基于5G技术的高校物联网能源电力管理平台的研究应用

尹 霞，王筱琲，李 晓，李炳森

（1.联通数字科技有限公司，北京 101111；2.国网信息通信产业集团有限公司，北京 102211）

0 引言

我国2020 年能源消费量占全球能源消费总量的26%，在电力领域，我国2020 年电力消费总量约占同期全球消费量29%［1］。能量消耗高速增长，传统粗放的能源电力管理模式已经无法满足当前社会需求，节能降耗面临严峻的考验，在全球“双碳”大背景下，能源电力转型势在必行。在用电消费端，高校人流量大、用电要素复杂，在我国总体能源消耗中所占比例较大。我国在校大学生数量仅占全国人口3%，但高校能耗在社会总能耗中的占比高达8%，高校人均用电量是全国人均水平的4 倍［2］。同时，校园基础能耗设施陈旧，能源电力管理粗放问题突出，校园节能领域存在巨大提升空间，具有迫切的改造需求。

目前，随着技术水平发展，物联网技术在智能电网、楼宇能耗监控领域已有广泛应用，可以提供精细化管理、信息数据采集、设备设施效率提升、低碳节能运行以及公共服务均等化和普惠化方面的有力支撑［3-5］。为此，从校园节能减排目标入手，利用“5G+物联网”构建高校能源感知网络，结合校园已有能耗设施现状，建立有效的能源电力监控与管理应用。

1 高校能源电力管理现状分析

1.1 高校能耗特征分析

高校建筑类型多，不仅有教学楼、科研楼、行政办公楼等公共建筑，还有宿舍楼、食堂、浴室等生活建筑，建筑类型的多样化必然导致能耗种类的多样化。

高校电力能耗具有明显的季节性。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，校园能耗会明显下降，而1 月是一年中的最冷月，7 月、8 月是一年中的最热月，能耗量会明显上升。

高校电力能耗集中。高校耗能设施陈旧单一，使用时间相对集中。高校中大部分的建筑耗能设施比较陈旧、简单，而且学生的学习和生活作息具有规律性。

高校电力节能潜力巨大。高校绝大部分都是文化水平较高的教师及学生，素质高、节能意识较强。同时，高校作为教育和科研基地，具有研究、实践新型节能技术的物质和精神基础。

1.2 5G赋能绿色校园能源电力管理

5G 技术在绿色校园领域应用具有三大现实基础：

1）5G 技术推动低碳学习生活方式转变。5G 泛在实时连接正逐渐改变校园的教学生活方式，线上会议、线上教学、虚拟教学、在线考试等应用正加速推广，可以有效减少师生出行活动产生的能耗与排放。

2）5G 技术为校园节能增效“注智赋能”。基于5G、云计算、边缘计算、人工智能等技术，校园可部署能源电力管理平台，实现对水、电、气、热等资源的全面监控，减少物流和能源的碳消耗。利用5G 大连接特性，连接电源、建筑等监测点位传感器，实现监测设备信息的实时读取，覆盖能源生产、管控、用能三大环节，打造能源数据感知、能源优化服务、能源综合管控的全链条闭环服务体系。

3）5G 技术助力碳达峰、碳中和人才培养。5G网络的深度覆盖将赋能校园数字化转型，驱动低耗、环保的绿色智慧校园研究与发展。结合碳达峰、碳中和发展需求，创新绿色人才培养模式，引领未来低碳技术发展，打造专业人才培养体系。

2 高校物联网能源电力管理平台

2.1 建设思路

2010 年来，各种新兴技术进入高速发展期，随着我国5G 正式大规模商用，大数据、互联网+、人工智能、云计算等前沿技术得到充分整合和运用，在电力、教育等行业取得重大进展和广泛应用。与此同时，国家节能减排相关政策陆续出台、落地，各大高校对于校园能源电力管理提出了更高的要求。

