基于5G技術的校物聯網能源電力管理平臺的研究及相關產品應用

摘要：校作為大規模能源消費端，存在電力管理手段欠缺導致能源嚴重浪費的問題，可通過加強能源電力管理和數字技術的融合力度，綜合運用物聯網、云計算、AI人工智能等數字化手段，提升運營效率和綜合管控水平，從而實現能源電力管控創新。對5G組網及物聯網平臺建設進行研究探索，提出一種適用于校場景的基于5G校園混合專網的物聯網能

源電力管理平臺，提出面向校四大用能場景的針對性節能策略與方案，展望校綠色節能發展方向。

關鍵詞：5G；校園混合專網；物聯網；能源電力管理平臺

0引言

我國2020年能源消費量占全球能源消費總量的26%，在電力領域，我國2020年電力消費總量約占同期全球消費量29%。能量消耗速增長，傳統粗放的能源電力管理模式已經無法滿足當前社會需求，節能降耗面臨嚴峻的考驗，在全球“雙碳”大背景下，能源電力轉型勢在必行。在用電消費端，校人流量大、用電要素復雜，在我國總體能源消耗中所占比例較大。我國在校大學生數量僅占全國人口3%，但校能耗在社會總能耗中的占比達8%，校人均用電量是全國人均水平的4倍。同時，校園基礎能耗設施陳舊，能源電力管理粗放問題突出，校園節能領域存在巨大提升空間，具有迫切的改造需求。目前，隨著技術水平發展，物聯網技術在智能電網、樓宇能耗監控領域已有廣泛應用，可以提供精細化管理、信息數據采集、設備設施效率提升、低碳節能運行以及公共服務均等化和普惠化方面的有力支撐。為此，從校園節能減排目標入手，利用“5G+物聯網”構建校能源感知網絡，結合校園已有能耗設施現狀，建立有效的能源電力監控與管理應用。

1校能源電力管理現狀分析

1.1校能耗特征分析

校建筑類型多，不僅有教學樓、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致能耗種類的多樣化。

校電力能耗具有明顯的季節性。由于校在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，能耗量會明顯上升。

校電力能耗集中。校耗能設施陳舊單一，使用時間相對集中。校中大部分的建筑耗能設施比較陳舊、簡單，而且學生的學習和生活作息具有規律性。

校電力節能潛力巨大。校絕大部分都是文化水平較的教師及學生，素質、節能意識較強。同時，校作為教育和科研基地，具有研究、實踐新型節能技術的物質和精神基礎。

1.25G賦能綠色校園能源電力管理

5G技術在綠色校園領域應用具有三大現實基礎：

1）5G技術推動低碳學習生活方式轉變。5G泛在實時連接正逐漸改變校園的教學生活方式，線上會議、線上教學、虛擬教學、在線考試等應用正加速推廣，可以有效減少師生出行活動產生的能耗與排放。

2）5G技術為校園節能增效“注智賦能”?；?G、云計算、邊緣計算、人工智能等技術，校園可部署能源電力管理平臺，實現對水、電、氣、熱等資源的全面監控，減少物流和能源的碳消耗。利用5G大連接特性，連接電源、建筑等監測點位傳感器，實現監測設備信息的實時讀取，覆蓋能源生產、管控、用能三大環節，打造能源數據感知、能源優化服務、能源綜合管控的全鏈條閉環服務體系。

3）5G技術助力碳達峰、碳中和人才培養。5G網絡的深度覆蓋將賦能校園數字化轉型，驅動低耗、環保的綠色智慧校園研究與發展。結合碳達峰、碳中和發展需求，創新綠色人才培養模式，*未來低碳技術發展，打造人才培養體系。

2校物聯網能源電力管理平臺

2.1建設思路

2010年來，各種新興技術進入速發展期，隨著我國5G正式大規模商用，大數據、互聯網+、人工智能、云計算等前沿技術得到充分整合和運用，在電力、教育等行業取得重大進展和廣泛應用。與此同時，國家節能減排相關政策陸續出臺、落地，各大校對于校園能源電力管理提出了更的要求。

