智能集中供熱網的體系架構設計

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

智能集中供熱網的體系架構設計

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

大數據、物聯網、云計算等互聯網相關技術的蓬勃發展，給集中供熱網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及其智能化的現狀，并分析了新形勢下智能集中供熱網的新特征，針對目前集中供熱系統中存在的問題，設計了一整套智能集中供熱網的體系架構及應用方案。

物聯網；智能熱網；集中供熱；體系架構

1.智能集中供熱網的新特征

智能集中供熱網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展和變化，從內涵和外延兩方面描述智能集中供熱網的新特征。

1.1智能集中供熱網的內涵

智能集中供熱網的內涵包括以下幾個方面：

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

（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的必要條件，這是因為熱力輸配自動化將熱網的實時運行、熱網結構、設備、用戶以及地理圖形等信息進行集成，構成完整的熱力輸配自動化系統。

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

（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，足以保證獲得系統運行參數、設備運行狀態、廣域測量網絡、靈活的保護系統等，真實可靠地提供熱力輸配網的靜態和動態數據，為各類智能化的應用提供基礎信息。

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

（6）統一的熱網系統數據模型。包括熱網的水力模型，熱力模型，并將熱網的物理模型映射為標準的數據模型，使得相關數據源以一種有效的、結構化的、清楚的方式關聯起來。

（7）智能熱網設備管理。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的可見度，使得熱網系統的運行操作可視化，同時輔以更智能、更綜合的分析應用程序，實現對集中供熱網高效有序的管理，降低管理難度。

1.2智能集中供熱網的外延

智能集中供熱網的外延包括以下4個方面：

（1）熱源、熱網、用戶一體化調節，熱網與熱源、熱網與熱用戶通過智能終端、網絡及統一數據接口實現一定程度的信息交互，并可根據熱源、熱網、用戶三端數據的融合，最終實現一體化調節。

（2）熱網輸配網配置蓄熱裝置，在熱電聯產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以熱網為中心的智能控制與調度。

（3）按需供熱，提供良好的熱能質量和供熱可靠性。對熱能質量進行監測、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量和高可靠性標準的需求。

（4）精細化的生產管控系統建設。建立集中供熱網風險管理控制系統，對運行中的風險進行提前預判，提高熱網的資產利用率，降低運行成本。建立有效、聯動的優化設計系統，對于生產指揮、資產管理、工作流程管理、運維搶修管理和運行狀態監測都形成在線分析和統計。

2.智能集中供熱網的體系架構設計

智能集中供熱網采用四層架構，即工藝系統及設備層、信息層、管控層、決策層。

圖1　智能集中供熱網四層結構

主要包含以下內容：

（1）工藝系統及設備層

工藝系統及設備層的設計在傳統集中供熱網的基礎上設置了蓄熱系統，使熱網運行方式更加靈活，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

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、熱源站、一二次網、遠端熱力站、熱用戶、及外界環境[3]，如圖3所示。

圖3　智能集中供熱網設備層結構圖

（2）信息層

信息層包含傳感網采集的數據及各控制管理系統所產生的模型、計算結果等數據，包括各種形式的結構化與非結構化的實時數據歷史數據等。

圖4　信息層示意圖

（3）管控層

管控層建立包含熱網生產運行監控系統，熱網能耗分析系統，供熱客戶服務系統，熱網收費管理系統，熱網GIS系統，熱網綜合管理系統，熱網水力平衡分析系統，設備檢修系統等管控一體化系統。

管控層核心功能主要有：

1）網源一體化智能調節：建設蓄熱系統，自動跟蹤換熱站調節變化，維持一網穩定，確保供熱質量與供熱安全。熱源側可根據用戶側的實際熱負荷自動調節供熱量，實現供熱精確調節。熱源側建設多熱源系統，包含太陽能供熱，分布式能源站供熱等，與建立的蓄熱系統配合熱電聯產機組熱源進行熱負荷調節，避免過量供熱，實現節能[4]。

2）一次網水力智能分析：建立水力分析系統，在一次網管道進行技術改造配合管網水力調節。

3）換熱站智能調節系統：增加一站一優化智能調節系統，根據環境溫度按需供熱。

圖5　基于換熱站智能曲線調節系統示意圖

4）非常規熱用戶智能控制：增加平衡閥，以及智能調節閥。常規熱用戶智能調節系統：增加可調流量的智能調節閥，或增加平衡閥等。對熱用戶進行節能改造，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　樓宇級智能調節系統示意圖

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

圖7　分戶熱計量系統

（4）決策層

決策層包含多種基于決策樹、關聯分析等數據挖掘算法作為智能集中供熱網的頂層設計，為下層管控系統及企業決策者提供決策支持。現階段主要需實現的數據挖掘工作主要有：基于熱用戶室溫檢測及氣象海量數據挖掘的不同地區建筑物傳熱特性分析；基于熱用戶基礎信息、海量運行歷史數據、用戶室溫數據及氣象數據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運行數據的供熱質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據、管熱運行實時歷史數據及氣象數據的最佳經濟運行策略。

3.結論

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

[1]CJJ34-2010.城鎮供熱管網設計規范[S].

[2]CJJT185-2012.城鎮供熱系統節能技術規范[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.空調與供熱的自動化[M].天津:天津大學出版社,1993.