基于5G技術(shù)的高校物聯(lián)網(wǎng)能源電力管理平臺(tái)的研究應(yīng)用

尹 霞，王筱琲，李 曉，李炳森

（1.聯(lián)通數(shù)字科技有限公司，北京 101111；2.國網(wǎng)信息通信產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司，北京 102211）

0 引言

我國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2020 年電力消費(fèi)總量約占同期全球消費(fèi)量29%［1］。能量消耗高速增長，傳統(tǒng)粗放的能源電力管理模式已經(jīng)無法滿足當(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，在我國總體能源消耗中所占比例較大。我國在校大學(xué)生數(shù)量僅占全國人口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人均水平的4 倍［2］。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［3-5］。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 月是一年中的最冷月，7 月、8 月是一年中的最熱月，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)間相對集中。高校中大部分的建筑耗能設(shè)施比較陳舊、簡單，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)。

1.2 5G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”?；?G、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)測點(diǎn)位傳感器，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測設(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，引領(lǐng)未來低碳技術(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，各種新興技術(shù)進(jìn)入高速發(fā)展期，隨著我國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)，國家節(jié)能減排相關(guān)政策陸續(xù)出臺(tái)、落地，各大高校對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，全國高等學(xué)校共計(jì)3 013 所，本科院校1 270 所，?？圃盒? 489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)。

圖1 全國普通高等學(xué)校數(shù)量Fig.1 Number of national colleges and universities

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、施工周期較長等客觀突出問題，很難形成規(guī)?；?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，具有施工簡單、無須布線、即插即用等優(yōu)勢。同時(shí)各類物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備均可通過物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)統(tǒng)一監(jiān)控、統(tǒng)一管理。

無線傳輸可采用第五代移動(dòng)通信技術(shù)（5th generation mobile communication technology，5G）、ZigBee 無線通信技術(shù)（ZigBee wireless communication technology，ZigBee）、LoRa 無線通信技術(shù)（LoRa wireless communication technology，LoRa）、無線保真技術(shù)（wireless fidelity，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：1）傳輸速率高，5G 傳輸峰值速率高達(dá)20 Gbit/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（user plane function，UPF）至高校運(yùn)營商機(jī)房，便可共用運(yùn)營商在高校已部署的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，與采用有線傳輸無本質(zhì)區(qū)別［6-10］。

表1 無線傳輸方式對比Table 1 Comparison of wireless transmission modes

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)更為貼合我國高校現(xiàn)有實(shí)際情況。通過校園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)。

圖2 終端設(shè)備統(tǒng)一管理Fig.2 Unified management of terminal equipment

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)針對特定高校節(jié)能場景的跨系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)。由此改善教室、圖書館、宿舍等場所能耗浪費(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。

圖3 整體架構(gòu)Fig.3 Overall architecture diagram

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)庫和模糊計(jì)算等技術(shù)，對終端設(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［11-12］。

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，特別是無線通信提供保障［13］。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（customer premise equipment，CPE）將設(shè)備接入校園5G 專網(wǎng)。CPE 可以把運(yùn)營商移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)轉(zhuǎn)化為寬帶網(wǎng)絡(luò)和Wi-Fi，同時(shí)具有無線路由器的功能，能夠用有線/無線的方式為終端設(shè)備提供寬帶網(wǎng)絡(luò)連接和無線網(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)營商基站建設(shè)實(shí)際情況，網(wǎng)絡(luò)傳輸層采用5G混合網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)形式。以運(yùn)營商建設(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。

圖4 5G組網(wǎng)形式區(qū)分Fig.4 5G networking form

圖5 5G校園混合專網(wǎng)架構(gòu)Fig.5 5G campus hybrid private network architecture diagram

UPF 作為移動(dòng)錨點(diǎn)，負(fù)責(zé)分組路由、轉(zhuǎn)發(fā)、包檢測及策略執(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（access and mobility management function，AMF）用于注冊、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（session management function，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，無線基站對終端設(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)［14］。通過核心網(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15 ms，部分場景下時(shí)延小于10 ms。

物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備對于通信網(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-input multiple-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)等功能對于通信網(wǎng)絡(luò)有著較高需求［15-16］。

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)備對網(wǎng)絡(luò)傳輸具體性能要求如表2所示。

表2 終端設(shè)備網(wǎng)絡(luò)需求Table 2 Terminal equipment network requirements

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)列遙測傳輸協(xié)議（message queuing telemetry transport protocol，MQTT）、受限制的應(yīng)用協(xié)議（constrained application protocol，CoAP）、物聯(lián)網(wǎng)的輕量級(jí)協(xié)議（lightweight machine to machine，LwM2M）、超文本傳輸協(xié)議（hyper text transfer protocol，HTTP）、超文本傳輸安全協(xié)議（hyper text transfer protocol over secure socket layer，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（open mobile alliance，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，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，可通過數(shù)據(jù)解析，使用自定義腳本的方式完成對設(shè)備數(shù)據(jù)的解析。

平臺(tái)對終端設(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、能耗預(yù)警在內(nèi)的多種能耗數(shù)據(jù)應(yīng)用模型，對收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析，對能耗提供數(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)有特點(diǎn)，聚焦這4類用電場景中的重點(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，對日常負(fù)載用能設(shè)備進(jìn)行管理的電力監(jiān)測、計(jì)量模塊，暖通空調(diào)控制模塊，照明控制模塊［17］。

圖7 高校用能分類Fig.7 Classification of energy consumption in universities

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)。高校對此缺乏足夠的人力以及信息化管理控制手段對其進(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、來訪等）等作為條件輸入對終端進(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)［18］。

對電子班牌進(jìn)行節(jié)能控制的關(guān)鍵是對設(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。對于未設(shè)置監(jiān)控?cái)z像頭的區(qū)域，可現(xiàn)場安裝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、計(jì)量模塊設(shè)計(jì)

電力檢測、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、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（35 kV 以下）、低壓配電柜（380 V）、樓層配電箱（380 V、220 V）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。

圖8 5G三相電表模組結(jié)構(gòu)Fig.8 Structure diagram of 5G three-phase meter module

圖9 電力監(jiān)測、計(jì)量功能模塊Fig.9 Power monitoring and metering function module

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、過壓、過載、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)到場處置處理［19］。

此外，能源電力管理平臺(tái)運(yùn)用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷分析，對于各類故障進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、對比分析。對于頻繁出現(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［20］。

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)造成場所內(nèi)溫度波動(dòng)，而僅通過傳感器進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)存在滯后性。溫度過度調(diào)節(jié)/滯后調(diào)節(jié)不僅給教師、學(xué)生帶來體感不適，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)間的對應(yīng)關(guān)系制定空調(diào)機(jī)組最佳啟/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 結(jié)束語

以“5G+智能化”為基礎(chǔ)路線，通過物聯(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?？梢猿浞掷糜欣麠l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。