既有大型機(jī)場飛行區(qū)充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)探討

鐘世權(quán)， 江 義， 周曉煒， 陳嘉麟

(1. 廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州 510010；2. 廣州白云國際機(jī)場股份有限公司動(dòng)力保障分公司，廣州 510405)

0 引言

為了實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”的國家重大戰(zhàn)略目標(biāo)，落實(shí)國家、民航局的節(jié)能減排政策，更好服務(wù)機(jī)場飛行區(qū)的地面保障，“油改電”工作持續(xù)推進(jìn)，飛行區(qū)電動(dòng)汽車數(shù)量也隨之快速增加。 既有機(jī)坪規(guī)劃與供電系統(tǒng)的構(gòu)架中，在保障機(jī)場航站樓供電系統(tǒng)高可靠性的前提下，如何科學(xué)建設(shè)安全、高效的電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施，是目前國內(nèi)各大機(jī)場面臨的重大課題。

機(jī)場飛行區(qū)包括跑道、升降帶、跑道端安全區(qū)、滑行道、機(jī)坪以及機(jī)場周邊對(duì)障礙物有限制要求的區(qū)域。 大型機(jī)場飛行區(qū)(下簡稱“場內(nèi)”)占地面積廣，屬于機(jī)場嚴(yán)格管控的禁區(qū)。 為保障飛行區(qū)業(yè)務(wù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，場內(nèi)需配備大量的民航特種車輛及管理維護(hù)的通用車輛。 根據(jù)民航局印發(fā)的《民航貫徹落實(shí)＜打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃＞工作方案》要求，推廣使用新能源設(shè)備和車輛，協(xié)同減少場內(nèi)噪音和排放。 因此配套建設(shè)完善的場內(nèi)電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)體系已刻不容緩。

場內(nèi)的布局與規(guī)劃無論平面還是空間都有嚴(yán)密的標(biāo)準(zhǔn)，且所有設(shè)施、設(shè)備都必須嚴(yán)格按規(guī)劃與事前制訂的規(guī)則運(yùn)行。 既有大型機(jī)場飛行區(qū)場內(nèi)建設(shè)充電基礎(chǔ)設(shè)施將面臨充電樁設(shè)置規(guī)劃、電力保障、防火安全、運(yùn)行效率等難題。 本文將以華南某國際機(jī)場場內(nèi)充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)為例，探討解決相關(guān)技術(shù)難題。

1 項(xiàng)目背景與分析

華南某國際機(jī)場是國內(nèi)三大航空樞紐之一，占地18 km2，有兩座航站樓、三條跑道，飛行區(qū)等級(jí)為4F 標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)機(jī)位269 個(gè)(含F(xiàn)BO)。 2019 年旅客吞吐量突破7 300 萬人次、航班起降近50 萬架次、貨郵吞吐量超190 萬t。

(1)場內(nèi)車輛信息

為滿足場內(nèi)的旅客服務(wù)、航空器保障、場道保障與應(yīng)急救援等需求，需配備旅客擺渡車、客梯車、行李拖車、飛機(jī)牽引車等近20 種民航特種車輛與貴賓擺渡車、安監(jiān)用車、安保巡邏車、后勤用車等多種通用車輛。 截至2020 年底，共配有各種民航車輛共3 283 臺(tái)，車輛類型共計(jì)172 種，涉及73 個(gè)駐場單位(公司)。 其中電動(dòng)車涉及81 個(gè)品牌，共507 臺(tái)，占比為15.4%。 由于場內(nèi)民航電動(dòng)車電池與充電接口等沒有統(tǒng)一的國家標(biāo)準(zhǔn)，各種車輛電池與充電接口差異很大:具有膠體鉛酸電池、鋰電池、鋰離子電池、三元鋰電池等10 多種電池，電池容量覆蓋40～400 kWh，電池標(biāo)稱電壓最低為80V，最高電壓為580V；充電接口具有交流充與直流充并存、單槍充與雙槍充并存、國標(biāo)與非國標(biāo)并存等特殊性。 因此，在充電設(shè)施布局時(shí)需采用能兼容所有充電需求的充電設(shè)備。

(2)車輛運(yùn)行與使用

在場內(nèi)的正常運(yùn)營中，各種車輛每日的工作任務(wù)相對(duì)固定，根據(jù)航班架次發(fā)車次數(shù)有所不同。 筆者所在設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)統(tǒng)計(jì)了主要的幾類特種車輛用車情況(具體詳表1)，發(fā)現(xiàn)不同類型的車輛日均行駛里程變化較大，最低約3.2 km，最高約130 km。