據統計，截至2022年5月31日，全國等學校共計3013所，本科院校1270所，?？圃盒?489所，如圖1所示。85%以上的校已有10年以上的存續歷史。各大?，F有建筑建設年限較為久遠，直接導致校園建設整體信息化、智能化水平偏低，與能源電力管理相關的終端設備往往不具備智能采集、控制功能以及數據上傳的網絡鏈路。因此，在進行能源電力管理平臺整體規劃建設過程中除了需要考慮終端設備的智能化升級外，還需要考慮傳輸網絡的整體建設。有線網絡傳輸包括采用光纖、銅纜等固定網絡傳輸形式，在校的能源電力管理平臺建設上存在布線困難、施工周期較長等客觀突出問題，很難形成規?；藴驶膽茫y以推廣。相比之下，基于物聯網技術應用的無線傳輸網絡則可很大程度滿足校能源電力管理平臺的需求，具有施工簡單、無須布線、即插即用等優勢。同時各類物聯網終端設備均可通過物聯網管理平臺統一監控、統一管理。

無線傳輸可采用第五代移動通信技術（5thgenerationmobilecommunicationtechnology，5G）、ZigBee無線通信技術（ZigBeewirelesscommunication

technology，ZigBee）、LoRa無線通信技術（LoRawirelesscommunicationtechnology，LoRa）、無線保真技術（wirelessfidelity，WiFi）等多種形式，如表1所示，在校等園區領域選用5G傳輸具有以下優勢：

1）傳輸速率，5G傳輸峰值速率達20Gbit/s，與WiFi、LoRa等傳輸速率相比有幾十乃至數百倍的提升，可以更好支持電子班牌、攝像頭等具有更傳輸速率需求的終端設備；

2）建設難度低，采用5G傳輸，只需要部署核心網用戶面網元（userplanefunction，UPF）至校運營商機房，便可共用運營商在校已部署的5G公共基站，搭建5G混合專網。采用其他方式傳輸，則需要在校部署無線基站/網關并為其供電、聯網，同樣需要在辦公區、教學區進行布線、安裝等一系列施工工序，與采用有線傳輸無本質區別。

基于上述分析，采用5G技術搭建校物聯網能源電力管理平臺更為貼合我國?，F有實際情況。通過校園5G專網，利用物聯網技術將與能源電力管理有關的全部物聯感知終端以及智能化系統進行集成，如圖2所示，有機銜接信息資源、設備狀態和業務事件，打造在異構子系統之間跨越各應用系統邊界的統一管理平臺。

建設校物聯網能源電力管理平臺，旨在消除“信息孤島”，將原本孤立、封閉的子系統縱向解耦，消除應用與終端設備的強綁定關系。利用平臺橫向整合，打破子系統間的壁壘，由校園物聯網能源電力管理平臺進行統一調配管控，實現針對特定校節能場景的跨系統聯動。由此改善教室、圖書館、宿舍等場所能耗浪費現象，提校園整體的能源利用效率。

2.2整體架構

校物聯網能源電力管理平臺采用標準的物聯網三層架構，整體架構自下而上由物聯感知層、網絡傳輸層和平臺應用層組成，如圖3所示。

物聯感知層運用傳感和識別技術將物理世界中的各類物理量轉化成可供處理的數字信號，負責實現對物理世界的智能感知識別、信息采集處理和自動控制，并通過通信模塊將物理實體連接到網絡傳輸層和平臺應用層。

網絡傳輸層主要用于數據信息和控制信息的雙向傳遞、路由和控制，實現硬件世界與應用生態的數據互聯，支持多數據源、多目標、多種協議的信息傳輸，網絡傳輸層可采用公共的運營商網絡和互聯網，也可以依托行業專用通信網絡。平臺應用層綜合運用性能計算、人工智能、數據庫和模糊計算等技術，對終端設備數據進行存儲、查詢、分析、挖掘、理解，并基于終端設備數據進行節能決策和行為控制。

