賀春麗, 施紅鎏, 許 剛, 瞿文慧

[上海機(jī)場(集團(tuán))有限公司虹橋國際機(jī)場公司, 上海 200335]

0 引 言

“十三五”時期,國家深入推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè),改善生態(tài)環(huán)境,“節(jié)能低碳”越來越受到廣泛關(guān)注,要求對建筑、交通運輸、公共機(jī)構(gòu)等重點領(lǐng)域能耗增幅有效控制[1]。近年來,隨著我國機(jī)場規(guī)模的不斷擴(kuò)大,機(jī)場能耗總量不斷增加,能源管理問題日益突出。民航局出臺的《關(guān)于加快推進(jìn)節(jié)能減排工作的指導(dǎo)意見》指明全行業(yè)加速推進(jìn)節(jié)能減排工作的指導(dǎo)思想、主要原則和工作目標(biāo)[2]。目前,我國民用機(jī)場的節(jié)能工作缺乏先進(jìn)的管理理念和科學(xué)的管理手段,現(xiàn)有的管理系統(tǒng)功能單一,不能完全滿足機(jī)場的能源管理需求,而且機(jī)場的設(shè)備多樣、能耗情況復(fù)雜,導(dǎo)致機(jī)場的能耗計量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率、實時性較差,管理人員難以掌握機(jī)場資源使用的詳細(xì)情況,直接影響機(jī)場節(jié)能減排工作的開展。

本文參照我國現(xiàn)行的大型公共機(jī)構(gòu)建筑能耗標(biāo)準(zhǔn)及民航的能源資源計量器具配備規(guī)范,建立一種高效、準(zhǔn)確的能源管理系統(tǒng),研究機(jī)場能耗的精細(xì)化計量方式,開展能源管理系統(tǒng)優(yōu)化研究,動態(tài)獲取機(jī)場能耗信息,進(jìn)行深度分析和準(zhǔn)確預(yù)測,為機(jī)場進(jìn)一步探尋機(jī)場節(jié)能空間,制定相應(yīng)的節(jié)能措施提供一定的決策支持。

1 國內(nèi)外機(jī)場能源管理系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

隨著民航局大力推進(jìn)行業(yè)節(jié)能減排,北京、南京等樞紐機(jī)場均已陸續(xù)參照“綠色機(jī)場”的要求,結(jié)合各自機(jī)場的特點,建設(shè)機(jī)場能源管理系統(tǒng)。同時,日本等國外機(jī)場也開展能源管理相關(guān)建設(shè)。

(1) 北京首都機(jī)場。北京首都國際機(jī)場于2015年啟動機(jī)場能源管理系統(tǒng)的研發(fā)工作,通過建立機(jī)場能源數(shù)據(jù)中心,將機(jī)場區(qū)域或航站樓內(nèi)的變配電、照明、制冷、空調(diào)、供熱、給排水等能源使用狀況實行集中監(jiān)視、管理和分散控制,并進(jìn)行能耗數(shù)據(jù)和能源成本的統(tǒng)計分析及能效的對標(biāo)分析,改變目前采用的手動紙質(zhì)報表的現(xiàn)狀。系統(tǒng)提供能源使用情況的直觀分析,并通過嵌入策略的專家決策系統(tǒng)對運營進(jìn)行輔助指導(dǎo),提高運營效率。機(jī)場能源管理系統(tǒng)的主要功能包括挖掘運行優(yōu)化策略、支撐構(gòu)建能源管理體系、全面分析能耗成本、發(fā)現(xiàn)設(shè)備的低效環(huán)節(jié)、建立能耗基準(zhǔn)線、驗證節(jié)能效果等。

(2) 南京祿口國際機(jī)場。南京祿口國際機(jī)場在2014年開始搭建能源管理系統(tǒng),通過建設(shè)機(jī)場行業(yè)特色的能源管理平臺,在保障機(jī)場用能安全的前提下對能源進(jìn)行系統(tǒng)化、精細(xì)化管理,結(jié)合一系列的管理措施,節(jié)能效果明顯。另外,能源管理系統(tǒng)與機(jī)場航班、照明、空調(diào)、行李分揀等系統(tǒng)設(shè)備的聯(lián)動,從技術(shù)角度節(jié)約能源。

能源管理系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖1所示。

圖1 能源管理系統(tǒng)軟件架構(gòu)

