張昊 管維紅 秦昌琪 華馳

摘 要：節(jié)約能源，創(chuàng)建綠色校園是高校發(fā)展、建設(shè)的目標(biāo)。文章介紹的是在高校中應(yīng)用的智慧能源管理系統(tǒng)，系統(tǒng)采用感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層三層架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控。智慧能源管理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)綠色能源協(xié)同運(yùn)行和綜合管理，滿足了節(jié)能減排和智能運(yùn)管的基本要求，為學(xué)校能源管理診斷、改造提供了科學(xué)的數(shù)據(jù)和分析依據(jù)。

關(guān)鍵詞：智慧能源;物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);綠色校園

0 ? 引言

低能耗、低物耗生活方式是社會(huì)發(fā)展的進(jìn)步標(biāo)志，也是高校發(fā)展、建設(shè)的目標(biāo)。隨著高校辦學(xué)規(guī)模不斷壯大，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能等新一代信息技術(shù)的蓬勃發(fā)展，高校的能源消耗呈倍數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，尤其是實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)基地的不斷建設(shè)與提升，大量的設(shè)備處于長(zhǎng)期工作狀態(tài)，帶來了巨大的能源消耗，也存在著一定的能源浪費(fèi)行為。如何節(jié)約能源，創(chuàng)建綠色校園成為學(xué)校和社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)問題。

1 ? 高校能源管理現(xiàn)狀

高校運(yùn)行過程中產(chǎn)生巨大的能源消耗，不僅增加了高校的運(yùn)營成本，壓縮內(nèi)涵建設(shè)的空間，制約高校辦學(xué)能力的提升，而且也增加了當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)負(fù)荷，甚至還會(huì)影響高校教學(xué)辦公的正常運(yùn)行。智慧能源的目的就是實(shí)現(xiàn)能源管理的數(shù)字化、精細(xì)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(tǒng)能源和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的組合，與互聯(lián)網(wǎng)通信、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和云計(jì)算緊密集成，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管控、遠(yuǎn)程診斷、大數(shù)據(jù)分析等功能。智慧能源系統(tǒng)已經(jīng)成為現(xiàn)代高校建設(shè)的必備建設(shè)項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和智能管理，為創(chuàng)建新一代綠色智慧校園奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。目前，已有一些高校進(jìn)行智慧能源建設(shè)，比如上海電力大學(xué)[2-3]、江南大學(xué)[4]等。而大多數(shù)高校對(duì)能源管理還處于觀望或者初級(jí)階段，綠色校園建設(shè)任重道遠(yuǎn)。

2 項(xiàng)目實(shí)施背景

江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院的智慧能源項(xiàng)目2016年起開始啟動(dòng)，2017年完成一期智慧草坪建設(shè)，實(shí)現(xiàn)草坪的溫濕度監(jiān)控和自動(dòng)灌溉功能。2018年開始智慧能源二期建設(shè)，2019年底完成了二期建設(shè)項(xiàng)目驗(yàn)收，主要實(shí)現(xiàn)了太陽能發(fā)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(tái)，可以監(jiān)控每個(gè)終端的使用情況。經(jīng)過一年的使用，初步實(shí)現(xiàn)了原定目標(biāo)。

3 ? 項(xiàng)目實(shí)施方案

3.1 ?總體架構(gòu)

江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院的智慧能源管理系統(tǒng)總體架構(gòu)采用常見的“感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層”三層架構(gòu)。整個(gè)智慧能源管理系統(tǒng)平臺(tái)采用云架構(gòu)，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(shè)，將能源采集和供應(yīng)以及能源管理運(yùn)維深度融合，真正實(shí)現(xiàn)了智能化的智慧能源管理系統(tǒng)。智慧能源系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

3.2 ?感知層建設(shè)

感知層是整個(gè)智慧能源系統(tǒng)的核心，是信息采集的關(guān)鍵部分[2]。它是三層結(jié)構(gòu)中基礎(chǔ)層，其功能為通過傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)備獲得各類環(huán)境信息。智慧能源系統(tǒng)感知層設(shè)備主要有智能電表、數(shù)據(jù)采集器、路燈控制器、太陽能光伏板、校園氣象站環(huán)境監(jiān)測(cè)儀等。下面依次介紹這些設(shè)備的相關(guān)應(yīng)用。

