基于5G技術(shù)的高校物聯(lián)網(wǎng)能源電力管理平臺(tái)的研究及相關(guān)產(chǎn)品應(yīng)用

任運(yùn)業(yè)

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：高校作為大規(guī)模能源消費(fèi)端，存在電力管理手段欠缺導(dǎo)致能源嚴(yán)重浪費(fèi)的問題，可通過(guò)加強(qiáng)能源電力管理和數(shù)字技術(shù)的融合力度，綜合運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、AI人工智能等數(shù)字化手段，提升運(yùn)營(yíng)效率和綜合管控水平，從而實(shí)現(xiàn)能源電力管控創(chuàng)新。對(duì)5G組網(wǎng)及物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)建設(shè)進(jìn)行研究探索，提出一種適用于高校場(chǎng)景的基于5G校園混合專網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)能

源電力管理平臺(tái)，提出面向高校四大用能場(chǎng)景的針對(duì)性節(jié)能策略與方案，展望高校綠色節(jié)能發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：5G；校園混合專網(wǎng)；物聯(lián)網(wǎng)；能源電力管理平臺(tái)

0引言

我國(guó)2020年能源消費(fèi)量占全球能源消費(fèi)總量的26%，在電力領(lǐng)域，我國(guó)2020年電力消費(fèi)總量約占同期全球消費(fèi)量29%。能量消耗高速增長(zhǎng)，傳統(tǒng)粗放的能源電力管理模式已經(jīng)無(wú)法滿足當(dāng)前社會(huì)需求，節(jié)能降耗面臨嚴(yán)峻的考驗(yàn)，在全球“雙碳”大背景下，能源電力轉(zhuǎn)型勢(shì)在必行。在用電消費(fèi)端，高校人流量大、用電要素復(fù)雜，在我國(guó)總體能源消耗中所占比例較大。我國(guó)在校大學(xué)生數(shù)量?jī)H占全國(guó)人口3%，但高校能耗在社會(huì)總能耗中的占比高達(dá)8%，高校人均用電量是全國(guó)人均水平的4倍。同時(shí)，校園基礎(chǔ)能耗設(shè)施陳舊，能源電力管理粗放問題突出，校園節(jié)能領(lǐng)域存在巨大提升空間，具有迫切的改造需求。目前，隨著技術(shù)水平發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能電網(wǎng)、樓宇能耗監(jiān)控領(lǐng)域已有廣泛應(yīng)用，可以提供精細(xì)化管理、信息數(shù)據(jù)采集、設(shè)備設(shè)施效率提升、低碳節(jié)能運(yùn)行以及公共服務(wù)均等化和普惠化方面的有力支撐。為此，從校園節(jié)能減排目標(biāo)入手，利用“5G+物聯(lián)網(wǎng)”構(gòu)建高校能源感知網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合校園已有能耗設(shè)施現(xiàn)狀，建立有效的能源電力監(jiān)控與管理應(yīng)用。

1高校能源電力管理現(xiàn)狀分析

1.1高校能耗特征分析

高校建筑類型多，不僅有教學(xué)樓、科研樓、行政52辦公樓等公共建筑，還有宿舍樓、食堂、浴室等生活建筑，建筑類型的多樣化必然導(dǎo)致能耗種類的多樣化。

高校電力能耗具有明顯的季節(jié)性。由于高校在1月下旬到2月中旬和7月上旬到8月下旬放寒、暑假，校園能耗會(huì)明顯下降，而1月是一年中的*冷月，7月、8月是一年中的*熱月，能耗量會(huì)明顯上升。

高校電力能耗集中。高校耗能設(shè)施陳舊單一，使用時(shí)間相對(duì)集中。高校中大部分的建筑耗能設(shè)施比較陳舊、簡(jiǎn)單，而且學(xué)生的學(xué)習(xí)和生活作息具有規(guī)律性。

高校電力節(jié)能潛力巨大。高校絕大部分都是文化水平較高的教師及學(xué)生，素質(zhì)高、節(jié)能意識(shí)較強(qiáng)。同時(shí)，高校作為教育和科研基地，具有研究、實(shí)踐新型節(jié)能技術(shù)的物質(zhì)和精神基礎(chǔ)。

1.25G賦能綠色校園能源電力管理

5G技術(shù)在綠色校園領(lǐng)域應(yīng)用具有三大現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)：

1）5G技術(shù)推動(dòng)低碳學(xué)習(xí)生活方式轉(zhuǎn)變。5G泛在實(shí)時(shí)連接正逐漸改變校園的教學(xué)生活方式，線上會(huì)議、線上教學(xué)、虛擬教學(xué)、在線考試等應(yīng)用正加速推廣，可以有效減少師生出行活動(dòng)產(chǎn)生的能耗與排放。

