住宅建筑的电力负荷分析.docx

题目：住宅建筑的电力负荷分析目录摘 要11.绪论21.1研究的目的及意义21.2 本文主要工作22.电力负荷的理论计算基础32.1建筑电力负荷的分类32.2 电力负荷的分级32.3各级负荷对供电电源的要求32.4电力用户的负荷计算42.4.1 按逐级计算法确定用户负荷42.4.2 按需要系数法确定用户负荷42.4.3 按年产量估算用户负荷42.5 国家规范的民用建筑电气负荷计算设计42.5.1 负荷计算的内容42.5.2进行负荷运算时，应按下列规定计算设备功率43.各种经典电力负荷计算方法63.1计算负荷及计算方法63.1.1 计算负荷63.1.2 负荷计算方法63.2 各种计算方法的适用条件及优缺点73.2.1需要系数法使用前提及存在的问题73.2.2 二项式系数法使用前提及存在的问题83.2.3 利用系数法和单位产品耗电法使用前提及存在的问题83.3 国内住宅建筑用电负荷及计算的现状83.3.1住宅建筑的供电方案83.4 问题的提出94.住宅电力负荷需要系数的分析与研究104.1 需要系数的分析104.1.1 需要系数的定义104.1.2 需要系数的模拟公式推导114.1.3 影响需要系数的因数114.1.4 需要系数的研究11结束语13附录14参考文献15摘 要 电力负荷的正确计算是选择供电系统的导线，开关电器以及变压器等设备的基础参数，也是保障供电系统安全、节能运行必不可少的重要一环。电力负荷计算过小，就会引起供电线路过热，加速其绝缘老化，还会多耗能，引起起火或者重大事故；电力负荷计算过大，会造成变压器容量过剩以及供电截面过大，相应保护整定值就会定的过大，降低了电器设备保护的灵敏度，同时还增加了投资，降低了工程的经济性。通常电力负荷增大10%时，变压器容量要增加11%到12%，电线电缆等有色金属消耗量应增加15%到20%，同时还会增加变压器无功功率造成的有功电力损耗。因此电力负荷及其特征参数分析与计算在供电设计中，特别是在确定变压器容量中占据重要位置。电力负荷的计算准确性在于负荷量与需要量的合理选取，本文选择住宅建筑的电气负荷为研究对象，根据国家现行规范，在理论基础计算的基础上，附加经典案例研究，从实际上分析住宅建筑用电负荷的相关计算方案，提高负荷计算的精确性，使理理论更贴近工程实际。关键词：住宅负荷计算，需要量，负荷量1. 绪论1.1研究的目的及意义住宅建筑的电气负荷计算，影响着住宅各种配电设施的合理选择，关系着千家万户的用电安全与电气设备可靠运行。为了使电能合理，规范的应用到实际生活生产之中，利用各种分析方法解决电力供应与负荷合理应用便成为了重中之重的问题，它不仅从理论上全面阐述了负荷用电的合适得当性，而且对实际用电设备的选择有了指导性意义。1.2 本文主要工作本文主要对负荷系统的现行主要经典的计算方法进行研究，从中找出与实际过程中出现的优点与缺点，基于此提出自己认为的改进方法和意见，为今后负荷的有效分析提供参考。本文主要研究内容：（1）分析国内常用的电力负荷计算方法；（2）基于这些经典方法，研究它们在使用过程中的优缺点和适用状况；（3）提出了电力负荷规划分析和需要系数等诸多问题，为规划建筑电气方案做出较全面的阐述。（4）分析了需要系数法本身在电力负荷应用中的特点和影响，为正确计算电力负荷奠定基础。2. 电力负荷的理论计算基础 2.1建筑电力负荷的分类电力负荷按用途分，有照明负荷和动力负荷，前者为单相负荷，在三相系统中很难达到平衡；后者一般可视为平衡负荷。按行业分，有工业负荷，非工业负荷和居民生活负荷等。2.2 电力负荷的分级根据GB 500521995供配电系统设计规范规定，电力负荷应根据对供电可靠性的要求及中断供电在政治、经济上所造成损失或影响的程度分为3级1： 一、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、经济上造成重大损失时。