上 海 第 37 卷第 3 期 2021 年 6 月 Journal of 电 力 Shanghai 大 University 学 of 学 Electric 报 Po w er Vol． 37，No． 3 Jun． 2021 欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟 DOI： 10． 3969 / j． issn． 2096 － 8299． 2021． 03． 006 基于电力物联网的智慧建筑能耗管理研究进展 王 珏，方 正，范 磊，庞成鑫 （ 上海电力大学 电子与信息工程学院，上海 200090） 摘 要： 物联网的兴起给智慧建筑能耗管理带来了革命性的突破。随着对建筑智能水平要求的不断提高，为 实现建筑内各系统、设备之间互联互通，需将其与物联网技术进一步整合。基于电力物联网技术分析了智慧 建筑中的能耗管理方式，阐述了绿色建筑中能耗预测、节能方面的研究进展，重点对基于电力物联网的智慧建 筑能耗管理架构进行了优化与设计。 关键词： 电力物联网； 智慧建筑； 能耗管理； 能耗预测； 节能 中图分类号： TM769； TK018 文献标志码： A 文章编号： 2096 － 8299（ 2021） 03 － 0235 － 06 Ｒeview on Energy Consumption Management of Intelligent Buildings Based on Ubiquitous Power Internet of Things WANG Jue，FANG Zheng，FAN Lei，PANG Chengxin （ School of Electronics and Information Engineering，Shanghai University of Electric Power，Shanghai 200090，China） Abstract： The rise of the Internet of Things has brought a revolutionary breakthrough to energy management of smart buildings． With the continuous improvement of the requirements for building intelligence，it is necessary to further integrate it w ith the Internet of Things technology in order to realize the interconnection among systems and equipment in the building． Based on the ubiquitous pow er Internet of things technology，this paper analyzes the energy management mode in smart buildings，expounds the research progress in energy consumption prediction and energy conservation in green buildings，and focuses on the optimization and design of the energy management architecture of smart buildings based on ubiquitous pow er Internet of Things． Key words： pow er internet of things； smart buildings； energy consumption management； ener- gy consumption prediction； energy saving 智慧建筑已经成为未来建筑的发展趋势，并 且智慧建筑能耗管理也成为国内外学者的研究热 点。就研究方向来看，能耗管理算法层面上的研 究主要分为 2 个方向： 一是基于人工智能的学习 ［1］ 方式，二是基于模型的预测控制 。 电力物联网是实现智慧建筑能耗管理的重要 技术，主要用于智慧建筑的数据采集、传递和处 理。电力物联网是一种具有状态全面感知、信息 高效处理、应用便捷灵活等特征的智慧服务系统 ， 从“云、管、边、端”4 层架构的新角度，对智慧建筑 收稿日期： 2020-03-24 通信作者简介： 庞成鑫（ 1979—） ，男，博士，教授。主要研究方向为光网络通信、低功耗物联网技术、基于 LPWAN 的电力物联网。E-mail： chengxin． peng@ gmail． com。 基金项目： 国家电网有限公司科学技术项目（ SGSCJY00GHJS2000014） 。 上 236 海 电 力 大 学 学 报 2021 年 的架构进行优化设计，进一步提升能源利用率，实 现设备智能化、办公自动化、用能清洁绿色化，推 动电力物联网智慧建筑实现可持续发展 。 