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摘要：傳統高層建筑智能化電氣節能負載控制技術的實際控制效果較差，技術應用后，電氣設備負載率較高。對此，文章設計了高層建筑智能化電氣節能負載控制技術。通過建立高層建筑智能化電氣數學模型，對其運行情況進行等效描述；預測動態下的電力損耗，確定高層建筑電氣功率的二倍頻模值；利用遺忘算法對數學模型中未知參數尋優求解，實時調控數學模型參數，從而實現高層建筑智能化電氣節能負載控制。實驗證明，文章設計技術的高層建筑電氣設備負載率低于傳統技術，具有良好的應用前景。
關鍵詞：高層建筑；智能化電氣；節能負載；電力損耗；遺忘算法
0引言
在資源、能源緊缺的背景下，高層建筑電氣節能起到重要作用，可以節約建筑電氣用電量，降低高層建筑能耗，提高高層建筑綠色化、節能化水平，推動高層建筑可持續發展。相關統計數據顯示，2019年，高層建筑能源耗損率占社會總能源耗損率的35%，相比于2018年增長了1.03%。電能支出是高層建筑運營成本的主要部分，節約高層建筑電氣能源不僅可以降低高層建筑成本支出，還能提高能源綜合利用率，因此目前大部分高層建筑采取了電氣節能技術。受內、外因素影響，電氣設備在運行過程中會出現負載不均衡現象，即電氣設備的有功功率、無功功率及負序電流處于不平衡狀態，這在一定程度上影響了電氣節能效果，需要采取有效手段控制電氣節能負載。國內高層建筑智能化電氣節能負載控制技術起步較晚，技術還不夠成熟；傳統技術在實際應用中控制效果較差，高層建筑電氣節能負載率仍舊較高，傳統技術已經無法滿足實際需求。為此，文章提出高層建筑智能化電氣節能負載控制技術。
1高層建筑智能化電氣節能負載控制技術設計
考慮到高層建筑電氣設備數量較多，會導致電氣設備能源損耗增加，從而影響電氣節能效果，故提出智能化電氣節能負載控制技術[1]。該技術可以分成三部分：（1）建立高層建筑電氣數學模型，根據高層建筑電氣實際情況，利用數學方程式進行描述；（2）預測高層建筑電氣設備能源損耗，描述電氣設備之間的損耗關系；（3）根據預測的電力損耗，利用遺傳算法求出最優電氣參數，如圖1所示，高精度控制高層建筑電氣設備有功功率、無功功率及負序電流，降低能源損耗，從而實現高層建筑電氣節能負載控制。
1.1高層建筑電氣數學模型建立。在高層建筑電氣節能系統中，電氣設備三相瞬時功率的總和一定，即在理想狀態下，電氣設備三相總和的有功功率與三相瞬時功率相等。但是，在實際應用中電氣電源會存在大量諧波，使高層建筑電氣設備之間存在部分無功功率。在高層建筑配電系統中，電氣設備交流側輸出的不是無源負載，而是配電輸出。假設以任意一個電氣設備為一個節點，兩個節點之間的電壓幅值由有功功率決定。如果高層建筑配電系統中有功功率過大，會產生電壓損耗。此時，可以通過高層建筑電氣節能技術中的無功補償技術，減少兩個節點之間的電壓損耗，兩個節點之間的補償功率用公式表示如下（1）式中：Δu為兩個節點之間的補償功率；r為高層建筑配電網無窮大系統等效戴維南阻抗；a1為任意一個電氣節點的有功輸入；a2為任意一個電氣節點的有功輸出；x為高層建筑電氣設備等效阻抗；e為無窮大系統的等效電勢；v為高層建筑電氣節能負荷的供電電壓。根據式（1），只要適當控制高層建筑電氣有功輸出的大小，即可調節高層建筑整個配電系統的電壓水平[2]。在式（1）基礎上，得到高層建筑電氣輸出電壓總和的計算公式：（2）式中：U為高層建筑電氣輸出電壓總和；w為高層建筑電氣的比例系數；ε為高層建筑電氣輸出電壓之間的夾角[3]。高層建筑配電系統采用的是三相電壓，高層建筑電氣數學模型可用方程式表示為（3）式中：L為高層建筑電氣設備漏電感；U1、U2、U3為高層建筑電氣設備三相電壓；R(t)為高層建筑電氣設備電阻；k為未知參數。根據式（3），高層建筑電氣數學模型中含有一個未知參數，后續只有對未知參數進行最優求解，才能有效控制電氣節能負載。
