某大型機場智慧能源管控平臺

賴 瑩, 王偉平

(珠海派諾科技股份有限公司, 廣東 珠海 519085)

0 引 言

民用機場隨著旅客吞吐量的逐年攀升,能源的需求量與日俱增,同時機場的運營壓力也激增。

在以往的機場能源管理過程中,往往存在用能監(jiān)控子系統(tǒng)分散,系統(tǒng)之間無關聯(lián),各個系統(tǒng)產(chǎn)生的監(jiān)控信息存在信息孤島等問題,造成統(tǒng)一管理困難,無法形成整體效益的優(yōu)勢。結合政策背景及《民用機場智慧能源管理系統(tǒng)建設指南》[1](以下簡稱《指南》)標準,某國際機場按照A類機場標準建設,全面啟動智慧能源管理系統(tǒng)的設計,構建全機場能源大運控、大服務體系,覆蓋能源生產(chǎn)—轉換—存儲—配送—消費區(qū)域,實現(xiàn)“電、冷、熱、水、氣”等能源一體化管控,實現(xiàn)各供能/用能子系統(tǒng)與“智慧管控”高度融合。

智慧能源管控平臺管理范圍涉及整個機場區(qū)域,涵蓋范圍包括航站區(qū)、飛行區(qū)、貨運區(qū)、工作區(qū)等。管控能源介質(zhì)包括電、冷、熱、水(中水、雨水、污水、自來水)、燃氣。智慧能源管控平臺接入的各區(qū)域子系統(tǒng)有:能耗計量系統(tǒng)、智能配電監(jiān)控系統(tǒng)、充電樁管理系統(tǒng)、建筑設備監(jiān)控系統(tǒng)、智能燈光控制系統(tǒng)、登機橋監(jiān)控系統(tǒng)、微環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)、冷源群控系統(tǒng)、污水處理管控系統(tǒng)、燃氣遠程計量及調(diào)壓系統(tǒng)。

1 解決方案

SmartME機場智慧能源管控平臺可進行大數(shù)據(jù)采集、特征主成因分析、能源函數(shù)擬合、可視化能源交互、基于神經(jīng)網(wǎng)絡自我學習,用于建立機場能效評估指標體系,可實施精細化、科學量化能源管理,尋找機場能耗漏洞,幫助機場管理人員制定節(jié)能整改措施,提高能源使用效率。

SmartME機場智慧能源管控平臺將機場各地區(qū)的變配電、照明、空調(diào)、供熱、供氣等各能源使用狀況集中監(jiān)視、管理,利用計算機技術和現(xiàn)場能耗計量設備,組成一個綜合的能源管理神經(jīng)網(wǎng)絡,建設一個能源數(shù)據(jù)平臺管理系統(tǒng),實現(xiàn)機場在能源方面的科學化管理和智能調(diào)度。

1.1 硬件架構

某國際機場從區(qū)域上總體可分為航站樓(含能源中心)、飛行區(qū)、貨運區(qū)、工作配套建筑群等,本項目中需計量的能源主要包括電、水、燃氣、冷量、熱量等,另有部分數(shù)據(jù)可從機場其他子系統(tǒng)中獲取?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)通過光纖網(wǎng)絡方式匯聚于中心交換機,并由光纖網(wǎng)絡轉發(fā)至能源管控系統(tǒng);第三方系統(tǒng)數(shù)據(jù)通過OPC協(xié)議轉發(fā)至采集工控機,采集工控機的數(shù)據(jù)通過光纖網(wǎng)絡使用自定義的TCP協(xié)議上傳到能源管控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。

為了滿足能源管理系統(tǒng)對機場能耗的在線監(jiān)測計量和運行管理的需求,能源管理系統(tǒng)采用分層分布、開放式結構設計,按間隔單元劃分、模塊化設計。系統(tǒng)組成結構主要分為系統(tǒng)主控層、通信層和現(xiàn)場設備層3個層次,在確保系統(tǒng)運行安全性、可靠性的同時,最大化系統(tǒng)的可擴展性以及對各種能源計量測控裝置的接入能力。某國際機場能源管控平臺硬件架構組網(wǎng)示意圖如圖1所示。

