鐘崴，鄭立軍，俞自濤，林小杰

（1.浙江大學能源工程學院，杭州310027；2.華電電力科學研究院，杭州310030；3.浙江大學常州工業(yè)技術研究院，江蘇常州213132）

0 引言

集中供熱是一種以規(guī)?；绞浇y(tǒng)籌生產(chǎn)和利用熱水或蒸汽的用能方式。針對我國北方高人口密度的城市場景，集中供熱具有顯著的系統(tǒng)節(jié)能效益。伴隨我國城鎮(zhèn)化進程的不斷推進，集中供熱的規(guī)模日益擴大。2019 年年底，我國居民集中供熱面積已突破130 億m2［1］。在我國能源生產(chǎn)與消費革命戰(zhàn)略的指導下，如何實現(xiàn)供熱系統(tǒng)的“清潔低碳、安全高效”轉(zhuǎn)型升級，成為當前能源行業(yè)高度關注的問題。

2017 年12 月，中國政府10 部委聯(lián)合印發(fā)了《北方地區(qū)冬季清潔取暖規(guī)劃（2017—2021 年）》，要求因地制宜綜合利用多種形式的清潔能源，實現(xiàn)低排放、低能耗取暖，具體涉及清潔熱源、高效輸配管網(wǎng)、節(jié)能建筑等全過程環(huán)節(jié)，并提出到2021年年底，清潔取暖率需從2016 年的34%提升到70%的重大任務目標［2］。在這一規(guī)劃的推動下，我國城市集中供熱系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是：在熱能生產(chǎn)環(huán)節(jié)，主要由清潔燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機組承擔基本供熱負荷。同時，積極使用各種可再生能源、工業(yè)余熱、核能供熱，將天然氣、電力供熱作為高靈活性的尖峰熱源或備用熱源，而在環(huán)保要求特別高的區(qū)域則更多采用天然氣機組供熱。在熱能輸配環(huán)節(jié)，管網(wǎng)進一步向互聯(lián)互通的拓撲結(jié)構發(fā)展以支撐多能、多源互補運行方式，積極發(fā)展長距離供熱從而在更大范圍內(nèi)優(yōu)化配置供需資源要素，將城市外圍大型燃煤機組富余的發(fā)電能力轉(zhuǎn)化為供熱能力；在用能環(huán)節(jié)，在既有建筑物節(jié)能改造基礎上，加快提升二級管網(wǎng)（庭院管網(wǎng)）及建筑物的自動化測量及調(diào)控水平，逐步實現(xiàn)按需精準舒適供熱。

上述清潔供暖發(fā)展趨勢使得供熱系統(tǒng)在供需兩端具有更多的波動性和不確定性，內(nèi)在要求供熱系統(tǒng)具有更強的全局協(xié)同、動態(tài)協(xié)調(diào)能力，即要求供熱系統(tǒng)具有更好的靈活性。長期以來，供熱系統(tǒng)的運行調(diào)度控制主要依據(jù)生產(chǎn)業(yè)務專家的知識和經(jīng)驗來完成，但伴隨供熱系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴大，調(diào)控頻次和精確度的增加，傳統(tǒng)基于人工的控制方式已難以保證供熱系統(tǒng)的安全、高效運行。當前，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術在復雜生產(chǎn)系統(tǒng)的運行管理、調(diào)度控制和要素配置方面展現(xiàn)出強大的能力，發(fā)展智慧供熱已經(jīng)成為我國供熱行業(yè)的共識［3］。

