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淺談智能儀表在航站樓能源管理系統(tǒng)中的應用與分析

2025-09-10 [121]

安科瑞劉邁

　　摘要：節(jié)能減排對國家和社會都具有重要意義, 民用機場的航站樓是能源消耗大戶, 而耗電量是機場航站樓的重要節(jié)能指標之一。結合某機場能源管理提升改造工程的實際案例,首先分析航站樓現存能源管理問題,其次介紹借助智能儀表完善能源管理系統(tǒng)的具體實現方法和航站樓智能儀表設計方案,再次分析能源管理系統(tǒng)的功能,最后進行能耗分析,評估智能儀表在航站樓能源管理系統(tǒng)中應用的節(jié)能效果, 以期為相關工程提供參考。

　　關鍵詞：智能儀表；能源管理；節(jié)能減排

　　0 引言

　　某大型國際樞紐機場，隨著旅客量的不斷增加和服務水平的不斷提高，能源消耗量持續(xù)多年處于高位運行。2017—2019年該機場 3座航站樓電費、取暖、冷氣和蒸汽的總費用分別為5.60億元、5.75億元、 5.46億元，其中電費、取暖、冷氣費用占航站樓總能源費用的 97%，是 3 座航站樓能源消耗的重要支出。2017—2019年機場航站樓能源費用年平均值為 5.60億元，其中電能消耗占比為 36%，年電能消耗約為 2.0億元，因此研究航站樓的電能管理水平提升具有重要的經濟意義。

　　1 航站樓現存能源管理問題

　　1.1 末端用電設備無法遠程監(jiān)管

　　（1）航站樓辦公區(qū)域中存在大量的員工私人大功率用電設備，如電熱水壺、微波爐、電暖氣等，這些設備未經備案，且沒有有效的遠程監(jiān)管手段，給航站樓帶來很大的安全隱患和能源消耗。

　　（2）航站樓內旅客和員工的充電設備眾多，因缺少智能監(jiān)測設備，導致現有的能源管理系統(tǒng)無法實現遠程充電管理，經常出現過充和亂充電現象，這同樣帶來了消防安全隱患和能源消耗。

　　（3）航站樓內存在私接、亂接電線的現象，并且這些電線和電氣設備均處于航站樓內的隱蔽區(qū)域，平時檢查不易發(fā)現，極易造成火災，給航站樓帶來重大安全隱患。

　　總之，航站樓存在大量無法監(jiān)管的末端用電設備，無法直接通過現有的能源管理系統(tǒng)進行有效的遠程監(jiān)管，造成用電安全和用電浪費等問題。

　　1.2 空調、照明系統(tǒng)能源浪費

　　航站樓現有的空調系統(tǒng)，各機組均為單機運行控制方式，機組之間沒有進行聯動。而為了滿足人流密集區(qū)域供冷要求，大多以大的功率制冷或送風，這就導致了很多區(qū)域過度供冷，造成嚴重的能源浪費。同時，目前航站樓內所有區(qū)域（商鋪、辦公區(qū)域等）的風機盤管設備均未實現遠程監(jiān)控，易出現無人區(qū)域仍有制冷設備運行的情況，造成電能浪費。

　　目前航站樓內照明系統(tǒng)的控制方式為時控，按照設定的時間表開啟和關閉。然而，實際上由于航站樓規(guī)模超大、區(qū)域復雜，各個功能區(qū)域的照明需求和條件不盡相同，按照時間表控制照明系統(tǒng)無法更好地利用自然光，造成能源浪費。

　　1.3 變壓器容量過大導致能源浪費

　　根據現場實測，變壓器的實際運行負載率很低，約為 30%。這也是目前航站樓供配電系統(tǒng)普遍存在的問題之一，例如，廣州白云機場一號航站樓內變壓器高運行負載率為 27.3%~36%，為設計值的 55%~ 72%[2]。此問題的根源在于，設計階段往往要考慮遠期發(fā)展的需要，在負荷計算時所取的需要系數過大，設計偏于保守，從而導致變壓器的設計容量過大。

　　變壓器容量過大，會導致變壓器的年運行費用較高，造成能源浪費。主要體現在兩個方面：①變壓器的空載損耗高，年電能損耗大。相同型號的變壓器，其空載損耗功率一般和變壓器容量成正比。②變壓器的年維護費用高。一般變電站的年維護費用取變壓器初始投資成本的 1%，而變壓器的初始投資和變壓器容量成正比[3]。

　　本文主要通過安裝智能儀表，對末端用電設備進行監(jiān)測、控制，從而達到節(jié)能的目的，暫不研究更換變壓器的節(jié)能效果。

　　2 借助智能儀表完善能源管理系統(tǒng)

