基于精细化计量的民用机场能源管理系统建设

2018-09-13贺春丽施红鎏瞿文慧

现代建筑电气 2018年7期

贺春丽, 施红鎏, 许刚, 瞿文慧

[上海机场(集团)有限公司虹桥国际机场公司, 上海 200335]

0 引言

“十三五”时期,国家深入推进生态文明建设,改善生态环境,“节能低碳”越来越受到广泛关注,要求对建筑、交通运输、公共机构等重点领域能耗增幅有效控制[1]。近年来,随着我国机场规模的不断扩大,机场能耗总量不断增加,能源管理问题日益突出。民航局出台的《关于加快推进节能减排工作的指导意见》指明全行业加速推进节能减排工作的指导思想、主要原则和工作目标[2]。目前,我国民用机场的节能工作缺乏先进的管理理念和科学的管理手段,现有的管理系统功能单一,不能完全满足机场的能源管理需求,而且机场的设备多样、能耗情况复杂,导致机场的能耗计量数据准确率、实时性较差,管理人员难以掌握机场资源使用的详细情况,直接影响机场节能减排工作的开展。

本文参照我国现行的大型公共机构建筑能耗标准及民航的能源资源计量器具配备规范,建立一种高效、准确的能源管理系统,研究机场能耗的精细化计量方式,开展能源管理系统优化研究,动态获取机场能耗信息,进行深度分析和准确预测,为机场进一步探寻机场节能空间,制定相应的节能措施提供一定的决策支持。

1 国内外机场能源管理系统发展现状

随着民航局大力推进行业节能减排,北京、南京等枢纽机场均已陆续参照“绿色机场”的要求,结合各自机场的特点,建设机场能源管理系统。同时,日本等国外机场也开展能源管理相关建设。

(1) 北京首都机场。北京首都国际机场于2015年启动机场能源管理系统的研发工作,通过建立机场能源数据中心,将机场区域或航站楼内的变配电、照明、制冷、空调、供热、给排水等能源使用状况实行集中监视、管理和分散控制,并进行能耗数据和能源成本的统计分析及能效的对标分析,改变目前采用的手动纸质报表的现状。系统提供能源使用情况的直观分析,并通过嵌入策略的专家决策系统对运营进行辅助指导,提高运营效率。机场能源管理系统的主要功能包括挖掘运行优化策略、支撑构建能源管理体系、全面分析能耗成本、发现设备的低效环节、建立能耗基准线、验证节能效果等。

(2) 南京禄口国际机场。南京禄口国际机场在2014年开始搭建能源管理系统,通过建设机场行业特色的能源管理平台,在保障机场用能安全的前提下对能源进行系统化、精细化管理,结合一系列的管理措施,节能效果明显。另外,能源管理系统与机场航班、照明、空调、行李分拣等系统设备的联动,从技术角度节约能源。

能源管理系统软件架构如图1所示。

图1 能源管理系统软件架构

(3) 日本成田国际机场。2015年日本成田国际机场总用能量达4 649 TJ。据统计,超过50%的用电量消耗在航站楼的空调系统以及附属设备上。机场一直致力于严格控制旅客区、办公室、商铺以及其他区域的空调和照明能耗。机场在T2航站楼安装建筑节能管理系统(BEMS),能够监测空调系统、动力系统、区域供热供冷系统等各种设施和设备能耗情况,对收集和积累的各种数据进行人工估算与分析,根据估算结果采取适当措施。

综上,国内外机场能源管理系统的基础均是实现对机场的精细化计量,通过实时采集与传输能源信息、设备状态等各类计量数据,通过对大量数据的处理分析,为机场提供精细化的管理策略,并通过与其他系统的联动实现节能。

2 基于精细化计量的能源管理系统优化研究

2.1 系统基本状况

目前,国内民用机场常见的能源管理系统基本上是在原有电力监控系统的基础上进行改造升级。电力监控系统的特点是技术成熟、操作简单、展示直观,侧重对系统、设备运行状况进行实时监控,系统功能相对单一,主要包括运行数据的实时监视、故障报警、报表管理等功能,缺乏对能耗数据的分析对比和深度挖掘,不能为管理人员提供系统化、精细化的能源管理手段。另外,机场普遍缺少对各类数据的精细化计量,无法准确掌握机场分户、分项、分级等能耗数据,不利于提高管理效率,影响能源管理、节能改造等决策方案的制定。

