基于物联网技术的热网监控系统应用

2018-07-18王开辰

安阳工学院学报 2018年4期

王开辰

（安阳益和热力有限责任公司，河南安阳455000）

1 概述

城市集中供热经过多年的发展，已经由粗放型向精细化智能化供热方式转变。近几年来，热用户需求的提高及社会环保意识的加强，对集中供热工作提出了更高的要求。对集中供热中热源、热网、热用户的集中监控及量化管理确保了供热工作的高效、安全、稳定运行[1]。为了更好实现精准化智能化供热，热力调度监控在供热工作中越发重要，从热源的生产管理，热网热力站自动化运行，到热用户用热实时监控，供热工作已经由起初的人力调控向着完全智能化生产运行不断发展[2]。对于热网各个节点的运行数据监控也由起初的人工巡查，发展到调度中心实时热网监控。

物联网（Internet of things，IoT）是在互联网的基础上，将万物通过网络互联进行信息交换，网络用户端从人与人之间延伸到物与物之间。物联网系统通过信息采集和传输，并进行分析管理，将万物通过联网的方式进行关联，按照预设定协议进行信息交换与配合作业[3]，其衍生出的CPS（物联信息系统）将生产、运行、销售信息数据化，形成智能化的生产运行方式。

物联网技术实现了热力工作中的热源、热网、热用户等关键节点信息的全面自动采集，数据互联互通，自动分析生产运行的问题[4-5]。基于物联网技术的智慧供热系统是指将供热生产运行过程中各个关键节点的数据信息通过不同类型的采集器进行实时数据采集，在集抄器、GPRS（通用分组无线服务）、光纤专网等互联方式的支持下进行数据传输。其利用计算机处理数据分析，并根据既定协议形成自动化生产运行方式。供热资源通过系统进行合理分配，通过系统运作达到了以用户用热需求决定热网运行及热源生产的工作方式，为供热调度工作高效运行提供有力保障的同时实现了资源利用率的最大化。

智慧供热系统的物联网建设，实现实时控制整个城市供热能源分布，监控所有节点工作状态。系统收集每个热用户的供热使用情况，利用历史数据进行挖掘分析，形成适合于特定地区的供热指导曲线或公式算法，指导未来供热生产运行。在此基础上通过与城市大数据云计算平台对接，与城市中机关、企事业单位进行数据共享，为智慧型物联网城市的建设提供热力部分的基础保障。本文结合某供热系统实例，对基于物联网技术的智慧供热系统组建和在城市供热中的运行方式及所达到的效果进行介绍。

2 系统设计与实现

系统基于物联网进行数据采集与传输，根据系统各部分属性可将系统分为自动采集单元、半自动采集单元、数据传输单元、数据监听存储单元、自动化控制单元、可视化监控单元等6个部分。其中自动及半自动采集单元主要包含的是前端下位机热源、热网、热用户不同的采集模块。数据传输单元主要由GPRS模块、光纤组网组成。数据监听存储单元和自动化控制单元主要是指服务器部分，在本文中采用了云端服务器的形式。可视化监控单元是指调度中心上位机监控部分，包含了报警部分、人工干预控制部分等。其结构及数据流转方式如图1所示。

2.1 自动采集单元

自动采集单元使用不同类型的采集器对遍布热源、热网、热用户的所有关键节点进行数据采集，采集信息包含温度、压力、流量、热量和阀门开度等。各部分采集数据统计如表1所示。

图1 系统结构及数据流转

表1 供热各组成部分采集数据统计

各模块采集的数据通过前端下位机PLC或集抄器将模拟信号转化为数字信号进入数据传输单元。其中热源、一级网、热力站的自动采集数据通过PLC中的CPU（中央处理器）对各采集器的数据进行集中收取分析，通过配备的网口设备或DTU（数据传输单元）设备转换为电信号，进入ONU（光网络单元）中转换为光信号经遍布全市站点的光纤专网进入数据中心。二级网自动采集数据通过小区热力站部署的集抄器进行集中并转换为电信号，进入ONU转换为光信号通过光纤专网进入数据中心。热用户自动采集数据经过其自身集成的GPRS设备通过无线方式进入数据中心。数据中心服务器完成信息的监听、存储及智能化分析工作。系统自动分析结果及自动运行命令下发通过相同传输方式反向下发到前端下位机执行调控。

热力站PLC配备有HMI（用户界面）设备可对监控数据进行就地查询，就地设备可根据操作员级别设置不同的就地调控权限，系统会对就地操作进行操作员及下发指令记录并上传至数据中心，上位机监控界面可查询就地操作记录。