据统计，截至2022 年5 月31 日，全国高等学校共计3 013 所，本科院校1 270 所，专科院校1 489所，如图1 所示。85%以上的高校已有10 年以上的存续历史。各大高校现有建筑建设年限较为久远，直接导致校园建设整体信息化、智能化水平偏低，与能源电力管理相关的终端设备往往不具备智能采集、控制功能以及数据上传的网络链路。因此，在进行能源电力管理平台整体规划建设过程中除了需要考虑终端设备的智能化升级外，还需要考虑传输网络的整体建设。

图1 全国普通高等学校数量Fig.1 Number of national colleges and universities

有线网络传输包括采用光纤、铜缆等固定网络传输形式，在高校的能源电力管理平台建设上存在布线困难、施工周期较长等客观突出问题，很难形成规模化、标准化的应用，难以推广。相比之下，基于物联网技术应用的无线传输网络则可很大程度满足高校能源电力管理平台的需求，具有施工简单、无须布线、即插即用等优势。同时各类物联网终端设备均可通过物联网管理平台统一监控、统一管理。

无线传输可采用第五代移动通信技术（5th generation mobile communication technology，5G）、ZigBee 无线通信技术（ZigBee wireless communication technology，ZigBee）、LoRa 无线通信技术（LoRa wireless communication technology，LoRa）、无线保真技术（wireless fidelity，WiFi）等多种形式，如表1 所示，在高校等园区领域选用5G 传输具有以下优势：1）传输速率高，5G 传输峰值速率高达20 Gbit/s，与WiFi、LoRa 等传输速率相比有几十乃至数百倍的提升，可以更好支持电子班牌、摄像头等具有更高传输速率需求的终端设备；2）建设难度低，采用5G 传输，只需要部署核心网用户面网元（user plane function，UPF）至高校运营商机房，便可共用运营商在高校已部署的5G 公共基站，搭建5G 混合专网。采用其他方式传输，则需要在高校部署无线基站/网关并为其供电、联网，同样需要在办公区、教学区进行布线、安装等一系列施工工序，与采用有线传输无本质区别［6-10］。

表1 无线传输方式对比Table 1 Comparison of wireless transmission modes

基于上述分析，采用5G 技术搭建高校物联网能源电力管理平台更为贴合我国高校现有实际情况。通过校园5G 专网，利用物联网技术将与能源电力管理有关的全部物联感知终端以及智能化系统进行集成，如图2 所示，有机衔接信息资源、设备状态和业务事件，打造在异构子系统之间跨越各应用系统边界的统一管理平台。

图2 终端设备统一管理Fig.2 Unified management of terminal equipment

建设高校物联网能源电力管理平台，旨在消除“信息孤岛”，将原本孤立、封闭的子系统纵向解耦，消除应用与终端设备的强绑定关系。利用平台横向整合，打破子系统间的壁垒，由校园物联网能源电力管理平台进行统一调配管控，实现针对特定高校节能场景的跨系统联动。由此改善教室、图书馆、宿舍等场所能耗浪费现象，提高校园整体的能源利用效率。

2.2 整体架构

高校物联网能源电力管理平台采用标准的物联网三层架构，整体架构自下而上由物联感知层、网络传输层和平台应用层组成，如图3 所示。

图3 整体架构Fig.3 Overall architecture diagram

物联感知层运用传感和识别技术将物理世界中的各类物理量转化成可供处理的数字信号，负责实现对物理世界的智能感知识别、信息采集处理和自动控制，并通过通信模块将物理实体连接到网络传输层和平台应用层。

网络传输层主要用于数据信息和控制信息的双向传递、路由和控制，实现硬件世界与应用生态的数据互联，支持多数据源、多目标、多种协议的信息传输，网络传输层可采用公共的运营商网络和互联网，也可以依托行业专用通信网络。

平台应用层综合运用高性能计算、人工智能、数据库和模糊计算等技术，对终端设备数据进行存储、查询、分析、挖掘、理解，并基于终端设备数据进行节能决策和行为控制［11-12］。

