智慧能源管理系统在高校中的应用与实践

张昊 管维红 秦昌琪 华驰

摘 要：节约能源，创建绿色校园是高校发展、建设的目标。文章介绍的是在高校中应用的智慧能源管理系统，系统采用感知层、网络层、应用层三层架构，实现数据采集与监控。智慧能源管理系统能够实现绿色能源协同运行和综合管理，满足了节能减排和智能运管的基本要求，为学校能源管理诊断、改造提供了科学的数据和分析依据。

关键词：智慧能源;物联网技术;绿色校园

0   引言

低能耗、低物耗生活方式是社会发展的进步标志，也是高校发展、建设的目标。随着高校办学规模不断壮大，物联网、大数据和人工智能等新一代信息技术的蓬勃发展，高校的能源消耗呈倍数级增长，尤其是实验实训基地的不断建设与提升，大量的设备处于长期工作状态，带来了巨大的能源消耗，也存在着一定的能源浪费行为。如何节约能源，创建绿色校园成为学校和社会关注的热点问题。

1   高校能源管理现状

高校运行过程中产生巨大的能源消耗，不仅增加了高校的运营成本，压缩内涵建设的空间，制约高校办学能力的提升，而且也增加了当地电网负荷，甚至还会影响高校教学办公的正常运行。智慧能源的目的就是实现能源管理的数字化、精细化、高效化，全面提升高校校园能效水平和能源管理能力[1]。

智慧能源管理是传统能源和互联网技术的组合，与互联网通信、物联网技术和云计算紧密集成，可以实现远程管控、远程诊断、大数据分析等功能。智慧能源系统已经成为现代高校建设的必备建设项目，实现节能减排和智能管理，为创建新一代绿色智慧校园奠定坚实的基础。目前，已有一些高校进行智慧能源建设，比如上海电力大学[2-3]、江南大学[4]等。而大多数高校对能源管理还处于观望或者初级阶段，绿色校园建设任重道远。

2 项目实施背景

江苏信息职业技术学院的智慧能源项目2016年起开始启动，2017年完成一期智慧草坪建設，实现草坪的温湿度监控和自动灌溉功能。2018年开始智慧能源二期建设，2019年底完成了二期建设项目验收，主要实现了太阳能发电站、智慧电表、校园气象站、校园路灯等终端信息的采集，建成了智慧能源管理平台，可以监控每个终端的使用情况。经过一年的使用，初步实现了原定目标。

3   项目实施方案

3.1  总体架构

江苏信息职业技术学院的智慧能源管理系统总体架构采用常见的“感知层、网络层、应用层”三层架构。整个智慧能源管理系统平台采用云架构，通过Web接入云端，使用方便快捷。通过信息通信与能源管理层面的建设，将能源采集和供应以及能源管理运维深度融合，真正实现了智能化的智慧能源管理系统。智慧能源系统总体架构如图1所示。

3.2  感知层建设

感知层是整个智慧能源系统的核心，是信息采集的关键部分[2]。它是三层结构中基础层，其功能为通过传感网络设备获得各类环境信息。智慧能源系统感知层设备主要有智能电表、数据采集器、路灯控制器、太阳能光伏板、校园气象站环境监测仪等。下面依次介绍这些设备的相关应用。

3.2.1  智能电表

该系统中使用的智能电表主要有单相和三相多功能两种电表。这两种电表均以MCU+计量芯片为基础，支持主流通信技术标准，具有计量、监控、显示、报警、通信等功能。不仅能够计量总电量及分时电量，并测量各相电压、电流、功率因数等数据，还能检测记录各相失压、失流、反向、过载、过流、过压等事件状况，监测实际用电的负荷情况。目前，智能电表主要安装在用电量比较大的区域采集电量使用情况，比如用电设备众多的实验实训室、服务器间、中心机房等。通过对智能电表数据的采集，可以有效及时地通过网络平台远程了解用电情况，对各区域的用电量数据进行多种统计分析，形成相关报告。智能电表还支持远程升级和系统调试，使监控管理更加简单可靠，并能确保数据的完整性。可以及时记录用电设备中发生的问题，并迅速进行故障诊断，实现有针对性的节能减排。一旦发生异常，便于迅速采取应对措施，配合其他管理方法，实现精细化管理。

3.2.2  路灯控制器设备

路灯控制器设备主要是把校园路灯改造为太阳能和风能发电的绿色节能路灯，并对发电量进行监控。路灯控制器不仅可以显示蓄电池电压、风机电压、光伏电压等数据，还可以记录过压、欠压、过载、短路等多种状况。此外，控制器可以对前半夜、后半夜、黎明、白天四个时段进行电压监控设置，以此达到合理应用光、风资源发电的目的，实现节能减排的效果。同时，路灯控制器通过降压节能的方法避免了后半夜电压过高导致灯具长时间在高于额定电压环境下容易损坏的情况，有效保护了灯具。

