大型国际机场航站楼用电负荷研究

但目前行业内没有大型机场航站楼的变压器容量设计标准可供参考，因此研究该类建筑变压器容量实际负荷密度值，对建设平安、绿色的大型国际机场航站楼电气设计具有重大意义。

1 工程概况

广州白云国际机场一号航站楼首期工程面积约为37万m2(如图1所示，蓝色区域为首期工程)，由主楼、东连接楼、西连接楼和东、西4条指廊(E1、E2、W1、W2)及东、西设备房等组成。本项目共分为4层，包括地下1层与地上3层，其中负一层通往地铁、停车场和机场酒店，首层为到达、接机大厅和商业层，二层为到达夹层，三层为出发、候机大厅。作为我国三大枢纽机场之一，广州白云国际机场一号航站楼首期工程以满足2010年旅客吞吐量2 500万人次设计，于2004年8月落成启用。该航站楼建筑规模是当时国内各机场航站楼之最，楼内所有设施设备均达到当时国际先进水平。

图1 一号航站楼总平面图

2 供电系统介绍

广州白云国际机场一号航站楼首期工程共设14个10 kV变电所，包括主变电所8个、分变电所6个，其中包含东、西设备房为冷源设备服务的2个主变电所。

本项目变电所名称、变压器安装及服务范围情况如表1所示。

表1 各变电所压器安装容量及服务范围

各变电所平面布置与服务范围如图2所示。

图2 一号航站楼首期变电所平面布置与服务范围

3 10 kV供电系统与运行方式

一号航站楼首期工程8个10 kV主变电所分别从机场南110 kV变电站不同主变压器的母线段引来两路10 kV电源，两路10 kV电源同时工作，100 % 互为备用，共引入16路10 kV电源。正常情况下，两路10 kV电源同时供电，各带约50 % 负荷，每路10 kV电源供电容量约为6 000 kVA;当一路电源故障时，另一路电源可承担两段母线上所有负荷，供电容量约为12 000 kW。具体详见图3。

图3 10kV供电系统示意图

除6 kV空调制冷主机专用变压器外，其它变压器每两台一组，采用单母线分段运行方式。其中东、西设备房空调冷源水泵专用变压器设计负荷率约75 %，当一台变压器或进线电源故障时，手动断开该变压器进线断路器，切除部分负荷，再手动合闸联络断路器，由另一台变压器带两段母线上的重要负荷;其它变压器正常时负荷率均不大于50 %，当一台变压器或进线电源故障时，采用自投的运行方式由另一台变压器带两段母线上全部负荷，两台变压器100 %互为备用。

4 变压器安装指标

本工程共安装变压器44台，总安装容量为87 000 kVA。其中空调冷源安装变压器12台，安装容量为24 000 kVA;航站楼内安装变压器32台，变压器安装容量为63 000 kVA。各区域变压器容量与各类负荷变压器指标统计如表2所示。

表2 各区域变压器容量与各类负荷变压器指标

5 运行数据与统计分析

2012年5月笔者采集了一号航站楼首期工程2006 ~ 2011年共6年的各变压器低压侧与10 kV专线电源进线回路电流的原始运行数据。经过初步分析，由于2007年、2008年的日报表不完整，为了避免误差，笔者直接将这两年的数据排除;而2012年后的运行数据暂时无法完整取得，根据调研结果判断2012年前运行数据基本能代表一号楼首期工程用电负荷的实际需求，因此本次重点研究2006年与2009 ~ 2011年共4年的运行数据。

在这些有效年份的数据中各变压器低压侧(最大相)与10 kV专线电源进线回路每日电流最大值均包含正常运行和非正常运行的情况：变压器非正常运行情况为其中一台变压器检修或故障(包括电源故障)退出运行、由另一台变压器带两段低压母线，引起该组变压器中的一台变压器日最大电流值为“0”而另一台的最大电流值明显高于正常运行值;同样，10 kV电源的非正常运行情况为一路10 kV进线故障或检修造成系统一用一备运行或一组变压器中其中一台退出运行、由另一台带两段低压母线运行，引起相应的10 kV电源系统一路进线日最大电流为“0”或明显低于正常运行值，而另一路10 kV电源日最大电流明显高于正常运行值。这些非常规运行情况的数据点为坏点，会影响数据分析的结果，所以必须排除。

排除坏点的方法(以变压器为例)：

a. 将各变电所的数据整理到同一个文件夹内。

b. 将每台变压器的报表以月为单位分组。

c. 将同一变压器每日电流最大值编号为X1~Xn(n个数据)，用莱茵达准则对非常规运行数据进行排除。莱茵达准则：设对被测量样本进行等精度测量，独立得到样本值x1，x2 …… xn，算出其算术平均值μ及剩余误差vi(i = 1，2，……，n)，并按贝塞尔公式算出标准偏差σ，若某个测量值xb的剩余误差vb(1 ≤ b ≤ n)，满足| vb | = | xb - μ | > 3σ，则认为xb是含有粗大误差值的坏值，应予以剔除。计算公式如下：

式中：μ—— 样本算术平均值;

xi —— 样本值;

n —— 样本个数;