圖1 某國際機場能源管控平臺硬件架構組網(wǎng)示意圖

(1) 主控層。本項目系統(tǒng)主控層由能源管控平臺軟件SmartME、SmartIOServer智慧物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)平臺、LED小間距全面屏、數(shù)據(jù)采集服務器、數(shù)據(jù)庫服務器、應用服務器、Web服務器、對時服務器、工作站、磁盤陣列、UPS電源等相關硬件設備組成,可實現(xiàn)整個系統(tǒng)的全面能源監(jiān)控、分析和管理。

(2) 通信層。本項目通信層主要由通信管理機、工控機、通信服務器、光纖收發(fā)器、光纖環(huán)網(wǎng)組成,可構建能源數(shù)據(jù)平臺管理系統(tǒng)信息通信網(wǎng)絡,在通信傳輸網(wǎng)絡的基礎上,將現(xiàn)場各個末端設備、系統(tǒng)與數(shù)據(jù)中心進行有序連接,實現(xiàn)實時能源數(shù)據(jù)及節(jié)能控制系統(tǒng)與數(shù)據(jù)中心的信息交互。將數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)中心集中監(jiān)控,與其他應用系統(tǒng)既保持相對獨立,又保持必要的聯(lián)系,便于系統(tǒng)管理和資源共享。

(3) 現(xiàn)場設備層。本項目現(xiàn)場設備層主要由現(xiàn)場電表、水表、熱量表、流量計以及各類感知元器件組成,現(xiàn)場計量器具配置齊全,滿足三級計量[2],數(shù)據(jù)采集器將各類能源業(yè)務監(jiān)控系統(tǒng)和旅客信息系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)通過OPC、BACnet、Modbus、TCP等各類接口協(xié)議讀取,實現(xiàn)數(shù)據(jù)分類、分項監(jiān)測。

1.2 軟件架構

本平臺軟件采用SOA架構進行設計,將所有功能應用抽象為一系列組件,每個組件實現(xiàn)特定的業(yè)務,且具有低耦合、高內(nèi)聚的特點。在項目應用過程中,功能模塊由組件搭積木的方式組裝實現(xiàn),可靈活快速地滿足機場能源管理的需求,后續(xù)用戶也可通過組態(tài)功能進行定制功能二次開發(fā)。

本平臺采用B/S架構,方便用戶隨時隨地通過瀏覽器訪問系統(tǒng),支持IE、Firefox、Chrome等主流瀏覽器,支持Windows、Android、iOS操作系統(tǒng)。系統(tǒng)軟件支持Oracle、DB2、SQL Server等主流關系型數(shù)據(jù)庫,支持ODBC標準數(shù)據(jù)庫和OPC/DDE等多種外部通信接口,可實現(xiàn)與外部其他相關專業(yè)應用系統(tǒng)的互聯(lián)互通。

某國際機場智慧能源管控平臺軟件架構如圖2所示。

圖2 某國際機場智慧能源管控平臺軟件架構

(1) 數(shù)據(jù)采集層。通過智能電表、水表、燃氣表、能量表、溫濕度傳感器等設備采集各種能源消耗及環(huán)境數(shù)據(jù)。通過Modbus、TCP、OPC、WebAPI等標準接口協(xié)議從第三方系統(tǒng)中獲取數(shù)據(jù)。通過手動錄入的方式獲取機場建筑能耗數(shù)據(jù)、設備運行狀況、客流量數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)等。

(2) 數(shù)據(jù)支撐層。數(shù)據(jù)支撐層將采集到的實時數(shù)據(jù)存儲至實時數(shù)據(jù)庫,并由實時數(shù)據(jù)庫根據(jù)預先建立的智能化數(shù)據(jù)模型生成相應的數(shù)據(jù)倉庫,對海量的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)清洗、抽取、調(diào)校,進行數(shù)據(jù)報表定時生成、權限分配管理、系統(tǒng)配置、計量儀表管理等各種能源數(shù)字化服務,供能源管理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)分析評估、預測、調(diào)控等。