本文首先介绍了智慧建筑和电力物联网的概 ， 念 提出了电力物联网框架下智慧建筑的能耗管 理架构，进而总结智慧建筑能耗管理中节能和预 测技术的研究进展，最后分析了电力物联网下智 慧建筑能耗管理的关键技术与应用前景 。 1 1． 1 智慧建筑与电力物联网 图1 电力物联网人、物、服务互联 电力物联网是以电网为枢纽，通过与通信行 智慧建筑 智慧建筑是顺应科学发展和生活需求提出 的概念 ，是将传统建筑与通信技术 、计算机技术 以及自动 控 制 技 术 相 结 合 ，实 现 建 筑 内 设 备 的 互联互 通 ，充 分 提 高 建 筑 安 全 性 能 。 早 期 的 智 慧建筑 能 耗 管 理 系 统 大 部 分 采 用 有 线 通 信 方 式 ，具有实时性差 、数据准确性不高 、成本高 、安 业资源共享复用，开展能源电力大数据挖掘分析， 为更多市场主体提供增值服务的综合能源体系。 5G 技术的快速发展引发的带宽和时延方面的较 大提升，为实现电力物联网提供了良好的技术支 撑。本文运用电力物联网技术对智慧建筑架构进 行优化，从智慧建筑绿色节能角度展开分析 ，通过 。5G 和低功耗广域网技术 为智慧建 筑 能 耗 管 理 系 统 提 供 了 更 高 速 率 、低 对建筑用电能耗的预测和管理，致力于打造信息 时延的通信方式 。 慧建筑。 当前智慧建筑主要向环境友好型的绿色建筑 方向发展。绿色建筑强调对建筑模型信息、电气 2 ［2-3］ 装难度大等问题 设备用电量和用户的用电习惯等数据采集后 ，通 过各种学习算法，如支持向量机 （ Supper Vector 全面感知、用能灵活便捷、信息高效处理的新型智 电力物联网的智慧建筑能耗管理 架构设计 通用架构设计 M achine，SVM ） 、神经网络算法等对数据进行深 度挖掘分析，提出行之有效的建筑节能方案，提高 2． 1 能源利用率、降低建筑能耗、大幅减少建筑运行成 本。 层、应用层 3 层组成，具体如图 2 所示。 1． 2 传统智慧建筑能耗管理系统由感知层、网络 电力物联网 电力物联网是物联网在智能电网中的应用， 是信息通信技术发展到一定阶段的产物，将有效 整合通信基础设施资源和电力系统基础设施资 源，提高电力系统信息化水平，改善电力系统现有 基础设施利用效率，为电网发、输、变、配、用电等 ［3］ 环节提供重要技术支撑 。作为能源互联网的重 要组成部分，推进电力物联网建设是未来重点的 发展方向。 电力物联网不仅是指在电力系统中实现人与 ［4］ 物、物与物相连，更进一步将服务也加入进去 ， 表现为人、物和服务相互连接的系统。 电力物联 网人、物、服务互联如图 1 所示。 图2 传统能耗管理网络架构 王 珏，等： 基于电力物联网的智慧建筑能耗管理研究进展 237 ［9］ 其中， 感知层经能耗采集节点将采集的能耗数 据发送， 中继节点实现数据的远传，协调节点实现 内部电力通信系统的稳定运行和持续使用 。智 慧建筑通过云技术支持，进行能耗数据管理分析， 能耗数据的汇集并将其发送给网关； 网络层将协调 器汇集的能耗数据通过网络上传至应用层； 应用层 从而达到节能的目的。 管： 可以理解为边缘设备上行至云平台的数 ［5］ 主要由服务器实现能耗数据的远程存储 。 随着智慧建筑终端设备的不断智能化发展， 终端数据量大幅增长，传统能耗管理架构显然已 经没有处理较高时空复杂度数据的能力 。在电力 物联网时代，边缘计算技术、云雾计算技术为实现 ［6］ 智慧建筑能耗管理统一化、轻量化提供了可能 。 本文基于电力物联网技术，对智慧建筑能耗管理 系统架构进行优化，设计为“云—管—边—端 ”4 ［7］ 个层面 ，具体如图 3 所示。 据传输通道，根据网络架构对通信方式进行融合 ， 并实现对网络资源灵活合理的调度和管理 。 智慧 建筑前端设备通过有线或无线通信与设备进行连 接，在设备模型中涉及众多接口和通信协议 ，包括 ZigBee，Wifi，BACnet，LonWorks 等［10］。 能 耗 管 理系统在管层将设备统一接入网关，实现协议转 换以及上传，使各系统设备随时随地实现联网状 态。 边： 首先，边缘计算基于冗余计算，可将云平 台的运算能力向靠近终端的地方下沉，并融合多 站网络传输、变电储能等创新技术，提高每个节点 的数据处理效率； 其次，由于数据本身就分布在不 同节点，边缘计算可以提供更精准、更本地化的数 据处理能力，将数据局部融合并加密，将器件虚拟 化后只需将结果向后台反馈，从源头上保护数据 ［11］ 的安全性和隐私性 ； 最后，通过不同边缘计算 的协调获取全局结果，比如设计相应的分布式优 化算法，开展边缘计算，从而极大地降低数据传输 量，节省带宽，缩短响应时间。 端： 在智慧建筑里合理布置传感器节点，基于 图3 基于泛在电力物联网的能耗管理架构 “云”是指物联网平台云，拥有强大的大数据 分析与储存能力； “管 ”是指有线 / 无线通信方式， 采用新型 5G 网络与低功耗广域网，实现数据传 ［8］ 输广覆盖、低延时、低功耗、低成本 ； “边 ”是指 部署边缘计算装置，构建分布式数据中心，提升整 体的边缘计算能力，并克服了异构系统“信息孤 岛”的问题； “端”则涵盖了智能传感、智能设备和 智能终端，对设备