计中，广泛采用需用系数法，由于简单易行，为设计人员普遍接受。

需用系数法普遍用于方案估算、初步设计和工厂大型车间变电所的施工设计。

在选用有关负荷计算系数时，应注意以下几点：
（1）在选择用电设备时，往往按照负荷最严重的条件考虑，有时，在此基础上还要加上较高的备用系数，使选择的设备额定功率过大，以致扩大了用电设备的总密量；
（2）求计算负荷的各项系数都以最大负荷工作班的30min 最大平均负荷作基础，这些系数值对大截面导线，变压器的发热来说，显然是比较保守的；
（3）即使考虑了各种随机因素，利用系数仍取其可能发生的最大值。

4.4.1 需用系数法
① 用电设备组的计算负荷
有功计算负荷 N d c P K P = (kW) 无功计算负荷 ϕtg P Q c c = (kvar) 视在计算功率 22c c c Q P S += (kVA) 计算电流 L
N c c U S I ,3=
(A) 式中:
P c — 有功计算负荷，kW ；
Q c — 无功计算负荷，kvar ；
S c — 视在计算负荷，kVA ；
I c — 计算电流，A ；
P N — 用电设备的总容量， kW ；
K d — 需用系数，查表；
ϕtg — 用电设备功率因数正切值，查表；
U N,L — 用电设备额定电压，V 。

② 配电干线的计算负荷
()∑∑∑=N d c P K K P
()∑∑∑=ϕtg P K Q c c ()()22c c c Q P S ∑+∑= 式中 ∑K ——最大负荷同时系数（为了简化计算，有功和无功率同时系数都取相同值）。

4.4.2 单位面积功率法
建筑物单位面积功率（负荷密度）乘以建筑物面积，即可求得该建筑物的负荷。

公式如下：
1000
'A P P N c = 式中 c P —— 有功计算负荷，kW ；
'N P —— 单位面积功率，W/m 2；
A —— 建筑面积，㎡。

表4-1 民用建筑用电负荷估算指标
4.4.3 二项式法
对于单个和多个用电设备组（车间变电所或配电干线）的计算负荷，分别按下述方法进行计算。

（1）单个用电齐备组的计算负荷： 有功功率 s n js bP cP P += 无功功率
ϕtg P Q js js =
（2）多个用电设备组的计算负荷： 有功功率 s n js bP cP P ∑+=max )(
无功功率
)()(max ϕϕtg bP tg cP Q s n n js ∑+=
视在功率js S 、计算电流js I 分别按下式求得。

22
js js js Q P S +=
N
js js U S I 3=
式中 s P ——用电设备组的设备功率，kW ；
n P ——用电设备组中功率最大的n 台设备的设备功率之和（n 值见表4-2），kW ；
c 、b ——二项式系数。

其值见表4-2；
max )(n cP ——用电设备组（n cP ）项中选出的最大值，kW ； n tg ϕ——与max )(n cP 对应的功率因数角正切值。

表4-2 电气设备的二项式系数和功率因数
用二项式法计算时，应将计算对象的所有用电设备统一分组，然后进行计算，不应逐级计算后代数相加。

同时各用电设备组第一、二项分别累加的结果不再乘
cP）加各组第同时系数。

因为二项式法求多组设备计算负荷是由第二项功率（
n
一项（c P n）中的最大值作为其计算负荷值的，这与需要系数法为各用电设备组计算功率的代数和截然不同。

后者计算总负荷时应考虑各组计算功率（即各组最大负荷）出现的不同时性，故应乘以同时系数。

第五章高层智能建筑的电力负荷特性分析
5.1 高层智能建筑中用电设备的特点：
（1）现在的高层超高层智能建筑都有中央空调系统．而且越来越多的空调系统采用四管制，空调水系统也采用二次泵系统。

空调系统经常性地处于部分负荷和低负荷状态下运行，整个冷冻制冷系统的能量大约有15％-20％消耗于冷冻水的循环的输配中，冷源水回路与负荷水分配回路的水量在部分负荷回路中产生供需矛盾，包括二次回路负荷之和大于机组制冷负荷及冷源侧供水量变化的阶梯性与负荷侧需求量动态变化的不协调性。