例如：重大设备损坏、重大产品报废、用重要原料生产的产品大量报废、国民经济中重点企业的连续生产过程被打乱需要长时间才能恢复等。 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。例如：重要交通枢纽、重要通信枢纽、重要宾馆、大型体育场馆、经常用于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，当中断供电将发生中毒、爆炸和火灾等情况的负荷，以及特别重要场所的不允许中断供电的负荷，应视为特别重要的负荷。 二、符合下列情况之一时，应为二级负荷： 1中断供电将在政治、经济上造成较大损失时。例如：主要设备损坏、大量产品报废、连续生产过程被打乱需较长时间才能恢复、重点企业大量减产等。 2中断供电将影响重要用电单位的正常工作。例如：交通枢纽、通信枢纽等用电单位中的重要电力负荷，以及中断供电将造成大型影剧院、大型商场等较多人员集中的重要的公共场所秩序混乱。 三、不属于一级和二级负荷者应为三级负荷。2.3各级负荷对供电电源的要求一级负荷对电源供电的要求：1.一级负荷重普通一级负荷应由两路电源供电，当其中一路电源发生故障时，另一路电源应不致同时受到损坏。2.一级负荷中特别重要负荷，除上述两路电源外，还必须增设应急电源。为保证其对特别重要负荷的供电，严禁将其他负荷接入应急供电系统。二级负荷对电源供电的要求：对于二级负荷一般应有两回线路供电，当电源来自同一区域变电站的不同变压器时，即可认为满足要求。三级负荷对电源供电的要求：由于三级负荷为不重要的一般负荷，因此它对供电电源无特殊要求。2.4电力用户的负荷计算 确定用户的计算负荷是选择电源进线和一、二次设备的基本依据，是供配电设计的重要组成部分，也是与电力部门签订用电协议的基本依据。确定等效三相设备容量用户计算负荷的方法很多，可根据不同情况和要求采用不同的方法。在制定规划、初步设计，特别是方案可以粗略的方法。在供电设计中进行设备选择时，则应进行详细的负荷计算。2.4.1 按逐级计算法确定用户负荷 根据用户的配电系统图，从用电设备开始，朝电流的方向逐级计算，最后求出用户总的计算负荷的方法。2.4.2 按需要系数法确定用户负荷 将用户用电设备的总容量P（不包括备用设备）乘上一企业需要系数K，就可以得到企业的有功计算负荷。2.4.3 按年产量估算用户负荷 将用户年产量乘以单位设备耗电量就可以得到企业全年的耗电量，再除以用户最大负荷利用小时，就可以得到用户的有功计算负荷。2.5 国家规范的民用建筑电气负荷计算设计2.5.1 负荷计算的内容计算负荷2，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。在工程上位方便记，亦可作为电能消耗量及无功补偿量的计算依据。 尖峰电流，用以检验电压波动和选择保护电路。 一级、二级负荷，用以确定备用电源或者应急电源。 季节性负荷，从经济运行条件出发，用以考虑变压器的容量和台数。2.5.2进行负荷运算时，应按下列规定计算设备功率1)对于不同工作制的用电设备的额定功率应换算为统一的设备功率。1. 连续工作制的电动机上的设备功率等于额定功率；2. 断续或者短期工作制的电动机的设备功率，当采用系数法或者二项式计算时，将其额定功率统一换算到负载持续率为25%时的有功功率；3. 电焊机的设备功率是将额定功率换算到负载持续率为100%时的有功功率。2)照明用电设备的功率为： 白炽灯、高压卤钨灯是指灯泡标准的额定功率，低压卤钨灯除灯泡功率外，还考虑变压器的功率损耗，气体放电灯、金属卤化物灯除灯泡的功率外，还考虑镇流器的功率损耗；3）用电的计算有功功率大于火灾时可能同时切除的一般电力、照明负荷的计算有功功率时，应按未切除的一般电力、照明负荷加上消防负荷计算低压总的设备功率计算负荷。4）单相负荷应均衡分布到三相上，当单相负荷的总容量小于三相负荷总容量的15%时，全部按三相对称负荷计算；、当超过15%时，应将单相负荷换算为等效三相负荷，再与三相负荷相加，等效三相负荷可按下列方法计算：1. 