表1 場內(nèi)主要特種車輛用車統(tǒng)計(jì)表

場內(nèi)司機(jī)工作模式一般為三班制，但由于各駐場單位工作的內(nèi)容、方式、區(qū)域各有不同，因此交接班的時(shí)間也不一致。 在車輛交接時(shí)，接班司機(jī)要先對(duì)車輛進(jìn)行外觀與安全檢查，電動(dòng)車檢查項(xiàng)目包括行駛里程、電池剩余電量等，確認(rèn)過后填寫工作日志完成交接。 為了更好了解場內(nèi)電動(dòng)車輛的使用情況，對(duì)屬地航空公司現(xiàn)有114 輛電動(dòng)車使用情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，剔除5 輛日均里程少于0.1 km 的叉車外，截止2021 年3 月底，該單位109 輛電動(dòng)汽車日均里程約為16.7 km/天，統(tǒng)計(jì)分布情況如圖1 所示，其中最高為79.7 km/天，最低為0.7 km/天。 正常使用的電動(dòng)汽車每周充電2～4 次，部分車輛每天充1 次。

圖1 屬地航空公司場內(nèi)電動(dòng)汽車車輛日均里程統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

(3)車位與電力資源

場內(nèi)停車位大多按區(qū)域設(shè)置在航站樓外墻服務(wù)車道兩側(cè)，少量設(shè)置在遠(yuǎn)機(jī)位處，每個(gè)區(qū)域停車位有幾個(gè)到十幾個(gè)不等。 由于場內(nèi)車位資源相對(duì)緊缺且管理規(guī)范，每個(gè)區(qū)域的車位均嚴(yán)格控制可停放部門車輛及車型。 由于場內(nèi)沒有額外的土地資源，充電基礎(chǔ)設(shè)施只能在原有規(guī)劃車位上建設(shè)。 同時(shí)在相關(guān)布局時(shí)應(yīng)充分考慮不同駐場單位、不同類型的停放需求。

盡管充電基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)置的位置制約條件已經(jīng)很苛刻，但配套的電力資源更難解決。 調(diào)研發(fā)現(xiàn)飛行區(qū)內(nèi)不具備加建、擴(kuò)建變電站的條件。 因此，根據(jù)車位的平面布局，就近利用接有大量間歇性運(yùn)行大功率橋載設(shè)備(如飛機(jī)用空調(diào)、400 Hz 電源)且運(yùn)行負(fù)載率峰值接近甚至超過設(shè)計(jì)值上限的航站樓指廊區(qū)域10/0.4kV 變電站低壓系統(tǒng)提供電力是最好的選擇。 飛行區(qū)停車位及航站樓主要10/0.4kV變電站分布圖詳見圖2。

圖2 飛行區(qū)停車位及航站樓主要10/0.4kV變電站分布圖

2 首期充電設(shè)施設(shè)置與供電設(shè)計(jì)

為保障場內(nèi)車輛正常生產(chǎn)、滿足電動(dòng)汽車的充電需求，按照“需求為主，滿足政策”的原則，首期先行建設(shè)62 個(gè)直流充電終端。 根據(jù)車位布局與電力資源、車輛電池容量等條件，本期充電基礎(chǔ)設(shè)施采用“群充堆”的方案。 本期共設(shè)置11 個(gè)充電站，每個(gè)充電站按一拖四或一拖六組合配置“群充堆”；群充堆選用15kW 的電源模塊組合，每個(gè)終端輸出功率最大90kW、最小15kW，每組群充堆總功率按135kW 與150kW 兩種選型，且后期可根據(jù)需求通過增加電源模塊的方式最大升級(jí)至180kW。 充電堆采用支持50～750V 寬電壓輸出設(shè)備，并且在各充電終端上配備接口轉(zhuǎn)換附件，滿足飛行區(qū)各種電動(dòng)汽車的充電需求。 另外在每一區(qū)域車位建一個(gè)交流充電終端，用于車輛定期進(jìn)行電池均衡充電。 場內(nèi)充電站具體設(shè)置部位及配置方式詳表2。

表2 場內(nèi)充電站設(shè)置匯總表

每組充電堆從樓內(nèi)附近10/0.4kV 變電站低壓系統(tǒng)引出一回路0.4kV 電源，且每臺(tái)變壓器只接一組充電堆。 為了保障樓內(nèi)其他重要設(shè)備的供電可靠性、避免變壓器過載運(yùn)行，在變壓器低壓總進(jìn)線處增設(shè)電流檢測裝置，并設(shè)置電力調(diào)度系統(tǒng)，當(dāng)變壓器負(fù)載超過保障運(yùn)行限值時(shí)，自動(dòng)降低對(duì)應(yīng)充電設(shè)施的輸出功率，實(shí)現(xiàn)電力負(fù)荷調(diào)度。

3 配套監(jiān)控系統(tǒng)

(1)電力設(shè)施與智能交通綜合調(diào)度系統(tǒng)

為了解決場內(nèi)電動(dòng)汽車充電需求與樓內(nèi)電力余量不足的矛盾，建設(shè)了電力設(shè)施與智能交通綜合調(diào)度系統(tǒng)，通過實(shí)時(shí)檢測航站樓供電系統(tǒng)負(fù)載情況、場內(nèi)充電設(shè)施使用狀態(tài)以及車輛定位與充電需求等信息，通過車輛調(diào)度與電力負(fù)荷和充電設(shè)施輸出調(diào)度實(shí)現(xiàn)智能調(diào)度充電服務(wù)，充分利用場內(nèi)現(xiàn)有電力容量，最大化提高充電基礎(chǔ)設(shè)施利用率，實(shí)現(xiàn)錯(cuò)峰充電、有序充電的目標(biāo)。

