中國華電集團公司 嚴新榮

華電電力科學研究院 馮亦武 費盼峰

智能集中供熱網(wǎng)的體系架構(gòu)設計

中國華電集團公司 嚴新榮

華電電力科學研究院 馮亦武 費盼峰

大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等互聯(lián)網(wǎng)相關技術的蓬勃發(fā)展，給集中供熱網(wǎng)的智能化升級帶來了機遇。文章詳細論述了城市集中供熱系統(tǒng)及其智能化的現(xiàn)狀，并分析了新形勢下智能集中供熱網(wǎng)的新特征，針對目前集中供熱系統(tǒng)中存在的問題，設計了一整套智能集中供熱網(wǎng)的體系架構(gòu)及應用方案。

物聯(lián)網(wǎng)；智能熱網(wǎng)；集中供熱；體系架構(gòu)

1.智能集中供熱網(wǎng)的新特征

智能集中供熱網(wǎng)還尚未形成一致的定義。如果要更全面地定義其概念，需要充分考慮到技術的發(fā)展和變化，從內(nèi)涵和外延兩方面描述智能集中供熱網(wǎng)的新特征。

1.1智能集中供熱網(wǎng)的內(nèi)涵

智能集中供熱網(wǎng)的內(nèi)涵包括以下幾個方面：

（1）具備供熱系統(tǒng)輸配工藝的先進及靈活性。傳統(tǒng)的供熱輸配系統(tǒng)較難適應迅速擴大的供熱面積，以及在新能源優(yōu)先發(fā)電上網(wǎng)的新形勢下供熱機組發(fā)電量受制于電網(wǎng)調(diào)度，以熱定電模式即將被打破，要求熱網(wǎng)對熱源負荷波動具有較強的適應性。在廢熱利用、地熱利用、太陽能等新供熱節(jié)能技術的推動下，也要求當前集中供熱輸配系統(tǒng)具有更強的靈活性。保持集中供熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的先進性及靈活性是實現(xiàn)智能集中供熱網(wǎng)的重要基石。

（2）具有熱力輸配的自動化基礎。熱力輸配自動化是智能集中供熱網(wǎng)的必要條件，這是因為熱力輸配自動化將熱網(wǎng)的實時運行、熱網(wǎng)結(jié)構(gòu)、設備、用戶以及地理圖形等信息進行集成，構(gòu)成完整的熱力輸配自動化系統(tǒng)。

（3）融入互聯(lián)網(wǎng)的通信體系。對于熱力輸配網(wǎng)必須面向互聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，尤其是移動互聯(lián)網(wǎng)技術的快速發(fā)展，完全改變了終端互聯(lián)的技術生態(tài)，熱力輸配自動化終端融入互聯(lián)網(wǎng)體系是必由之路。

（4）無處不在的傳感器和測量裝置。大量的傳感器和智能測量，足以保證獲得系統(tǒng)運行參數(shù)、設備運行狀態(tài)、廣域測量網(wǎng)絡、靈活的保護系統(tǒng)等，真實可靠地提供熱力輸配網(wǎng)的靜態(tài)和動態(tài)數(shù)據(jù)，為各類智能化的應用提供基礎信息。

（5）智能調(diào)度與調(diào)節(jié)行為。具有智能行為是智能集中供熱網(wǎng)的核心特征之一。由于云儲存和大數(shù)據(jù)處理的出現(xiàn)，使得熱負荷預測更加精確，分析得到精確調(diào)節(jié)模型變得可能，從而使得供熱控制與調(diào)節(jié)更加智能化。

（6）統(tǒng)一的熱網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型。包括熱網(wǎng)的水力模型，熱力模型，并將熱網(wǎng)的物理模型映射為標準的數(shù)據(jù)模型，使得相關數(shù)據(jù)源以一種有效的、結(jié)構(gòu)化的、清楚的方式關聯(lián)起來。

（7）智能熱網(wǎng)設備管理。通過圖形化和地理信息等技術手段最大程度地提高一次二次熱網(wǎng)的可見度，使得熱網(wǎng)系統(tǒng)的運行操作可視化，同時輔以更智能、更綜合的分析應用程序，實現(xiàn)對集中供熱網(wǎng)高效有序的管理，降低管理難度。

1.2智能集中供熱網(wǎng)的外延

智能集中供熱網(wǎng)的外延包括以下4個方面：

（1）熱源、熱網(wǎng)、用戶一體化調(diào)節(jié)，熱網(wǎng)與熱源、熱網(wǎng)與熱用戶通過智能終端、網(wǎng)絡及統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)一定程度的信息交互，并可根據(jù)熱源、熱網(wǎng)、用戶三端數(shù)據(jù)的融合，最終實現(xiàn)一體化調(diào)節(jié)。

（2）熱網(wǎng)輸配網(wǎng)配置蓄熱裝置，在熱電聯(lián)產(chǎn)熱源機組為主要熱源的基礎上可接入廢熱能、太陽能、地熱能等新型熱源并可實現(xiàn)以熱網(wǎng)為中心的智能控制與調(diào)度。

（3）按需供熱，提供良好的熱能質(zhì)量和供熱可靠性。對熱能質(zhì)量進行監(jiān)測、診斷和需求響應，分析計算不同的用戶用熱及不同建筑物傳熱特性，從而滿足不同用戶對于熱能質(zhì)量和高可靠性標準的需求。

（4）精細化的生產(chǎn)管控系統(tǒng)建設。建立集中供熱網(wǎng)風險管理控制系統(tǒng)，對運行中的風險進行提前預判，提高熱網(wǎng)的資產(chǎn)利用率，降低運行成本。建立有效、聯(lián)動的優(yōu)化設計系統(tǒng)，對于生產(chǎn)指揮、資產(chǎn)管理、工作流程管理、運維搶修管理和運行狀態(tài)監(jiān)測都形成在線分析和統(tǒng)計。