1.2動態電力損耗預測。根據上文分析，高層建筑電氣設備運行過程中會產生一定的電能損耗，建立的數學模型為理想情況下高層建筑電氣等效模型。根據高層建筑電氣實際情況，對其動態電力損耗進行預測。高層建筑電氣設備電力損耗與電路中的設備元件電阻有關，電氣總損耗為（4）式中：W為高層建筑電氣總損耗；n為高層建筑中的電氣設備數量；q為高層建筑電氣設備的勵磁電阻；S為電路中電氣元件的定子電阻；P為高層建筑電氣電路中的電流變化率[4]。在實際應用中，高層建筑電氣設備所消耗的電能與電勢成正比，即電氣設備電勢越高，所消耗的電能越多，并且在電氣設備能源損耗關系中，電氣設備電流隨著設備負載的改變而改變[5]。除此之外，在電氣設備電壓不發生改變的情況下，電氣勵磁電路中也會產生電阻損耗，為了減少計算誤差，式（4）可以調整為（5）式中：μ為勵磁電路中的導體電壓；V為勵磁電路中的導體電勢；ξ為高層建筑電氣設備電壓變頻率。利用上式可以計算出高層建筑電力損耗，為后續電氣節能負載控制提供依據。
1.3電氣節能負載控制。高層建筑電氣節能負載控制實質是控制電氣電網的有功功率、無功功率和負序電流，使其處于均衡狀態，從而降低負載[6]。若要達到這一目的，關鍵在于對高層建筑電氣數學模型中未知參數進行尋優求解，當參數為最優值時，高層建筑電氣電力損耗最低，電網達到穩定平衡狀態。該未知參數與高層建筑電氣功率的二倍頻模值存在一定的線性關系，需要根據預測的電力損耗，計算出高層建筑電氣功率的二倍頻模值，其計算公式為（6）式中：Z為高層建筑電氣功率的二倍頻模值；p1為高層建筑電氣電網有功功率；p2為高層建筑電氣電網的無功功率；I為高層建筑電氣電網三相總有序電流值[7]。利用遺傳算法對求解式（6）中參數k的最優值，計算公式為（7）式中：α1為種群交叉概率；α2為種群遺忘概率；λ為種群適應度；β為種群最佳權值。利用上述公式求出未知參數k的最優解，根據計算結果實時調整高層建筑電氣數學模型參數，從而使電氣電能損耗最小，負載最低，進而實現電氣節能負載控制。
2實驗論證
為了了解文章設計的高層建筑智能化電氣節能負載控制技術的應用效果，需要進行實驗論證。實驗以某高層建筑為實驗環境，該高層建筑樓層數量為25層，樓層高度為153m，含有14個電氣設備，其中包含6臺節能干式35kV變壓器和8臺節能濕式35kV變壓器，電氣設備負載率較高，在75%～95%。利用文章設計技術與傳統技術對該高層建筑進行智能化電氣節能負載控制。實驗采用相關檢測儀器設備，獲取該高層建筑電氣設備運行數據，共采集到13.26GB數據樣本。實時預測電氣電力損耗，并調整高層建筑電氣運行參數，控制電氣節能負載，對高層建筑電氣節能負載控制后，建筑電氣電力損耗明顯降低。為了進一步驗證設計技術的負載控制效果，以負載率作為實驗唯一指標，根據實際數據計算建筑電氣設備負載率，并使用電子表格記錄數據，分析表2中數據可以得出以下結論：應用設計技術，該高層建筑電氣節能負載率最高僅為7.16%，負載率下降了近60%，電氣節能負載率平均值為5.28%，說明設計技術具有良好的電氣節能負載控制效果；應用傳統技術，該高層建筑電氣節能負載率最高為65.46%，僅下降21%，電氣節能負載率平均值為52.43%，遠遠高于設計技術。實驗結果證明，在控制精度方面，文章的設計技術優于傳統技術，更適用于高層建筑智能化電氣節能負載控制。
3結束語
文章在傳統技術的基礎上對其進行優化與創新，形成了新的高層建筑智能化電氣節能負載控制思路，有效降低了高層建筑電氣負載率，有助于提高高層建筑電氣節能效果，同時有助于提高電氣節能負載控制技術水平。此次研究具有良好的現實意義，但是由于研究時間有限，提出的技術尚未在實際中進行廣泛應用，在某些方面還可能存在一些不足之處。今后需要對高層建筑智能化電氣節能負載控制技術優化進行進一步探究，為其發展和應用提供豐富的理論依據。
作者:吳小波 單位:中國中元國際工程有限公司