2）5G技術(shù)為校園節(jié)能增效“注智賦能”。基于5G、云計(jì)算、邊緣計(jì)算、人工智能等技術(shù)，校園可部署能源電力管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水、電、氣、熱等資源的全面監(jiān)控，減少物流和能源的碳消耗。利用5G大連接特性，連接電源、建筑等監(jiān)測(cè)點(diǎn)位傳感器，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)設(shè)備信息的實(shí)時(shí)讀取，覆蓋能源生產(chǎn)、管控、用能三大環(huán)節(jié)，打造能源數(shù)據(jù)感知、能源優(yōu)化服務(wù)、能源綜合管控的全鏈條閉環(huán)服務(wù)體系。

3）5G技術(shù)助力碳達(dá)峰、碳中和人才培養(yǎng)。5G網(wǎng)絡(luò)的深度覆蓋將賦能校園數(shù)字化轉(zhuǎn)型，驅(qū)動(dòng)低耗、環(huán)保的綠色智慧校園研究與發(fā)展。結(jié)合碳達(dá)峰、碳中和發(fā)展需求，創(chuàng)新綠色人才培養(yǎng)模式，引ling未來(lái)低碳技術(shù)發(fā)展，打造專業(yè)人才培養(yǎng)體系。

2高校物聯(lián)網(wǎng)能源電力管理平臺(tái)

2.1建設(shè)思路

2010年來(lái)，各種新興技術(shù)進(jìn)入高速發(fā)展期，隨著我國(guó)5G正式大規(guī)模商用，大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)+、人工智能、云計(jì)算等前沿技術(shù)得到充分整合和運(yùn)用，在電力、教育等行業(yè)取得重大進(jìn)展和廣泛應(yīng)用。與此同時(shí)，國(guó)家節(jié)能減排相關(guān)政策陸續(xù)出臺(tái)、落地，各大高校對(duì)于校園能源電力管理提出了更高的要求。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2022年5月31日，全國(guó)高等學(xué)校共計(jì)3013所，本科院校1270所，專科院校1489所，如圖1所示。85%以上的高校已有10年以上的存續(xù)歷史。各大高校現(xiàn)有建筑建設(shè)年限較為久遠(yuǎn)，直接導(dǎo)致校園建設(shè)整體信息化、智能化水平偏低，與能源電力管理相關(guān)的終端設(shè)備往往不具備智能采集、控制功能以及數(shù)據(jù)上傳的網(wǎng)絡(luò)鏈路。因此，在進(jìn)行能源電力管理平臺(tái)整體規(guī)劃建設(shè)過(guò)程中除了需要考慮終端設(shè)備的智能化升級(jí)外，還需要考慮傳輸網(wǎng)絡(luò)的整體建設(shè)。

有線網(wǎng)絡(luò)傳輸包括采用光纖、銅纜等固定網(wǎng)絡(luò)傳輸形式，在高校的能源電力管理平臺(tái)建設(shè)上存在布線困難、施工周期較長(zhǎng)等客觀突出問題，很難形成規(guī)模化、標(biāo)準(zhǔn)化的應(yīng)用，難以推廣。相比之下，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)則可很大程度滿足高校能源電力管理平臺(tái)的需求，具有施工簡(jiǎn)單、無(wú)須布線、即插即用等優(yōu)勢(shì)。同時(shí)各類物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備均可通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)統(tǒng)一監(jiān)控、統(tǒng)一管理。

無(wú)線傳輸可采用第五代移動(dòng)通信技術(shù)（5thgenerationmobilecommunicationtechnology，5G）、ZigBee無(wú)線通信技術(shù)（ZigBeewirelesscommunication

technology，ZigBee）、LoRa無(wú)線通信技術(shù)（LoRawirelesscommunicationtechnology，LoRa）、無(wú)線保真技術(shù)（wirelessfidelity，WiFi）等多種形式，如表1所示，在高校等園區(qū)領(lǐng)域選用5G傳輸具有以下優(yōu)勢(shì)：

1）傳輸速率高，5G傳輸峰值速率高達(dá)20Gbit/s，與WiFi、LoRa等傳輸速率相比有幾十乃至數(shù)百倍的提升，可以更好支持電子班牌、攝像頭等具有更高傳輸速率需求的終端設(shè)備；