σ —— 标准差;

vi —— 剩余误差(i = 1，2，……，n)。

以月为单位，根据莱茵达准则将所采集每日数据求均值和标准差，凡数据满足 |xb - μ | > 3σ，则剔除该数据，得到有效数据。

6 数据整合

显著性水平α是假设检验中的一个概念，是指当原假设正确时却把它拒绝了的概率或风险。它是公认的小概率事件的概率值，必须在每一次统计检验之前确定，通常取α = 0. 05或α = 0. 01。这表明，当作出接受原假设的决定时，其正确的可能性(概率)为95 % 或99 %。换句话说，就是给一组数据定义一个区间范围，不在这个区间的数据出现的概率就叫显著性水平。

查“相关系数显著性检验表”可得，双侧界值为P5和P95测得的值应取落在(μ - 1. 64σ，μ + 1. 64σ)之间。以每个月的数据为单位，去除坏点后，重新求得均值μ和标准差σ。取显著性水平α = 0. 10，双侧界值为P5(5 %)和P95(95 %)，查“相关系数显著性检验表”可得，(μ - 1. 64 σ，μ + 1. 64σ)之间的数值为有效值。取有效值后再求均值，最后比较全年12个月的均值，取最大值作为全年峰值。

最后整理出各变压器与10 kV进线回路年运行峰值负载率，如图5 ~ 图6所示。

图5 设备机房各变压器年峰值负载率对比

图6 楼内10kV进线年峰值负载率对比

由相关变压器年有效峰值运行电流和乘以工作电压，再除以功率因数与建筑总面积推导出峰值负荷密度值。各统计口径下每年峰值负荷密度值与变压器平均峰值(各变压器峰值)负载率详见表3。

表3 年峰值负荷密度值与变压器平均峰值

根据上述分析结果，得出一号航站楼首期空调冷源的负荷密度值为53 W/m2，建筑类负荷的负荷密度值为40. 1 W/m2，航站楼内负荷的负荷密度值为58. 3 W/m2。由空调冷源负荷密度最大值与航站楼内负荷密度最大值相加，得到航站楼总负荷密度值为111. 3 W/m2。

7 运行数据分析

对一号航站楼首期用电负荷情况进行长期跟踪与深入研究后可以看到，航站楼各变压器与10 kV进线最高运行负载率偏低、用电负荷高峰时段不一致、旅客吞吐量增长情况对变压器与10 kV进线负载率影响不明显，具体情况如下：

a. 一号航站楼内变压器最高运行负载率为27.3 % ~ 36 %，约为设计值的55 % ~ 72 %。原因分析：①登机桥用电、飞机机舱专用空调、机用400 Hz电源等空侧设备运行时间短，整体而言空侧设备与弱电系统、行李处理系统、餐饮厨房等负荷同期系数低。②建筑采光良好，晴朗白天高大公共空间场所几乎不需要人工照明，故不同用电负荷的用电高峰(如18：00 ～ 24：00大空间照明用电高峰、8：00 ～ 17：00办公用电高峰与11：00 ～ 16：00空调用电高峰)自然错开。③空调风柜变频控制节能效果良好，如部分空调风柜变频器秋冬季时工作频率低至35 Hz，夏季为45 Hz，其对应输出功率仅为额定输出的35 %和73 %。

b. 楼内各区域用电负荷高峰出现时间不一致。其原因包括航站楼面积大、负荷类型多、平面功能复杂。变压器运行情况如下：①在使用空调的季节，设备房(空调制冷机房)变压器与10 kV进线运行负载率长期接近峰值;而在非空调季节空调冷源专用变压器关停，其10 kV进线负载率很低。②楼内用电高峰期集中在8 ~ 10月的上午6：00 ~ 9：00与下午15：00 ~ 20：00之间。③指廊空侧设备用电变压器负载率相对较高，但高峰期较短，且与建筑变压器负载率峰值不同步。

c. 2006 ~ 2010年旅客吞吐量由2 600万增长到4 000万人次，到2017年旅客吞吐量稳步增长到6500万人次(含二期)，但变压器与10 kV进线高峰负载率变化却不大。主要原因分析：①航站楼内50 % 以上的区域为旅客公共区域，公共区域中的空调、照明、航显标识、广告等用电量对客流量的敏感度不高。②航站楼面积大、每天的营运时间长，并受空域条件影响，同一时间内单位面积旅客高峰人数与进出港高峰航班数量增长不大;旅客吞吐量增加主要靠延长每天的营运时间，并将每天的高峰与次高峰运营时间延长等措施实现，因此变压器每天的高峰负载率运行时间相应延长、平均负载率提高，但最高运行负载率增长不大。③运营管理部门不断采取节能减排措施，进行有针对性的节能降耗管理，降低旅客的人均能耗量。

d. 航站楼内各区域负荷分布不均匀，指廊区域由于有大量空侧设备，负荷密度较高。但除工艺类负荷设备外，建筑类负荷各区域的负荷密度基本一致。

e. 楼内各变压器负载率峰值与10 kV进线负载率峰值基本同步，但总体上10 kV进线负载率峰值比变压器负载率峰值低10 % ~ 15 %。

f. 一号航站楼2006 ~ 2011年运行负荷基本稳定，实测数据与分析结论可靠性高，可作为大型国际机场航站楼负荷计算的参考依据。

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