3.2.3  太阳能发电站

太阳能发电站通过太阳能光伏发电板实现能源的收集与利用，采集而来的能源并不是很多，主要是用于学生的实验项目。目前，使用了三块1 640×992×40 mm3大小的太阳能光伏电板，效能在15%以上，能够提供的最大功率为         250 wp。太阳能发电站也带有数据采集器。采集器上具备   2个以上RS485接口，带有以太网和GPRS通信功能，并有内部存储功能。发电站的硬件设备的参数通过RS485方式被数据采集器采集，并以无线GPRS的方式传输给远程的服务器存储、处理，同时，通过数据采集器收集和记录变频器、电表等设备的工作状态和运行数据，长期有效地监测和管理系统的发电和用电情况。数据采集器还通过采集和记录逆变器的工作状态和发电情况，对光伏发电系统进行长期有效的监测。

3.2.4  校园气象站

智慧能源系统中气象站可以为用户提供完善的环境监测方案，包括太阳辐射、风向、风速、大气温湿度等。它的配置相对简单，安装维护成本很低，能够提供精确的实时数据与历史数据，并兼容多种数据采集设备。管理平台提供可视化气象数据，简明易懂。

3.3  网络层建设

网络层是异构的集成在通信网络，包括了互联网、有线和无线通信网络、云计算平台等，负责传输和处理收集的对象信息。智慧能源系统的网络层主要通过网络平台进行远程监管。项目中智慧能源系统在小麦光伏平台上详细显示了智能设备的运行状态。该平台为各类采集器提供了强大的数据支持，光伏系统和智能电表的实时状态和历史数据都可以图形化展现，直观清晰。它便于使用者更全面、更方便地评估设备的使用效率，随时随地监控智慧能源系统，优化了运行维护效率。同时，管理员还可以自定义故障报警模式，通过实时推送及时了解系统的异常和故障状态，从而及时识别异常和故障。

3.4  应用层建设

应用层主是智慧能源系统与用户的接口，它与用户需求相结合，实现智慧能源的智能应用。江苏信息职业技术学院与企业合作开发出智慧能源子平台，将感知层各设备的应用数据集成到一起。这些感知层设备的数据均在云平台上有所展示并实时展示在大屏上。智慧能源系统平台具备数据处理、实时监控、报表管理等功能。根据学校用电特点，智慧能源系统采用分系统综合一体化解决方案，实现能源利用的稳定、清洁和高效。

4   项目运行结果分析

项目于2019年9月底进入调试安装阶段，历经1个月的运行调试，于10月顺利通过验收，进入运营期。运行1年来，各项系统运行良好。系统通过三块光伏电板每日发电量在10 Kwh左右，采集到的绿色能源接入专用的实训室供观察研究。此外，1年来还排查出用电异常、设备故障等大小问题十余次。项目为学院节省能源经费上万元，对后续学校智慧能源项目融入校园整体规划做出了一定的经济效益参考。通过使用智慧能源管理系统，学校在能源设备的使用生命周期内，对设备运行情况进行有效监视、维修、管理，可以帮助学校更好地管理并运用能源设备，并为这些能源设备的优化运行提供有效的保障。

智慧能源系统充分利用大数据分析，在大数据分析系统内置AI分析功能，对能源消耗的监控、发电量、设备进行多方面诊断分析，可自定义的清洗模块，定期排查异常数据。根据这些能源设备的能耗诊断，实现能源设备的优化运行策略，比如联动控制策略和人为监管[4]。根据具体使用情况完成自动控制开关等操作，实现能源按需控制，在能耗优化运行的基础上实现节能管理。

5   结语

智慧能源管理系统将物联网应用技术、移动互联开发技术和大数据技术集成到能源互联网的应用中，适合三个专业的学生完成相关实验实训项目。同时，这些类型的实训项目有着较高的创新性，在同类院校中处于领先的地位，起到了较好的示范作用，有力地支撑江苏信息职业技术学院物联网应用技术高水平专业群建设。智慧能源系统能够实现绿色能源协同运行和综合管理，满足了节能减排和智能运管的基本要求。该项目为学校能源管理诊断、改造提供了科学的数据分析依据。在项目实施过程中吸纳了学校相关专业教师和学生团队，也是校企合作的比较成功示范。美中不足之处在于实践项目的过程中数据范本较小，还有很大的潜力去挖掘智慧能源应用的开发。同时，智慧能源平台监管的不是能源本身，而是人们的用能行为。人是用能的主体，又是节能的主体[5]。只有解决好人的问题，才能真正解决好节能的根本问题。

[参考文献]

[1]李槜林，赖馨.基于物联网技术的智慧校园建设[J].电信工程技术与标准化，2019（6）：87-92.

[2]王飞，高军，吴东，等.智慧能源系统在绿色校园中的实践和应用[J].上海节能，2019（6）：459-462.

[3]徐杰彦，王鹤，裴冠荣等.面向校园的综合能源服务示范项目应用研究[J].电力需求侧管理，2019（4）：72-76.

[4]孙浩，刘建利.基于物联网的智慧建筑综合能源管理平台[J].现代建筑电气，2012（8）：55-58.

[5]王强，田备.高校绿色建筑智慧運营管理探索与实践—以江南大学为例[J].建设科技，2019（14）：47-52.

（编辑 姚 鑫）