(3) 日本成田國際機(jī)場。2015年日本成田國際機(jī)場總用能量達(dá)4 649 TJ。據(jù)統(tǒng)計,超過50%的用電量消耗在航站樓的空調(diào)系統(tǒng)以及附屬設(shè)備上。機(jī)場一直致力于嚴(yán)格控制旅客區(qū)、辦公室、商鋪以及其他區(qū)域的空調(diào)和照明能耗。機(jī)場在T2航站樓安裝建筑節(jié)能管理系統(tǒng)(BEMS),能夠監(jiān)測空調(diào)系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、區(qū)域供熱供冷系統(tǒng)等各種設(shè)施和設(shè)備能耗情況,對收集和積累的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行人工估算與分析,根據(jù)估算結(jié)果采取適當(dāng)措施。

綜上,國內(nèi)外機(jī)場能源管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)均是實現(xiàn)對機(jī)場的精細(xì)化計量,通過實時采集與傳輸能源信息、設(shè)備狀態(tài)等各類計量數(shù)據(jù),通過對大量數(shù)據(jù)的處理分析,為機(jī)場提供精細(xì)化的管理策略,并通過與其他系統(tǒng)的聯(lián)動實現(xiàn)節(jié)能。

2 基于精細(xì)化計量的能源管理系統(tǒng)優(yōu)化研究

2.1 系統(tǒng)基本狀況

目前,國內(nèi)民用機(jī)場常見的能源管理系統(tǒng)基本上是在原有電力監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造升級。電力監(jiān)控系統(tǒng)的特點是技術(shù)成熟、操作簡單、展示直觀,側(cè)重對系統(tǒng)、設(shè)備運行狀況進(jìn)行實時監(jiān)控,系統(tǒng)功能相對單一,主要包括運行數(shù)據(jù)的實時監(jiān)視、故障報警、報表管理等功能,缺乏對能耗數(shù)據(jù)的分析對比和深度挖掘,不能為管理人員提供系統(tǒng)化、精細(xì)化的能源管理手段。另外,機(jī)場普遍缺少對各類數(shù)據(jù)的精細(xì)化計量,無法準(zhǔn)確掌握機(jī)場分戶、分項、分級等能耗數(shù)據(jù),不利于提高管理效率,影響能源管理、節(jié)能改造等決策方案的制定。

因此,基于機(jī)場現(xiàn)有管理系統(tǒng)的能源管理系統(tǒng)在保證機(jī)場運行安全的前提下,加強(qiáng)能源的精細(xì)化計量,并在精細(xì)化計量獲得大量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,完善能源管理系統(tǒng)功能,實現(xiàn)能源管理系統(tǒng)的全面優(yōu)化升級,這也是管理人員目前最迫切的需求。

2.2 精細(xì)化計量方式

鑒于機(jī)場的大空間、大流量的特點,機(jī)場功能分區(qū)較多、系統(tǒng)復(fù)雜多樣,而且用能設(shè)備類型復(fù)雜、數(shù)量龐大。因此,對能源管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)精細(xì)化計量提出較高的要求,需采用科學(xué)、合理的分類和分項、分級的精細(xì)化計量方式,才可保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,為整個系統(tǒng)功能的實現(xiàn)提供可靠的數(shù)據(jù)。參照MH/T 5113—2016《民用機(jī)場能源資源計量器具配備規(guī)范》要求,結(jié)合機(jī)場的實際能源供應(yīng)、消耗情況,建議按照能耗分類、分項、分級的計量方式,實現(xiàn)機(jī)場的能耗精細(xì)化計量。

(1) 分類計量。根據(jù)民用機(jī)場消耗的主要能源資源種類進(jìn)行劃分,主要包括電、燃?xì)?、水等分類能耗的計量?/p>

(2) 分項計量。根據(jù)民用機(jī)場消耗的各類能源的主要用途進(jìn)行劃分:用電分項計量,包括商業(yè)回路、照明插座系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、普通動力系統(tǒng)、行李系統(tǒng)用電、機(jī)位地面固定式服務(wù)航空器專用設(shè)備供電回路、消防系統(tǒng)、弱電系統(tǒng)、捷運系統(tǒng)、車輛充電樁系統(tǒng)等;用水分項計量,包括商業(yè)用水、衛(wèi)生間用水、熱力站用水、冷卻塔用水等;燃?xì)夥猪椨嬃?包括商業(yè)用氣、直燃機(jī)用氣等。

