智慧能源管理系統在高校中的應用與實踐

張昊 管維紅 秦昌琪 華馳

摘 要：節約能源，創建綠色校園是高校發展、建設的目標。文章介紹的是在高校中應用的智慧能源管理系統，系統采用感知層、網絡層、應用層三層架構，實現數據采集與監控。智慧能源管理系統能夠實現綠色能源協同運行和綜合管理，滿足了節能減排和智能運管的基本要求，為學校能源管理診斷、改造提供了科學的數據和分析依據。

關鍵詞：智慧能源;物聯網技術;綠色校園

0 ? 引言

低能耗、低物耗生活方式是社會發展的進步標志，也是高校發展、建設的目標。隨著高校辦學規模不斷壯大，物聯網、大數據和人工智能等新一代信息技術的蓬勃發展，高校的能源消耗呈倍數級增長，尤其是實驗實訓基地的不斷建設與提升，大量的設備處于長期工作狀態，帶來了巨大的能源消耗，也存在著一定的能源浪費行為。如何節約能源，創建綠色校園成為學校和社會關注的熱點問題。

1 ? 高校能源管理現狀

高校運行過程中產生巨大的能源消耗，不僅增加了高校的運營成本，壓縮內涵建設的空間，制約高校辦學能力的提升，而且也增加了當地電網負荷，甚至還會影響高校教學辦公的正常運行。智慧能源的目的就是實現能源管理的數字化、精細化、高效化，全面提升高校校園能效水平和能源管理能力[1]。

智慧能源管理是傳統能源和互聯網技術的組合，與互聯網通信、物聯網技術和云計算緊密集成，可以實現遠程管控、遠程診斷、大數據分析等功能。智慧能源系統已經成為現代高校建設的必備建設項目，實現節能減排和智能管理，為創建新一代綠色智慧校園奠定堅實的基礎。目前，已有一些高校進行智慧能源建設，比如上海電力大學[2-3]、江南大學[4]等。而大多數高校對能源管理還處于觀望或者初級階段，綠色校園建設任重道遠。

2 項目實施背景

江蘇信息職業技術學院的智慧能源項目2016年起開始啟動，2017年完成一期智慧草坪建設，實現草坪的溫濕度監控和自動灌溉功能。2018年開始智慧能源二期建設，2019年底完成了二期建設項目驗收，主要實現了太陽能發電站、智慧電表、校園氣象站、校園路燈等終端信息的采集，建成了智慧能源管理平臺，可以監控每個終端的使用情況。經過一年的使用，初步實現了原定目標。

3 ? 項目實施方案

3.1 ?總體架構

江蘇信息職業技術學院的智慧能源管理系統總體架構采用常見的“感知層、網絡層、應用層”三層架構。整個智慧能源管理系統平臺采用云架構，通過Web接入云端，使用方便快捷。通過信息通信與能源管理層面的建設，將能源采集和供應以及能源管理運維深度融合，真正實現了智能化的智慧能源管理系統。智慧能源系統總體架構如圖1所示。

3.2 ?感知層建設

感知層是整個智慧能源系統的核心，是信息采集的關鍵部分[2]。它是三層結構中基礎層，其功能為通過傳感網絡設備獲得各類環境信息。智慧能源系統感知層設備主要有智能電表、數據采集器、路燈控制器、太陽能光伏板、校園氣象站環境監測儀等。下面依次介紹這些設備的相關應用。

3.2.1 ?智能電表

該系統中使用的智能電表主要有單相和三相多功能兩種電表。這兩種電表均以MCU+計量芯片為基礎，支持主流通信技術標準，具有計量、監控、顯示、報警、通信等功能。不僅能夠計量總電量及分時電量，并測量各相電壓、電流、功率因數等數據，還能檢測記錄各相失壓、失流、反向、過載、過流、過壓等事件狀況，監測實際用電的負荷情況。目前，智能電表主要安裝在用電量比較大的區域采集電量使用情況，比如用電設備眾多的實驗實訓室、服務器間、中心機房等。通過對智能電表數據的采集，可以有效及時地通過網絡平臺遠程了解用電情況，對各區域的用電量數據進行多種統計分析，形成相關報告。智能電表還支持遠程升級和系統調試，使監控管理更加簡單可靠，并能確保數據的完整性?？梢约皶r記錄用電設備中發生的問題，并迅速進行故障診斷，實現有針對性的節能減排。一旦發生異常，便于迅速采取應對措施，配合其他管理方法，實現精細化管理。

3.2.2 ?路燈控制器設備

路燈控制器設備主要是把校園路燈改造為太陽能和風能發電的綠色節能路燈，并對發電量進行監控。路燈控制器不僅可以顯示蓄電池電壓、風機電壓、光伏電壓等數據，還可以記錄過壓、欠壓、過載、短路等多種狀況。此外，控制器可以對前半夜、后半夜、黎明、白天四個時段進行電壓監控設置，以此達到合理應用光、風資源發電的目的，實現節能減排的效果。同時，路燈控制器通過降壓節能的方法避免了后半夜電壓過高導致燈具長時間在高于額定電壓環境下容易損壞的情況，有效保護了燈具。