采用变频调速的二次泵系统可使之更好地处于较低负荷状态，且更加节能。

（2）电梯、扶梯多．通风系统设备多．另外电梯、空调系统、给排水系统中的拖动电机采用变频器进行调速的方式也越来越普及。

（3）照明设备普遍采用高效电光源和高效率的灯具，由于无功补偿技术的提高，使得现在灯具的功率因素一般可在0．90以上。

另外公共区域照明的灯光自动控制系统也被广泛采用。

（4）随着高层特别是超高层建筑的消防措施越来越完善．消防用电设备越来越多，其负荷(包括消防年时兼用负荷)也比一般民用建筑大的多。

5.2 BAS的广泛应用
智能建筑都采用楼宇自动化系统(BAS)，利用该系统对楼中的机电设备进行科学管理，其运行特性与传统的建筑负荷特性应不一样，电力负荷的合理调度会使得负荷曲线变得比较平坦，显然再利用原来的负荷需要系数Kx，二项式系数b，c来计算实际负荷必然偏大。

BAS系统中常见的节能措施有：
（1）限制电力高峰：能源管理程序可以根据一定的算法，分析出该大厦的电力需求的趋势，如果在未来的异常时间中，电力的需求将超过限值，系统会自动关掉一些不重要的设备；
（2）合理设定冷冻水温度：提高冷冻水的温度可以达到节能效果。

比如当冷冻水出水温度设在60C时，供水阀门的开度分别是75％，70％，60％．这时冷冻机的功率为723W；当将冷冻水出水温度提高到80C时，供水阀门的开度分别是79％，76％，68％．这时冷冻机的功率为679W，阀门的开度在70％—90％之间是合理的．节能达6％，效果明显。

（3）交替运行：优化设备启停，定期关掉一些设备，交替运行．节约能耗。

（4）夜间设定：通过降低夜间房间的温度控制指标，可减少能量消耗。

（5）自然冷却：在可能的情况下，尽可能使用室外新风。

（6）控制优化：以最佳的组合方式控制设备的启停。

（7）V A V控制技术：采用变风量控制技术，使系统工作在节能状态。

（8）节能照明技术：采用高效的节能照明装置，降低能源消耗。

据美国有关研究资料统计，在高层和超高层建筑中，主要能源消耗为：空调占60％，照明占23％，电梯占6％。

而良好的楼宇自控系统，通过有效的节能措施，可以得到较好的节能效果。

据有关专业资料介绍，采用完善BA系统的智能大厦能源节省可达15％-25％。

5.3 城市供电部门计费方式的影响
现在很多城市为了降低峰时用电负荷，鼓励用户在电网的低谷时段用电，采用分段计费的复费率计算方式，分平时用电计费和低谷时段计费，且低谷时段计费单价仅为平时用电计费单价的1／2-1／4。

因此可以将高层和超高层建筑中不一定需要在白天工作的用电设备，通过BAS设定在夜间工作，这样既可降低电费，又可以减小负荷曲线中的峰值。

第六章综述
综上所述，民用建筑的用电设备越来越多，其用电设备总安装功率肯定越来越大．但其计算负荷应考虑智能建筑自身的特点，不能一味地照搬以前建筑电气
设计手册中的一些系数的取值．否则有失偏颇。

目前一些建筑电气的刊物上有文章指出，现在不少高层和超高层智能建筑的计算负荷偏大．导致变压器选型偏大．变压器实际运行的负荷率偏低。

该文章还提出，高层和超高层智能建筑的需要系数Kx最好取一般民用建筑的下限值。

高层和超高层智能建筑的需要系数KX到底取多少合适，个人认为还是按照高层和超高层智能建筑负荷曲线上的特征参数，来进行负荷计算。

由于现在的智能建筑都采用了电力监控和能源管理系统，能够很方便地绘制出不同季节的典型负荷曲线，将这些负荷曲线进行数理统计分析，可以得到不同使用性质的高层和超高层智能建筑的特征参数，如需要系数Kx，利用系数KL和二项式系数b、c 等，供设计时参考。

参考方献
[1] 暖通空调设计指南．[M].中国建筑工业出版社．1996
[2] 工厂供电．[M].中国建筑工业出版社．1990
[3] 建筑电气设计手册．[M].中国建筑工业出版社．1991
[4] 建筑电气设计与施工．[M].中国建筑工业出版社．2000
[5] 建筑电气技术文集(2001年)；[M].中国电力出版社．2001
[6] 邢江勇.建筑电气技术.北京：科学出版社，2009：
[7] 戴瑜兴，黄铁兵. 民用建筑电气设计手册.北京：建筑工业出版社，2008：
[8] 夏阳.建筑电气设计与施工.第一版.北京：中国建筑工业出版社，2007：46~48
[9] 王华祥,张素英.民用建筑电气设计数据手册.第二版.北京：中国建筑工业出版社，2006。