(3) 業(yè)務層。主要包含智慧能源管控平臺功能模塊,涵蓋能源全景監(jiān)控及實時展示、能源優(yōu)化調(diào)控、負荷功率預測、能源計量與管理、智能運維等各個環(huán)節(jié)。

(4) 交互端。系統(tǒng)提供多種靈活的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)方式,支持包括全面屏、工作站電腦、手機、平板等載體,并針對操作人員、管理人員、領導等不同類型用戶的需求及權限顯示相應功能界面。

1.3 系統(tǒng)主要功能

1.3.1 能耗全景監(jiān)控

SmartME機場智慧能源管控平臺提供功能強大的信息可視化系統(tǒng),對各類數(shù)據(jù)進行管理、診斷、監(jiān)控、匯總分析和集中展現(xiàn),向機場能源系統(tǒng)管理層直觀呈現(xiàn)數(shù)據(jù)挖掘分析結果。平臺數(shù)據(jù)可視化呈現(xiàn)主要包含以下幾個特點:

(1) 門戶大屏總覽信息。在門戶大屏上展示電、水、油、氣等能源總覽數(shù)據(jù),折標煤、折碳排放量、綜合能耗強度、電耗強度、單位面積能耗、單位旅客綜合能耗[3-4]等關鍵指標數(shù)據(jù),空調(diào)、水泵等設備運行狀態(tài)統(tǒng)計數(shù)據(jù),以及機場氣象信息、航班旅客信息等。門戶大屏上采用曲線、直方圖、餅圖、儀表盤等方式進行數(shù)據(jù)呈現(xiàn)。

(2) 地理信息。通過2.5D地圖方式直觀呈現(xiàn)機場總體地理信息和關鍵數(shù)據(jù),包括區(qū)域用電量、用水量、單位面積能耗、環(huán)境參數(shù)等,地圖上支持通過熱點進行自由跳轉操作,支持鼠標右鍵查看詳細信息。

(3) 設備實時運行參數(shù)。系統(tǒng)可通過SVG圖進行設備實時運行監(jiān)控,監(jiān)測圖內(nèi)容可根據(jù)現(xiàn)場設備實際安裝部署情況進行組態(tài),支持秒級頻率數(shù)據(jù)監(jiān)測,同時支持放縮、移動、閃爍等多種動畫效果。設備實時運行參數(shù)通過熱力圖、2.5D立體圖等呈現(xiàn)。

(4) 能耗分析挖掘數(shù)據(jù)。在能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計的基礎上,系統(tǒng)提供多種能耗分析挖掘算法,包括預測、關聯(lián)性分析、極值分析、不合理時段用能分析、損耗分析等,深入挖掘用戶用能習慣和數(shù)據(jù)價值,定位能耗漏洞。能耗分析挖掘數(shù)據(jù)通過散點圖、桑基圖、帕累托圖等進行呈現(xiàn)。

1.3.2 能源優(yōu)化調(diào)控

綜合能源的優(yōu)化調(diào)控貫穿多個環(huán)節(jié),可以粗略地分為規(guī)劃設計、建設和運行,調(diào)控策略不僅在運行階段涉及,在規(guī)劃設計階段也有涉及。

(1) 規(guī)劃設計。測算冷、熱、電、水、氣等負荷情況,根據(jù)資源對能源類型進行選型,制定多種能源下,不同季節(jié)的總體運行策略,按照負荷要求設計能源生產(chǎn)設備的容量。如用能單體建筑面積(航站樓、交通中心等)的冷負荷指標、熱負荷指標、電負荷指標、耗水指標、耗氣指標等,在運行策略的時候會對用能單體的負荷指標進行初步的預測,得出一個總量數(shù),同時借助機場大數(shù)據(jù)預處理(數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)采樣、數(shù)據(jù)拆分)和相關性分析,進行數(shù)據(jù)建模,得出一個初步的負荷情況(設計策略)。

(2) 運行。根據(jù)不同的季節(jié)、天氣預警系統(tǒng)、經(jīng)濟條件、機場舒適度等情況對機場的總體運行策略進行優(yōu)化調(diào)控,以達到最優(yōu)目標掌握能源生產(chǎn)設備的運行狀態(tài)。實時修訂優(yōu)化調(diào)控目標,對多能源進行優(yōu)化調(diào)控,檢測能源消費側的用能情況,實時優(yōu)化調(diào)整。