2）建設(shè)難度低，采用5G傳輸，只需要部署核心網(wǎng)用戶面網(wǎng)元（userplanefunction，UPF）至高校運(yùn)營(yíng)商機(jī)房，便可共用運(yùn)營(yíng)商在高校已部署的5G公共基站，搭建5G混合專網(wǎng)。采用其他方式傳輸，則需要在高校部署無(wú)線基站/網(wǎng)關(guān)并為其供電、聯(lián)網(wǎng)，同樣需要在辦公區(qū)、教學(xué)區(qū)進(jìn)行布線、安裝等一系列施工工序，與采用有線傳輸無(wú)本質(zhì)區(qū)別。

基于上述分析，采用5G技術(shù)搭建高校物聯(lián)網(wǎng)能源電力管理平臺(tái)更為貼合我國(guó)高校現(xiàn)有實(shí)際情況。通過(guò)校園5G專網(wǎng)，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將與能源電力管理有關(guān)的全部物聯(lián)感知終端以及智能化系統(tǒng)進(jìn)行集成，如圖2所示，有機(jī)銜接信息資源、設(shè)備狀態(tài)和業(yè)務(wù)事件，打造在異構(gòu)子系統(tǒng)之間跨越各應(yīng)用系統(tǒng)邊界的統(tǒng)一管理平臺(tái)。

建設(shè)高校物聯(lián)網(wǎng)能源電力管理平臺(tái)，旨在消除“信息孤島”，將原本孤立、封閉的子系統(tǒng)縱向解耦，消除應(yīng)用與終端設(shè)備的強(qiáng)綁定關(guān)系。利用平臺(tái)橫向整合，打破子系統(tǒng)間的壁壘，由校園物聯(lián)網(wǎng)能源電力管理平臺(tái)進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)配管控，實(shí)現(xiàn)針對(duì)特定高校節(jié)能場(chǎng)景的跨系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)。由此改善教室、圖書館、宿舍等場(chǎng)所能耗浪費(fèi)現(xiàn)象，提高校園整體的能源利用效率。

2.2整體架構(gòu)

高校物聯(lián)網(wǎng)能源電力管理平臺(tái)采用標(biāo)準(zhǔn)的物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)，整體架構(gòu)自下而上由物聯(lián)感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和平臺(tái)應(yīng)用層組成，如圖3所示。

物聯(lián)感知層運(yùn)用傳感和識(shí)別技術(shù)將物理世界中的各類物理量轉(zhuǎn)化成可供處理的數(shù)字信號(hào)，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)對(duì)物理世界的智能感知識(shí)別、信息采集處理和自動(dòng)控制，并通過(guò)通信模塊將物理實(shí)體連接到網(wǎng)絡(luò)傳輸層和平臺(tái)應(yīng)用層。

網(wǎng)絡(luò)傳輸層主要用于數(shù)據(jù)信息和控制信息的雙向傳遞、路由和控制，實(shí)現(xiàn)硬件世界與應(yīng)用生態(tài)的數(shù)據(jù)互聯(lián)，支持多數(shù)據(jù)源、多目標(biāo)、多種協(xié)議的信息傳輸，網(wǎng)絡(luò)傳輸層可采用公共的運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)，也可以依托行業(yè)專用通信網(wǎng)絡(luò)。平臺(tái)應(yīng)用層綜合運(yùn)用高性能計(jì)算、人工智能、數(shù)據(jù)庫(kù)和模糊計(jì)算等技術(shù)，對(duì)終端設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、查詢、分析、挖掘、理解，并基于終端設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行節(jié)能決策和行為控制。

2.2.1物聯(lián)感知層

5G技術(shù)的融合應(yīng)用可以提供可靠、穩(wěn)定、高效的互聯(lián)網(wǎng)通信，為高校用電端設(shè)備通信，特別是無(wú)線通信提供。保障根據(jù)高校物聯(lián)網(wǎng)能源電力管理平臺(tái)采用校園5G專網(wǎng)的整體架構(gòu)要求，所有物聯(lián)感知層傳感器、執(zhí)行器均選用具有5G模組的設(shè)備。對(duì)于不具有5G模組的終端設(shè)備，可采用5G客戶前置終端設(shè)備（customerpremiseequipment，CPE）將設(shè)備接入校園5G專網(wǎng)。CPE可以把運(yùn)營(yíng)商移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)轉(zhuǎn)化為寬帶網(wǎng)絡(luò)和Wi-Fi，同時(shí)具有無(wú)線路由器的功能，能夠用有線/無(wú)線的方式為終端設(shè)備提供寬帶網(wǎng)絡(luò)連接和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接。

2.2.2網(wǎng)絡(luò)傳輸層

網(wǎng)絡(luò)傳輸層5G組網(wǎng)形式區(qū)分如圖4所示，根據(jù)高校運(yùn)營(yíng)商基站建設(shè)實(shí)際情況，網(wǎng)絡(luò)傳輸層采5G混合網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)形式。以運(yùn)營(yíng)商建設(shè)的校內(nèi)5G基站為基礎(chǔ)，運(yùn)用5G數(shù)據(jù)切片技術(shù)，共用已有5G基站，同時(shí)部署私有化的UPF，構(gòu)成5G公網(wǎng)和校園5G專網(wǎng)并行的5G混合專網(wǎng)，如圖5所示。