只有相负荷时，等效三相负荷取最大负荷的3倍；2. 只有线间负荷时，等效三相负荷为：单台时取线间负荷的倍；多台时取最大线间负荷的倍加上次大线间负荷的(3-)倍。3. 既有线间负荷又有相负荷时，应先将线间负荷换算为相负荷，然后各相负荷分别相加，选取最大相负荷乘3倍作为等效三相负荷。5)对用电设备进行分组计算时，应按下列条件考虑：1. 三台及以下，计算负荷等于其设备功率总和；三台以上的，其计算负荷应通过计算来确定。2. 类型相同的用电设备，其总容量可以用算术加法来求得；3. 类型不同的用电设备，其总容量应按有功和无功负荷分别相加确定。6)当采用需要系数计算负荷时，应将配电干线范围内的用电设备按类型统一划组。配电干线的计算负荷为各用电设备组的计算负荷之和再乘以同时系数。变电所或配电所的计算负荷，为各配电干线计算负荷之和再乘以同时系数。计算变电所高压侧负荷时，应加上变压器的功率损耗。7)采用二项式法计算负荷时，应注意以下几点： 1.应将计算范围内的所有设备统一划组，不应逐级计算；不考虑同时系数； 2.当用电设备等于或少于4台时，该用电设备组的计算负荷按设备功率乘以计算系数求得； 3.计算多个用电设备组的负荷时，如果每组中的用电设备台数小于最大用电设备台数N时，则取小于N的两组或更多组中最大用电设备的附加功率之和作为总的附加功率。3.各种经典电力负荷计算方法3.1计算负荷及计算方法3.1.1 计算负荷供电系统要能够在正常情况下可靠地运行，则各个供电设施必须选择得当，因此有必要对供电系统的电力负荷进行统计计算，通过计算求出的各元件的负荷值，称为计算负荷。计算负荷是一个假象的持久负荷，在供配电系统中以30MIN的最大计算负荷作为电气设备选择的依据。本文将计算负荷记为P30。3.1.2 负荷计算方法负荷计算方法有很多种，主要有需要系数法、二项式法、利用系数法、单位面积法、单位指标法以及单位产品耗电量法等。1) 需要系数法：计算公式为P30=K*PN，K为需要系数，PN为用电设备组所有设备的额定容量之和。这种方法比较简便，目前在民用建筑中应用很广泛。2) 利用系数法：采用利用系数求出最大系数求出最大负荷的平均值，在考虑设备台数和功率差异的影响，乘以与有效台数有关的最大系数得出计算负荷。这种方法计算进程稍繁，目前利用系数法的有关资料均为工业方面，故在民用建筑方面很少。3) 二项式法：计算公式为P30=b*PN+cPx,b,c为二项式系数，PN为用电设备组所有设备的额定容量之和，Px为x台最大容量的设备总容量。主要用于工业上用电设备台数较少、各台设备容量相差悬殊时使用。单位面积功率法、单位指标法、单位产品耗电法等，前两者多用于民用建筑，后者用于某些企业方面。目前国内住宅电气负荷计算基本上都采用需要系数法和单位指标法。单位指标法确定每户住宅用电负荷指标，需要系数法是选取相应的需要系数来计算住宅计算负荷。国家行业规范住宅设计规范第6.5.1条与民用建筑电气设计规范都有对住宅负荷用电指标及需要系数的规定，如表1.1、1.2。但因地理位置、经济条件、气候环境等差异，各地区及主要城市要根据自己的特点又制定了相关的标准，表1.3、1.4列举了国内部分城市的住宅用电指标值和参考的需要系数。 表1.1住宅设计规范GB50096-1999 普通住宅用电负荷标准3套型居住空间数（个）使用面积（M2）每户用电负荷（KW）安装电度表规格（A）一类2342.55（20）二类3452.55（20）三类3564.010（40）四类4684.010（40）表1.2民用建筑电气设计规范JCJ/16-92住宅负荷需要系数接在同一电源上的户数25户以下25100户超过100户需要系数0.450.50.40.450.30.35 1.3 太原地区住宅单位用户指标居室类别户型使用面积（M2）每户用电负荷（KW）安装电度表规格（A）丙1室40501.55（20）乙2室60652.05（20）甲3室75802.55（20） 1.4太原地区住宅负荷需要系数户数200需要系数11.750.50.450.40.330.263.2 各种计算方法的适用条件及优缺点3.2.1需要系数法使用前提及存在的问题需要系数法，不考虑大容量设备最大负荷造成的负荷波动及用电设备的容量和台数，适用于全厂计算负荷、车间变电所所计算负荷较稳定的干线计算负荷。