SmartME機場智慧能源管控平臺通過對整個機場在一年中的每一天、每一個時段的能源運行的評估和對比分析,實現(xiàn)能源系統(tǒng)的經(jīng)濟運行、精細化調(diào)節(jié)。它能結合室內(nèi)外同期的數(shù)據(jù)進行一個系統(tǒng)的分析,從而得到一個可操控的節(jié)能空間。例如:在我國,各大民航機場的空調(diào)系統(tǒng)是調(diào)節(jié)民航機場舒適度的重要一環(huán)。夏天制冷的時候,在航站樓這個大空間中實現(xiàn)每個節(jié)點的氣溫都是22 ℃,這從技術的角度來說是不可能實現(xiàn)的。因為在一個大空間中溫度存在著水平差和高度差,冷空氣永遠向下,而熱空氣永遠向上,同區(qū)域的上下空間就會存在溫差。以往控制系統(tǒng)只要整個空間的溫度沒有達到設定的控制標準,空調(diào)機組就一直開機運作,這實際上已經(jīng)形成了能源的不必要浪費。

SmartME機場智慧能源管控平臺在建設初期,通過回歸分析法對機場能源運行測算,結合動力能源公司能源運行管理的經(jīng)驗,形成初期能源調(diào)控數(shù)據(jù)模型。智慧能源管控平臺通過將單體航站樓根據(jù)其功能分成若干個小空間,比如候機區(qū)、安檢區(qū)、走廊等。在這些小的區(qū)域設置小的節(jié)點,結合每天每個時段的旅客流動性和滯留性,對每個時刻的實際溫度測算、反饋進行趨勢性的數(shù)據(jù)收集、整理、分析,然后給出節(jié)能策略。這樣相對于以往簡單的時間表控制,更體現(xiàn)出SmartME系統(tǒng)的管控科學化和智能化。基于機器學習和智能算法的負荷調(diào)控方法如圖3所示。

她對敬老院的老人和他們的兒女們經(jīng)常說的一句話就是：“說家人該說的話，做家人該做的事。”因為化解了不少家庭矛盾，她獲贊頗多，每次都不忘把這些贊揚美滋滋地和我分享。

圖3 基于機器學習和智能算法的負荷調(diào)控方法

1.3.3 負荷功率預測

隨著現(xiàn)代科學技術的快速發(fā)展,各種各樣的負荷預測方法不斷涌現(xiàn),但是電力系統(tǒng)負荷具有不可控性和周期性變化特性,負荷預測具有不準確性、條件性、時間性和多方案性,所以負荷預測是一個系統(tǒng)工程,想用某種單一的理論去研究負荷預測是困難的,需要廣泛研究各種負荷預測方法。目前,國內(nèi)外最為廣泛的能耗預測方法有支持向量機、時間序列和BP神經(jīng)網(wǎng)絡。

通過多年的研究發(fā)現(xiàn):能耗預測過程中對小數(shù)據(jù)樣本的月度結算數(shù)據(jù)進行能源整體消耗趨勢的預測,支持向量機針對小樣本數(shù)據(jù)展現(xiàn)出了良好的預測精度。但是作為單一樣本仍不可避免地具有模型精度不高、容易陷入局部最優(yōu)等問題,因此提出了一種基于時間序列分析方法與支持向量機的時間序列混合預測模型,從而提高預測模型的預測精度。其中,對時間序列進行了改進,得到混沌時間序列模型,用改進后的混沌時間序列模型、支持向量機模型和時間序列混合預測模型對采集到的機場能源消耗情況進行了建模和預測,并采用統(tǒng)計學方法檢驗模型的精度和誤差。測試結果表明,混合時間序列模型的建模精度和預測效果要明顯優(yōu)于單一預測模型。最后,利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡對能耗異常監(jiān)測進行建模,提出了一種對能耗標準判定的方法,并設置了動態(tài)閾值,以適應復雜多變的能耗數(shù)據(jù)。