2019年6月，中國城鎮(zhèn)供熱協(xié)會發(fā)布了《中國供熱藍皮書2019——城鎮(zhèn)智慧供熱》。書中提出：“智慧供熱是在我國推進能源生產(chǎn)與消費革命，構建清潔低碳、安全高效能源體系的新時代背景下，以供熱信息化和自動化為基礎，以信息系統(tǒng)與物理系統(tǒng)深度融合為技術路徑，運用物聯(lián)網(wǎng)、空間定位、云計算、信息安全等‘互聯(lián)網(wǎng)+’技術感知連接供熱系統(tǒng)‘源-網(wǎng)-荷-儲’全過程中的各種要素，運用大數(shù)據(jù)、人工智能、建模仿真等技術統(tǒng)籌分析優(yōu)化系統(tǒng)中的各種資源，運用模型預測等先進控制技術按需精準調(diào)控系統(tǒng)中各層級、各環(huán)節(jié)對象，從而構建具有自感知、自分析、自診斷、自優(yōu)化、自調(diào)節(jié)、自適應特征，能夠支撐供熱的政府監(jiān)管、規(guī)劃設計、生產(chǎn)運營、需求響應過程中人的思考決策的新一代智慧型供熱系統(tǒng)”［4-6］。這一定義表明，建設信息物理融合系統(tǒng)（CPS）是實現(xiàn)智慧供熱的技術路徑。作為CPS的關聯(lián)和延伸概念，“數(shù)字孿生（DT）”是實現(xiàn)信息物理融合系統(tǒng)的主要應用模式。DT 是通過獲取物理系統(tǒng)的信息和數(shù)據(jù)，在虛擬空間中建立物理系統(tǒng)的高精度映射模型，對物理系統(tǒng)的行為進行模擬推演，進而提供物理系統(tǒng)規(guī)劃設計或運行管理的智能優(yōu)化決策。DT的側(cè)重點為數(shù)據(jù)和模型，通過集成全要素、全業(yè)務和全流程數(shù)據(jù)，構建模擬或表征物理系統(tǒng)行為的數(shù)字化模型，能夠?qū)崿F(xiàn)更準確的預測、合理的決策和智能的生產(chǎn)［7］。傳統(tǒng)的在線仿真技術僅僅關注對物理系統(tǒng)行為的刻畫和模擬，而“數(shù)字孿生”與物理系統(tǒng)之間存在雙向的數(shù)據(jù)交互，一方面“數(shù)字孿生”利用物理系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)進行迭代修正；另一方面基于“數(shù)據(jù)孿生”模型產(chǎn)生的控制策略可作用于物理系統(tǒng)，提升物理系統(tǒng)運行水平［8］。針對龐大的城市供熱系統(tǒng)，通過建立供熱系統(tǒng)“數(shù)字孿生”模型，可以實現(xiàn)基于模型的供熱系統(tǒng)自主態(tài)勢感知、自主故障診斷、自主優(yōu)化運行等一系列高級智能應用，支撐實現(xiàn)智慧供熱的技術目標。

本文提出的基于“數(shù)字孿生”的智慧供熱技術體系，探討智慧供熱的關鍵技術，并結(jié)合建設案例說明智慧供熱的價值。

1 基于“數(shù)字孿生”的智慧供熱技術架構

基于“數(shù)字孿生”的智慧供熱系統(tǒng)技術架構如圖1所示。具體由物理設備層、感知調(diào)控層、數(shù)據(jù)傳輸層和智慧決策層4 層架構組成，涉及供熱系統(tǒng)物理設備的配置與連接，系統(tǒng)狀態(tài)的實時測量與數(shù)據(jù)傳輸，“數(shù)字孿生”模型的建立與迭代更新，以及基于“數(shù)字孿生”模型的智慧分析、決策和運營管理。其中，智慧決策層中的供熱系統(tǒng)“數(shù)字孿生”模型是智慧供熱技術架構的核心?；跈C理建模方法建立初步模型，進而利用供熱系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)對該模型進行修正和迭代，建立完備的“數(shù)字孿生”模型。在“數(shù)字孿生”模型的基礎上，結(jié)合實時測量數(shù)據(jù)和軟測量技術實現(xiàn)系統(tǒng)全面態(tài)勢感知，并結(jié)合預測數(shù)據(jù)獲知預測供熱系統(tǒng)未來狀態(tài)?；凇皵?shù)字孿生”模型實現(xiàn)物理設備全面周期管理，實時評估設備健康狀態(tài)，實現(xiàn)預測性維護，減少系統(tǒng)故障的發(fā)生。同時，基于“數(shù)字孿生”模型制定并預演各項控制策略，獲得最優(yōu)控制策略，提升供熱系統(tǒng)運行水平。

圖1 基于“數(shù)字孿生”的智慧供熱技術架構Fig.1 Structure of the smart heat-supply roadmap based on digital twin

基于該技術架構，智慧熱網(wǎng)的運行過程可以描述為：利用各類測量設備對物理設備運行數(shù)據(jù)進行實時測量，并借助規(guī)定的通信協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸至智慧決策平臺，進而基于“數(shù)字孿生”模型并利用實時數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)推演生成供熱系統(tǒng)優(yōu)化運行、故障預警、設備維護等智慧化管理活調(diào)控策略，將這些策略下發(fā)至感知調(diào)控層進行執(zhí)行，實現(xiàn)供熱系統(tǒng)的安全高效運行。