2.2.1物聯感知層

5G技術的融合應用可以提供可靠、穩定、效的互聯網通信，為校用電端設備通信，特別是無線通信提供。保障根據校物聯網能源電力管理平臺采用校園5G專網的整體架構要求，所有物聯感知層傳感器、執行器均選用具有5G模組的設備。對于不具有5G模組的終端設備，可采用5G客戶前置終端設備（customerpremiseequipment，CPE）將設備接入校園5G專網。CPE可以把運營商移動網絡信號轉化為寬帶網絡和Wi-Fi，同時具有無線路由器的功能，能夠用有線/無線的方式為終端設備提供寬帶網絡連接和無線網絡連接。

2.2.2網絡傳輸層

網絡傳輸層5G組網形式區分如圖4所示，根據校運營商基站建設實際情況，網絡傳輸層采5G混合網絡組網形式。以運營商建設的校內5G基站為基礎，運用5G數據切片技術，共用已有5G基站，同時部署私有化的UPF，構成5G公網和校園5G專網并行的5G混合專網，如圖5所示。

UPF作為移動錨點，負責分組路由、轉發、包檢測及策略執行、流量上報等功能，并負責計費報告生成，滿足校對于邊緣網絡及業務能力的需求。

接入和移動性管理功能（accessandmobilitymanagementfunction，AMF）用于注冊、連接、可達性及移動性管理，完成用戶的接入認證和鑒權。

會話管理功能（sessionmanagementfunction，SMF）提供會話管理、IP地址分配、策略執行、計費等功能。

在5G混合專網的基站共享模式下，無線基站對終端設備規劃專有標識。AMF負責根據各類終端的切片標識進行接入認證和鑒權，歸屬校園5G專網的終端無法接入5G公網數據業務，從而為校構建一張增強帶寬、低時延、核心數據不出校園的基礎連接網絡。通過核心網絡的本地部署+空口預調度技術，有效提升端到端時延指標，網絡端到端時延小于15ms，部分場景下時延小于10ms。

物聯網終端設備對于通信網絡的需求體現在以下3個方面：

1）可靠性需求。終端設備數據采集的可靠性要求99.9%，設備控制則需要達到99.999%。利用5G的多輸入多輸出（mutiple-inputmultiple-output，MIMO）技術，在發送端和接收端建立多個天線，可以很大程度優化數據通信的基本質量。

2）實時性。物聯網能源電力管理平臺需要監控用電終端設備運行狀態，并在優化計算后及時生成調節指令，下發指令數據對實時性有較要求，關鍵控制指令時延要求達到毫秒級。

3）帶寬。視頻類終端設備的4K/8K清圖像、多屏多視角、自由視角、VR互動等功能對于通信網絡有著較需求，采用不同5G切片技術所得指標如圖6所示，物聯網終端設備對網絡傳輸具體性能要求如表2所示。

2.2.3平臺應用層

校物聯網能源電力管理平臺全量接入物聯感知層的傳感器/執行器，具有消息隊列遙測傳輸協議（messagequeuingtelemetrytransportprotocol，MQTT）、受限制的應用協議（constrainedapplicationprotocol，CoAP）、物聯網的輕量級協議（lightweightmachinetomachine，LwM2M）、超文本傳輸協議（hypertexttransferprotocol，HTTP）、超文本傳輸安全協議（hypertexttransferprotocoloversecuresocketlayer，HTTPS）等多種應用層物聯網協議接入能力，既滿足設備狀態監控等長連接的實時性需求，也滿足遠程抄表等短連接的低功耗需求。