2.智能集中供熱網(wǎng)的體系架構(gòu)設計

智能集中供熱網(wǎng)采用四層架構(gòu)，即工藝系統(tǒng)及設備層、信息層、管控層、決策層。

圖1　智能集中供熱網(wǎng)四層結(jié)構(gòu)

主要包含以下內(nèi)容：

（1）工藝系統(tǒng)及設備層

工藝系統(tǒng)及設備層的設計在傳統(tǒng)集中供熱網(wǎng)的基礎上設置了蓄熱系統(tǒng)，使熱網(wǎng)運行方式更加靈活，適應能力更加強，能夠接納更多元化的熱源。如圖2所示。

圖2　具有多熱源互補模式的供熱系統(tǒng)

底層除基礎設備外還需要包括智能傳感及各種智能設備，設備分布在蓄熱系統(tǒng)、熱源站、一二次網(wǎng)、遠端熱力站、熱用戶、及外界環(huán)境[3]，如圖3所示。

圖3　智能集中供熱網(wǎng)設備層結(jié)構(gòu)圖

（2）信息層

信息層包含傳感網(wǎng)采集的數(shù)據(jù)及各控制管理系統(tǒng)所產(chǎn)生的模型、計算結(jié)果等數(shù)據(jù)，包括各種形式的結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化的實時數(shù)據(jù)歷史數(shù)據(jù)等。

圖4　信息層示意圖

（3）管控層

管控層建立包含熱網(wǎng)生產(chǎn)運行監(jiān)控系統(tǒng)，熱網(wǎng)能耗分析系統(tǒng)，供熱客戶服務系統(tǒng)，熱網(wǎng)收費管理系統(tǒng)，熱網(wǎng)GIS系統(tǒng)，熱網(wǎng)綜合管理系統(tǒng)，熱網(wǎng)水力平衡分析系統(tǒng)，設備檢修系統(tǒng)等管控一體化系統(tǒng)。

管控層核心功能主要有：

1）網(wǎng)源一體化智能調(diào)節(jié)：建設蓄熱系統(tǒng)，自動跟蹤換熱站調(diào)節(jié)變化，維持一網(wǎng)穩(wěn)定，確保供熱質(zhì)量與供熱安全。熱源側(cè)可根據(jù)用戶側(cè)的實際熱負荷自動調(diào)節(jié)供熱量，實現(xiàn)供熱精確調(diào)節(jié)。熱源側(cè)建設多熱源系統(tǒng)，包含太陽能供熱，分布式能源站供熱等，與建立的蓄熱系統(tǒng)配合熱電聯(lián)產(chǎn)機組熱源進行熱負荷調(diào)節(jié)，避免過量供熱，實現(xiàn)節(jié)能[4]。

2）一次網(wǎng)水力智能分析：建立水力分析系統(tǒng)，在一次網(wǎng)管道進行技術改造配合管網(wǎng)水力調(diào)節(jié)。

3）換熱站智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)：增加一站一優(yōu)化智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)，根據(jù)環(huán)境溫度按需供熱。

圖5　基于換熱站智能曲線調(diào)節(jié)系統(tǒng)示意圖

4）非常規(guī)熱用戶智能控制：增加平衡閥，以及智能調(diào)節(jié)閥。常規(guī)熱用戶智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)：增加可調(diào)流量的智能調(diào)節(jié)閥，或增加平衡閥等。對熱用戶進行節(jié)能改造，解決熱用戶之間的冷熱不均的問題，從而減小整體過量供熱。

圖6　樓宇級智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)示意圖

5）熱用戶智能溫控系統(tǒng)：用戶安裝室內(nèi)智能溫度計，大部分實現(xiàn)分戶熱計量，如圖7所示。

圖7　分戶熱計量系統(tǒng)

（4）決策層

決策層包含多種基于決策樹、關聯(lián)分析等數(shù)據(jù)挖掘算法作為智能集中供熱網(wǎng)的頂層設計，為下層管控系統(tǒng)及企業(yè)決策者提供決策支持?，F(xiàn)階段主要需實現(xiàn)的數(shù)據(jù)挖掘工作主要有：基于熱用戶室溫檢測及氣象海量數(shù)據(jù)挖掘的不同地區(qū)建筑物傳熱特性分析；基于熱用戶基礎信息、海量運行歷史數(shù)據(jù)、用戶室溫數(shù)據(jù)及氣象數(shù)據(jù)的分析的熱負荷精確預測；基于用戶繳費、室溫反饋信息及管網(wǎng)運行數(shù)據(jù)的供熱質(zhì)量分析及稽查模型的建立；尋找基于水電熱能耗實時歷史數(shù)據(jù)、管熱運行實時歷史數(shù)據(jù)及氣象數(shù)據(jù)的最佳經(jīng)濟運行策略。

3.結(jié)論

本文論述了城市集中供熱系統(tǒng)及其智能化的現(xiàn)狀，并分析了新形勢下智能集中供熱網(wǎng)的新特征，從集中供熱的基礎工藝系統(tǒng)出發(fā)，逐層逐步進行構(gòu)建，設計了一整套智能集中供熱網(wǎng)的體系架構(gòu)及應用方案。

[1]CJJ34-2010.城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設計規(guī)范[S].

[2]CJJT185-2012.城鎮(zhèn)供熱系統(tǒng)節(jié)能技術規(guī)范[S].

[3]李善化,康慧.實用集中供熱手冊[M].中國電力出版社,2006.

[4]劉耀浩.空調(diào)與供熱的自動化[M].天津:天津大學出版社,1993.