需要系数法比较简便，因而广泛使用，但当各种设备台数少而且功率相差悬殊时，需要系数法计算往往偏小，故不适用于低压线路计算，而适用于变、配电所的负荷。3.2.2 二项式系数法使用前提及存在的问题其中考虑两种因数：1平均负荷；2 X台最大设备的最大负荷重叠造成的附加负荷，以弥补需要系数法在计算结果上偏小的不足。二项式系数法比较适用于确定设备台数较少而容量差别较大的低压干线和分支线的负荷计算。但是二项式计算系数的值，缺乏充分的理论依据，而且这些系数也只适用于机械加工工业，其他行业都缺乏这方面的系数，从而使其引用受到限制。因此，对于负荷波动系数大的干线或支线采用二项式计算法较为准确。在确定车间变电所和全厂总负荷计算时，则通常不采用，还是采用需要系数法比较准确。3.2.3 利用系数法和单位产品耗电法使用前提及存在的问题利用系数法是以平均负荷为基准，利用概率分析出最大负荷与平均负荷的关系。利用系数法虽然有一定的依据，但要确定的系数较多，计算步骤复杂，公式中的“最大系数”与“利用系数”的数据目前也比较缺乏经验，因此，通常不采用这种计算方法。单位产品耗电法是在初步设计阶段对供电方案作比较时，可根据车间的单位产品耗电额，产品的年耗电量和年工作小时数来估算的一种方法。单位产品耗电法求出的数值可能与实际中的相差很大，所以缺乏正式的用电设备容量时，还是按需要系数法重新进行计算，以便尽可能与实际达到一致，作为选择配电设备和导线的依据。3.3 国内住宅建筑用电负荷及计算的现状3.3.1住宅建筑的供电方案住宅建筑内住户的负荷等级按供配电系统设计规范（GB 50052-95）第2.0.1条一般是属于三级负荷，配电方式是基本上多层住宅采用放射式供电，高层住宅采用混合式（树干式和放射式）供电。因此其供电方案基本上是按小区变电所10KV一栋（层）楼电表箱各一户配电箱这种模式设计。小区内单台变压器容量规范一般要求不大于630KVA，对于建筑面积大、户数较多的住宅要求一般设两台或以上变压器，以便避免日后检修时造成长时间停电。国内计算负荷最常用的是需要系数法，其有很大的经验成分，甚至随意性很大。比如图1.5列出了某小区两栋户数为36户、用电负荷指标为6KW的负荷情况，因需要系数的值设的不同，造成了计算负荷、计算电流、所选择的配电设施以及初期投资上有很大不同。图1.5楼号设备额定容量（KW）需要系数功率因数值计算电流（A）保护开关整定值（A）进线电缆（MM2）初期投资（元）1#2160.560.92042504*120227372#2160.480.91742254*9517578可以看出，1#增加了用户投资，而且也降低了变压器的负荷率，增加了今后变压器运行的有功损耗和无功损耗。造成这些问题的原因不仅在于电气设计人员主观因素，而且在于设计的规范中存在的缺陷。因此，如何根据每个住宅建筑自身特点，选择一个合理的科学的能反映实际情况的住宅用电负荷指标和需要系数，对于当前建筑电气设计是有十分重要的现实意义和工程价值。3.4 问题的提出根据现行国家规范，目前住宅各单元楼总负荷计算公式如下：（1） 当每户用电指标负荷都一样时，则总有功功率Pn=3*N*Pn*Kn，式中Pn为单元楼总负荷，N为同一相上户数，Pn为每户用电负荷指标，Kn为需要系数。（2） 当每户用电指标负荷不相同时，则总有功功率Pn=3*Kn*(Pn1*N1+Pn2*N2+Pn3*N3+.)，式中Pn1，Pn2，Pn3.为不同的用户用电指标负荷，N1,N2，N3.为相应的同一相上的户数。因此不难看出，其计算结果的准确与否，取决于每户用电负荷和需要系数是否合理。目前每户用电负荷和需要系数如图3.2,3.3所示。分析其不合理之处：首先，用电指标划分的单一性。