　　針對航站樓內電能浪費現象無法得到有力控制的問題，擬通過研究航站樓內現有供配電系統(tǒng)，有效地在末端或者配電系統(tǒng)中增設智能監(jiān)測終端，再通過數據傳輸網絡，將末端數據上傳至能源管理系統(tǒng)，同時可以通過能源管理系統(tǒng)對末端設備進行電能監(jiān) 測和控制。因此，需構建涵蓋基礎設施層、系統(tǒng)平臺層、軟件應用層的統(tǒng)一能源管理體系。

　　2.1 具體實現方法

　　（1）梳理航站樓現有供配電系統(tǒng)，通過增加智能儀表、更換智能斷路器、更換智能末端等手段采集航站樓所有用電設備的電能數據，并利用航站樓的有線或無線網絡將數據傳輸至能源管理系統(tǒng)。

　　（2）將現有的建筑設備監(jiān)控管理系統(tǒng)、電力監(jiān)控管理系統(tǒng)、智能照明監(jiān)控管理系統(tǒng)通過集成接入航站樓現有的能源管理系統(tǒng)。

　　航站樓物聯網機電運維管控平臺由軟件平臺、數據集成接口、管理層網絡設備、無線接入網關和末端設備組成。

　　2.2 航站樓智能儀表設計方案

　　（1）變配電室電力設備改造方案。目前變電室僅對變壓器出線回路的電壓電流進行監(jiān)控，本次擬對所有出線回路安裝智能儀表進行監(jiān)控。目前所有出線回路均設置有電流表及電流互感器，將本回路斷路器上口的三線電壓經過保險端子接入智能儀表，電流互感器二次端的電流接入智能儀表，斷路器開關狀態(tài)輔助接點接入智能儀表遙信端子。智能儀表通過數據傳輸網絡將數據上傳至能源管理系統(tǒng)。

　　（2）照明系統(tǒng)。照明配電系統(tǒng)（圖 1）設置有照明總柜、層柜、照明配電箱及插座配電箱。

　　總柜及層柜均設置有進線互感器及進線電流表，在進線加裝智能儀表，智能儀表加裝方案與變電室的智能儀表加裝方案相同，數據傳輸采用無線傳輸方案。末端配電箱進線為微型斷路器，安裝 2P 卡軌型智能電表完成電力監(jiān)控改造，卡軌型智能電表均為直通表，需將進線纜線接入卡軌型智能電表，利用數據傳輸網絡進行數據傳輸。

　　（3）動力配電系統(tǒng)。動力總柜設置有進線互感器及進線電流表，在進線加裝智能儀表，智能儀表加裝方案與變電室的智能儀表加裝方案相同。層柜進線未設置電流表及互感器，本次在進線處新增開口互感器采集電流信號，智能儀表在柜門上開孔安裝。利用數據傳輸網絡進行數據傳輸。

　　（4）空調配電系統(tǒng)。每個空調機組均自帶一個機旁控制柜，空調總柜進線設置有電流表及互感器，進線設置智能儀表，改造方案與前文設置電流表的配電柜相同。出線每個空調機組在機旁控制柜內新增智能儀表，采用進線設置開口互感器的方式完成電流信號采集，智能儀表安裝于柜門上，數據傳輸采用無線傳輸。

　　3 能源管理系統(tǒng)的功能

　　能源管理系統(tǒng)的設計目標是實現對航站樓內各種能源消耗的監(jiān)測、控制及優(yōu)化，對關鍵能耗設備的運行情況和能源管網的情況進行科學分析，以輔助決策[4]。能源管理系統(tǒng)著重關注了 3個非常重要的問題：監(jiān)測、分析和管理，這 3個問題也是一切節(jié)能手段應用的基礎。

　　3.1 監(jiān)測

　　隨著計算機技術、網絡技術、現場總線技術和測控技術的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的能源管理系統(tǒng)正向測控智能化、監(jiān)控無人值守化、信息交換網絡化的方向發(fā)展。通過有線、無線網絡實現 24 h 全自動能源數據采集，獲得準確的基礎能源數據，并依托數據存儲技術，實現數據長期存儲，為能效分析打下堅實的基礎。

　　3.2 分析

　　一方面，應用分項計量、設備故障查詢、能耗趨勢預測等一系列手段，從能源數據中心數據庫挖掘出有效能源數據，分析能效關鍵指標，為制定節(jié)能方案提供有效數據支撐；另一方面，通過系統(tǒng)漏洞尋找、設備運行策略調整、用能時間優(yōu)化等手段，分析能源問題點，為優(yōu)化節(jié)能方案以及用能管理制度提供有效工具。

　　3.3 管理

　　節(jié)能目標的成功實現，不僅在于合理有效的節(jié) 能方案，更離不開良好的用能管理。通過能源績效管理、能源審計、關鍵指標對比等手段，協(xié)助用戶進行用能管理，使節(jié)能成果持久化，真正實現可持續(xù)發(fā)展的目標。