調(diào)研中了解到地勤公司原有車輛調(diào)度系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)車輛的定位與運(yùn)營調(diào)度等功能。 經(jīng)各方研究比選，將原有車輛調(diào)度系統(tǒng)和充電系統(tǒng)的充電系統(tǒng)云平臺(tái)打通配合實(shí)現(xiàn)通信。 車輛調(diào)度系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)，打造充電網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)“三網(wǎng)融合”的云端平臺(tái)。 采集車輛數(shù)據(jù)后傳遞給充電云，由充電云根據(jù)供電系統(tǒng)的負(fù)荷情況、充電設(shè)施的充電計(jì)劃和車輛的充電需求生成各個(gè)車輛的實(shí)時(shí)充電計(jì)劃，并將充電調(diào)度信息傳遞給地勤公司數(shù)據(jù)網(wǎng)，通過地勤的車載終端來給司機(jī)下發(fā)指令，完成車輛充電計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)可視化、智能調(diào)度充電，為用戶提供更經(jīng)濟(jì)、安全、智能的充電服務(wù)。 如圖3 所示。

圖3 智能交通綜合調(diào)度調(diào)度原理

(2)安全監(jiān)控系統(tǒng)

在每個(gè)充電站內(nèi)設(shè)置了視頻監(jiān)控及火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)，利用熱成像、火焰檢測等技術(shù)自動(dòng)監(jiān)視充電設(shè)施與現(xiàn)場情況，發(fā)生火情能夠第一時(shí)間報(bào)警。 監(jiān)控系統(tǒng)后臺(tái)與監(jiān)控席位設(shè)置在機(jī)場AOC 大廳，當(dāng)坐席人員收到系統(tǒng)或電話報(bào)警后，立即通知機(jī)場消防、運(yùn)維班組、區(qū)域管理單位和相關(guān)部門進(jìn)行應(yīng)急處置。 為提升處置效率，還為區(qū)域管理單位預(yù)留了視頻接入端口；同時(shí)，充電樁有應(yīng)急聯(lián)系方式，現(xiàn)場人員發(fā)現(xiàn)火情，可第一時(shí)間撥打應(yīng)急電話，工作人員也將立即響應(yīng)，盡快消除隱患。

為防止電動(dòng)汽車充電起火事故發(fā)生，系統(tǒng)設(shè)置設(shè)備保護(hù)與大數(shù)據(jù)防護(hù)兩層保護(hù)。 第一層為“設(shè)備保護(hù)層”，當(dāng)充電過程中出現(xiàn)電池異常、溫度過高、電池過充等情況時(shí)，系統(tǒng)會(huì)主動(dòng)防護(hù)終止汽車充電，防止事故發(fā)生。 第二層為“大數(shù)據(jù)防護(hù)層”，通過云平臺(tái)及大數(shù)據(jù)技術(shù)，記錄車輛每一次充電產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，并與同款車型的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)計(jì)算分析的數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警甚至終止充電，從而保護(hù)用戶充電的安全。 系統(tǒng)還對(duì)車輛電量剩余電量(SOC)進(jìn)行限制，當(dāng)電量達(dá)到90%時(shí)自動(dòng)停止充電，進(jìn)一步提升充電安全系數(shù)。 此外，針對(duì)車輛充電產(chǎn)生的數(shù)據(jù)系統(tǒng)定期提供安全防護(hù)檢測分析報(bào)告，分析主動(dòng)防護(hù)數(shù)、防護(hù)比例、問題車輛、綜合結(jié)論等信息，為用戶提供安全、可靠的參考數(shù)據(jù)。

(3)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)

平臺(tái)為每個(gè)駐場單位建立充電賬戶，并將用戶屬下的相關(guān)車輛錄入系統(tǒng)，車輛充電實(shí)現(xiàn)“即插即用”，每次充電發(fā)送簡報(bào)給當(dāng)班司機(jī)，每月分車輛自動(dòng)生成充電量與費(fèi)用報(bào)表進(jìn)行結(jié)算，避免每次充電的刷卡、掃碼等繁瑣流程，提升用戶體驗(yàn)性。

4 結(jié)束語

本項(xiàng)目飛行區(qū)場內(nèi)電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施首期工程于2020 年下半年建成并陸續(xù)投用，電力設(shè)施與智能交通綜合調(diào)度系統(tǒng)也于今年6 月初建成上線，目前設(shè)備與系統(tǒng)運(yùn)行正常。 本項(xiàng)目的建成為既有大型機(jī)場提供高效、集約式發(fā)展的場內(nèi)電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提供案例范本。 同時(shí)，隨著場內(nèi)電動(dòng)汽車增加，充電需求將不斷增長，由此產(chǎn)生的充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)需求與方案、場內(nèi)電力供需矛盾與充電安全問題必將更加突出。 本文旨在拋磚引玉，期待更多同行共同探索相關(guān)建設(shè)方案與技術(shù)措施，共建綠色、安全、可靠、高效、智慧的場內(nèi)電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施，為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)貢獻(xiàn)民航力量。