表3.2中每户用电指标单纯的以住宅面积的大小来划分，这是不合理的。因为居民用电指标还与用户经济水平、环境等因数有关。其次，需要系数的不确定性。当用户同一相户数值不同时，其需要系数没明确化；从表中可以看出，当户数为99户时，设每户用电为6KW，那么99户的总用电功率为P=3*99*6*0.38=677.1KW，相应的当户数为102户时，其总负荷功率为P=3*102*6*0.35=642.6KW，根据电工理论，这显然是不成立的。表3.2住宅建筑设计计算负荷标准居住空间数（个）计算负荷使用面积（2334不小于4KW不小于6KW不小于6KW不小于8KW34-4546-5556-6869-100表3.3住宅建筑需要系数推荐值同一相户数N361014182225101200户以上需要系数Kn10.730.580.470.440.420.40.350.3因此在住宅建筑电气规划设计中采用需要系数法进行负荷计算时，选择一个科学的，真实的，能够基本反映居民经济水平住宅用电指标以及合理的需要系数，对于指导配电设施的合理选择具有很强的紧迫性和是十分重要的意义。4.住宅电力负荷需要系数的分析与研究4.1 需要系数的分析需要系数是一个至关重要的数据，直接影响到负荷的计算结果，关系到变压器容量的选择，特别对于一些大面积的住宅小区，需要系数的选择不同，变压器容量可能相差一个等级，甚至更大。而需要系数的确定又是极为繁琐、经验的事，虽然在现行的各种设计手册上都有数据可查，但表述比较笼统、模糊，有一些不尽合理的地方。如有的手册规定50户100户，需要系数取0.40.5，100户以上取0.4以下，先假定每户安装容量为6KW，95户取需要系数0.43，100户时取为0.4，则95户的Pjs=95*6*0.43= 245.1KW，而100户的Pjs=100*6*0.4=240KW，这很明显不合理。4.1.1 需要系数的定义需要系数是用电设备实际所需要的功率与额定负载时所需的功率的比值，用公式表示为 Kc=Psb/Psn 式中： Psb用电设备实际所需功率。 Psn用电设备额定功率。 需要系数的大小要综合考虑用电设备的负荷状态、工作制(连续、短时、重复短时工作)和该类设备的同时工作几率等方面的因素。一般是根据实经验统计后取平均值。4.1.2 需要系数的模拟公式推导模拟公式的推导基于以下三条规律：户数(N)较少时，需要系数(K)为1；需要系数(K)随户数(N)增大而减小，即KNKN-1 （KN是N所对应K值），且减少速率先急后缓；每户安装功率相同时，小户数的计算功率恒大于大户数的，即（N-1）*KN-1*PKN-1*(N-1)/N，故KN-2KN-3*(N-3)/(N-2)，根据前面假定可知：KN-2=KN-1=KN，所以KNKN-3*(N-3)/(N-2)，因(N-1)/N恒大于(N-3)/(N-2)，故不妨令KN=KN-3*(N-1)/N，即调整系数等于(N-1)/N。4.1.3 影响需要系数的因数第一、并非供电范围内的所有用电设备都会同时投入使用，有同时系数KT；第二、并非投入使用的所有电气设备任何时候都会满载运行，有负荷系数KN；第三、电气设备额定功率与输入功率不一定相等，有电气设备平均效率E；第四、直接向电气设备配电线路上的功率消耗后，电气设备输入功率与系统向设备提供的功率不一定都相同，有线路平均效率P；即需要系数Kr=KT*KNE*P4.1.4 需要系数的研究 在住宅建筑负荷中，需要系数可以通过已有的统计数据作为样本数据，采用数学方式来拟合住宅户数与需要系数的数学函数关联来最终确定。其拟合指数关系为：Kx=0.312+0.655*0.659X。