(3) 分級計量。根據(jù)邊界確定能源消耗單位,可劃分用能單位、次級用能單位(一級主要次級用能單位、二級主要次級用能單位)、主要用能設(shè)備進(jìn)行分級計量,其中用能單位包括航站樓、冷源站、熱源站、飛行區(qū)等。

2.3 系統(tǒng)設(shè)計原則

(1) 先進(jìn)性和成熟性原則。能源管理系統(tǒng)的功能設(shè)計應(yīng)能達(dá)到國際先進(jìn)水平,考慮機(jī)場的重要性,技術(shù)方面應(yīng)盡量采用成熟可靠、廣泛應(yīng)用、各方認(rèn)可的技術(shù)。

(2) 安全性和穩(wěn)定性原則。能源管理系統(tǒng)符合信息安全建設(shè)規(guī)范,建立安全機(jī)制,確保信息互通、信息安全和運行安全。

(3) 實時性和準(zhǔn)確性原則。能源管理系統(tǒng)具有強(qiáng)大的實時能耗數(shù)據(jù)采集、傳輸及處理能力,保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,完全滿足系統(tǒng)對能耗數(shù)據(jù)實時在線采集和分析的需求。

(4) 可操作性和可溯源性原則。能源管理系統(tǒng)應(yīng)具有易于使用的人機(jī)交互、信息共享與展示界面,系統(tǒng)對所有數(shù)據(jù)及操作應(yīng)有詳盡記錄,保證系統(tǒng)的可溯源性。

2.4 系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

機(jī)場能源管理系統(tǒng)應(yīng)能滿足橫向、縱向的管理需求[3],橫向包括從能源供應(yīng)、能源輸送、能源消耗、能源計費整個流程中對能源進(jìn)行全過程管控,縱向包括機(jī)場用能安全、能源精細(xì)化管理、與能源相關(guān)的多系統(tǒng)聯(lián)動等。

綜合上述需求,機(jī)場能源管理系統(tǒng)應(yīng)從以下方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計:

(1) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化。機(jī)場能源管理系統(tǒng)采用分層分布式計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)的可靠性,系統(tǒng)由站控管理層、網(wǎng)絡(luò)通信層和現(xiàn)場設(shè)備層組成。能源管理系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 能源管理系統(tǒng)架構(gòu)

站控管理層是人機(jī)交互界面,也是能效管理系統(tǒng)的核心,主要由系統(tǒng)軟件和必要的硬件設(shè)備組成,包括服務(wù)器、顯示器、操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件等。

網(wǎng)絡(luò)通信層主要由網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、通信網(wǎng)關(guān)等組成,實現(xiàn)現(xiàn)場計量設(shè)備與管理平臺的數(shù)據(jù)交互,完成通信協(xié)議轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)傳輸,充分利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò),盡可能減少線路敷設(shè),節(jié)約建設(shè)成本。

現(xiàn)場設(shè)備層主要由智能電表、水表等采集終端設(shè)備組成,負(fù)責(zé)對各類能耗數(shù)據(jù)的實時采集及上傳,設(shè)備的計量精度應(yīng)滿足MH/T 5113—2016的要求,保證能耗數(shù)據(jù)實時性和準(zhǔn)確性。

(2) 系統(tǒng)通信優(yōu)化。機(jī)場空間大、設(shè)備種類多以及環(huán)境復(fù)雜,確保能耗數(shù)據(jù)的可靠通信是能源管理系統(tǒng)能否發(fā)揮作用的關(guān)鍵。目前,除采用技術(shù)成熟、通信可靠的有線通信方式外,基于GPRS、ZigBee技術(shù)的無線通信方式也在一些大型公共建筑的電能實時采集中得到應(yīng)用[4]。通信方式優(yōu)缺點對比分析如表1所示。

綜上所述,結(jié)合民用機(jī)場的特點、管理要求以及現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備、儀表的情況,對系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的建議如下:

① 在便于施工、傳輸距離較短的情況,采用RS-485總線方式(Modbus通信協(xié)議)將各監(jiān)測設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸至通信網(wǎng)關(guān),將數(shù)據(jù)接入能源管理系統(tǒng)。