UPF作為移動(dòng)錨點(diǎn)，負(fù)責(zé)分組路由、轉(zhuǎn)發(fā)、包檢測(cè)及策略執(zhí)行、流量上報(bào)等功能，并負(fù)責(zé)計(jì)費(fèi)報(bào)告生成，滿足高校對(duì)于邊緣網(wǎng)絡(luò)及業(yè)務(wù)能力的需求。

接入和移動(dòng)性管理功能（accessandmobilitymanagementfunction，AMF）用于注冊(cè)、連接、可達(dá)性及移動(dòng)性管理，完成用戶的接入認(rèn)證和鑒權(quán)。

會(huì)話管理功能（sessionmanagementfunction，SMF）提供會(huì)話管理、IP地址分配、策略執(zhí)行、計(jì)費(fèi)等功能。

在5G混合專網(wǎng)的基站共享模式下，無(wú)線基站對(duì)終端設(shè)備規(guī)劃專有標(biāo)識(shí)。AMF負(fù)責(zé)根據(jù)各類終端的切片標(biāo)識(shí)進(jìn)行接入認(rèn)證和鑒權(quán)，歸屬校園5G專網(wǎng)的終端無(wú)法接入5G公網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，從而為高校構(gòu)建一張?jiān)鰪?qiáng)帶寬、低時(shí)延、核心數(shù)據(jù)不出校園的基礎(chǔ)連接網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)核心網(wǎng)絡(luò)的本地部署+空口預(yù)調(diào)度技術(shù)，有效提升端到端時(shí)延指標(biāo)，網(wǎng)絡(luò)端到端時(shí)延小于15ms，部分場(chǎng)景下時(shí)延小于10ms。

物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備對(duì)于通信網(wǎng)絡(luò)的需求體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：

1）可靠性需求。終端設(shè)備數(shù)據(jù)采集的可靠性要求99.9%，設(shè)備控制則需要達(dá)到99.999%。利用5G的多輸入多輸出（mutiple-inputmultiple-output，MIMO）技術(shù)，在發(fā)送端和接收端建立多個(gè)天線，可以很大程度優(yōu)化數(shù)據(jù)通信的基本質(zhì)量。

2）實(shí)時(shí)性。物聯(lián)網(wǎng)能源電力管理平臺(tái)需要監(jiān)控用電終端設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，并在優(yōu)化計(jì)算后及時(shí)生成調(diào)節(jié)指令，下發(fā)指令數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)時(shí)性有較高要求，關(guān)鍵控制指令時(shí)延要求達(dá)到毫秒級(jí)。

3）高帶寬。視頻類終端設(shè)備的4K/8K高清圖像、多屏多視角、自由視角、VR互動(dòng)等功能對(duì)于通信網(wǎng)絡(luò)有著較高需求，采用不同5G切片技術(shù)所得指標(biāo)如圖6所示，物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸具體性能要求如表2所示。

2.2.3平臺(tái)應(yīng)用層

高校物聯(lián)網(wǎng)能源電力管理平臺(tái)全量接入物聯(lián)感知層的傳感器/執(zhí)行器，具有消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸協(xié)議（messagequeuingtelemetrytransportprotocol，MQTT）、受限制的應(yīng)用協(xié)議（constrainedapplicationprotocol，CoAP）、物聯(lián)網(wǎng)的輕量級(jí)協(xié)議（lightweightmachinetomachine，LwM2M）、超文本傳輸協(xié)議（hypertexttransferprotocol，HTTP）、超文本傳輸安全協(xié)議（hypertexttransferprotocoloversecuresocketlayer，HTTPS）等多種應(yīng)用層物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議接入能力，既滿足設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控等長(zhǎng)連接的實(shí)時(shí)性需求，也滿足遠(yuǎn)程抄表等短連接的低功耗需求。

MQTT協(xié)議：平臺(tái)支持設(shè)備使用MQTT協(xié)議接入。MQTT是基于TCP/IP協(xié)議棧構(gòu)建的異步通信消息協(xié)議，是一種輕量級(jí)的發(fā)布/訂閱信息傳輸協(xié)議。MQTT在時(shí)間和空間上，將消息發(fā)送者與接受者分離，可以在不可靠的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中進(jìn)行擴(kuò)展。適用于設(shè)備硬件存儲(chǔ)空間有限或網(wǎng)絡(luò)帶寬有限的場(chǎng)景。