依据此关联式对照已有的样本数据和拟合数据可以得出下表：户数36915182124102201需要系数和样本数据10.730.580.470.440.420.40.350.3需要系数和拟合数据X=N/3-10.9670.7430.5960.4360.3930.3660.3480.3120.312误差0.033-0.013-0.0160.0340.0470.0540.0520.038-0.012不难看出当户数为21户时，此时的误差是最大的，但是这种误差在住宅建筑负荷计算中是允许的，因为当每户用户计算负荷为6KW时，此时计算总负荷时，若需要系数为0.4，则计算的总负荷为151.2KW，若需要系数按所拟合的数据则所计算的结果为138.4KW，两者相差12.8KW，说明拟合函数的数据还是较为准确的。结束语本文主要研究了住宅建筑的电力负荷分析，从理论计算方法开始，将理论计算依据和国内外研究状况进行对比，从而广泛地采用了从需要系数法和用电负荷指标的划分上解决问题。提出了需要系数法的不确定性和不统一性，使用时采用一般标准计算存在的问题并且提出了问题：如何理论计算分析需要系数。提出了用电负荷指标划分的不准确和不全面性的问题，使用各种计算方法计算时出现的问题：如何理性建立计算方法和设计规划标准。在进行住宅建筑负荷设计前，应该采集一些样本数据以便做些预测模型，根据这些预测模型和样本数据区确立数学函数，选择相应的计算方法进行计算。此外还应该考虑不同环境气候和地理条件。然后对电气设备进行分组，进行负荷计算，一般变电所或者配电室应按相应的电力负荷等级进行电源、变压器等的大概选取，然后采用需要系数法进行计算，在对用户进行负荷分析时，一般采用单位指标法，比如发热指标，有功指标，无功指标等进行分析和归类，然后计算负荷。总而言之，本文在住宅建筑的电力分析方面做出了比较全面的理性基础，在比对实际用电还有些差距的情况下提出了诸多需要切实解决的问题，为看此篇文章的人提供了些许基础和需要解决的问题，让其能在理论计算的基础上，通过数学或者其他方法解决实际问题。附录住宅建筑电力负荷的预测方法从预测期限可分为期预测，短期预测，中期预测和长期预测。预测方法有时间顺序法4、灰色预测法等。一般研究将家用电器总功率作为自变量，住宅计算负荷为基变量，进行中期预测，用线性回归确定不同家用电器总功率所对应的负荷。通过对样本数据的分析和回归分析5的理论基础建立回归模型，从而进行预测模型的误差分析，确定建筑电力负荷的各基变量和自变量对电力系统的影响。回归模型的建立中，自变量和基变量的曲线关系图不明显反应某种结果时，可以通过数学函数进行拟合：直线函数：Y=a+bx;对数函数：Y=a+bx。并将其转化为一次线性函数进行分析。评析一个回归模型的质量可以用概率论中的检验6对预测模型检验。建立好的回归模型可以对未来电气工程设计和发展做出统计，可以指导电力系统中电气布局量，合理性的电气布局建设做出规划。比如对家用电器总功率和住宅计算负荷回归性模型的建立可以得出一个三居室的住宅的计算负荷为3.001KW，根据器发展前景考虑其实际计算负荷可以扩大到3.5KW左右。需要系数影响因数大致有同时系数Kr，有负荷系数Km，电气平均效率e，线路平均效率p，它们的关系是K=Kr*Kme*p，可以通过归纳求和的数学方法来计算不同住宅建筑的用电需要系数。需要系数还可以解决样本数据和拟合数据的误差分析。住宅建筑需要系数值永远不大于1，当用户数少时刻取1；随着用户数多而逐渐减小，而且减小速率先急后缓，并最终趋于某个值。比如表3.3所示。可以通过指数函数作为需要系数和户数对应的数学关系式，确定指数函数的a,b,c三个参数的值，可以通过三段归纳求和7来求解。参考文献1工玉华 赵志英编著 工厂供配电。北京：中国林业出版社，20056:17-392刘介才编著，工厂供电（第2版），北京：机械出版社，1997:36-37.3中华人民共和国机械工业部主编 供配电设计规范 北京：中国计划出版社，2009:7-124李伟 电力负荷预测应用 重庆大学学报 2004,22（1）：36-395何晓群等编著，应用回归分析，北京：中国人民大学出版社，2001：32-506盛骤等编著，概率论与数理统计（第三版）。北京：高等教育出版社，2001:270-1737勃英主编，数值分析原理。北京：科学出版社，2003.1.2