绿色机场智慧能源系统运行优化研究

本文介绍了一种机场智慧能源系统，集成了供电、供热、供冷等多种能源系统，电负荷由光伏、储能设备和电网供电共同提供，以自发自用为主，避免余电上网。通过多能互补协调优化，充分发挥智慧能源系统节能潜力。

日益严峻的节能形势与可持续化发展需求使得民航机场能源管理工作被提升到一个新的高度。智慧能源系统集成了供电、供热、供冷等多种能源系统，通过多能互补协调优化，充分发挥智慧能源系统节能潜力，是机场能源系统发展的必然趋势。本文提出了一种智慧能源系统集成机制和优化运行模型，并研究了智慧能源系统在多季节负荷需求下的运行优化。在此基础上本文进一步提出了智慧能源管控系统的总体架构和功能设计，从而实现机场智慧能源系统的安全、稳定、经济运行。

本文来源：四型机场 微信公众号 ID:sx_airport

论文作者：牛洪海、李燕、余帆、李兵、王其兵 南京南瑞继保电气有限公司

引 言

能源是机场赖以运行的重要基础与保障。当前，机场业务持续拓展，能源需求不断增长，能源质量和效率矛盾突出。建设绿色低碳、安全高效、管控一体的现代能源体系是提升大型机场核心功能、提高机场服务水平的必然趋势。积极优化能源供应结构，提高能源综合利用水平，同时加快推进机场智慧能源管控一体化平台和体系建设，是机场增强可持续发展能力，提升综合服务水平的紧迫任务和重要支撑。

智慧能源系统的重要特征是以电、热、冷等多种能源的平衡、转化、循环为核心，充分利用太阳能等可再生能源，实现自我控制和管理。智慧能源系统优势的发挥，很大程度上取决于其自身的能源管控系统。因此，构建智慧能源管控系统，是实现绿色机场智慧能源系统安全、清洁、高效的运行目标的重要技术保障。

目前，国内外对于智慧能源系统的研究多集中于理论层面，鲜见适用于机场区域多季节能源负荷需求的智慧能源系统运行优化的相关研究。本文针对机场能源系统安全、稳定、经济运行的需求，研究了智慧能源系统的集成机制和不同季节条件下的优化运行，并进一步设计了机场智慧能源管控系统总体架构和功能。

1 智慧能源系统集成机制

智慧能源系统旨在打破供电、供热、供冷等各种能源供应系统单独规划、单独设计和独立运行的既有模式，在规划、设计、建设和运行阶段，通过对各类能源的生产、传输、分配、转化、储存和消费等环节进行有机协调与优化，形成充分利用可再生能源的新型区域能源供应系统。智慧能源系统的优势发挥，依赖于多种能源形式紧密耦合、集成优化，即在能源系统源-网-荷-储纵向优化的基础上，对多种供能系统进行横向协调优化，从而实现能源的梯级利用和协同调度。

由于不同区域能源需求的形式和负荷大小各异，且在不同天气、不同季节的能源需求也有所差别，因此智慧能源系统的规划设计必须因地、因时制宜，充分考虑到智慧能源系统在全生命周期内不同能源需求情形下的优化运行情况。

图1 机场智慧能源系统集成原则

机场智慧能源系统集成原则如图1所示，对机场的冷热电等负荷进行逐时计算，获取全年分布情况，进而按照欠匹配原则确定多联供的基本形式，在此基础上确定剩余负荷的匹配形式，从而给出冷热电综合能源网络的可行集成方式，进一步的按照能源、经济、环保综合最优的原则结合投资回报收益率确定机场能源站的最佳能源供应方式。

2 智慧能源系统运行优化

2.1 优化模型

某机场能源系统结构如图2所示，其中机场区域内的热负荷由燃气锅炉和三联供机组换热器共同提供；冷负荷由电制冷、蓄冷设备、三联供机组溴化锂吸收式制冷机共同提供；电负荷由光伏、储能设备和电网供电共同提供，以自发自用为主，避免余电上网。

图2 机场智慧能源系统结构

该系统中各能源形式的额定功率如表1所示，其中需要说明的是，储能（蓄冷）功率为正数时表示放电（释冷），功率为负数时表示充电（蓄冷）。此外，电制冷功率指的是制冷机组输入功率，而非制冷量。

表1 智慧能源系统配置

该机场区域采用峰谷平电价计费，分时电价()如表2所示。天然气协议价格()2.3元/m3，标准热值35MJ/m3。

表2 某机场区域分时电价

基于以上智慧能源系统结构，以日运行费用最低为优化调度目标，可用式E1表示：

在实际运行时，智慧能源系统必须满足冷、热、电各种能源的供需平衡以及各设备运行特性的约束，在此基础上建立以经济最优为目标的运行优化模型，可采取混合整数线性规划算法或启发式算法求解，具体求解过程此处不再赘述。

2.2 优化结果

根据上节所述的智慧能源系统模型和运行优化算法，可以得到不同负荷情况下的设备运行策略。下面分别以夏季、冬季和过渡季典型日的冷、热、电负荷以及光伏出力预测结果为基础，计算得到各季节典型日的优化运行曲线。

图3(a) 夏季典型日负荷曲线

图3(b) 夏季典型日优化运行曲线

由图3(a)可以看出，夏季冷负荷和电负荷几乎同时在下午15：00-16：00达到高峰，而夜间航班和旅客人数减少，航站楼停运，负荷处在低谷。对比图3(a)的负荷曲线和图3(b)所示的优化运行曲线可以看出，优化运行的结果最大程度上利用储能和蓄冷手段，在夜间谷电时期充电、蓄冷，在峰电时期放电、释冷，从而达到削峰填谷的目的，提升了智慧能源系统运行的经济性。