MQTT協議：平臺支持設備使用MQTT協議接入。MQTT是基于TCP/IP協議棧構建的異步通信消息協議，是一種輕量級的發布/訂閱信息傳輸協議。MQTT在時間和空間上，將消息發送者與接受者分離，可以在不可靠的網絡環境中進行擴展。適用于設備硬件存儲空間有限或網絡帶寬有限的場景。

CoAP/LwM2M協議：平臺支持CoAP/LwM2M協議連接通信。CoAP協議適用在資源受限的低功耗設備上使用，LwM2M是基于傳輸層CoAP協議的應用層協議，該協議是由開放移動聯盟（openmobilealliance，OMA）提出并定義的適用于資源有限的終端設備管理的輕量級物聯網協議，聚焦于低功耗廣覆蓋物聯網市場，是一種可在全球范圍內廣泛應用的新興技術。HTTP協議：平臺支持HTTP協議規范。

TCP協議：平臺支持TCP協議直接接入，可通過數據解析，使用自定義腳本的方式完成對設備數據的解析。

平臺對終端設備進行從接入平臺時起，直至設備壞損停止運行的“全生命周期管理”。平臺搭建包括能耗分析、能耗預測、能耗預警在內的多種能耗數據應用模型，對收集的數據進行存儲、分析，對能耗提供數據分析和數據可視化等數據服務，為節能決策提供支撐。

3能源電力管理平臺功能模塊設計

3.1能源電力管理設計思路

如圖7所示，校用電按照功能可劃分為：電教功能設備用電、負載/插座用電、暖通空調用電以及照明/動力設備用電4類。針對這4類用電的自身屬性以及校各區域潮汐式用電的*特點，聚焦這4類用電場景中的重點項目進行能源電力管理模塊設計，主要包括電子班牌控制模塊，對日常負載用能設備進行管理的電力監測、計量模塊，暖通空調控制模塊，照明控制模塊。

3.2電子班牌控制模塊設計

校教室、會議室、圖書館、實驗室等場所設置有大量電子班牌設備終端，一旦設備開啟，即使無人觀看也會一直處于持續播放狀態，造成大量能源浪費。校對此缺乏足夠的人力以及信息化管理控制手段對其進行精細化管理，存在很大節能空間。

電教設備控制模塊將課程/工作時間表、人體傳感器、監控攝像頭、個性化策略（重大會議、來訪等）等作為條件輸入對終端進行狀態控制。根據條件輸入的不同，能源電力管理平臺可根據規劃好的策略控制電子班牌的關機、待機、開機。

對電子班牌進行節能控制的關鍵是對設備周圍環境進行探知，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閉，設為待機狀態。為保證學生、教師在遠距離觀察時，電子班牌顯示屏可以保持開啟狀態，不影響使用體驗，設計采用2種方式進行人體感知：

1）監控攝像頭。對于設有監控攝像頭的區域，可采用AI人體識別與虛擬電子圍欄相結合的方式進行判別，將虛擬電子圍欄區域與電子班牌設備終端綁定，有人進入圍欄區域，則自動將電子班牌從待機狀態切換至正常開機狀態。

2）人體傳感器。對于未設置監控攝像頭的區域，可現場安裝5G人體傳感器，人體傳感器采用熱釋電傳感技術，熱釋電元件受人體紅外線輻射后，會產生熱釋電，經過放大器放大后，引起輸出電壓變化。能源電力管理平臺接收信號后聯動該人體傳感器周遭電子班牌從待機狀態切換至正常開機狀態。

3.3電力監測、計量模塊設計

電力檢測、計量功能模塊的設計主要基于兩個方面進行考量。一方面是校學生經常性違反學校規定私拉電線、使用大功率電器（熱得快、電飯煲、電熱毯等）。這類行為導致電力線路頻繁過載、加速老化，留下嚴重火災隱患，需要在上述不文明用電行為發生時能夠迅速判斷發現問題，并通知校內工作人員予以制止。另一方面，對于不會直接影響校園電網運行的浪費用電行為，需要利用數字化、信息化、智慧化的手段進行數據分析，發現并杜絕相應行為。

