智能集中供热网的体系架构设计

2016-12-16中国华电集团公司严新荣

电子世界 2016年22期

关键词：热网热力热源

中国华电集团公司严新荣

华电电力科学研究院冯亦武费盼峰

智能集中供热网的体系架构设计

中国华电集团公司严新荣

华电电力科学研究院冯亦武费盼峰

大数据、物联网、云计算等互联网相关技术的蓬勃发展，给集中供热网的智能化升级带来了机遇。文章详细论述了城市集中供热系统及其智能化的现状，并分析了新形势下智能集中供热网的新特征，针对目前集中供热系统中存在的问题，设计了一整套智能集中供热网的体系架构及应用方案。

物联网；智能热网；集中供热；体系架构

1.智能集中供热网的新特征

智能集中供热网还尚未形成一致的定义。如果要更全面地定义其概念，需要充分考虑到技术的发展和变化，从内涵和外延两方面描述智能集中供热网的新特征。

1.1智能集中供热网的内涵

智能集中供热网的内涵包括以下几个方面：

（1）具备供热系统输配工艺的先进及灵活性。传统的供热输配系统较难适应迅速扩大的供热面积，以及在新能源优先发电上网的新形势下供热机组发电量受制于电网调度，以热定电模式即将被打破，要求热网对热源负荷波动具有较强的适应性。在废热利用、地热利用、太阳能等新供热节能技术的推动下，也要求当前集中供热输配系统具有更强的灵活性。保持集中供热系统结构的先进性及灵活性是实现智能集中供热网的重要基石。

（2）具有热力输配的自动化基础。热力输配自动化是智能集中供热网的必要条件，这是因为热力输配自动化将热网的实时运行、热网结构、设备、用户以及地理图形等信息进行集成，构成完整的热力输配自动化系统。

（3）融入互联网的通信体系。对于热力输配网必须面向互联网的体系架构，随着互联网技术的发展，尤其是移动互联网技术的快速发展，完全改变了终端互联的技术生态，热力输配自动化终端融入互联网体系是必由之路。

（4）无处不在的传感器和测量装置。大量的传感器和智能测量，足以保证获得系统运行参数、设备运行状态、广域测量网络、灵活的保护系统等，真实可靠地提供热力输配网的静态和动态数据，为各类智能化的应用提供基础信息。

（5）智能调度与调节行为。具有智能行为是智能集中供热网的核心特征之一。由于云储存和大数据处理的出现，使得热负荷预测更加精确，分析得到精确调节模型变得可能，从而使得供热控制与调节更加智能化。

（6）统一的热网系统数据模型。包括热网的水力模型，热力模型，并将热网的物理模型映射为标准的数据模型，使得相关数据源以一种有效的、结构化的、清楚的方式关联起来。

（7）智能热网设备管理。通过图形化和地理信息等技术手段最大程度地提高一次二次热网的可见度，使得热网系统的运行操作可视化，同时辅以更智能、更综合的分析应用程序，实现对集中供热网高效有序的管理，降低管理难度。

1.2智能集中供热网的外延

智能集中供热网的外延包括以下4个方面：

（1）热源、热网、用户一体化调节，热网与热源、热网与热用户通过智能终端、网络及统一数据接口实现一定程度的信息交互，并可根据热源、热网、用户三端数据的融合，最终实现一体化调节。

（2）热网输配网配置蓄热装置，在热电联产热源机组为主要热源的基础上可接入废热能、太阳能、地热能等新型热源并可实现以热网为中心的智能控制与调度。

（3）按需供热，提供良好的热能质量和供热可靠性。对热能质量进行监测、诊断和需求响应，分析计算不同的用户用热及不同建筑物传热特性，从而满足不同用户对于热能质量和高可靠性标准的需求。

（4）精细化的生产管控系统建设。建立集中供热网风险管理控制系统，对运行中的风险进行提前预判，提高热网的资产利用率，降低运行成本。建立有效、联动的优化设计系统，对于生产指挥、资产管理、工作流程管理、运维抢修管理和运行状态监测都形成在线分析和统计。

2.智能集中供热网的体系架构设计

智能集中供热网采用四层架构，即工艺系统及设备层、信息层、管控层、决策层。

图1　智能集中供热网四层结构

主要包含以下内容：

（1）工艺系统及设备层

工艺系统及设备层的设计在传统集中供热网的基础上设置了蓄热系统，使热网运行方式更加灵活，适应能力更加强，能够接纳更多元化的热源。如图2所示。

图2　具有多热源互补模式的供热系统

底层除基础设备外还需要包括智能传感及各种智能设备，设备分布在蓄热系统、热源站、一二次网、远端热力站、热用户、及外界环境[3]，如图3所示。

图3　智能集中供热网设备层结构图

（2）信息层

信息层包含传感网采集的数据及各控制管理系统所产生的模型、计算结果等数据，包括各种形式的结构化与非结构化的实时数据历史数据等。

图4　信息层示意图

（3）管控层

管控层建立包含热网生产运行监控系统，热网能耗分析系统，供热客户服务系统，热网收费管理系统，热网GIS系统，热网综合管理系统，热网水力平衡分析系统，设备检修系统等管控一体化系统。

管控层核心功能主要有：

1）网源一体化智能调节：建设蓄热系统，自动跟踪换热站调节变化，维持一网稳定，确保供热质量与供热安全。热源侧可根据用户侧的实际热负荷自动调节供热量，实现供热精确调节。热源侧建设多热源系统，包含太阳能供热，分布式能源站供热等，与建立的蓄热系统配合热电联产机组热源进行热负荷调节，避免过量供热，实现节能[4]。

2）一次网水力智能分析：建立水力分析系统，在一次网管道进行技术改造配合管网水力调节。

3）换热站智能调节系统：增加一站一优化智能调节系统，根据环境温度按需供热。

图5　基于换热站智能曲线调节系统示意图

4）非常规热用户智能控制：增加平衡阀，以及智能调节阀。常规热用户智能调节系统：增加可调流量的智能调节阀，或增加平衡阀等。对热用户进行节能改造，解决热用户之间的冷热不均的问题，从而减小整体过量供热。

图6　楼宇级智能调节系统示意图

5）热用户智能温控系统：用户安装室内智能温度计，大部分实现分户热计量，如图7所示。

图7　分户热计量系统

（4）决策层

决策层包含多种基于决策树、关联分析等数据挖掘算法作为智能集中供热网的顶层设计，为下层管控系统及企业决策者提供决策支持。现阶段主要需实现的数据挖掘工作主要有：基于热用户室温检测及气象海量数据挖掘的不同地区建筑物传热特性分析；基于热用户基础信息、海量运行历史数据、用户室温数据及气象数据的分析的热负荷精确预测；基于用户缴费、室温反馈信息及管网运行数据的供热质量分析及稽查模型的建立；寻找基于水电热能耗实时历史数据、管热运行实时历史数据及气象数据的最佳经济运行策略。