1.1 智慧供熱系統(tǒng)架構層次

1.1.1 物理設備層

智慧供熱系統(tǒng)的物理設備層包括熱源、熱網(wǎng)、熱負荷和儲能設備，通過“源-網(wǎng)-荷-儲”的協(xié)調(diào)配合在滿足用戶用熱需求的前提下實現(xiàn)供熱系統(tǒng)安全高效、經(jīng)濟低碳運行。熱源方面，因地制宜地配置熱電聯(lián)產(chǎn)機組、尖峰熱水鍋爐、工業(yè)余熱供熱設備、熱泵等不同種類熱源。熱網(wǎng)方面，合理建設互聯(lián)互通的管網(wǎng)，并通過增壓泵和電動閥的配合提升熱網(wǎng)在供需之間輸運熱能的靈活性［9］。熱負荷方面，通過應用高效換熱器和散熱器提高熱能利用效率。儲熱方面，通過配置蓄熱罐等設備，利用管道自身的管存特性［10］，提升供熱系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性和靈活性。

1.1.2 感知調(diào)控層

感知調(diào)控層包括分布控制系統(tǒng)（DCS）、監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（SCADA）、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）等系統(tǒng)，實現(xiàn)物理設備的數(shù)據(jù)采集與控制策略的執(zhí)行?；诠嵯到y(tǒng)實時測量、智慧網(wǎng)關、標準協(xié)議等物聯(lián)感知技術全面獲取物理設備運行數(shù)據(jù)，如供熱介質(zhì)溫度、壓力、流量，閥門狀態(tài)與開度，變頻泵的運行頻率，儲熱設備能量狀態(tài)等數(shù)據(jù)。實時數(shù)據(jù)上傳至智慧決策層，支撐“數(shù)字孿生”模型的建立與迭代更新。同時，智慧決策層由全局綜合分析產(chǎn)生的各局部環(huán)節(jié)的調(diào)控目標策略通過感知調(diào)控層進行執(zhí)行，實現(xiàn)供熱系統(tǒng)的整體安全高效運行。

1.1.3 數(shù)據(jù)傳輸層

數(shù)據(jù)傳輸層負責物理系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)的上傳和智慧策略的下發(fā)，是聯(lián)系智慧決策層和感知調(diào)控層的重要環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)傳輸方式分為有線傳輸和無線傳輸。其中，有線傳輸方式可靠性和穩(wěn)定性較高，但傳輸距離容易受到限制；無線傳輸方式更為靈活，不受空間限制，但可靠性相對較低?；谠O備類型、數(shù)據(jù)采集頻率、數(shù)據(jù)量規(guī)模、現(xiàn)場條件、數(shù)據(jù)安全要求等方面的綜合考慮，合理選擇有線傳輸和無線傳輸技術方案。

1.1.4 智慧決策層

智慧決策層位于物理設備層和感知調(diào)控層之上，以“數(shù)字孿生”模型為核心，實現(xiàn)“基于模型做預測，基于預測做決策”。在感知調(diào)控層實現(xiàn)供熱系統(tǒng)“源-網(wǎng)-荷-儲”各環(huán)節(jié)全要素連接的基礎上，采用熱工水力過程建模仿真技術和工業(yè)大數(shù)據(jù)方法構建供熱系統(tǒng)的“數(shù)字孿生”模型，進而基于模型實現(xiàn)系統(tǒng)態(tài)勢感知、故障監(jiān)測與預警、設備預測性維護、數(shù)據(jù)預測、優(yōu)化調(diào)度與控制、應急處置、能效分析等的定量化、智慧化管理功能，從而借助機器智能輔助人類智能，使智慧決策層的信息技術（IT）平臺系統(tǒng)成為城市供熱系統(tǒng)生產(chǎn)運行的“大腦”。調(diào)度控制功能是該層次的核心應用，核心能力是在動態(tài)變化的工況組合條件下，形成實時優(yōu)化的運行策略，使供熱系統(tǒng)始終保持供需的整體動態(tài)平衡。

1.2 智慧供熱與系統(tǒng)工程

基于“數(shù)字孿生”的智慧供熱技術架構，是通過對供熱系統(tǒng)各環(huán)節(jié)“線下”狀態(tài)感知，基于“數(shù)字孿生”模型在“線上”進行運行態(tài)勢的實時分析、故障監(jiān)測及安全性評估，因時擇優(yōu)地做出全局優(yōu)化的運行決策，實現(xiàn)能源系統(tǒng)的全時空感知、全要素聯(lián)動、全周期迭代。這在技術本質(zhì)上是借助“互聯(lián)網(wǎng)+”的條件，將基于模型的系統(tǒng)工程方法“在線化”。