電力檢測、計量功能模塊遵循細化數據采集顆粒度與按需配置終端相結合的設計原則，如圖8所示，在校的各壓配電柜（35kV以下）、低壓配電柜（380V）、樓層配電箱（380V、220V）以及宿舍樓的各個宿舍回路設置5G電力計量終端，如圖9所示，對電流、電壓、功率因數、電弧、溫度、電量等狀態進行實時采集。電力計量終端5G通信模塊通過5G網絡與用采/計量主站連接，可以實現數據的遠程采集及參數的遠程下發等功能，符合電網企業計量終端標準。利用5G網絡特性，豐富抄表內容，提升抄表頻次，以此增強能源電力管理精細度。

能源電力管理平臺運用AI智能分析技術實時分析終端數據，及時發現回路漏電、過壓、過載、短路、三相不平衡等問題，及時采用滅弧、斷點等手段進行電路保護。同時在工作站和相應管理人員手持終端上進行事故報警，安排人員及時到場處置處理。

此外，能源電力管理平臺運用大數據分析技術對歷史數據進行診斷分析，對于各類故障進行數據統計、對比分析。對于頻繁出現故障的區域和回路進行智能識別，提醒工作人員現場檢查是否存在使用大功率電器等行為，將被動防御轉換為主動預防。同時平臺對同類型區域進行歸類匯總（如同面積同居住人數的學生宿舍），橫向對比能耗指標，對于用電數據異常以及用電嚴重超標的區域進行檢查，降低校園整體能耗水平。

3.4暖通空調控制模塊設計

暖通空調控制模塊在設計過程中充分考慮校中教學樓、圖書館、宿舍樓等功能性建筑鮮明的潮汐人流特點。建筑內人流量隨時間變化存在峰谷值，人體散熱以及人群活動造成場所內溫度波動，而僅通過傳感器進行溫度調節存在滯后性。溫度過度調節/滯后調節不僅給教師、學生帶來體感不適，同時更造成了能源浪費。

暖通空調控制模塊主要由終端傳感器采集室內溫度數據，同時結合校各區域潮汐人流的特點，運用大數據和AI智能分析的手段進行節能策略制定，一方面減少建筑人流低谷時段設備的運行功耗、待機功耗以及空轉功耗；另一方面提前預知人流峰，根據教學樓、圖書館、宿舍樓等建筑的不同特點制定溫度控制時間表，對上述建筑物實施分時、分區供冷供熱。

由AI智能分析算法根據該區域溫度與時間的對應關系制定空調機組*佳啟/停時間、焓值切換模式、機組組合*模式等。為保證空調機組設備的使用壽命、避免不正確操作造成設備損壞，系統設計設備保護功能，限定規定時間中設備的啟/停次數，并且可對設備設置啟/停延時。

3.5照明控制模塊設計

照明控制模塊運用5G+物聯網技術，通過設置前端人體紅外、光敏傳感器及視頻監控攝像頭實時掌握照明區域的人流情況、自然光照情況，并在照明燈具上配置燈光控制器，實現校建筑內燈光照明的開關控制、調光控制以及監測計量。

照明控制模塊采用“按需照明”的節能照明策略，將自然照明條件、環境情況、人員照明實際需求相結合，具有多種工作模式，有效增加能源的利用率，使校照明系統更節能、更效。

4安科瑞校綜合能效解決方案

4.1校園電力監控與運維

集成設備所有數據，綜合分析、協同控制、優化運行，集中調控，集中監控，數字化巡檢，移動運維，班組重新優化整合，減少人力配置。

4.2后勤計費管理

采用先進的網絡抄表付費管理技術，實現電、水、氣等能源綜合計費，實現遠程抄表、費率設置、賬單統計匯總等，支持微信、支付寶、一卡通等充值支付方式，可設置補貼方案。通過能源付費管理方式，培養用能群體和部門的節能意識。