2.2.1 物联感知层

5G 技术的融合应用可以提供可靠、稳定、高效的互联网通信，为高校用电端设备通信，特别是无线通信提供保障［13］。根据高校物联网能源电力管理平台采用校园5G 专网的整体架构要求，所有物联感知层传感器、执行器均选用具有5G 模组的设备。对于不具有5G 模组的终端设备，可采用5G 客户前置终端设备（customer premise equipment，CPE）将设备接入校园5G 专网。CPE 可以把运营商移动网络信号转化为宽带网络和Wi-Fi，同时具有无线路由器的功能，能够用有线/无线的方式为终端设备提供宽带网络连接和无线网络连接。

2.2.2 网络传输层

网络传输层5G 组网形式区分如图4 所示，根据高校运营商基站建设实际情况，网络传输层采用5G混合网络组网形式。以运营商建设的校内5G 基站为基础，运用5G 数据切片技术，共用已有5G 基站，同时部署私有化的UPF，构成5G 公网和校园5G 专网并行的5G 混合专网，如图5 所示。

图4 5G组网形式区分Fig.4 5G networking form

图5 5G校园混合专网架构Fig.5 5G campus hybrid private network architecture diagram

UPF 作为移动锚点，负责分组路由、转发、包检测及策略执行、流量上报等功能，并负责计费报告生成，满足高校对于边缘网络及业务能力的需求。

接入和移动性管理功能（access and mobility management function，AMF）用于注册、连接、可达性及移动性管理，完成用户的接入认证和鉴权。

会话管理功能（session management function，SMF）提供会话管理、IP 地址分配、策略执行、计费等功能。

在5G 混合专网的基站共享模式下，无线基站对终端设备规划专有标识。AMF 负责根据各类终端的切片标识进行接入认证和鉴权，归属校园5G 专网的终端无法接入5G 公网数据业务，从而为高校构建一张增强带宽、低时延、核心数据不出校园的基础连接网络［14］。通过核心网络的本地部署+空口预调度技术，有效提升端到端时延指标，网络端到端时延小于15 ms，部分场景下时延小于10 ms。

物联网终端设备对于通信网络的需求体现在以下3 个方面：

1）可靠性需求。终端设备数据采集的可靠性要求99.9%，设备控制则需要达到99.999%。利用5G的多输入多输出（mutiple-input multiple-output，MIMO）技术，在发送端和接收端建立多个天线，可以很大程度优化数据通信的基本质量。

2）实时性。物联网能源电力管理平台需要监控用电终端设备运行状态，并在优化计算后及时生成调节指令，下发指令数据对实时性有较高要求，关键控制指令时延要求达到毫秒级。

3）高带宽。视频类终端设备的4K/8K 高清图像、多屏多视角、自由视角、VR 互动等功能对于通信网络有着较高需求［15-16］。

采用不同5G 切片技术所得指标如图6 所示，物联网终端设备对网络传输具体性能要求如表2所示。

表2 终端设备网络需求Table 2 Terminal equipment network requirements

2.2.3 平台应用层

高校物联网能源电力管理平台全量接入物联感知层的传感器/执行器，具有消息队列遥测传输协议（message queuing telemetry transport protocol，MQTT）、受限制的应用协议（constrained application protocol，CoAP）、物联网的轻量级协议（lightweight machine to machine，LwM2M）、超文本传输协议（hyper text transfer protocol，HTTP）、超文本传输安全协议（hyper text transfer protocol over secure socket layer，HTTPS）等多种应用层物联网协议接入能力，既满足设备状态监控等长连接的实时性需求，也满足远程抄表等短连接的低功耗需求。

MQTT 协议：平台支持设备使用MQTT 协议接入。MQTT 是基于TCP/IP 协议栈构建的异步通信消息协议，是一种轻量级的发布/订阅信息传输协议。MQTT 在时间和空间上，将消息发送者与接受者分离，可以在不可靠的网络环境中进行扩展。适用于设备硬件存储空间有限或网络带宽有限的场景。