因此,基于机场现有管理系统的能源管理系统在保证机场运行安全的前提下,加强能源的精细化计量,并在精细化计量获得大量数据的基础上,完善能源管理系统功能,实现能源管理系统的全面优化升级,这也是管理人员目前最迫切的需求。

2.2 精细化计量方式

鉴于机场的大空间、大流量的特点,机场功能分区较多、系统复杂多样,而且用能设备类型复杂、数量庞大。因此,对能源管理系统的数据精细化计量提出较高的要求,需采用科学、合理的分类和分项、分级的精细化计量方式,才可保证系统数据的准确性,为整个系统功能的实现提供可靠的数据。参照MH/T 5113—2016《民用机场能源资源计量器具配备规范》要求,结合机场的实际能源供应、消耗情况,建议按照能耗分类、分项、分级的计量方式,实现机场的能耗精细化计量。

(1) 分类计量。根据民用机场消耗的主要能源资源种类进行划分,主要包括电、燃气、水等分类能耗的计量。

(2) 分项计量。根据民用机场消耗的各类能源的主要用途进行划分:用电分项计量,包括商业回路、照明插座系统、空调系统、普通动力系统、行李系统用电、机位地面固定式服务航空器专用设备供电回路、消防系统、弱电系统、捷运系统、车辆充电桩系统等;用水分项计量,包括商业用水、卫生间用水、热力站用水、冷却塔用水等;燃气分项计量,包括商业用气、直燃机用气等。

(3) 分级计量。根据边界确定能源消耗单位,可划分用能单位、次级用能单位(一级主要次级用能单位、二级主要次级用能单位)、主要用能设备进行分级计量,其中用能单位包括航站楼、冷源站、热源站、飞行区等。

2.3 系统设计原则

(1) 先进性和成熟性原则。能源管理系统的功能设计应能达到国际先进水平,考虑机场的重要性,技术方面应尽量采用成熟可靠、广泛应用、各方认可的技术。

(2) 安全性和稳定性原则。能源管理系统符合信息安全建设规范,建立安全机制,确保信息互通、信息安全和运行安全。

(3) 实时性和准确性原则。能源管理系统具有强大的实时能耗数据采集、传输及处理能力,保证数据的准确性,完全满足系统对能耗数据实时在线采集和分析的需求。

(4) 可操作性和可溯源性原则。能源管理系统应具有易于使用的人机交互、信息共享与展示界面,系统对所有数据及操作应有详尽记录,保证系统的可溯源性。

2.4 系统优化设计

机场能源管理系统应能满足横向、纵向的管理需求[3],横向包括从能源供应、能源输送、能源消耗、能源计费整个流程中对能源进行全过程管控,纵向包括机场用能安全、能源精细化管理、与能源相关的多系统联动等。

综合上述需求,机场能源管理系统应从以下方面进行优化设计:

(1) 系统结构优化。机场能源管理系统采用分层分布式计算机网络结构,保证系统的稳定性和数据的可靠性,系统由站控管理层、网络通信层和现场设备层组成。能源管理系统架构如图2所示。

图2 能源管理系统架构

站控管理层是人机交互界面,也是能效管理系统的核心,主要由系统软件和必要的硬件设备组成,包括服务器、显示器、操作系统、应用软件等。

网络通信层主要由网络交换机、通信网关等组成,实现现场计量设备与管理平台的数据交互,完成通信协议转换及数据传输,充分利用现有的网络,尽可能减少线路敷设,节约建设成本。

现场设备层主要由智能电表、水表等采集终端设备组成,负责对各类能耗数据的实时采集及上传,设备的计量精度应满足MH/T 5113—2016的要求,保证能耗数据实时性和准确性。

(2) 系统通信优化。机场空间大、设备种类多以及环境复杂,确保能耗数据的可靠通信是能源管理系统能否发挥作用的关键。目前,除采用技术成熟、通信可靠的有线通信方式外,基于GPRS、ZigBee技术的无线通信方式也在一些大型公共建筑的电能实时采集中得到应用[4]。通信方式优缺点对比分析如表1所示。

综上所述,结合民用机场的特点、管理要求以及现场监测设备、仪表的情况,对系统数据通信的建议如下:

