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淺談智能儀表在航站樓能源管理系統中的應用與分析

2025-09-10 [94]

安科瑞劉邁

　　摘要：節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中應用的節能效果, 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管

　　（1）航站樓辦公區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，因缺少智能監測設備，導致現有的能源管理系統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域，平時檢查不易發現，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管的末端用電設備，無法直接通過現有的能源管理系統進行有效的遠程監管，造成用電安全和用電浪費等問題。

　　1.2 空調、照明系統能源浪費

　　航站樓現有的空調系統，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域（商鋪、辦公區域等）的風機盤管設備均未實現遠程監控，易出現無人區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模超大、區域復雜，各個功能區域的照明需求和條件不盡相同，按照時間表控制照明系統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測、控制，從而達到節能的目的，暫不研究更換變壓器的節能效果。

　　2 借助智能儀表完善能源管理系統

　　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，有效地在末端或者配電系統中增設智能監測終端，再通過數據傳輸網絡，將末端數據上傳至能源管理系統，同時可以通過能源管理系統對末端設備進行電能監測和控制。因此，需構建涵蓋基礎設施層、系統平臺層、軟件應用層的統一能源管理體系。

　　2.1 具體實現方法

　　（1）梳理航站樓現有供配電系統，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。

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

　　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控，本次擬對所有出線回路安裝智能儀表進行監控。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。

　?。?）照明系統。照明配電系統（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。

　?。?）動力配電系統。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。

　?。?）空調配電系統。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 能源管理系統的功能

　　能源管理系統的設計目標是實現對航站樓內各種能源消耗的監測、控制及優化，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]。能源管理系統著重關注了 3個非常重要的問題：監測、分析和管理，這 3個問題也是一切節能手段應用的基礎。

　　3.1 監測

　　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展，傳統的能源管理系統正向測控智能化、監控無人值守化、信息交換網絡化的方向發展。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，為制定節能方案提供有效數據支撐；另一方面，通過系統漏洞尋找、設備運行策略調整、用能時間優化等手段，分析能源問題點，為優化節能方案以及用能管理制度提供有效工具。

　　3.3 管理

　　節能目標的成功實現，不僅在于合理有效的節能方案，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，協助用戶進行用能管理，使節能成果持久化，真正實現可持續發展的目標。

　　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，顯示各系統的用能情況、耗能結構以及同比、環比情況。

　　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域每天用能峰值、谷值和分項用能等，找到各個區域的用能差異。根據系統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。統計報表，指多種方式的能耗值報告，如區域能耗統計報表、能耗類型統計報表、日統計報表、月統計報表、年統計報表、建筑總能耗統計報表、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，并為能耗統計、能源審計提供數據支持。

　　4.4 節電分析

　?。?）照明系統。影響照明系統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，設計照度與規范照度值是實際使用與設計規范的調節問題。合理選擇燈具開關時間，平衡規范照度與使用照度的調節關系，合理設計照明回路都是照明系統節能的關鍵點[5]。

　　（2）空調系統。空調系統實現節能的方法如下：

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

　　（3）節電效果預估。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，本項目每年可節省電費 1 961.6萬元，有良好的節電效果。

　　5平臺設計與功能

　　5．1系統平臺設計

　　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，存儲在系統中的歷史數據可不會刪除，系統不會因為數據量的攀升影響到存儲和訪問速度。遵循系統應用插件規范進行二次開發，開發的功能模塊插件可無縫配置到應用界面中使用。

　　5．2 系統實施

　　每家工廠實施能碳管理系統建設，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、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企業微電網能效管理系統提供基于行業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接口協議，融合企業微電網電力監控、能耗統計、電能質量分析及治理、智能照明控制、主要用能設備監控、充電樁運營管理、分布式光伏監控、儲能管理等功能，通過一個平臺即可全局、整體的對企業電網進行進行集中監控、統一調度、統一運維，滿足企業用電可靠、安全、節約、有序用電要求。平臺支持中英文切換，現已應用于多個行業和地區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

　　電力監控

　　對企業高低壓變配電系統的變壓器、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、接點溫度進行實時監測和控制，監測企業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出告警信息，提高企業供電可靠性。

圖4電力監控功能

　　能耗分析

　　采集企業電、水、燃氣等能源消耗，進行分類分項能耗統計，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，計算企業碳排放，為企業制定碳達峰、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，并可以根據系統的控制策略實現集中控制，為企業節約照明用電。

圖6照明控制功能

　　分布式光伏監控

　　監測企業分布式光伏電站運行情況，包括逆變器運行數據、光伏發電效率分析、發電量及收益統計以及光伏發電功率控制。

圖7分布式光伏發電監測

　　儲能管理

　　監測儲能系統、電池管理系統(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，根據企業峰谷特點和電價波動以及上級平臺指令設置儲能系統的充放電策略，控制儲能系統充放電，實現削峰填谷，降低企業用電成本。

圖8儲能管理

　　充電樁運營管理

　　監測企業充電樁的運行狀態，提供充電樁收費管理和狀態監測功能，并根據企業負荷率變化和虛擬電廠的調度指令調節充電樁的充電功率，使企業微電網穩定安全運行。

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計、收益統計、運維情況等。

圖10能源物聯網駕駛艙定義

　　數據采集和數據監測

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

圖11數據采集和監測

　　能耗統計分析

　　主要是對能耗的數據、能耗分項以及區域能耗和能耗指標等進行統計。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。