图4(a) 冬季典型日负荷曲线

图4(b) 冬季典型日优化运行曲线

如图4(a)和图4(b)可以看出，该机场区域冬天的冷负荷几乎为零，热负荷大幅上升，优化运行的结果是电制冷机组和蓄冷系统停运，热负荷优先由冷热电三联供机组提供，当三联供机组供热能力不足时，开启燃气锅炉供热。

图5(a) 过渡季典型日负荷曲线

图5(b) 过渡季典型日优化运行曲线

如图5(a)可以看出，在过渡季典型日冷热负荷随时间分布较为平均，无明显的尖峰负荷时段。此时，电制冷机组和燃气锅炉均停运，冷、热负荷主要由三联供机组提供,如图5(b)所示。值得注意的是，由于该能源系统蓄冷设备既可以使用电制冷机组作为冷源也可以使用三联供机组作为冷源，因此在过渡季电制冷机组停运的情况下，仍可利用蓄冷以达到经济最优运行。

上述结果表明，当冷、热、电负荷变动时，需要及时调整各能源设备出力，采取优化运行策略充分发挥智慧能源系统优势。进一步地，可以计算出某种能源设备缺失时，各季节典型日能源优化运行费用的变化情况，如下表所示。

表3 不同能源供给形式下各季节能源优化运行费用

由表3可以看出，在该智慧能源系统中，各能源形式对降低总体能源成本均有一定贡献，其中，冷热电三联供机组的应用，不论是在夏季、冬季、还是过渡季，均能在满足冷、热、电等多种能源需求的前提下，大幅降低能源运行费用。

当能源供给形式、运行要求和优化目标发生变化时，智慧能源系统可以有多种不同的优化策略。而要实现不同条件下智慧能源系统的安全、稳定、经济运行，必须借助于智慧能源管控系统实现对能源系统中源、网、荷、储全流程管控和冷、热、电多能协调控制。

3 智慧能源管控系统设计

智慧能源管控系统的目标在于从系统层面对冷、热、电等能源介质及相关耗能设备进行智慧管控，构建统一管控平台，实时采集设备的状态特征和运行过程数据，实现故障预判和预测性维护，实现设备运行优化管理，提高安全运行水平和对能源的高效利用率；从全局高度实现水、冷、电等多种能源全生命周期在线监测、优化调控、运行维护、计量结算等，保证机场能源智慧供给，通过用能预测、协调调度以及用能优化与管理等核心技术，实现机场能源一体化优化调度，并引入大数据分析等技术，综合管理机场能源资源，实现经济，安全和高效的能源分配和管理，有效提升能源使用效率，降低综合能耗。通过智慧能源管控平台的建设，可提高机场的能源供应质量（安全性、可靠性、灵活性、经济性）及能源管理水平，为机场能源管理提供依据，能源改造提供策略，从而降低运营管理强度，实现机场管理的减员增效。

3.1 总体架构

智慧能源管控系统体系构建如下图所示，分就地控制层、协调控制层、优化调控层与运营管理层，最终实现旅客流量动态感知、能源需求实时分析，为能源供应科学决策、能源管理闭环提高打下基础。

图6 机场智慧能源管控系统架构

其中：

就地控制层实现机场能源站供冷、供热、供电等产能部门及航站楼等能源消耗部门等相关现场设备的就地实时控制，根据区域设备分布分散建设；

协调控制层功能实现电热冷水及源网荷储的实时协调控制，通过负荷端到源端的实时闭环反馈以及多种能源的协调控制，使机场能源系统运行在安全经济状态；

优化调控层功能实现机场智慧能源系统实时监控调度、负荷预测、优化分析等功能；

运营管理层功能实现能源自动计量结算、能效分析、能源预警、资产运维等功能，同时考虑到面向临港经济区实现综合能源供应的趋势，构建需求侧响应、能源诊断等综合能源服务模型。

3.2 多能协调控制

协调控制器采用分层分布式设计，可冗余配置，一方面采集三联供、制冷站、换热站以及重要负荷的信息，另一方面根据既定的约束规则对制冷站、换热站、三联供站点等的负荷进行协调控制，采用滚动校正策略，消除负荷及光伏功率预测不确定性对多能流日前优化调度带来的影响，保证机场能源供应系统的安全、稳定、经济运行。

3.3 多能优化调度

通过对冷热电负荷的特性分析，建立不同能源形式的负荷预测模型，同时支持中期、短期、超短期的多时间尺度的负荷预测，根据负荷特性分析结果，自动匹配预测模型及方法，最终利用负荷预测功能对次日的逐时负荷进行预测。

在冷热电负荷预测的基础上，根据能源设备状态与能源网络模型，按照能效、环保、经济最优的原则确定冷热电的最佳负荷计划，作为协调控制器的日前负荷指令。

3.4 多能运营管理

多能流运营管理为机场能源管理提供技术支撑，包括提供能源自动结算、能耗指标分析、能源成本分析、能效对标、节能诊断、碳排放管理等功能，构建全景数据库，形成客观的能源消耗评价体系，方便及时的了解真实能耗效率，在能源消耗环节中采用精细化控制策略，实现机场的整体节能目标。

图7 多能流运营管理功能

结 语

本文研究了机场智慧能源系统集成机制和优化运行模型，对智慧能源系统在多季节负荷需求下的运行优化结果表明，智慧能源系统优势的发挥，关键在于其自身的能源管控系统。在此基础上本文进一步提出了智慧能源管控系统的总体架构和功能设计，可实现机场智慧能源系统的安全、稳定、经济运行。

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