供电系统架构冗余方式选择的经济分析

王炳林  张鹏飞

摘要：供电系统架构冗余方式的分析具有至关重要的意义，本文对1+1和2+1冗余方式选择进行经济分析，可为工业厂房项目的供电构架设计提供参考。

关键词：供电系统；冗余构架；电子项目；经济分析

1 项目背景

目前，电子项目用电负荷大并且负荷等级高，比如一、二级负荷时，按国家设计规范要求配电系统的电源、母线、变压器需要冗余配置，为一、二级用电负荷提供备用电源、备用变压器。

    供电系统架构冗余方式的分析具有至关重要的意义，可以提高系统可靠性，降低风险，优化资源配置，提高经济效益，应对未来需求。国内电子项目供电系统设计主要以1+1冗余为主，2+1冗余使用较少，但是2+1冗余系统也有自己优点，对这几种系统进行分析，有助于对供电方案达到最佳的成本效益比和系统可靠性。考虑系统的能耗和成本。不同的冗余方式在能耗和成本方面存在差异。需要根据实际情况进行权衡，选择既满足系统要求又符合预算的冗余方式。

2 系统介绍

1）1+1冗余：高压采用单母线分段，两段母线为一组，互为100%备用，相同容量、相同电压等级的两台变压器为一组，每台变压器负荷率50%，互为100%备用

2）2+1冗余(高压、变压器均2+1)：高压采用单母线分段，三段母线为一组，其中一段为另外两段做100%备用；相同容量、相同电压等级的三台变压器为一组，其中一台为另外两台做100%备用，两台常用变压器负荷率85%

3）2+1冗余(高压2+1)：高压采用单母线分段，三段母线为一组，其中一段为另外两段做100%备用；相同容量、相同电压等级的两台变压器为一组，每台变压器负荷率50%，互为100%备用

3系统运行对比

1）运行特点：

①1+1冗余：变压器带载备用，所有变压器都带电运行，避免定期更换电源；中压母线低压母线两两配对互为备用，运行方式简明，方便；对运维人员需求相对简易。

②2+1冗余：备用母线段、变压器长期空载备用，宜定期切换带载，以备故障时能正常使用；备用母线段与2段母线联络，运行方式较为简明；运维难度介于1+1与N+1之间；

2）整体比较

系统名称	高压线路容量	常用变压器的负荷率	备用变压器的负荷率	平均到每台变压器
1+1冗余	50%	50%	50%	50%
2+1冗余	100%	85%	0%	56.66%

4系统计算原则

现在对这几种系统进行分析，计算原则为10kV进线电缆距离按照500m，高压馈线柜至变压器的平均距离为20m，每一段10kV母线设一台PT，一台备用馈线柜，每一组10kV母线之间设母联开关。低压变压器均按SCB14-2500/10/0.4进行计算，且不考虑补偿。当低压系统采用1+1时，每台变压器引出一段3200A母线，再预留一台馈线柜（3台800A框架断路器），互为备用的两台变压器之间设4000A的母联。当低压系统采用2+1时，每台变压器引出一段5000A母线，互为备用的两台变压器之间设5000A的母联。负载只针对由母线配电的工艺变压器，需求容量从8250至36000kVA之间的典型容量进行统计分析。

统计所用到的电气设备及材料的价格（因不同厂家的价格不相同，本文所列的价格仅供参考）。统计原则按照SCB14 10/0.4kV 2500kVA的变压器为每台40万，电缆、框架断路器、高压柜的价格按照下表：

序号	电缆规格	价格（元）
1	ZBYJV-0.6/1.0kV   1x185	171
2	ZBYJV-0.6/1.0kV   1x240	204
3	ZBYJV-0.6/1.0kV   1x300	250
4	ZBYJV-0.6/1.0kV   1x400	324
5	ZBYJV-8.7/15kV   3x120	327
6	ZBYJV-8.7/15kV   3x185	465
7	ZBYJV-8.7/15kV   3x240	593
8	ZBYJV-8.7/15kV   3x300	727
9	ZBYJV-8.7/15kV   3x400	874