漢字的學習過程就是學生認識世界、感悟文化、辨明哲理、豐富情感、提高素養(yǎng)的過程。學生識字，是為了掌握一種交際工具，有沒有情感態(tài)度的要求呢？我認為，工具是被人所使用的，使用工具的人就必有情感態(tài)度的問題；而語言文字本身就是一種文化，尤其是我們的漢字，其中蘊涵著豐富的文化信息。所以，在教學中，教師應注意挖掘漢字本身攜帶的知識、趣聞、故事、歷史、文化，促進學生的學習動機由外在轉(zhuǎn)向內(nèi)在，從對外部獎賞的追逐轉(zhuǎn)為對知識本身的興趣，培養(yǎng)學生的內(nèi)在學習動機，從漢字學習不斷發(fā)現(xiàn)的本身產(chǎn)生自我獎賞的效果，逐漸形成崇尚知識、發(fā)現(xiàn)真理、探索未來的人文精神。

城市集中供熱系統(tǒng)規(guī)模龐大，不斷發(fā)展變化，屬于復雜開放的巨系統(tǒng)。針對復雜開放巨系統(tǒng)的管理，錢學森先生曾經(jīng)指出“根據(jù)控制論原理，運用計算機技術，把復雜系統(tǒng)的工程組織管理建立在定量的基礎上，使得各個分系統(tǒng)、分系統(tǒng)中的每個組件的工作，協(xié)調(diào)一致、同步運轉(zhuǎn)，大大提高效率”［11］。這一前瞻性的系統(tǒng)工程論斷與當前智慧供熱的核心技術特征是完全一致的。

2 智慧供熱關鍵技術

2.1 “數(shù)字孿生”模型構建

“數(shù)字孿生”模型建立的關鍵為物理系統(tǒng)模型的建立和數(shù)據(jù)的接入。由于供熱系統(tǒng)屬于變化的復雜高維大系統(tǒng)，難以直接采用“黑箱”辨識建模，單純“白箱”嚴格按照結(jié)構機理建模亦不足以描述實際能源系統(tǒng)的特性。因此，針對此類問題的數(shù)字孿生建模，需要綜合運用機理建模與數(shù)據(jù)建模方法?；诠嵯到y(tǒng)拓撲結(jié)構，借助傳熱學、流體力學、圖論等方法建立供熱系統(tǒng)的機理建模。全面接入供熱系統(tǒng)中溫度、壓力、流量、能源消耗量、天氣數(shù)據(jù)等狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)建模方法對機理模型特征參數(shù)進行反向辨識校準，并在供熱系統(tǒng)運行過程中定期迭代修正，從而獲得供熱系統(tǒng)的“數(shù)字孿生”模型。

2.2 供熱負荷預測

對跟隨天氣變化的熱負荷，以及可再生能源等被動型熱源的出力能力進行預測是實現(xiàn)供熱系統(tǒng)實時優(yōu)化調(diào)控的重要基礎條件。熱負荷預測方面，可借助物聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)代表性室溫測量，并結(jié)合歷史運行狀態(tài)數(shù)據(jù)和天氣數(shù)據(jù)，采用時間序列法、神經(jīng)網(wǎng)絡法、灰色系統(tǒng)預測等方法對短期、中期、長期熱負荷進行預測［12］?？稍偕茉搭A測方面，通過充分利用歷史數(shù)據(jù)、氣候數(shù)據(jù)、天氣數(shù)據(jù)等多類信息提升預測的準確性。

2.3 調(diào)控方案實時優(yōu)化

實時優(yōu)化（RTO）是在復雜大型生產(chǎn)系統(tǒng)的運行過程中，結(jié)合工藝機理、運行狀態(tài)、內(nèi)外部條件的變化，通過計算機系統(tǒng)周期性地反復執(zhí)行在線優(yōu)化分析，對生產(chǎn)系統(tǒng)各子系統(tǒng)及裝置的設定參數(shù)進行動態(tài)調(diào)整和規(guī)劃，使生產(chǎn)系統(tǒng)始終保持對環(huán)境、原料、需求、設備、技術等各方面因素的適應性，并持續(xù)工作在安全、高效、低耗、環(huán)保的最優(yōu)工作狀態(tài)［13］。供熱系統(tǒng)的調(diào)度方案實時優(yōu)化是指通過合理安排熱力系統(tǒng)中的可調(diào)設備提升系統(tǒng)運行經(jīng)濟性，是實現(xiàn)供熱系統(tǒng)智慧化管理的重要內(nèi)容?；跓嶝摵珊涂稍偕茉搭A測數(shù)據(jù)和供熱系統(tǒng)實時狀態(tài)，考慮源側(cè)設備和儲能設備出力范圍、升降負荷速率約束等運行特性和管網(wǎng)的傳輸能力，制定有效的機組組合和出力計劃，以及合理的泵、閥組合方案，提升供熱系統(tǒng)運行經(jīng)濟性和靈活性。