3.2.3 ?太陽能發電站

太陽能發電站通過太陽能光伏發電板實現能源的收集與利用，采集而來的能源并不是很多，主要是用于學生的實驗項目。目前，使用了三塊1 640×992×40 mm3大小的太陽能光伏電板，效能在15%以上，能夠提供的最大功率為 ? ? ? ? 250 wp。太陽能發電站也帶有數據采集器。采集器上具備 ? 2個以上RS485接口，帶有以太網和GPRS通信功能，并有內部存儲功能。發電站的硬件設備的參數通過RS485方式被數據采集器采集，并以無線GPRS的方式傳輸給遠程的服務器存儲、處理，同時，通過數據采集器收集和記錄變頻器、電表等設備的工作狀態和運行數據，長期有效地監測和管理系統的發電和用電情況。數據采集器還通過采集和記錄逆變器的工作狀態和發電情況，對光伏發電系統進行長期有效的監測。

3.2.4 ?校園氣象站

智慧能源系統中氣象站可以為用戶提供完善的環境監測方案，包括太陽輻射、風向、風速、大氣溫濕度等。它的配置相對簡單，安裝維護成本很低，能夠提供精確的實時數據與歷史數據，并兼容多種數據采集設備。管理平臺提供可視化氣象數據，簡明易懂。

3.3 ?網絡層建設

網絡層是異構的集成在通信網絡，包括了互聯網、有線和無線通信網絡、云計算平臺等，負責傳輸和處理收集的對象信息。智慧能源系統的網絡層主要通過網絡平臺進行遠程監管。項目中智慧能源系統在小麥光伏平臺上詳細顯示了智能設備的運行狀態。該平臺為各類采集器提供了強大的數據支持，光伏系統和智能電表的實時狀態和歷史數據都可以圖形化展現，直觀清晰。它便于使用者更全面、更方便地評估設備的使用效率，隨時隨地監控智慧能源系統，優化了運行維護效率。同時，管理員還可以自定義故障報警模式，通過實時推送及時了解系統的異常和故障狀態，從而及時識別異常和故障。

3.4 ?應用層建設

應用層主是智慧能源系統與用戶的接口，它與用戶需求相結合，實現智慧能源的智能應用。江蘇信息職業技術學院與企業合作開發出智慧能源子平臺，將感知層各設備的應用數據集成到一起。這些感知層設備的數據均在云平臺上有所展示并實時展示在大屏上。智慧能源系統平臺具備數據處理、實時監控、報表管理等功能。根據學校用電特點，智慧能源系統采用分系統綜合一體化解決方案，實現能源利用的穩定、清潔和高效。

4 ? 項目運行結果分析

項目于2019年9月底進入調試安裝階段，歷經1個月的運行調試，于10月順利通過驗收，進入運營期。運行1年來，各項系統運行良好。系統通過三塊光伏電板每日發電量在10 Kwh左右，采集到的綠色能源接入專用的實訓室供觀察研究。此外，1年來還排查出用電異常、設備故障等大小問題十余次。項目為學院節省能源經費上萬元，對后續學校智慧能源項目融入校園整體規劃做出了一定的經濟效益參考。通過使用智慧能源管理系統，學校在能源設備的使用生命周期內，對設備運行情況進行有效監視、維修、管理，可以幫助學校更好地管理并運用能源設備，并為這些能源設備的優化運行提供有效的保障。

智慧能源系統充分利用大數據分析，在大數據分析系統內置AI分析功能，對能源消耗的監控、發電量、設備進行多方面診斷分析，可自定義的清洗模塊，定期排查異常數據。根據這些能源設備的能耗診斷，實現能源設備的優化運行策略，比如聯動控制策略和人為監管[4]。根據具體使用情況完成自動控制開關等操作，實現能源按需控制，在能耗優化運行的基礎上實現節能管理。

5 ? 結語

智慧能源管理系統將物聯網應用技術、移動互聯開發技術和大數據技術集成到能源互聯網的應用中，適合三個專業的學生完成相關實驗實訓項目。同時，這些類型的實訓項目有著較高的創新性，在同類院校中處于領先的地位，起到了較好的示范作用，有力地支撐江蘇信息職業技術學院物聯網應用技術高水平專業群建設。智慧能源系統能夠實現綠色能源協同運行和綜合管理，滿足了節能減排和智能運管的基本要求。該項目為學校能源管理診斷、改造提供了科學的數據分析依據。在項目實施過程中吸納了學校相關專業教師和學生團隊，也是校企合作的比較成功示范。美中不足之處在于實踐項目的過程中數據范本較小，還有很大的潛力去挖掘智慧能源應用的開發。同時，智慧能源平臺監管的不是能源本身，而是人們的用能行為。人是用能的主體，又是節能的主體[5]。只有解決好人的問題，才能真正解決好節能的根本問題。

[參考文獻]

[1]李槜林，賴馨.基于物聯網技術的智慧校園建設[J].電信工程技術與標準化，2019（6）：87-92.

[2]王飛，高軍，吳東，等.智慧能源系統在綠色校園中的實踐和應用[J].上海節能，2019（6）：459-462.

[3]徐杰彥，王鶴，裴冠榮等.面向校園的綜合能源服務示范項目應用研究[J].電力需求側管理，2019（4）：72-76.

[4]孫浩，劉建利.基于物聯網的智慧建筑綜合能源管理平臺[J].現代建筑電氣，2012（8）：55-58.

[5]王強，田備.高校綠色建筑智慧運營管理探索與實踐—以江南大學為例[J].建設科技，2019（14）：47-52.

（編輯 姚 鑫）