基于20kV 配电网的城市综合体变配电系统设计研究

引言

随着城市化进程加快，城市综合体建筑规模不断扩大，其用电负荷呈现多元化、大容量特点。传统 10kV 配电网在供电容量、线路损耗等方面逐渐难以满足大型综合体的需求，而 20kV 配电网因具备更高的电压等级，可减少变电层级、降低线路损耗，成为城市电网升级的重要方向。研究基于 20kV 配电网的城市综合体变配电系统，对提升供电可靠性、优化能源配置具有重要工程意义。

1 城市综合体负荷特性

负荷类型：包含照明、空调、电梯、消防设备等，其中商业照明与空调负荷占比约 40%-50% ，具有明显的峰谷波动特性。可靠性需求：消防、安防等一级负荷需双电源供电，且备用电源切换时间需≤ 0.5s。电能质量：非线性负荷（如LED 照明、变频器）易产生谐波，需配置滤波装置。

2 基于 20kV 配电网的城市综合体变配电系统设计研究

2.1 变压器选型与设计

根据城市综合体变配电需求，变压器选用绝缘性能、低噪音及良好的三相双绕组干式变压器，其联结组标号明确标识为 D，yn11。将变压器的电压比设定为 10/0.38kV ，采用无励磁调压设计，以匹配 20kV 配电网的高压输入与楼宇内部低压用电需求。考虑到对电力的庞大需求，本文采用双变压器配置，以增强变电的冗余性与可靠性。值得注意的是，城市照明系统对电压质量的要求比较高，所以为照明与动力负荷分别配置容量完全相同的独立变压器，两者之间互为备用，能够在任何一台变压器出现故障时迅速切换，以确保变电的连续性不受影响。为优化负载分配，照明负荷与动力负荷被安排至同一变压器上，通过布局，确保当两台变压器正常运行时各自承担的负载量大致相当。

2.2 硬件设计

（1）时变噪声滤波器。时变噪声滤波器能够根据信号的时变特征，自动调节滤波器带宽。在尽可能保留信号能量的同时，去除大部分噪声，满足变配电系统的运行需求。（2）在线式 UPS 电源。在线式 UPS 电源能够为数据中心提供不间断电源，利用逆变器转换电流，给数据中心负载使用，实现恒定与干净的电源输出。当电网供电正常时，经过噪声滤波器去除高频干扰之后，整流器整流、滤波，实现稳定的电能输入。

2.3 城市综合体变配电系统软件设计

基于 20kV 配电网的供电考虑到城市综合体变配电系统中电气设备比较多，对供电需求较高，本文采用 20kV 配电网作为系统电源。从供电部门引入了两条独立的 10kV 高压电源线路，高压母线采用单母线分段系统。关于 20kV 配电网的引入路径，本文利用建筑物的东侧空间，通过穿管埋地的方式，将两条 20kV 电缆引入至地下一层的高压分界室，以避免电缆在地面上的暴露，减少外界因素对电力线路的影响，同时充分利用地下空间，使整体布局更加紧凑合理。随后，20kV 电缆从高压分界室继续延伸，进入变配电室，为后续的电力转换与分配做准备。由于20kV 配电网电源电压等级比较高，并且输出的是直流电，无法直接用于城市综合体变配电系统供电，因此对 20kV 配电网输出电流采用脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）技术进行变换。将转换后的电流输入到城市综合体变配电系统中，作为系统运行电源。所引入的两路20kV配电网电源均具备高度的独立性与可靠性。经过充分评估与论证，本文决定不再额外配置备用发电机组或其他集中式应急电源装置。

2.4 系统安全性与节能设计

（1）接地与防雷设计。采用 TN-S 接地系统，接地电阻 ⩽1Ω ，变配电所内设置等电位联结端子板。在 20kV 进线端安装氧化锌避雷器，低压侧配置浪涌保护器（SPD），防止雷电过电压侵入。（2）节能技术应用。选用高效节能型变压器，空载损耗较常规产品降低 15%-20% 。对空调、照明系统采用变频控制与智能调光技术，预计年节电率可达 12%-15% 。

2.5 城市综合体变配电无功补偿

为保证系统的稳定运行，输出稳定的电能，本文采用无功补偿技术将一部分无功投入到感性负载中，以减小电网中的无功，从而减少线路的损耗，提高系统的功率因数。该技术的基本原则是电容和电感性并联，两者之间进行能量交换，以实现无功功率的补偿。变配电无功补偿的依据为变电站无功电压状态，所以本文采用灵敏度模型描述变电站无功电压状态，其计算公式为：

S=exp（βe+εa）（1）

式中：S 为变电无功电压灵敏度；β 为配电系统输出的无功功率；e为配电系统输出的无功潮流；ε 为变电站母线电压相角；a 为配电系统输出的有功功率。利用式（1）确定变电站无功电压状态。设定一个阈值，当无功电压灵敏度小于阈值时，表示当前电压状态异常，需对其进行补偿控制。无功补偿量的计算公式为：

N=p （Ucosλ）（2）

式中：N 为变配电无功补偿量；p 为变配电负载功率；cosλ 为功率因数。将式（2）计算的无功补偿量输入到变电站中，以控制其无功电压的稳定，使其稳定运行，并以此完成系统软件设计，进而实现基于20kV配电网的城市综合体变配电系统的设计。

2.6 应急电源系统

考虑运维需求，设置室外注油口，与供应商签订供油合同，当柴油发电机投入使用时，在储油罐可提供的供油时间内，供油车须及时赶到，并为储油罐注油，以保证柴油发电机的正常运行。在进入建筑物前和设备间内的输油管道上均设置自动和手动切断阀。储油间的油箱应密闭且设置通向室外的通气管，通气管设置带阻火器的呼吸阀，油箱的下部设置防止油品流散的设施。

2.7 继电保护与自动化系统设计

（1）保护配置原则。进线保护：配置电流速断、过电流及零序电流保护，动作时间与上级电网配合。变压器保护：设置差动保护、瓦斯保护及温度保护，跳闸信号接入综合自动化系统。

（2）智能化管理系统。采用 SCADA 系统实现变配电设备的实时监控，采集电压、电流、功率因数等参数。集成能量管理系统（EMS），根据负荷曲线自动调整变压器运行台数，实现经济运行。

结语

基于 20kV 配电网的城市综合体变配电系统的设计研究，深入探索了现代电力技术在复杂城市环境中的创新应用。通过研究，不仅论证了20kV 配电网在提升电力传输效率、增强供电可靠性方面具有显著优势，还结合城市综合体的实际需求，设计了一种高效、智能、环保的变配电系统方案。本研究充分考虑了城市综合体用电负荷的多样性和复杂性，运用先进的设备选型、科学的电气布局以及智能化管理技术，确保了变配电系统的高效运行与可靠供电。未来随着城市化进程的不断加快和电力技术的持续创新，期望本研究的成果能够为相关领域提供有益的参考和借鉴，推动城市综合体电力设施的升级与优化，为城市的可持续发展贡献一份力量。

参考文献

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