CoAP/LwM2M協(xié)議：平臺(tái)支持CoAP/LwM2M協(xié)議連接通信。CoAP協(xié)議適用在資源受限的低功耗設(shè)備上使用，LwM2M是基于傳輸層CoAP協(xié)議的應(yīng)用層協(xié)議，該協(xié)議是由開放移動(dòng)聯(lián)盟（openmobilealliance，OMA）提出并定義的適用于資源有限的終端設(shè)備管理的輕量級(jí)物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，聚焦于低功耗廣覆蓋物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)，是一種可在全球范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用的新興技術(shù)。HTTP協(xié)議：平臺(tái)支持HTTP協(xié)議規(guī)范。

TCP協(xié)議：平臺(tái)支持TCP協(xié)議直接接入，可通過(guò)數(shù)據(jù)解析，使用自定義腳本的方式完成對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)的解析。

平臺(tái)對(duì)終端設(shè)備進(jìn)行從接入平臺(tái)時(shí)起，直至設(shè)備壞損停止運(yùn)行的“全生命周期管理”。平臺(tái)搭建包括能耗分析、能耗預(yù)測(cè)、能耗預(yù)警在內(nèi)的多種能耗數(shù)據(jù)應(yīng)用模型，對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析，對(duì)能耗提供數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)可視化等數(shù)據(jù)服務(wù)，為節(jié)能決策提供支撐。

3能源電力管理平臺(tái)功能模塊設(shè)計(jì)

3.1能源電力管理設(shè)計(jì)思路

如圖7所示，高校用電按照功能可劃分為：電教功能設(shè)備用電、負(fù)載/插座用電、暖通空調(diào)用電以及照明/動(dòng)力設(shè)備用電4類。針對(duì)這4類用電的自身屬性以及高校各區(qū)域潮汐式用電的獨(dú)you特點(diǎn)，聚焦這4類用電場(chǎng)景中的重點(diǎn)項(xiàng)目進(jìn)行能源電力管理模塊設(shè)計(jì)，主要包括電子班牌控制模塊，對(duì)日常負(fù)載用能設(shè)備進(jìn)行管理的電力監(jiān)測(cè)、計(jì)量模塊，暖通空調(diào)控制模塊，照明控制模塊。

3.2電子班牌控制模塊設(shè)計(jì)

高校教室、會(huì)議室、圖書館、實(shí)驗(yàn)室等場(chǎng)所設(shè)置有大量電子班牌設(shè)備終端，一旦設(shè)備開啟，即使無(wú)人觀看也會(huì)一直處于持續(xù)播放狀態(tài)，造成大量能源浪費(fèi)。高校對(duì)此缺乏足夠的人力以及信息化管理控制手段對(duì)其進(jìn)行精細(xì)化管理，存在很大節(jié)能空間。

電教設(shè)備控制模塊將課程/工作時(shí)間表、人體傳感器、監(jiān)控?cái)z像頭、個(gè)性化策略（重大會(huì)議、來(lái)訪等）等作為條件輸入對(duì)終端進(jìn)行狀態(tài)控制。根據(jù)條件輸入的不同，能源電力管理平臺(tái)可根據(jù)規(guī)劃好的策略控制電子班牌的關(guān)機(jī)、待機(jī)、開機(jī)。

對(duì)電子班牌進(jìn)行節(jié)能控制的關(guān)鍵是對(duì)設(shè)備周圍環(huán)境進(jìn)行探知，判斷是否有人正在觀看電子班牌，在無(wú)人使用情況下將電子班牌顯示屏關(guān)閉，設(shè)為待機(jī)狀態(tài)。為保證學(xué)生、教師在遠(yuǎn)距離觀察時(shí)，電子班牌顯示屏可以保持開啟狀態(tài)，不影響使用體驗(yàn)，設(shè)計(jì)采用2種方式進(jìn)行人體感知：

1）監(jiān)控?cái)z像頭。對(duì)于設(shè)有監(jiān)控?cái)z像頭的區(qū)域，可采用AI人體識(shí)別與虛擬電子圍欄相結(jié)合的方式進(jìn)行判別，將虛擬電子圍欄區(qū)域與電子班牌設(shè)備終端綁定，有人進(jìn)入圍欄區(qū)域，則自動(dòng)將電子班牌從待機(jī)狀態(tài)切換至正常開機(jī)狀態(tài)。