3.2.1 ?智能電表

該系統(tǒng)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(jì)量芯片為基礎(chǔ)，支持主流通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，具有計(jì)量、監(jiān)控、顯示、報(bào)警、通信等功能。不僅能夠計(jì)量總電量及分時(shí)電量，并測(cè)量各相電壓、電流、功率因數(shù)等數(shù)據(jù)，還能檢測(cè)記錄各相失壓、失流、反向、過載、過流、過壓等事件狀況，監(jiān)測(cè)實(shí)際用電的負(fù)荷情況。目前，智能電表主要安裝在用電量比較大的區(qū)域采集電量使用情況，比如用電設(shè)備眾多的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室、服務(wù)器間、中心機(jī)房等。通過對(duì)智能電表數(shù)據(jù)的采集，可以有效及時(shí)地通過網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)遠(yuǎn)程了解用電情況，對(duì)各區(qū)域的用電量數(shù)據(jù)進(jìn)行多種統(tǒng)計(jì)分析，形成相關(guān)報(bào)告。智能電表還支持遠(yuǎn)程升級(jí)和系統(tǒng)調(diào)試，使監(jiān)控管理更加簡(jiǎn)單可靠，并能確保數(shù)據(jù)的完整性?？梢约皶r(shí)記錄用電設(shè)備中發(fā)生的問題，并迅速進(jìn)行故障診斷，實(shí)現(xiàn)有針對(duì)性的節(jié)能減排。一旦發(fā)生異常，便于迅速采取應(yīng)對(duì)措施，配合其他管理方法，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理。

3.2.2 ?路燈控制器設(shè)備

路燈控制器設(shè)備主要是把校園路燈改造為太陽能和風(fēng)能發(fā)電的綠色節(jié)能路燈，并對(duì)發(fā)電量進(jìn)行監(jiān)控。路燈控制器不僅可以顯示蓄電池電壓、風(fēng)機(jī)電壓、光伏電壓等數(shù)據(jù)，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(duì)前半夜、后半夜、黎明、白天四個(gè)時(shí)段進(jìn)行電壓監(jiān)控設(shè)置，以此達(dá)到合理應(yīng)用光、風(fēng)資源發(fā)電的目的，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的效果。同時(shí)，路燈控制器通過降壓節(jié)能的方法避免了后半夜電壓過高導(dǎo)致燈具長(zhǎng)時(shí)間在高于額定電壓環(huán)境下容易損壞的情況，有效保護(hù)了燈具。

3.2.3 ?太陽能發(fā)電站

太陽能發(fā)電站通過太陽能光伏發(fā)電板實(shí)現(xiàn)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(xué)生的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)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(fā)電站也帶有數(shù)據(jù)采集器。采集器上具備 ? 2個(gè)以上RS485接口，帶有以太網(wǎng)和GPRS通信功能，并有內(nèi)部存儲(chǔ)功能。發(fā)電站的硬件設(shè)備的參數(shù)通過RS485方式被數(shù)據(jù)采集器采集，并以無線GPRS的方式傳輸給遠(yuǎn)程的服務(wù)器存儲(chǔ)、處理，同時(shí)，通過數(shù)據(jù)采集器收集和記錄變頻器、電表等設(shè)備的工作狀態(tài)和運(yùn)行數(shù)據(jù)，長(zhǎng)期有效地監(jiān)測(cè)和管理系統(tǒng)的發(fā)電和用電情況。數(shù)據(jù)采集器還通過采集和記錄逆變器的工作狀態(tài)和發(fā)電情況，對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行長(zhǎng)期有效的監(jiān)測(cè)。

3.2.4 ?校園氣象站

智慧能源系統(tǒng)中氣象站可以為用戶提供完善的環(huán)境監(jiān)測(cè)方案，包括太陽輻射、風(fēng)向、風(fēng)速、大氣溫濕度等。它的配置相對(duì)簡(jiǎn)單，安裝維護(hù)成本很低，能夠提供精確的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)，并兼容多種數(shù)據(jù)采集設(shè)備。管理平臺(tái)提供可視化氣象數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)明易懂。

3.3 ?網(wǎng)絡(luò)層建設(shè)

網(wǎng)絡(luò)層是異構(gòu)的集成在通信網(wǎng)絡(luò)，包括了互聯(lián)網(wǎng)、有線和無線通信網(wǎng)絡(luò)、云計(jì)算平臺(tái)等，負(fù)責(zé)傳輸和處理收集的對(duì)象信息。智慧能源系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)層主要通過網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)管。項(xiàng)目中智慧能源系統(tǒng)在小麥光伏平臺(tái)上詳細(xì)顯示了智能設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。該平臺(tái)為各類采集器提供了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)支持，光伏系統(tǒng)和智能電表的實(shí)時(shí)狀態(tài)和歷史數(shù)據(jù)都可以圖形化展現(xiàn)，直觀清晰。它便于使用者更全面、更方便地評(píng)估設(shè)備的使用效率，隨時(shí)隨地監(jiān)控智慧能源系統(tǒng)，優(yōu)化了運(yùn)行維護(hù)效率。同時(shí)，管理員還可以自定義故障報(bào)警模式，通過實(shí)時(shí)推送及時(shí)了解系統(tǒng)的異常和故障狀態(tài)，從而及時(shí)識(shí)別異常和故障。