1.3.4 能源計量與管理

平臺可實時采集各類能耗數(shù)據(jù),并在系統(tǒng)界面以至少15 min自動更新的速度,按不同維度(包括不限于按不同區(qū)域、能源分類分項、分時用能、重點用能設備等維度)對各類能源進行不同的統(tǒng)計分析(如部門用能分析、分類分項目用能分析、時段分析、峰谷用電分析、對比分析、趨勢分析、關聯(lián)性分析等),將不同類別的能源計算形式轉化為統(tǒng)一測量標準,便于比較,且根據(jù)現(xiàn)場情況設置相應指標進行指標評估[2]和分析,如機場能耗總量、單位面積能耗、單位面積照明能耗、單位客流量能耗、萬元GDP能耗、空調(diào)冷水機組COP、冷凍水泵輸送系數(shù)WTFCH、空調(diào)風機輸送系數(shù)ATF、設備使用率等。

1.3.5 智能運維管理

為及時發(fā)現(xiàn)并排除電氣設備的安全隱患,提高機場用能設備的使用率,提升運維人員的效能,SmartME機場智慧能源管控平臺提供設備智能運維管理功能,通過Web端與移動端相結合的方式,對設備的臺賬信息、報修維修、保養(yǎng)、巡檢和全生命周期設備管理等業(yè)務進行管理,打通線上監(jiān)控與線下運維管理流程,為設備運行維護提供數(shù)字化工具。

(1) 設備臺賬管理。以機電設備為管理對象,以設備有效生命周期中動態(tài)信息為管理重點,將設備管理的各個方面集成為一個規(guī)范、透明化的體系、建立各類動靜態(tài)全過程數(shù)據(jù)的共享平臺。靜態(tài)數(shù)據(jù)如生產(chǎn)廠家、出廠日期、 啟用日期、性能參數(shù)、 操作手冊、圖紙等;動態(tài)數(shù)據(jù):如設備的實時運行參數(shù),用于監(jiān)控設備的工作狀態(tài)、是否有隱患、 是否出現(xiàn)故障等。

(2) 設備維修。通過網(wǎng)頁、APP、企業(yè)微信、微信公眾號等方式提交設備報修單,對設備的報修、維修、評價等進行統(tǒng)一管理,實現(xiàn)對重要機電設備維修過程的管控,將線下維修流程和線上信息化流程相結合,提高管理效率,降低管理成本。

(3) 設備巡檢管理。建立周期性的巡視計劃,合理安排計劃并有效執(zhí)行,可通過移動應用實現(xiàn)巡檢的移動化和實時化,同時積累巡檢標準。

(4) 設備保養(yǎng)管理。建立設備設施周期性的保養(yǎng)計劃,變被動等待報修為主動維護保養(yǎng),變無序報修工作為有序計劃工作,從而延長設備壽命、降低維護成本。

1.3.6 “一站式”碳管理

隨著國家和地方各類雙碳政策出臺,以及碳匯交易提上日程,當務之急是盡快建立機場碳排放的計算模型,并做進一步的減排情景設計,更準確地預測未來排放量。

SmartME機場智慧能源管控平臺是以“碳排放管理、低碳減排、綠色能源、碳排放推演”為特征的數(shù)字化雙碳雙控管理平臺。該平臺通過對機場的各類碳數(shù)據(jù)、碳指標及能耗數(shù)據(jù)指標實施統(tǒng)一管理,可以實現(xiàn)能耗及碳排放足跡的可跟蹤、可分析、可視化,以及機場內(nèi)能耗碳耗全流程實時統(tǒng)計、精準跟蹤和及時預警,從而構建起數(shù)字化機場碳管理體系。

2 結 語

SmartME機場智慧能源管控平臺采用智能物聯(lián)網(wǎng)架構,將大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能、機器學習、遠程運維等技術應用到智慧機場能源管控系統(tǒng)中,可全面提升能源的利用效率和智能化水平,構建智慧機場能源管控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、邊緣計算、反向控制、數(shù)據(jù)分析、策略優(yōu)化、策略下發(fā)和能源預測等功能,通過節(jié)能策略的執(zhí)行和控制,大數(shù)據(jù)挖掘建模,專家團隊遠程分析指導,實現(xiàn)能源控制、管理、運維一體化平臺。