　　4 能耗分析及預期效果

　　4.1 能耗對比分析

　　能源管理系統(tǒng)具備精細化的能耗分析管理功能，可以提供單臺設備能耗數據，進行同類設備能耗對比分析、同個設備不同時間段能耗對比分析以及多維度的能耗數據分析，顯示各系統(tǒng)的用能情況、耗能結構以及同比、環(huán)比情況。

　　4.2 能耗管理分析

　　能耗管理分析提供了用能趨勢分析、每日能耗趨勢分析、用量分項用能分析等多種能耗數據分析工具，通過曲線直觀展示各區(qū)域每天用能峰值、谷值和分項用能等，找到各個區(qū)域的用能差異。根據系統(tǒng) 歷史耗能情況和用戶設定的計算條件，綜合分析預測未來的能源使用情況。

　　4.3 能耗分析報表與數據展示

　　能源管理系統(tǒng)還可以生成各種能耗分析報表，主要包含總能耗報表、分類能耗報表、分項能耗報表、同比能耗報表、環(huán)比能耗報表、能源計劃報表、能源計劃和實際對比報表、能源損耗報表。詳細用能動態(tài)數據分析展示，采用直觀的圖形化界面（柱狀圖、餅圖、線圖等呈現方式）來展示分析能耗數據，支持逐日、逐周、逐月、逐年和自定義的自由查詢功能。統(tǒng)計報表，指多種方式的能耗值報告，如區(qū)域能耗統(tǒng)計報表、能耗類型統(tǒng)計報表、日統(tǒng)計報表、月統(tǒng) 計報表、年統(tǒng)計報表、建筑總能耗統(tǒng)計報表、單位面積能耗報表等，可以幫助用戶掌握自身的能源消耗情況，找出能源消耗異常值，并為能耗統(tǒng)計、能源審計提供數據支持。

　　4.4 節(jié)電分析

　　（1）照明系統(tǒng)。影響照明系統(tǒng)電能消耗的主要指標因素包括燈具的開啟數量、點亮時間、設計照度與規(guī)范照度值等。燈具的開啟數量與照明回路的設計有關，點亮時間與控制策略有關，設計照度與規(guī)范照度值是實際使用與設計規(guī)范的調節(jié)問題。合理選擇燈具開關時間，平衡規(guī)范照度與使用照度的調節(jié)關系，合理設計照明回路都是照明系統(tǒng)節(jié)能的關鍵點[5]。

　　（2）空調系統(tǒng)。空調系統(tǒng)實現節(jié)能的方法如下：

　　①依據暖通送風的區(qū)域分析，分區(qū)設定環(huán)境溫度值，控制候機區(qū)環(huán)境溫度，對于次重要區(qū)域，通過空氣能交換等實現環(huán)境控制，以降低風機運行速度，縮短風機運行時間。②根據季節(jié)溫度特性調節(jié)空調機組的運行時間。③根據室外溫度調節(jié)變頻空調的送風頻率和運行時間。

　　（3）節(jié)電效果預估。該機場航站樓電費占能源費用的 36%，約為 2.0億元，能耗為 2.0億 kW·h，平均 1.00元/kW·h。通過估算，本項目每年可節(jié)省電費 1 961.6萬元，有良好的節(jié)電效果。

　　5平臺設計與功能

　　5．1系統(tǒng)平臺設計

　　智慧能源管理平臺采用去中心化的分布式網絡構架設計如圖 2 所示，采用 B / S 模式，實現云端建模、設計及部署，簡化了客戶端的維護工作，為以業(yè)務模式為基礎的功能模塊擴展提供軟件支撐基礎。滿足集團海量實時數據地存儲和處理的要求，存儲在系統(tǒng)中的歷史數據可不會刪除，系統(tǒng)不會因為數據量的攀升影響到存儲和訪問速度。遵循系統(tǒng)應用插件規(guī)范進行二次開發(fā)，開發(fā)的功能模塊插件可無縫配置到應用界面中使用。

　　5．2 系統(tǒng)實施

　　每家工廠實施能碳管理系統(tǒng)建設，首先是制定出符合管理要求的能碳管理架構，該架構可以隨著管理需求的變化而靈活調整。能碳管理架構可按照廠區(qū)、車間、生產線進行配置，將能耗數據與管理架構進行對應關聯，展示出能源管理的范圍和深度。