CoAP/LwM2M 协议：平台支持CoAP/LwM2M 协议连接通信。CoAP 协议适用在资源受限的低功耗设备上使用，LwM2M 是基于传输层CoAP 协议的应用层协议，该协议是由开放移动联盟（open mobile alliance，OMA）提出并定义的适用于资源有限的终端设备管理的轻量级物联网协议，聚焦于低功耗广覆盖物联网市场，是一种可在全球范围内广泛应用的新兴技术。

HTTP 协议：平台支持HTTP 协议规范。

TCP 协议：平台支持TCP 协议直接接入，可通过数据解析，使用自定义脚本的方式完成对设备数据的解析。

平台对终端设备进行从接入平台时起，直至设备坏损停止运行的“全生命周期管理”。平台搭建包括能耗分析、能耗预测、能耗预警在内的多种能耗数据应用模型，对收集的数据进行存储、分析，对能耗提供数据分析和数据可视化等数据服务，为节能决策提供支撑。

3 能源电力管理平台功能模块设计

3.1 能源电力管理设计思路

如图7 所示，高校用电按照功能可划分为：电教功能设备用电、负载/插座用电、暖通空调用电以及照明/动力设备用电4 类。针对这4 类用电的自身属性以及高校各区域潮汐式用电的独有特点，聚焦这4类用电场景中的重点项目进行能源电力管理模块设计，主要包括电子班牌控制模块，对日常负载用能设备进行管理的电力监测、计量模块，暖通空调控制模块，照明控制模块［17］。

图7 高校用能分类Fig.7 Classification of energy consumption in universities

3.2 电子班牌控制模块设计

高校教室、会议室、图书馆、实验室等场所设置有大量电子班牌设备终端，一旦设备开启，即使无人观看也会一直处于持续播放状态，造成大量能源浪费。高校对此缺乏足够的人力以及信息化管理控制手段对其进行精细化管理，存在很大节能空间。

电教设备控制模块将课程/工作时间表、人体传感器、监控摄像头、个性化策略（重大会议、来访等）等作为条件输入对终端进行状态控制。根据条件输入的不同，能源电力管理平台可根据规划好的策略控制电子班牌的关机、待机、开机［18］。

对电子班牌进行节能控制的关键是对设备周围环境进行探知，判断是否有人正在观看电子班牌，在无人使用情况下将电子班牌显示屏关闭，设为待机状态。为保证学生、教师在远距离观察时，电子班牌显示屏可以保持开启状态，不影响使用体验，设计采用2 种方式进行人体感知：

1）监控摄像头。对于设有监控摄像头的区域，可采用AI 人体识别与虚拟电子围栏相结合的方式进行判别，将虚拟电子围栏区域与电子班牌设备终端绑定，有人进入围栏区域，则自动将电子班牌从待机状态切换至正常开机状态。

2）人体传感器。对于未设置监控摄像头的区域，可现场安装5G 人体传感器，人体传感器采用热释电传感技术，热释电元件受人体红外线辐射后，会产生热释电，经过放大器放大后，引起输出电压变化。能源电力管理平台接收信号后联动该人体传感器周遭电子班牌从待机状态切换至正常开机状态。

3.3 电力监测、计量模块设计

电力检测、计量功能模块的设计主要基于两个方面进行考量。一方面是高校学生经常性违反学校规定私拉电线、使用大功率电器（热得快、电饭煲、电热毯等）。这类行为导致电力线路频繁过载、加速老化，留下严重火灾隐患，需要在上述不文明用电行为发生时能够迅速判断发现问题，并通知校内工作人员予以制止。另一方面，对于不会直接影响校园电网运行的浪费用电行为，需要利用数字化、信息化、智慧化的手段进行数据分析，发现并杜绝相应行为。

电力检测、计量功能模块遵循细化数据采集颗粒度与按需配置终端相结合的设计原则，如图8 所示，在高校的各高压配电柜（35 kV 以下）、低压配电柜（380 V）、楼层配电箱（380 V、220 V）以及宿舍楼的各个宿舍回路设置5G 电力计量终端，如图9 所示，对电流、电压、功率因数、电弧、温度、电量等状态进行实时采集。电力计量终端5G 通信模块通过5G网络与用采/计量主站连接，可以实现数据的远程采集及参数的远程下发等功能，符合电网企业计量终端标准。利用5G 网络特性，丰富抄表内容，提升抄表频次，以此增强能源电力管理精细度。