4.2.1宿舍用電管理

針對學生宿舍用電進行管理控制：可批量下發基礎用電額度和定時通斷功能；可進行惡性負載識別，檢測違規電氣，并可獲取違規用電跳閘記錄。

4.2.2商鋪水電收費

針對校園超市、商鋪、食堂及其他針對個體的水電用能進行預付費管理。

4.2.3充電樁管理平臺

充電樁在“源、網、荷、儲、充”信息能源結構中是*。充電樁應用管理同樣是校園生活服務中*一部分。

4.2.4智能照明管理

通過對校路燈的全局監測，提供對路燈靈活智能的管理，實現校園內任一線路，任一個路燈的定時開關、強制開關、亮度調節，以及定時控制方案靈活設置，確保路燈照明的智能控制和效節能。

4.3能源管理系統

針對校園水、電、氣等各類接入能源進行統計分析，包含同比分析、環比分分析、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行采集和統計的各類建筑耗電數據。如辦公類建筑耗電、教學類建筑耗電、學生宿舍耗電等，對數據分門別類的分析，提供領導決策，提管理效能。

構建符合校園節能監管內容及要求的數據庫，能自動完成能耗數據的采集工作，自動生成各種形式的報表、圖表以及系統性的能耗審計報告，能夠監測能耗設備的運行狀態，設置控制策略，達到節能目的。

4.4智慧消防系統

智慧消防云平臺基于物聯網、大數據、云計算等現代信息技術，將分散的火災自動報警設備、電氣火災監控設備、智慧煙感探測器、智慧消防用水等設備連接形成網絡，并對這些設備的狀態進行智能化感知、識別、定位，實時動態采集消防信息，通過云平臺進行數據分析、挖掘和趨勢分析，幫助實現科學預警火災、網格化管理、落實多元責任監管等目標。實現了無人化值守智慧消防，實現智慧消防“自動化”、“智能化”、“系統化”需求。從火災預防，到火情報警，再到控制聯動，在統一的系統大平臺內運行，用戶、安保人員、監管單位都能夠通過平臺直觀地看到每一棟建筑物中各類消防設備和傳感器的運行狀況，并能夠在出現細節隱患、發生火情等緊急和非緊急情況下，在幾秒時間內，相關報警和事件信息通過手機短信、語音電話、郵件提醒和APP推送等手段，就迅速能夠迅速通知到達相關人員。

6結束語

以“5G+智能化”為基礎路線，通過物聯網、大數據建立校綠色智慧能源管控模型，構建一套適合校園能耗特征的能源電力管理系統，對校綠色學校創新和低碳模式探索具有深遠意義。一是大力推進校園節能降碳改造，特別是整體性和系統性改造，將科研和供能系統的實際運行相結合，通過大數據分析和實時監控，開展能效診斷，優化能源供用方案，為推動校園發展全面綠色轉型貢獻智慧和力量；二是?？梢猿浞掷糜欣麠l件積極大力弘揚綠色低碳文化，引導師生自覺做綠色低碳技術的創新者、綠色低碳生活的踐行者；三是創造校節能降碳領域人才培養實踐環境，為實現雙碳目標發揮更大的人才培養作用。

綜上，校能源電力轉型，需要加強能源電力管理和數字技術的融合力度，綜合運用物聯網、云計算、AI人工智能等數字化手段，提升生產運營效率和綜合管控水平，以數據+平臺+應用，加速校能源電力管理數字化進程，為實現碳達峰、碳中和目標助力，為發展新經濟賦智賦能。

【參考文獻】

【1】尹霞，王筱琲，李曉，李炳森.基5G技術的校物聯網能源電力管理平臺的研究應用[J]國網信息通信產業集團有限公司.2023（12）：52-60.

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

【3】校綜合能效解決方案2022.5版.

【4】企業微電網設計與應用手冊2022.05版.

作者簡介

翟雪玲，女，現任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事宿舍安全用電研究發展。