商业建筑电气设计中电力负荷预测与供配电系统优化研究

摘要：

随着商业建筑的规模不断扩大和功能日益复杂，电力负荷预测与供配电系统优化在商业建筑电气设计中愈发关键。本文深入探讨了商业建筑电力负荷的特点与影响因素，详细阐述了多种负荷预测方法，并提出供配电系统优化策略，旨在提高商业建筑供配电系统的安全性、可靠性和经济性，为相关设计工作提供参考。

关键词：商业建筑；电力负荷预测；供配电系统；优化策略

一、引言

商业建筑作为人们进行商业活动的重要场所，涵盖了商场、超市、酒店、写字楼等多种类型，其电气系统的稳定运行至关重要。准确的电力负荷预测能够为供配电系统的设计提供可靠依据，合理的供配电系统优化则能提高能源利用效率，降低运营成本，保障商业建筑的正常运营。

二、商业建筑电力负荷特点与影响因素

2.1 负荷特点

从负荷特点来看，其多样性显著，照明、空调、电梯等各类设备用电特性大相径庭，照明稳定，空调则受季节和天气左右。波动性也十分突出，在营业时间，客流量变化直接带动用电负荷起伏，像商场节假日或促销时，负荷大幅增加。季节性也很明显，夏季制冷、冬季部分地区供暖，造成不同季节负荷差异明显。

2.2 影响因素

影响因素涵盖多个方面。建筑功能不同，用电需求就不同，酒店客房、餐饮与商场的照明、制冷制热需求截然不同。设备配置方面，设备数量、功率和使用频率直接作用于电力负荷，大型超市众多冷藏冷冻设备致使负荷增大。经营模式上，营业时间和促销活动等改变会引发负荷波动，24小时便利店和普通商场用电规律有别。气候条件也不容小觑，温度、湿度等影响空调、通风设备运行，进而影响电力负荷。

三、电力负荷预测方法

3.1 经典预测方法

1.趋势外推法：根据负荷的历史变化趋势，对未来负荷进行预测。假设商业建筑的电力负荷在过去几年呈现稳定增长趋势，可通过拟合曲线的方式预测未来负荷。但该方法适用于负荷变化趋势较为稳定的情况，对于突发因素导致的负荷变化预测效果不佳。

2.时间序列法：利用电力负荷变动的惯性特征和时间上的延续性，对历史数据时间序列进行分析处理。将商业建筑过去一段时间的每日电力负荷数据作为时间序列，通过建立自回归（AR）、动平均（MA）等模型，预测未来负荷。该方法对短期负荷预测效果较好，但对数据的平稳性要求较高。

3.回归分析法：依据负荷过去的历史资料，建立数学模型进行预测。通过分析商业建筑电力负荷与客流量、气温等因素的相关性，建立回归方程来预测负荷。不过，该方法需要准确确定影响因素，且模型的准确性依赖于数据的质量。

3.2 现代预测方法

1.灰色数学理论：灰色数学理论把负荷序列当成真实系统输出，把影响它的众多不确定因素当作系统的灰色特性。以商业建筑负荷预测为例，具体步骤如下：

生成变换，对原始负荷数据做累加生成，把杂乱无章的原始数据变成有规律的新序列。比如原始数据是 10、15、20，累加后变为 10、25、45，规律更明显。

构建 GM （1，1） 模型，基于生成后的数列建立灰色预测模型 GM （1，1），用这个模型预测未来负荷。

2.专家系统方法：对数据库中存放的过去几年的负荷数据和天气数据等进行细致分析，汇集有经验的负荷预测人员的知识，提取有关规则。借助专家系统，负荷预测人员可识别预测日所属类型，考虑天气因素对负荷预测的影响，按照一定推理进行负荷预测。但该方法依赖专家经验，主观性较强。

3.神经网络理论：利用神经网络的学习功能，让计算机学习历史负荷数据中的映射关系，再利用这种映射关系预测未来负荷。如采用 BP 神经网络，通过对大量历史数据的学习训练，建立输入层（如时间、气温、客流量等）与输出层（电力负荷）之间的映射关系，从而实现负荷预测。该方法具有很强的自学习能力和非线性映射能力，但学习收敛速度慢，可能收敛到局部最小点。

4.模糊预测理论：模糊预测理论用模糊数学处理难以构建精确数学模型的情况。以电力负荷预测为例：

建立模糊规则库，确定影响电力负荷的因素，像气温、营业时间等。把这些因素模糊化，比如将气温分为低温、常温、高温，营业时间分为短、中、长。再建立规则，如 “若气温高且营业时间长，则电力负荷高”。

模糊推理与预测，根据实际因素值，确定其在模糊集合中的隶属程度，依据规则推理得出负荷预测值。

应用实例，在某城市电力负荷预测中，考虑气温和营业时间，通过模糊预测理论得到预测结果，与实际情况对比，能较好反映负荷变化趋势。

优势与挑战，优势是能处理模糊信息，适应复杂情况；挑战是规则制定和调整依赖经验和大量试验，过程复杂。

四、供配电系统优化策略

4.1 合理配置容量

基于准确的电力负荷预测结果，结合商业建筑的发展规划，合理确定供配电系统的容量。例如，对于有扩建计划的商场，在设计时应预留一定的容量裕度。

采用先进的负荷计算方法，考虑不同设备的同时使用系数、需用系数等，确保容量配置的科学性。

4.2 优化设备选型

选用高效节能的变压器，如非晶合金变压器，其空载损耗比普通变压器低很多。

选择性能优良、可靠性高的开关柜和配电箱，提高供配电系统的安全性和稳定性。

根据用电设备的特点和需求，合理选择电缆和电线，降低线路电阻，减少线路损耗。

4.3 优化系统布局

合理规划配电室的位置，尽量靠近用电负荷中心，缩短输电线路长度，降低电压损失和线路损耗。

优化线路布局，采用合理的布线方式，减少线路交叉和迂回，提高供电可靠性。

五、案例分析

某 20 万平方米的大型商业综合体，涵盖商场、酒店、写字楼等多种业态。项目初期，因电力负荷预测不准，供配电系统容量配置过小，开业后用电紧张，严重影响商家经营与顾客体验。

为解决这一问题，重新进行电力负荷预测，采用神经网络理论和回归分析法结合的方式，综合考虑各业态用电特点、经营模式及气候因素。基于预测结果，对供配电系统进行优化改造。此次改造共增加建设费用800万元，主要用于增加变压器容量、更换节能型设备、优化线路布局以及安装无功补偿装置。

六、结论

在商业建筑电气设计中，准确的电力负荷预测和合理的供配电系统优化极为关键。借助合适方法与策略，能提升系统安全性、可靠性和经济性，降低能耗，助力可持续发展。展望未来，科技进步将催生新的预测方法和配电技术，如人工智能、大数据的深入应用，绿色智能供配电系统是趋势，需持续探索创新，提供更优电气设计方案。

参考文献

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