图8 5G三相电表模组结构Fig.8 Structure diagram of 5G three-phase meter module

图9 电力监测、计量功能模块Fig.9 Power monitoring and metering function module

能源电力管理平台运用AI 智能分析技术实时分析终端数据，及时发现回路漏电、过压、过载、短路、三相不平衡等问题，及时采用灭弧、断点等手段进行电路保护。同时在工作站和相应管理人员手持终端上进行事故报警，安排人员及时到场处置处理［19］。

此外，能源电力管理平台运用大数据分析技术对历史数据进行诊断分析，对于各类故障进行数据统计、对比分析。对于频繁出现故障的区域和回路进行智能识别，提醒工作人员现场检查是否存在使用大功率电器等行为，将被动防御转换为主动预防。同时平台对同类型区域进行归类汇总（如同面积同居住人数的学生宿舍），横向对比能耗指标，对于用电数据异常以及用电严重超标的区域进行检查，降低校园整体能耗水平［20］。

3.4 暖通空调控制模块设计

暖通空调控制模块在设计过程中充分考虑高校中教学楼、图书馆、宿舍楼等功能性建筑鲜明的潮汐人流特点。建筑内人流量随时间变化存在峰谷值，人体散热以及人群活动造成场所内温度波动，而仅通过传感器进行温度调节存在滞后性。温度过度调节/滞后调节不仅给教师、学生带来体感不适，同时更造成了能源浪费。

暖通空调控制模块主要由终端传感器采集室内温度数据，同时结合高校各区域潮汐人流的特点，运用大数据和AI 智能分析的手段进行节能策略制定，一方面减少建筑人流低谷时段设备的运行功耗、待机功耗以及空转功耗；另一方面提前预知人流高峰，根据教学楼、图书馆、宿舍楼等建筑的不同特点制定温度控制时间表，对上述建筑物实施分时、分区供冷供热。

由AI 智能分析算法根据该区域温度与时间的对应关系制定空调机组最佳启/停时间、焓值切换模式、机组组合群控模式等。为保证空调机组设备的使用寿命、避免不正确操作造成设备损坏，系统设计设备保护功能，限定规定时间中设备的启/停次数，并且可对设备设置启/停延时。

3.5 照明控制模块设计

照明控制模块运用5G+物联网技术，通过设置前端人体红外、光敏传感器及视频监控摄像头实时掌握照明区域的人流情况、自然光照情况，并在照明灯具上配置灯光控制器，实现高校建筑内灯光照明的开关控制、调光控制以及监测计量。

照明控制模块采用“按需照明”的节能照明策略，将自然照明条件、环境情况、人员照明实际需求相结合，具有多种工作模式，有效增加能源的利用率，使高校照明系统更节能、更高效。

4 结束语

以“5G+智能化”为基础路线，通过物联网、大数据建立高校绿色智慧能源管控模型，构建一套适合校园能耗特征的能源电力管理系统，对高校绿色学校创新和低碳模式探索具有深远意义。一是大力推进校园节能降碳改造，特别是整体性和系统性改造，将科研和供能系统的实际运行相结合，通过大数据分析和实时监控，开展能效诊断，优化能源供用方案，为推动校园发展全面绿色转型贡献智慧和力量；二是高校可以充分利用有利条件积极大力弘扬绿色低碳文化，引导师生自觉做绿色低碳技术的创新者、绿色低碳生活的践行者；三是创造高校节能降碳领域人才培养实践环境，为实现双碳目标发挥更大的人才培养作用。

综上，高校能源电力转型，需要加强能源电力管理和数字技术的融合力度，综合运用物联网、云计算、AI 人工智能等数字化手段，提升生产运营效率和综合管控水平，以数据+平台+应用，加速高校能源电力管理数字化进程，为实现碳达峰、碳中和目标助力，为发展新经济赋智赋能。