2024-05-07

江南体育官网下载·基于5G技术的高校物联网能源电力管理平台的研究及相

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发布时间:2024-07-23 07:02:43 来源:江南官方网站下载 作者:江南app官方网站


  高校作为大规模能源消费端,存在电力管理手段欠缺导致能源严重浪费的问题,可通过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,提升运营效率和综合管控水平,从而实现能源电力管控创新。对5G组网及物联网平台建设进行研究探索,提出一种适用于高校场景的基于5G校园混合专网的物联网能

  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%。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。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。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。

  高校建筑类型多,不仅有教学楼、科研楼、行政52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*冷月,7月、8月是一年中的*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)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,*未来低碳技术发展,打造人才培养体系。

  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3013所,本科院校1270所,专科院校1489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。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。

  1)传输速率高,5G传输峰值速率高达20Gbit/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(userplanefunction,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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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(customerpremiseequipment,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。

  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(accessandmobilitymanagementfunction,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(sessionmanagementfunction,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。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15ms,部分场景下时延小于10ms。

  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-inputmultiple-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,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。

  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(openmobilealliance,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。

  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*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。

  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、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。

  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。


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