序号	框架规格	标价	定价
1	800A 3P	36315	19973
2	800A 4P	42756	23516
3	1250A 3P	41972	23085
4	1250A 4P	50541	27798
5	1600A 3P	48625	26744
6	1600A 4P	59156	32536
7	3200A 3P	117148	64432
8	3200A 4P	142520	78386
9	4000A 4P	233470	128409
10	5000A 4P	336323	184978
10	进线（5000A 4P）		209978
11	母联（4000A 4P）		153409
12	馈线（3200A 3P）		89432
13	馈线（800A 3P*3）		84920

序号	高压柜	价格
1	进线	99807
2	PT	48474
3	馈线	89652
4	母联	90449
5	母联隔离	39654

    同时计及电网上的损耗，包括高压线路和变压器的损耗，按照十年进行计算。电费按照0.55元，年最大负荷利用小时数T按照8520h，年最大负荷损耗小时数τ按照7860h。高压线路上的损耗按照Wy1=3I²R *T，变压器的损耗按照Wy2=△P0*T+△Pk*β²*τ进行计算，其中用到电缆的电阻分别是ZBYJV-8.7/1.5kV-3x185为0.127Ω/km，ZBYJV-8.7/1.5kV-3x240为0.0976Ω/km，ZBYJV-8.7/1.5kV-3x300为0.0778Ω/km，ZBYJV-8.7/1.5kV-3x400为0.0615Ω/km。SCB14-2500/10/0.4变压器的△P0为2.45kW，△Pk为16.605kW。

5系统经济分析

将不同需求容量在各个系统方式下所用到的设备、材料进行统计，得到以下各个表格：

1+1系统的设备、材料统计表

2+1系统（高压）的设备、材料统计表

2+1系统的设备、材料统计表

按以上三种系统的各设备数量，得出各系统的初投资和10年电网损耗费用：

序号	需求(kVA)	变压器总价（万）	高压电缆总价（万）	高压柜总价（万）	低压柜总价（万）	合计总价（万）
1	8250	210	91	114	277	692
2	11000	280	98	132	369	879
3	13750	350	125	150	461	1086
4	16500	420	153	168	553	1295
5	19250	490	184	186	645	1506
6	22000	560	197	247	738	1741
7	24750	630	249	265	830	1973
8	27500	700	250	283	922	2155
9	30250	770	305	300	1014	2390
10	33000	840	365	318	1106	2630
11	35750	910	367	336	1199	2812

1+1系统初期投资

正常单根回路电流 A	高压线路损耗 （万kWh）	变压器损耗 （万kWh）	损耗合计 （万kWh）	电费 （元）	损耗 （万元）
238	2.97	36.21	39.19	0.55	21.55
159	5.46	48.28	53.74	0.55	29.56
198	6.55	60.35	66.91	0.55	36.80
238	7.52	72.43	79.95	0.55	43.97
278	8.09	84.50	92.59	0.55	50.92
159	10.91	96.57	107.48	0.55	59.11
179	10.61	108.64	119.25	0.55	65.59
198	13.10	120.71	133.81	0.55	73.60
218	12.64	132.78	145.42	0.55	79.98
238	11.89	144.85	156.74	0.55	86.21
258	13.95	156.92	170.88	0.55	93.98

1+1系统10年损耗

序号	需求(kVA)	变压器总价（万）	高压电缆总价（万）	高压柜总价（万）	低压柜总价（万）	合计总价（万）
1	8250	210	74	142	277	703
2	11000	280	75	160	369	884
3	13750	350	95	178	461	1085
4	16500	420	117	196	553	1286
5	19250	490	140	214	645	1490
6	22000	560	150	232	738	1680
7	24750	630	190	250	830	1899
8	27500	700	191	268	922	2081
9	30250	770	233	286	1014	2303
10	33000	840	278	317	1106	2541
11	35750	910	279	348	1199	2736