② 在施工難度大、傳輸距離較遠(yuǎn)的情況,采用電力載波通信方式,利用現(xiàn)有電力線路將模擬或數(shù)字信號進(jìn)行高速的傳輸。

③ 在采集設(shè)備位置較遠(yuǎn)、布置分散的情況,采用無線通信方式。其中,ZigBee通信關(guān)注于低傳輸時延、低功耗、分布式數(shù)據(jù)采集的現(xiàn)場,支持動態(tài)拓?fù)?、無中心自組網(wǎng)且具有形成多跳網(wǎng)絡(luò)的功能[5]?？紤]到機(jī)場可能部署的設(shè)備節(jié)點以及需要數(shù)據(jù)采集節(jié)點的動態(tài)擴(kuò)展功能,可選用基于ZigBee協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)作為無線采集和傳輸網(wǎng)絡(luò)。

(3) 系統(tǒng)功能優(yōu)化。能源管理系統(tǒng)的功能除實時監(jiān)測運行數(shù)據(jù)、報表管理、故障報警等常規(guī)功能外,應(yīng)根據(jù)管理需求對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行深度的處理、分析,為機(jī)場的管理提供高效的分析工具,系統(tǒng)功能還需從以下方面進(jìn)行優(yōu)化:

① 基本信息:通過GIS地圖或平面圖展示各區(qū)域、建筑的地理位置、建筑面積、功能用途等基本信息,以及能源使用情況、管理信息、通知等。

② 能耗分析:主要以能耗分類、分項、分級、時間等方面作為組合條件,采用曲線圖、柱狀圖、表格等多種表現(xiàn)形式,通過分區(qū)域、分時等進(jìn)行橫向、縱向的多方面對比分析,展示監(jiān)測區(qū)域的能耗水平。

③ 能耗預(yù)警:基于對大量能耗數(shù)據(jù)、運行數(shù)據(jù)等分析和規(guī)律識別,確定能耗預(yù)警的基準(zhǔn)值,為機(jī)場各功能區(qū)提供準(zhǔn)確的能耗預(yù)警,提高機(jī)場管理水平。目前,國內(nèi)基本采用平均值法、二次平均值法和回歸法,通過不同曲線形式的回歸擬合建立能耗基準(zhǔn)[6]。

④ 系統(tǒng)聯(lián)動:能源管理系統(tǒng)與機(jī)場的航班信息、BA系統(tǒng)等對接,實現(xiàn)系統(tǒng)聯(lián)動和數(shù)據(jù)共享,將能耗數(shù)據(jù)與機(jī)場的日常運營數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)動分析,為管理人員提供科學(xué)、合理的節(jié)能管理建議。

⑤ 負(fù)荷預(yù)測:基于機(jī)場大量的用電歷史信息,結(jié)合天氣、航班等情況進(jìn)行綜合分析,開展機(jī)場用能的短期負(fù)荷預(yù)測,協(xié)助管理人員開展需量管理,提高機(jī)場能源管理水平。目前,常用的預(yù)測方法主要有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測法、灰色預(yù)測法、回歸分析預(yù)測法以及一些組合預(yù)測法等[7]。

綜上所述,通過建立科學(xué)、合理的精細(xì)化計量方式,積累大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),為整個能源管理系統(tǒng)功能的實現(xiàn)提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。對能源管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、通信方式、軟件功能的優(yōu)化,為機(jī)場管理人員提供更加科學(xué)、高效、適用的管理手段,適應(yīng)機(jī)場能源管控、節(jié)能減排的各方面需要。

3 機(jī)場能源管理系統(tǒng)建設(shè)實例分析

以華東某機(jī)場航站樓的電能管理系統(tǒng)建設(shè)為例,分析航站樓存在如下問題:

(1) 系統(tǒng)未實現(xiàn)能耗的分級、分類、分項的精細(xì)化計量,而且部分能耗計量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確,存在不同分項混接的情況,如照明插座系統(tǒng)中包含商業(yè)用電等,導(dǎo)致分項數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確。

(2) 重點監(jiān)測單位無法實現(xiàn)遠(yuǎn)程自動計量,機(jī)場部分重要分項仍然采用人工記錄方式。

(3) 系統(tǒng)功能相對較少,目前只實現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控、報表管理等常規(guī)功能。