3.4 ?應(yīng)用層建設(shè)

應(yīng)用層主是智慧能源系統(tǒng)與用戶的接口，它與用戶需求相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)智慧能源的智能應(yīng)用。江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院與企業(yè)合作開發(fā)出智慧能源子平臺(tái)，將感知層各設(shè)備的應(yīng)用數(shù)據(jù)集成到一起。這些感知層設(shè)備的數(shù)據(jù)均在云平臺(tái)上有所展示并實(shí)時(shí)展示在大屏上。智慧能源系統(tǒng)平臺(tái)具備數(shù)據(jù)處理、實(shí)時(shí)監(jiān)控、報(bào)表管理等功能。根據(jù)學(xué)校用電特點(diǎn)，智慧能源系統(tǒng)采用分系統(tǒng)綜合一體化解決方案，實(shí)現(xiàn)能源利用的穩(wěn)定、清潔和高效。

4 ? 項(xiàng)目運(yùn)行結(jié)果分析

項(xiàng)目于2019年9月底進(jìn)入調(diào)試安裝階段，歷經(jīng)1個(gè)月的運(yùn)行調(diào)試，于10月順利通過驗(yàn)收，進(jìn)入運(yùn)營期。運(yùn)行1年來，各項(xiàng)系統(tǒng)運(yùn)行良好。系統(tǒng)通過三塊光伏電板每日發(fā)電量在10 Kwh左右，采集到的綠色能源接入專用的實(shí)訓(xùn)室供觀察研究。此外，1年來還排查出用電異常、設(shè)備故障等大小問題十余次。項(xiàng)目為學(xué)院節(jié)省能源經(jīng)費(fèi)上萬元，對(duì)后續(xù)學(xué)校智慧能源項(xiàng)目融入校園整體規(guī)劃做出了一定的經(jīng)濟(jì)效益參考。通過使用智慧能源管理系統(tǒng)，學(xué)校在能源設(shè)備的使用生命周期內(nèi)，對(duì)設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行有效監(jiān)視、維修、管理，可以幫助學(xué)校更好地管理并運(yùn)用能源設(shè)備，并為這些能源設(shè)備的優(yōu)化運(yùn)行提供有效的保障。

智慧能源系統(tǒng)充分利用大數(shù)據(jù)分析，在大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)內(nèi)置AI分析功能，對(duì)能源消耗的監(jiān)控、發(fā)電量、設(shè)備進(jìn)行多方面診斷分析，可自定義的清洗模塊，定期排查異常數(shù)據(jù)。根據(jù)這些能源設(shè)備的能耗診斷，實(shí)現(xiàn)能源設(shè)備的優(yōu)化運(yùn)行策略，比如聯(lián)動(dòng)控制策略和人為監(jiān)管[4]。根據(jù)具體使用情況完成自動(dòng)控制開關(guān)等操作，實(shí)現(xiàn)能源按需控制，在能耗優(yōu)化運(yùn)行的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)節(jié)能管理。

5 ? 結(jié)語

智慧能源管理系統(tǒng)將物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)、移動(dòng)互聯(lián)開發(fā)技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)集成到能源互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用中，適合三個(gè)專業(yè)的學(xué)生完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。同時(shí)，這些類型的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目有著較高的創(chuàng)新性，在同類院校中處于領(lǐng)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(yè)技術(shù)學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)高水平專業(yè)群建設(shè)。智慧能源系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)綠色能源協(xié)同運(yùn)行和綜合管理，滿足了節(jié)能減排和智能運(yùn)管的基本要求。該項(xiàng)目為學(xué)校能源管理診斷、改造提供了科學(xué)的數(shù)據(jù)分析依據(jù)。在項(xiàng)目實(shí)施過程中吸納了學(xué)校相關(guān)專業(yè)教師和學(xué)生團(tuán)隊(duì)，也是校企合作的比較成功示范。美中不足之處在于實(shí)踐項(xiàng)目的過程中數(shù)據(jù)范本較小，還有很大的潛力去挖掘智慧能源應(yīng)用的開發(fā)。同時(shí)，智慧能源平臺(tái)監(jiān)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(jié)能的主體[5]。只有解決好人的問題，才能真正解決好節(jié)能的根本問題。

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（編輯 姚 鑫）