热力站配备视频监控，其具备的移动侦测录像功能能够记录热力站设备维修操作画面，利用移动侦测功能对无人值守热力站进行监控，保障热力站设备运行安全。上位机可对热力站进行实时监控及移动侦测录像记录调取回放。

2.2 半自动采集单元

一级网分支分段阀门状态、一级网入户门状态、管网故障（包含一级网健康状况、补偿器健康状况、二级网健康状况等数据）通过半自动方式进行数据采集。一级网及二级网工作人员定期进行管网巡查，对发现的一级管网问题、一级网分支分段阀门操作情况、小区内二级网故障等情况通过手持客户端选取对应节点，对对应节点当前状态进行更改，数据将自动上传至数据监听存储单元，上位机监控对于出现的问题进行相应的处理。半自动采集单元中的节点数据在今后的发展中也将逐步由全自动采集模块数据代替。

2.3 数据传输单元

基于物联网技术的热网监控系统为完成对PLC及集抄器等设备收集的各个运行节点数据的传输与交换，建立了覆盖所有供热站点的光纤专网，形成了数据传输的主干通道进行数据通信传输。运行数据通过光纤汇聚至云计算数据中心服务器，光纤带宽根据数据上传速率进行10∕100M自适应调整，在节约光纤资源的前提下有效的保障了数据传输。整网通过资源使用情况进行了区块划分，不同区块对应不同的VLAN（虚拟局域网），不同VLAN使用不同的网关，一个VLAN区域内出现的网络故障不影响其他VLAN的正常运行。上位机监控通过千兆光纤与云计算数据中心服务器直接互联，保障所有运行监控数据及视频监控数据的实时上传。光纤专网在传输过程中与互联网进行物理隔绝，通过云计算数据中心防火墙进入服务器后再与互联网相通，保障了监控数据的安全性。

2.4 数据监听存储单元

系统与云服务器运营商合作使用了云计算中心服务器，根据数据类别分别由智慧热网服务器、典型室温采集服务器、用户室温温控服务器、视频服务器、手机客户端服务器等进行数据监听及存储。建立在城市大数据云计算平台上的系统通过与城市市政机关、供水、供电、供气等各行各业数据进行数据共享，在云平台的支撑下，城市市民之家能够调取所有进驻平台单位的数据，物联网智慧城市在平台的支持下已经初现雏形。

2.5 自动化控制单元

自动化控制单元热力站调控部分可根据预设控制方案或环境温度对整网进行自动化运行调控。预设方案一般运行于采暖季初期或系统未达到稳定状态时期。该时段内系统会根据预设温控曲线调控温度，对热力站运行进行自动调整。在整网运行基本稳定之后，系统将采用环境温度对应气候补偿调控方式，在此自动运行方式下，系统将前端下位机收集的数据与健康管网数据进行对比分析，根据环境温度情况对于热力站进行自动运行指令下发，系统监控环境温度的升高与降低对热力站热量供给进行相应的降低或升高，不同的环境温度对应不同的供温，形成自动气候补偿温控曲线控制模式。

热用户调控部分，系统会记录用户设定的室温温度，根据目前室温情况对用户开关阀状态进行更改，用户当前室温高于或低于设定温度，用户开关阀自动进行相应的关闭或开启操作，达到控制室温的目的。热力站会对该小区内所有用户阀状态进行统计，当检测到用户阀关闭率达到一定程度导致二级网供压升高过多，将自动调整循环泵频率，降低二级网供压，在保证二级网运行安全的情况下达到节能的目的。

2.6 可视化监控单元

可视化监控单元主要功能包括供热运行情况展示及调度控制指令下达。调度中心通过可视化监控单元对热源运行、热网各个节点及用户室温的情况进行查询及监控。在管网运行自动化控制的情况下，调度中心工作人员仅需要对管网出现的故障进行处理。系统对不能自动处理的故障及事故根据紧急程度进行不同级别的报警，调度员可通过系统报警下达调度指令处理紧急事故。可视化监控单元还包含了热力站的视频监控，可通过移动侦测功能进行弹窗提醒，达到辅助监控的目的。城市市民之家与调度中心具备同样的可视化监控功能，但不具备指令下发的权限。

3 系统应用于城市供热成效

3.1 城市热网设备运行情况监控

系统通过GIS（地理信息系统）完成了城市热力管网图的建立，详细记录了热网分布、分支分段阀门开闭、管网变径、排气小室、检查井、补偿器、固定墩及热力站的情况及位置。管网巡线及操作人员根据现场勘察及操作，使用手持设备实时上传管网健康状态及阀门操作作业，信息上传至服务器汇聚并能够在调度中心调取管网各节点的实时运行情况。如有管网故障发生，系统会根据巡线人员上报改变不同节点显示颜色的变化对故障进行报警。调度中心根据报警情况对整网运行健康状况进行把控。热网设备运行情况如图2所示。