① 在便于施工、传输距离较短的情况,采用RS-485总线方式(Modbus通信协议)将各监测设备的数据传输至通信网关,将数据接入能源管理系统。

② 在施工难度大、传输距离较远的情况,采用电力载波通信方式,利用现有电力线路将模拟或数字信号进行高速的传输。

③ 在采集设备位置较远、布置分散的情况,采用无线通信方式。其中,ZigBee通信关注于低传输时延、低功耗、分布式数据采集的现场,支持动态拓扑、无中心自组网且具有形成多跳网络的功能[5]。考虑到机场可能部署的设备节点以及需要数据采集节点的动态扩展功能,可选用基于ZigBee协议的网络作为无线采集和传输网络。

(3) 系统功能优化。能源管理系统的功能除实时监测运行数据、报表管理、故障报警等常规功能外,应根据管理需求对大量数据进行深度的处理、分析,为机场的管理提供高效的分析工具,系统功能还需从以下方面进行优化:

① 基本信息:通过GIS地图或平面图展示各区域、建筑的地理位置、建筑面积、功能用途等基本信息,以及能源使用情况、管理信息、通知等。

② 能耗分析:主要以能耗分类、分项、分级、时间等方面作为组合条件,采用曲线图、柱状图、表格等多种表现形式,通过分区域、分时等进行横向、纵向的多方面对比分析,展示监测区域的能耗水平。

③ 能耗预警:基于对大量能耗数据、运行数据等分析和规律识别,确定能耗预警的基准值,为机场各功能区提供准确的能耗预警,提高机场管理水平。目前,国内基本采用平均值法、二次平均值法和回归法,通过不同曲线形式的回归拟合建立能耗基准[6]。

④ 系统联动:能源管理系统与机场的航班信息、BA系统等对接,实现系统联动和数据共享,将能耗数据与机场的日常运营数据进行联动分析,为管理人员提供科学、合理的节能管理建议。

⑤ 负荷预测:基于机场大量的用电历史信息,结合天气、航班等情况进行综合分析,开展机场用能的短期负荷预测,协助管理人员开展需量管理,提高机场能源管理水平。目前,常用的预测方法主要有神经网络预测法、灰色预测法、回归分析预测法以及一些组合预测法等[7]。

综上所述,通过建立科学、合理的精细化计量方式,积累大量的基础数据,为整个能源管理系统功能的实现提供可靠的数据支撑。对能源管理系统结构、通信方式、软件功能的优化,为机场管理人员提供更加科学、高效、适用的管理手段,适应机场能源管控、节能减排的各方面需要。

3 机场能源管理系统建设实例分析

以华东某机场航站楼的电能管理系统建设为例,分析航站楼存在如下问题:

(1) 系统未实现能耗的分级、分类、分项的精细化计量,而且部分能耗计量数据不准确,存在不同分项混接的情况,如照明插座系统中包含商业用电等,导致分项数据不够准确。

(2) 重点监测单位无法实现远程自动计量,机场部分重要分项仍然采用人工记录方式。

(3) 系统功能相对较少,目前只实现能耗数据的实时监控、报表管理等常规功能。

基于机场管理需求,综合考虑监控中心、变配电站及重要用能设备位置、施工空间、通信可靠性等因素,优化升级机场的能源管理系统,根据管理需求逐步进行改造,实现机场所有用电能耗的精细化计量、远程监控等管理功能。能源管理改造实施步骤如图3所示。

(1) 第一阶段:实现精细化计量。根据现场实际情况和施工条件,通过在强电间、用户处等配电柜回路加装计量表计,剥离不同分项中混接的回路,按照精细化计量方式将航站楼用电划分为以下用电分项:变压器低压侧出线回路,商业用电供电回路,照明插座供电回路,空调新风机房供电回路,普通动力供电回路,行李系统用电回路,机位地面固定式服务航空器专用设备供电回路,消防系统供电回路,专用系统供电回路,捷运系统供电回路,车辆充电桩供电回路,其他供电回路。

通过对以上分项用电回路的计量,实现对各级用能单位精细化计量,提高各类计量数据的准确性。系统按照三层网络结构进行设置,采用电力载波+RS-485总线的通信方式,打通变电站-强电间-用能设备的通信链路。系统数据网络传输结构如图4所示。能源管理系统通过系统通信网络实现对各重点监测单位的远程自动计量,提升工作效率和管理实效性。