　　功能

　　AcrelEMS企業(yè)微電網能效管理系統(tǒng)提供基于行業(yè)特點細分的能效管理解決方案，支持有線/無線方案接入各類智能設備，并提供多種第三方系統(tǒng)接口協(xié)議，融合企業(yè)微電網電力監(jiān)控、能耗統(tǒng)計、電能質量分析及治理、智能照明控制、主要用能設備監(jiān)控、充電樁運營管理、分布式光伏監(jiān)控、儲能管理等功能，通過一個平臺即可全局、整體的對企業(yè)電網進行進行集中監(jiān)控、統(tǒng)一調度、統(tǒng)一運維，滿足企業(yè)用電可靠、安全、節(jié)約、有序用電要求。平臺支持中英文切換，現已應用于多個行業(yè)和地區(qū)用戶側能源管理和電力運維平臺，單個平臺已接入1600多個用戶變電所數據，提供能源分析和運維管理功能。

圖3AcrelEMS能效管理平臺應用

　　電力監(jiān)控

　　對企業(yè)高低壓變配電系統(tǒng)的變壓器、斷路器、直流屏、母排、無功補償柜及電纜等配電相關設備的電氣參數、運行狀態(tài)、接點溫度進行實時監(jiān)測和控制，監(jiān)測企業(yè)微電網主要回路的電能質量并進行治理，對故障及時處理并發(fā)出告警信息，提高企業(yè)供電可靠性。

圖4電力監(jiān)控功能

　　能耗分析

　　采集企業(yè)電、水、燃氣等能源消耗，進行分類分項能耗統(tǒng)計，計算單位面積或單位產品的能耗數據以及趨勢，對標主要用能設備能效進行能效診斷，計算企業(yè)碳排放，為企業(yè)制定碳達峰、碳中和路線提供數據支持。

圖5能耗分析功能

　　照明控制

　　智能照明控制功能可以根據企業(yè)情況實現定時控制、光照感應控制、場景控制、調光控制等，并結合紅外傳感器、超聲波傳感器，實現人來燈亮、人走燈滅，并可以根據系統(tǒng)的控制策略實現集中控制，為企業(yè)節(jié)約照明用電。

圖6照明控制功能

　　分布式光伏監(jiān)控

　　監(jiān)測企業(yè)分布式光伏電站運行情況，包括逆變器運行數據、光伏發(fā)電效率分析、發(fā)電量及收益統(tǒng)計以及光伏發(fā)電功率控制。

圖7分布式光伏發(fā)電監(jiān)測

　　儲能管理

　　監(jiān)測儲能系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)(BMS)和儲能變流器(PCS)運行，包括運行模式、功率控制模式，功率、電壓、電流、頻率等預定值信息、儲能電池充放電電壓、電流、SOC、溫度，根據企業(yè)峰谷特點和電價波動以及上級平臺指令設置儲能系統(tǒng)的充放電策略，控制儲能系統(tǒng)充放電，實現削峰填谷，降低企業(yè)用電成本。

圖8儲能管理

　　充電樁運營管理

　　監(jiān)測企業(yè)充電樁的運行狀態(tài)，提供充電樁收費管理和狀態(tài)監(jiān)測功能，并根據企業(yè)負荷率變化和虛擬電廠的調度指令調節(jié)充電樁的充電功率，使企業(yè)微電網穩(wěn)定安全運行。

圖9充電樁管理

　　自定義駕駛艙

　　可根據用戶的關注點自行繪制所需的駕駛艙頁面，包括能源預收費、充電樁運營、電梯、空調、照明等各種設備的能耗統(tǒng)計、收益統(tǒng)計、運維情況等。

圖10能源物聯網駕駛艙定義

　　數據采集和數據監(jiān)測

　　實時監(jiān)測各配電柜的電壓、電流等電力參數，實現遙測、遙信、遙控。實時監(jiān)測各配電室溫濕度、煙感、水浸等環(huán)境參數。監(jiān)視變壓器的運行狀態(tài)及用能參數，測算損耗，找出經濟運行區(qū)間，降低能源損耗。

圖11數據采集和監(jiān)測

　　能耗統(tǒng)計分析

　　主要是對能耗的數據、能耗分項以及區(qū)域能耗和能耗指標等進行統(tǒng)計。其中還包含總能耗定比,也就是指實際消耗的能量所占據總能量的百分比,并利用各種圖形的方式進行表示，用于綜合能耗分析。

圖12能耗統(tǒng)計分析

　　電氣和消防安全管理

　　接入電氣火災探測器、無線測溫傳感器、智能斷路器等設備，對配電回路的剩余電流、線纜溫度等火災危險參數進行實時監(jiān)控和管理。在消防水池、消防水箱等地方安裝消防水位表，檢測消防水位的變化；消防水管、噴淋等地方安裝消防水壓表，檢測消防管道的壓力。在家庭、賓館、公寓等存在煙霧、可燃氣體的室內場所，安裝獨立式煙感或可燃氣體探測器，檢測這些場所是否存在煙霧和可燃氣體。