2）人體傳感器。對(duì)于未設(shè)置監(jiān)控?cái)z像頭的區(qū)域，可現(xiàn)場(chǎng)安裝5G人體傳感器，人體傳感器采用熱釋電傳感技術(shù)，熱釋電元件受人體紅外線輻射后，會(huì)產(chǎn)生熱釋電，經(jīng)過(guò)放大器放大后，引起輸出電壓變化。能源電力管理平臺(tái)接收信號(hào)后聯(lián)動(dòng)該人體傳感器周遭電子班牌從待機(jī)狀態(tài)切換至正常開機(jī)狀態(tài)。

3.3電力監(jiān)測(cè)、計(jì)量模塊設(shè)計(jì)

電力檢測(cè)、計(jì)量功能模塊的設(shè)計(jì)主要基于兩個(gè)方面進(jìn)行考量。一方面是高校學(xué)生經(jīng)常性違反學(xué)校規(guī)定私拉電線、使用大功率電器（熱得快、電飯煲、電熱毯等）。這類行為導(dǎo)致電力線路頻繁過(guò)載、加速老化，留下嚴(yán)重火災(zāi)隱患，需要在上述不文明用電行為發(fā)生時(shí)能夠迅速判斷發(fā)現(xiàn)問題，并通知校內(nèi)工作人員予以制止。另一方面，對(duì)于不會(huì)直接影響校園電網(wǎng)運(yùn)行的浪費(fèi)用電行為，需要利用數(shù)字化、信息化、智慧化的手段進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)并杜絕相應(yīng)行為。

電力檢測(cè)、計(jì)量功能模塊遵循細(xì)化數(shù)據(jù)采集顆粒度與按需配置終端相結(jié)合的設(shè)計(jì)原則，如圖8所示，在高校的各高壓配電柜（35kV以下）、低壓配電柜（380V）、樓層配電箱（380V、220V）以及宿舍樓的各個(gè)宿舍回路設(shè)置5G電力計(jì)量終端，如圖9所示，對(duì)電流、電壓、功率因數(shù)、電弧、溫度、電量等狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。電力計(jì)量終端5G通信模塊通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)與用采/計(jì)量主站連接，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程采集及參數(shù)的遠(yuǎn)程下發(fā)等功能，符合電網(wǎng)企業(yè)計(jì)量終端標(biāo)準(zhǔn)。利用5G網(wǎng)絡(luò)特性，豐富抄表內(nèi)容，提升抄表頻次，以此增強(qiáng)能源電力管理精細(xì)度。

能源電力管理平臺(tái)運(yùn)用AI智能分析技術(shù)實(shí)時(shí)分析終端數(shù)據(jù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)回路漏電、過(guò)壓、過(guò)載、短路、三相不平衡等問題，及時(shí)采用滅弧、斷點(diǎn)等手段進(jìn)行電路保護(hù)。同時(shí)在工作站和相應(yīng)管理人員手持終端上進(jìn)行事故報(bào)警，安排人員及時(shí)到場(chǎng)處置處理。

此外，能源電力管理平臺(tái)運(yùn)用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷分析，對(duì)于各類故障進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、對(duì)比分析。對(duì)于頻繁出現(xiàn)故障的區(qū)域和回路進(jìn)行智能識(shí)別，提醒工作人員現(xiàn)場(chǎng)檢查是否存在使用大功率電器等行為，將被動(dòng)防御轉(zhuǎn)換為主動(dòng)預(yù)防。同時(shí)平臺(tái)對(duì)同類型區(qū)域進(jìn)行歸類匯總（如同面積同居住人數(shù)的學(xué)生宿舍），橫向?qū)Ρ饶芎闹笜?biāo)，對(duì)于用電數(shù)據(jù)異常以及用電嚴(yán)重超標(biāo)的區(qū)域進(jìn)行檢查，降低校園整體能耗水平。

3.4暖通空調(diào)控制模塊設(shè)計(jì)

暖通空調(diào)控制模塊在設(shè)計(jì)過(guò)程中充分考慮高校中教學(xué)樓、圖書館、宿舍樓等功能性建筑鮮明的潮汐人流特點(diǎn)。建筑內(nèi)人流量隨時(shí)間變化存在峰谷值，人體散熱以及人群活動(dòng)造成場(chǎng)所內(nèi)溫度波動(dòng)，而僅通過(guò)傳感器進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)存在滯后性。溫度過(guò)度調(diào)節(jié)/滯后調(diào)節(jié)不僅給教師、學(xué)生帶來(lái)體感不適，同時(shí)更造成了能源浪費(fèi)。