2+1（高压）系统初期投资

正常单根回路电流 A	高压线路损耗 （万kWh）	变压器损耗 （万kWh）	损耗合计 （万kWh）	电费 （元）	损耗 （万元）
238	6.14	36.21	42.35	0.55	23.29
318	10.91	48.28	59.20	0.55	32.56
397	13.10	60.35	73.46	0.55	40.40
476	15.04	72.43	87.47	0.55	48.11
556	16.18	84.50	100.68	0.55	55.37
318	21.82	96.57	118.39	0.55	65.11
357	21.23	108.64	129.86	0.55	71.43
397	26.20	120.71	146.91	0.55	80.80
437	25.27	132.78	158.06	0.55	86.93
476	23.78	144.85	168.63	0.55	92.75
516	27.90	156.92	184.83	0.55	101.66

2+1（高压）系统10年损耗

序号	需求(kVA)	变压器总价（万）	高压电缆总价（万）	高压柜总价（万）	低压柜总价（万）	合计总价（万）
1	9000	210	74	142	202	628
2	11250	280	75	160	252	768
3	13500	315	95	169	303	882
4	15750	385	116	187	353	1042
5	18000	420	139	196	404	1159
6	20250	490	149	214	454	1307
7	22500	525	149	223	505	1402
8	24750	595	189	241	555	1580
9	27000	630	190	250	606	1675
10	29250	700	231	268	656	1855
11	31500	735	232	277	707	1951
12	33750	805	277	308	757	2147
13	36000	840	278	330	808	2255

2+1系统初期投资

正常单根回路电流 A	高压线路损耗 （万kWh）	变压器损耗 （万kWh）	损耗合计 （万kWh）	电费 （元）	损耗 （万元）
260	7.30	50.64	57.94	0.55	31.87
325	11.41	63.30	74.71	0.55	41.09
390	12.63	75.95	88.58	0.55	48.72
455	13.70	88.61	102.32	0.55	56.27
520	14.15	101.27	115.42	0.55	63.48
292	18.49	113.93	132.42	0.55	72.83
325	22.83	126.59	149.42	0.55	82.18
357	21.23	139.25	160.48	0.55	88.26
390	25.26	151.91	177.17	0.55	97.44
422	23.63	164.57	188.20	0.55	103.51
455	27.41	177.23	204.63	0.55	112.55
487	24.87	189.89	214.76	0.55	118.12
520	28.30	202.55	230.84	0.55	126.96

2+1系统10年损耗

		初次投资合计总价（万）
1+1比2+1多花费的成本	需求(kVA)	方案1+1	方案2+1（高压）	方案2+1	方案n+1
	4500			408	466
	5500	483	536
9.31%	8250	692.3619157	702.5548557
	9000			627.8849	667.1515
12.71%	11000	879.4229176	883.9998576
	11250			767.6107	861.6152
	13500			881.8079	985.7759
4.10%	13750	1086.32192	1084.53536
	15750			1041.782	1113.281
10.49%	16500	1294.764921	1286.228861
	18000			1158.91	1241.349
13.19%	19250	1505.571923	1489.695363
	20250			1307.06	1434.019
19.46%	22000	1740.915495	1679.564365
	22500			1402.167	1532.726
15.11%	24750	1973.268497	1899.190367	1580.074	1684.141
	27000			1675.18	1782.848
13.89%	27500	2154.713499	2080.635369
	29250			1855.403	2019.057
18.39%	30250	2390.154501	2302.577371
	31500			1950.51	2117.764
18.36%	33000	2630.323503	2541.075683
	33750			2147.289	2276.994
19.79%	35750	2811.768505	2735.530995
	36000			2255.406	2375.701

		10年损耗合计总价（万）
1+1比2+1节省的成本	需求(kVA)	方案1+1	方案2+1（高压）	方案2+1	方案n+1
	4500			14.93	14.93
	5500	14.43	14.78
47.86%	8250	21.55177771	23.29276545
	9000			31.86741564	29.79549634
39.02%	11000	29.55672921	32.557312
	11250			41.08967867	37.95115587
	13500			48.72162502	45.24839235
52.93%	13750	36.79824504	40.40130705
	15750			56.27449047	52.50608839
44.37%	16500	43.97006229	48.10590494
	18000			63.48177244	59.59099268
43.02%	19250	50.92318549	55.37311474
	20250			72.8315534	67.74714647
39.02%	22000	59.11345843	65.114624
	22500			82.17935734	75.90231175
48.57%	24750	65.58828992	71.42525036	88.26171366	82.42475321
	27000			97.44325003	90.49678471
40.65%	27500	73.59649008	80.80261409
	29250			103.5099879	97.01141693
40.72%	30250	79.97991602	86.93042936
	31500			112.5489809	105.0121768
37.01%	33000	86.20711083	92.74578237
	33750			118.1164218	111.2771605
35.09%	35750	93.98133347	101.655191
	36000			126.9635449	119.1819854