基于機(jī)場管理需求,綜合考慮監(jiān)控中心、變配電站及重要用能設(shè)備位置、施工空間、通信可靠性等因素,優(yōu)化升級機(jī)場的能源管理系統(tǒng),根據(jù)管理需求逐步進(jìn)行改造,實現(xiàn)機(jī)場所有用電能耗的精細(xì)化計量、遠(yuǎn)程監(jiān)控等管理功能。能源管理改造實施步驟如圖3所示。

(1) 第一階段:實現(xiàn)精細(xì)化計量。根據(jù)現(xiàn)場實際情況和施工條件,通過在強(qiáng)電間、用戶處等配電柜回路加裝計量表計,剝離不同分項中混接的回路,按照精細(xì)化計量方式將航站樓用電劃分為以下用電分項:變壓器低壓側(cè)出線回路,商業(yè)用電供電回路,照明插座供電回路,空調(diào)新風(fēng)機(jī)房供電回路,普通動力供電回路,行李系統(tǒng)用電回路,機(jī)位地面固定式服務(wù)航空器專用設(shè)備供電回路,消防系統(tǒng)供電回路,專用系統(tǒng)供電回路,捷運系統(tǒng)供電回路,車輛充電樁供電回路,其他供電回路。

通過對以上分項用電回路的計量,實現(xiàn)對各級用能單位精細(xì)化計量,提高各類計量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。系統(tǒng)按照三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)置,采用電力載波+RS-485總線的通信方式,打通變電站-強(qiáng)電間-用能設(shè)備的通信鏈路。系統(tǒng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸結(jié)構(gòu)如圖4所示。能源管理系統(tǒng)通過系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對各重點監(jiān)測單位的遠(yuǎn)程自動計量,提升工作效率和管理實效性。

圖4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸結(jié)構(gòu)

(2) 第二階段:系統(tǒng)功能完善?；诘谝浑A段的精細(xì)化計量改造,可以獲得大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),同時根據(jù)管理需求對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行深度的分析,通過多維度對比分析,展示機(jī)場各區(qū)域、用能單位、分類、分項能耗情況,并對機(jī)場未來能耗的負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測,為機(jī)場的節(jié)能管理提供科學(xué)、合理的分析基礎(chǔ)。

(3) 第三階段:實現(xiàn)系統(tǒng)聯(lián)動。結(jié)合自身特點,進(jìn)一步完善系統(tǒng)功能,加強(qiáng)與機(jī)場航班信息系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、BA系統(tǒng)等系統(tǒng)對接,形成系統(tǒng)之間的聯(lián)動機(jī)制,根據(jù)機(jī)場對能源管理的需求,結(jié)合客流量、航班起降次數(shù)、氣溫等參數(shù),制定科學(xué)、合理的控制策略,并通過能源管理系統(tǒng)或BA系統(tǒng)實現(xiàn)節(jié)能控制。

通過以上3個階段的改造,可實現(xiàn)機(jī)場能耗的精細(xì)化計量,并基于精細(xì)化計量采集的大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù),對能源管理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘、分析和預(yù)測,并與航班系統(tǒng)、BA系統(tǒng)等聯(lián)動,在保證機(jī)場用能安全的前提下,為機(jī)場能源管理提供科學(xué)的決策依據(jù),為機(jī)場的節(jié)能減排提供強(qiáng)有力的管理手段。

4 結(jié) 語

基于能耗的精細(xì)化計量以能源管理為目的,建立符合民用機(jī)場特點的能源管理系統(tǒng),對機(jī)場各類、各級的能源及設(shè)備實行精細(xì)化、系統(tǒng)化、智能化管理,對能源實現(xiàn)閉環(huán)式管理,對機(jī)場各功能分區(qū)、各管理部門的能耗進(jìn)行綜合管理,為機(jī)場挖掘節(jié)能減排潛力提供基礎(chǔ)支撐。

民用機(jī)場借助能源管理系統(tǒng)的信息化手段,建設(shè)優(yōu)良的能源管理體系,建立節(jié)能減排考核指標(biāo),增強(qiáng)員工的節(jié)能意識,提升能源管理水平,形成有目標(biāo)、有措施、有考核的閉環(huán)管理機(jī)制,是機(jī)場提升節(jié)能能力、持續(xù)降低能耗的關(guān)鍵。