暖通空調(diào)控制模塊主要由終端傳感器采集室內(nèi)溫度數(shù)據(jù)，同時(shí)結(jié)合高校各區(qū)域潮汐人流的特點(diǎn)，運(yùn)用大數(shù)據(jù)和AI智能分析的手段進(jìn)行節(jié)能策略制定，一方面減少建筑人流低谷時(shí)段設(shè)備的運(yùn)行功耗、待機(jī)功耗以及空轉(zhuǎn)功耗；另一方面提前預(yù)知人流高峰，根據(jù)教學(xué)樓、圖書館、宿舍樓等建筑的不同特點(diǎn)制定溫度控制時(shí)間表，對(duì)上述建筑物實(shí)施分時(shí)、分區(qū)供冷供熱。

由AI智能分析算法根據(jù)該區(qū)域溫度與時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系制定空調(diào)機(jī)組*佳啟/停時(shí)間、焓值切換模式、機(jī)組組合群控模式等。為保證空調(diào)機(jī)組設(shè)備的使用壽命、避免不正確操作造成設(shè)備損壞，系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)備保護(hù)功能，限定規(guī)定時(shí)間中設(shè)備的啟/停次數(shù)，并且可對(duì)設(shè)備設(shè)置啟/停延時(shí)。

3.5照明控制模塊設(shè)計(jì)

照明控制模塊運(yùn)用5G+物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過(guò)設(shè)置前端人體紅外、光敏傳感器及視頻監(jiān)控?cái)z像頭實(shí)時(shí)掌握照明區(qū)域的人流情況、自然光照情況，并在照明燈具上配置燈光控制器，實(shí)現(xiàn)高校建筑內(nèi)燈光照明的開關(guān)控制、調(diào)光控制以及監(jiān)測(cè)計(jì)量。

照明控制模塊采用“按需照明”的節(jié)能照明策略，將自然照明條件、環(huán)境情況、人員照明實(shí)際需求相結(jié)合，具有多種工作模式，有效增加能源的利用率，使高校照明系統(tǒng)更節(jié)能、更高效。

4安科瑞高校綜合能效解決方案

4.1校園電力監(jiān)控與運(yùn)維

集成設(shè)備所有數(shù)據(jù)，綜合分析、協(xié)同控制、優(yōu)化運(yùn)行，集中調(diào)控，集中監(jiān)控，數(shù)字化巡檢，移動(dòng)運(yùn)維，班組重新優(yōu)化整合，減少人力配置。

4.2后勤計(jì)費(fèi)管理

采用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)抄表付費(fèi)管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電、水、氣等能源綜合計(jì)費(fèi)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表、費(fèi)率設(shè)置、賬單統(tǒng)計(jì)匯總等，支持微信、支付寶、一卡通等充值支付方式，可設(shè)置補(bǔ)貼方案。通過(guò)能源付費(fèi)管理方式，培養(yǎng)用能群體和部門的節(jié)能意識(shí)。

4.2.1宿舍用電管理

針對(duì)學(xué)生宿舍用電進(jìn)行管理控制：可批量下發(fā)基礎(chǔ)用電額度和定時(shí)通斷功能；可進(jìn)行惡性負(fù)載識(shí)別，檢測(cè)違規(guī)電氣，并可獲取違規(guī)用電跳閘記錄。

4.2.2商鋪水電收費(fèi)

針對(duì)校園超市、商鋪、食堂及其他針對(duì)個(gè)體的水電用能進(jìn)行預(yù)付費(fèi)管理。

4.2.3充電樁管理平臺(tái)

充電樁在“源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)、充”信息能源結(jié)構(gòu)中是必不ke缺的。充電樁應(yīng)用管理同樣是校園生活服務(wù)中必不ke缺的一部分。

4.2.4智能照明管理

通過(guò)對(duì)高校路燈的全局監(jiān)測(cè)，提供對(duì)路燈靈活智能的管理，實(shí)現(xiàn)校園內(nèi)任一線路，任一個(gè)路燈的定時(shí)開關(guān)、強(qiáng)制開關(guān)、亮度調(diào)節(jié)，以及定時(shí)控制方案靈活設(shè)置，確保路燈照明的智能控制和高效節(jié)能。

4.3能源管理系統(tǒng)

針對(duì)校園水、電、氣等各類接入能源進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，包含同比分析、環(huán)比分分析、損耗分析等。了解用能總量和能源流向。

按校園建筑的分類進(jìn)行采集和統(tǒng)計(jì)的各類建筑耗電數(shù)據(jù)。如辦公類建筑耗電、教學(xué)類建筑耗電、學(xué)生宿舍耗電等，對(duì)數(shù)據(jù)分門別類的分析，提供領(lǐng)導(dǎo)決策，提高管理效能。

構(gòu)建符合校園節(jié)能監(jiān)管內(nèi)容及要求的數(shù)據(jù)庫(kù)，能自動(dòng)完成能耗數(shù)據(jù)的采集工作，自動(dòng)生成各種形式的報(bào)表、圖表以及系統(tǒng)性的能耗審計(jì)報(bào)告，能夠監(jiān)測(cè)能耗設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)置控制策略，達(dá)到節(jié)能目的。