		初次投资+10年损耗合计总价（万）
1+1比2+1多花费的成本	需求(kVA)	方案1+1	方案2+1（高压）	方案2+1	方案n+1
	4500			557.3	615.3
	5500	627.3	683.8
-4.26%	8250	907.8796928	935.4825103
	9000			946.5590464	965.1064884
-0.30%	11000	1174.99021	1209.572978
	11250			1178.507522	1241.126764
	13500			1369.02416	1438.259804
-10.33%	13750	1454.30437	1488.54843
	15750			1604.52716	1638.341439
-3.42%	16500	1734.465544	1767.287911
	18000			1793.728154	1837.259157
-1.02%	19250	2014.803778	2043.426511
	20250			2035.375809	2111.490955
4.63%	22000	2332.05008	2330.710605
	22500			2223.960523	2291.749282
-0.78%	24750	2629.151396	2613.442871	2462.690932	2508.388372
	27000			2649.61297	2687.815362
0.01%	27500	2890.6784	2888.66151
	29250			2890.503194	2989.171294
3.57%	30250	3189.953661	3171.881665
	31500			3075.999799	3167.885568
4.69%	33000	3492.394611	3468.533507
	33750			3328.453363	3389.76608
6.04%	35750	3751.581839	3752.082905
	36000			3525.041579	3567.521004

通过以上几个表格的对比分析可以看出，从一次投资方面，2+1的系统最具优势，1+1的系统成本最高，2+1（高压）系统位于中间，且与1+1系统差别不大；从几种系统的损耗来看，2+1的系统的长期运营成本高于1+1系统，1+1系统更节省电能损耗，2+1（高压）系统位于中间，且与1+1系统差别不大。在综合考虑初次投资和10年损耗的情况下，当需求容量处于8250kVA~20250kVA之间时：1+1系统要比2+1系统节省大约5%左右的成本；而当需求容量大于20250kVA时：2+1系统要比1+1系统节省大约5%左右的成本；

除了需求容量会对初次投资成本和损耗成本有影响外，工厂运行时间也同样影响总投资，工厂运行时间越长，1+1的系统越有优势。

气候变化带来的环境问题是国际社会关注的重点话题，随着2015年《巴黎协定》的发布，国内外对碳排放、碳达峰达到了空前的关注，电子行业内，碳预算问题更显严重，这是由于电子行业是一个巨大的资源密集型企业，具有规模大、体量大、能耗大的特点。采用1+1系统减少了电力的消耗，从而直接降低了因发电产生的二氧化碳等温室气体排放，促进碳中和目标的实现，也符合我国节约能源的基本国策。

6结语

通过几种方案的优缺点分析，供电系统架构的冗余方式选择是一个关键的决策过程，它直接影响到系统的可靠性、稳定性和成本，因此，需根据系统容量大小以及工厂运行时间、脱碳目标等综合考量确定系统构架。作为目前最大的发展中国家和碳排放国家，碳中和，碳达峰的目标对于我国既即是挑战也是机会。转型不力将会导致产业、能源和技术的落后，带来深刻的经济、社会、自然危害，若抓住机遇，则可以带动中国社会的能源结构转型、催生新的可持续发展产业、投资和市场，彰显有担当的大国风范。因此为发展循环经济和数字化技术，增强资源利用效率，有助于从源头减少碳排放，实现企业绿色发展与全社会减排“双赢”目标，应优先采用较为节能的1+1系统。

参考文献

[1] 《工业与民用供配电设计手册》（第四版）北京: 中国电力出版社.

[2] 《绿动芯篇章——电子行业低碳转型洞察》