3 智慧供熱案例

智慧供熱已成為我國清潔供暖建設的重要內(nèi)容。以我國鄭州市集中供熱系統(tǒng)為例，2018 年采暖季，鄭州熱力集團有限公司由5個熱電聯(lián)產(chǎn)熱源與6座天然氣區(qū)域鍋爐房提供4 150 MW 的集中供熱能力；供熱入網(wǎng)總面積達1.2億m2；市區(qū)主干管網(wǎng)總長近2 000 km，熱力站約1 661座。該供熱系統(tǒng)屬于典型的多源供熱系統(tǒng)，同時伴隨供熱規(guī)模的不斷擴大，供熱系統(tǒng)的運行調(diào)度難度顯著增加。在住建部科技示范工程的支持下，鄭州熱力開展了“智慧城市供熱系統(tǒng)仿真分析與調(diào)度控制平臺”的建設。該平臺建立了多源聯(lián)網(wǎng)供熱系統(tǒng)“數(shù)字孿生”仿真分析模型，能夠?qū)ω摵煞峙?、熱網(wǎng)解列、節(jié)能運行、應急搶險等運行調(diào)控方案進行尋優(yōu)，也可實現(xiàn)供熱系統(tǒng)的設計改造方案分析。該平臺架構基于多源供熱物理系統(tǒng)拓撲結(jié)構和運行數(shù)據(jù)，建立“數(shù)字孿生”模型，如圖2所示。基于“數(shù)字孿生”模型，進行負荷分配、熱網(wǎng)解列等分析，分析結(jié)果利用“數(shù)字仿真”模型進行迭代驗證，最終獲得最優(yōu)調(diào)控測量，并下達至多源供熱物理系統(tǒng)。實踐表明，通過建設基于“數(shù)字孿生”的智慧供熱系統(tǒng)，顯著提升了城市供熱系統(tǒng)運行的智慧化、自動化水平，有力地保障了城市供熱系統(tǒng)的安全、可靠、環(huán)保、舒適、經(jīng)濟運行。

圖2 智慧城市供熱系統(tǒng)仿真分析與調(diào)度控制平臺架構Fig.2 Simulation analysis on the smart city heat-supply system and architecture of the dispatching and control platform

4 總結(jié)與展望

面對城市集中供熱系統(tǒng)規(guī)模擴大和多元化發(fā)展的新趨勢和新挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)基于人工經(jīng)驗的調(diào)度控制已難以實現(xiàn)精準調(diào)控，借助新一代信息技術發(fā)展智慧供熱已經(jīng)成為行業(yè)共識?！皵?shù)字孿生”是物理系統(tǒng)與信息技術融合的重要應用形式，以數(shù)據(jù)和模型為基礎，實現(xiàn)物理系統(tǒng)的智慧化運行管理。

目前，我國供熱行業(yè)已廣泛開展了數(shù)字化和信息化改造，供熱系統(tǒng)的日常管理日益科學化和精細化。但應認識到，信息化的實現(xiàn)不等同于智能化、智慧化的實現(xiàn)，智慧供熱的技術依然需要持續(xù)發(fā)展。本文認為，未來需要繼續(xù)深入研究與實施的工作可歸納如下。

（1）深入研究先進信息技術與控制方法，實現(xiàn)供熱系統(tǒng)協(xié)調(diào)運行。充分利用供熱系統(tǒng)中“源-網(wǎng)-荷-儲”不同環(huán)節(jié)靈活性，全面提升系統(tǒng)運行管理水平；有效發(fā)揮人工智能技術在供熱系統(tǒng)負荷預測、故障診斷、異常情況識別等方面的作用。利用信息技術逐步實現(xiàn)從計算智能、感知智能，到認知智能、決策智能的高水平智慧供熱。

（2）加強智慧供熱技術標準建設，推廣智慧供熱成功案例。通過大型企業(yè)或產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟牽頭，制定行業(yè)標準，加強頂層設計，避免重復低質(zhì)量建設，需要通過成功案例的推介和相關技術標準的建立，推進智慧供熱更為廣泛的應用和技術落地。

致謝：本文感謝浙江大學-華光環(huán)能智慧能源聯(lián)合研發(fā)中心的支持。