4.4智慧消防系統(tǒng)

智慧消防云平臺(tái)基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等現(xiàn)代信息技術(shù)，將分散的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警設(shè)備、電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備、智慧煙感探測(cè)器、智慧消防用水等設(shè)備連接形成網(wǎng)絡(luò)，并對(duì)這些設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行智能化感知、識(shí)別、定位，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)采集消防信息，通過(guò)云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、挖掘和趨勢(shì)分析，幫助實(shí)現(xiàn)科學(xué)預(yù)警火災(zāi)、網(wǎng)格化管理、落實(shí)多元責(zé)任監(jiān)管等目標(biāo)。實(shí)現(xiàn)了無(wú)人化值守智慧消防，實(shí)現(xiàn)智慧消防“自動(dòng)化”、“智能化”、“系統(tǒng)化”需求。從火災(zāi)預(yù)防，到火情報(bào)警，再到控制聯(lián)動(dòng)，在統(tǒng)一的系統(tǒng)大平臺(tái)內(nèi)運(yùn)行，用戶、安保人員、監(jiān)管單位都能夠通過(guò)平臺(tái)直觀地看到每一棟建筑物中各類消防設(shè)備和傳感器的運(yùn)行狀況，并能夠在出現(xiàn)細(xì)節(jié)隱患、發(fā)生火情等緊急和非緊急情況下，在幾秒時(shí)間內(nèi)，相關(guān)報(bào)警和事件信息通過(guò)手機(jī)短信、語(yǔ)音電話、郵件提醒和APP推送等手段，就迅速能夠迅速通知到達(dá)相關(guān)人員。

5.平臺(tái)部署硬件選型

5.1電力監(jiān)控與運(yùn)維平臺(tái)

5.2后勤計(jì)費(fèi)管理

5.2.1宿舍/商業(yè)預(yù)付費(fèi)平臺(tái)

5.2.2充電樁管理平臺(tái)

5.2.3智能照明管理

5.3能源管理系統(tǒng)

5.4智慧消防系統(tǒng)

5.4.1電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)

5.4.2消防設(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng)

5.4.3防火門監(jiān)控系統(tǒng)

6結(jié)束語(yǔ)

以“5G+智能化”為基礎(chǔ)路線，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)建立高校綠色智慧能源管控模型，構(gòu)建一套適合校園能耗特征的能源電力管理系統(tǒng)，對(duì)高校綠色學(xué)校創(chuàng)新和低碳模式探索具有深遠(yuǎn)意義。一是大力推進(jìn)校園節(jié)能降碳改造，特別是整體性和系統(tǒng)性改造，將科研和供能系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行相結(jié)合，通過(guò)大數(shù)據(jù)分析和實(shí)時(shí)監(jiān)控，開展能效診斷，優(yōu)化能源供用方案，為推動(dòng)校園發(fā)展全面綠色轉(zhuǎn)型貢獻(xiàn)智慧和力量；二是高校可以充分利用有利條件積極大力弘揚(yáng)綠色低碳文化，引導(dǎo)師生自覺做綠色低碳技術(shù)的創(chuàng)新者、綠色低碳生活的踐行者；三是創(chuàng)造高校節(jié)能降碳領(lǐng)域人才培養(yǎng)實(shí)踐環(huán)境，為實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)發(fā)揮更大的人才培養(yǎng)作用。

綜上，高校能源電力轉(zhuǎn)型，需要加強(qiáng)能源電力管理和數(shù)字技術(shù)的融合力度，綜合運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、AI人工智能等數(shù)字化手段，提升生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)效率和綜合管控水平，以數(shù)據(jù)+平臺(tái)+應(yīng)用，加速高校能源電力管理數(shù)字化進(jìn)程，為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)助力，為發(fā)展新經(jīng)濟(jì)賦智賦能。

【參考文獻(xiàn)】

【1】尹霞，王筱琲，李曉，李炳森.基5G技術(shù)的高校物聯(lián)網(wǎng)能源電力管理平臺(tái)的研究應(yīng)用[J]國(guó)網(wǎng)信息通信產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司.2023（12）：52-60.

【2】英荷殼牌石油公司《BP世界能源統(tǒng)計(jì)年鑒》編輯部.BP世界能源統(tǒng)計(jì)年鑒（2021年版）［R］.倫敦：英荷殼牌石油公司，2021.

【3】高校綜合能效解決方案2022.5版.

【4】企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè)2022.05版.

作者簡(jiǎn)介

任運(yùn)業(yè)，男，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司。