3.2 热力站关键节点运行监控

基于物联网技术的热网监控系统对热力站的关键节点通过数据采集联网，热力站已完全实现无人值守自动化运行。热力站根据用户热量使用情况，对于循环泵频率、电动调节阀开度等一系列运行参数进行智能化调控，在保证运行安全及用户需求的情况下使能源利用率最大化，达到了自动控制及节约能源的目的。系统对于全市热力站热量需求进行自动化分析，得出热源供应需求，调节热源供应情况。

图2 热网设备运行情况图

系统对于数据分析及调控结果进行可视化展示，调度中心可通过电脑客户端查看热源、热网、热力站及热用户的运行情况，所有前端下位机采集的数据都经过数据中心服务器进行处理分析，将自动运行结果反馈调度中心上位机监控，根据系统调控结果展示整网运行情况。系统根据运行压力、流量等数据分析管网泄露、站点故障、水利失调等故障报警。根据报警级别的不同进行声、光、电多种方式提醒调度中心运行监控人员。调度可对自动调控的结果进行修正，并根据报警对突发性管网故障进行调整及抢修。

在量化考核方面系统实现了耗电、耗水、耗热的指标化管理。根据能源消耗的情况暴露热力站运行问题。多维度分析统计运行数据、聚类综合分析等技术的应用使得管网运行数据化、指标化，实现了城市集中供热安全、准确、高效的运行。系统通过运算自动生成日、周、月及采暖季运行报表，报表中呈现整网运行情况，热力站分站运行情况，供热预测等数据信息指导未来供热运行。整网运行关键节点运行数据监控主界面如图3所示。图中可看到热力站报警显示红色为报警状态。

图3 整网运行关键节点运行数据监控

3.3 热用户个人化室温需求控制

基于物联网技术的热网监控系统在热用户端安装了通断阀控制及用户室温设定面板。用户自主设定室温需求温度后，系统将根据用户设定值控制通断阀状态，追随用户设定室温。热力站循环泵根据用户通断阀开启率控制循环泵频率，其范围为停止状态至工频频率，保证二级网压差保持在稳定状态，达到热用户个人化室温需求控制的目的。在国家大力推进分户计量的情况下，能源的按需合理分配已是目前供热工作的目标[6]。该功能有效解决了二级网水利分配不平衡及热能浪费的问题，在热用户对于室温个人化需求越发强烈的条件下，系统能够保证需要热量的用户得到充足的热量，不需要很高室温的用户或者需暂时关停供热的用户自主设定关闭用户阀开关，在满足用户个人化需求的同时达到节能降耗目的。

系统对用户室温调控情况进行实时上传，调度中心可通过电脑客户端查看所有用户运行状态。通过数据积累分析可得出适合特定小区的供热运行分析结果，形成符合特定小区的供热需求指导。热用户个人化室温需求控制如图4所示。图中显示一栋建筑中所有热用户的入网情况、供回水温度、室温设定、通断阀开关及用户当前室温状态等信息。

图4 用户个性化室温需求控制

3.4 供热运行大数据分析

基于物联网技术的热网监控系统与城市大数据云计算中心合作对接，使用云服务器作为数据分析依托，基于大数据回归分析法进行运行数据分析指导供热。

在热用户与热网层面，系统结合不同小区围护结构的不同对小区进行等级初步分类，在室温达到要求的前提下根据不同天气情况不断记录并分析供水温度、回水温度及供给热量的关系，系统经过计算得出不同环境温度下不同类别的热力站所需热量值，得出不同类别小区所对应的特定供热指导值，依照供热指导数据进行科学供热。在此条件下进一步分析得出单一小区在不同环境温度下所需热量的供温控制曲线，并根据初寒期、严寒期、末寒期的不同对曲线进行调整，推导优化出适合特定小区特有的数据化供热指导方案指导供热运行。

在热网与热源方面，系统通过热力站运行整体情况，对一级管网供回温情况、热力站电动调节阀开度情况、循环泵频率、热力站供温控制误差情况等进行统计分析，根据结果对热源的调节进行把控，使热能得到最大化利用。

系统同时与客服系统建立数据关联，运行数据与客户反馈相结合，实现多维度数据积累与运算。

经过计算得出的一级网热能最优供给及二级网热能量化分配，使得系统智能化运行能力得到很大提升。