“互联网+”智能供热系统在集中供热中的研究与应用

黄平平 高新勇 郑立军 郭凯旋

摘   要： 在工业物联网时代，“互联网+”技术的引进有助于从系统工程层面提升集中供热系统的生产、运行、管理和服务水平。为集中供热领域提出一套“互联网+”智能供热系统，将集中供热物理系统和信息系统深度融合，形成“数字孪生”新型应用模式。以“热源—热网—热力站—用户热力输送”为主线，采用B/S架构，形成由数据感知层、数据采集层、数据访问层、业务逻辑层、表示层与终端访问层组成的智能供热系统。在某源网一体基层热电企业实现了“互联网+”智能供热平台示范建设应用，建设了全网水力平衡分析、源网一体化协同调度、能耗统计与分析、经营收费管理、客户服务管理等子系统模块，在供热指标能耗降低、经营成本节约、工作效率提高和服务质量提升方面取得了显著成效。

关键词： “互联网+”;智能供热系统;源网协同;B/S架构;数字孪生

引言

当前，我国集中供热事业飞速发展。2018年的全国集中供热面积相比1990年增长了35倍。近十年来，热电联产机组应用规模持续扩大，目前占比达到37%，其中系统热源类型正由单一结构向多源互补转变，热网运行工况趋于复杂多变，热用户服务标准日益提高[1]。

目前，在国内基层热力企业的实际生产运营中，存在智能化水平整体偏低、管理方式较为粗放等问题：一是一部分集中供热系统尚未实现对重要参数的远传远控，缺乏对在线诊断与实时分析的数据支撑，水力失调和冷热不均的情况时有发生;二是由于缺乏对数据采集和数据共享的保障，智能热网实施前后的指标经济性、运营时效性难以评估;三是收费客服系统功能不完善，热用户服务不能满足互联网信息化时代要求;四是在已建立的供热运行管理平台中，热源、热网、热力站与用户之间存在信息壁垒，运行调节策略大多基于局部系统考虑，未能实现源网协同控制。

热电联产机组应用规模持续扩大，需要在工业物联网下实施智能控制系统建设。物联网是在互联网基础上的延伸和扩展，利用先进的信息通信技术和互联网平台的优势，推进能源生产智能化，促进多种类型能流网络互联互通和多种能源形态协同转化，建设“清洁低碳、安全高效”的现代化能源体系，是能源行业转型升级的重要方向。在先进的工业物联网信息技术快速发展和能源“消费、供给、技术、体制”理念提上日程的时代背景下，我国的集中供热企业亟需利用“互联网+”技术形成工业物联网系统，采用现代化、数字化、智能化的方式，在系统工程层面提升集中供热系统的生产、运行、管理和服务水平。

本文聚焦于“互聯网+”智能供热系统在集中供热中的研究与应用。首先，对集中供热事业进行“互联网+”需求分析，得出研发“互联网+”智能供热系统的重要意义;然后，详细阐述“互联网+”智能供热系统建设内容;最后，展示“互联网+”智能供热平台应用实例。

1 “互联网+”需求分析与智能供热系统

1.1  集中供热事业的“互联网+”需求分析

1.1.1  学科融合和技术创新的需要

节能降耗是能源行业发展追求的永恒主题。现阶段，随着先进制造工艺的应用，对集中供热系统局部设备设施的静态节能效果进行提升的潜力已然殆尽，而各子系统联动的动态节能空间亟需开发。因此，“互联网+”智能化是实现学科融合、技术创新的融合，可满足进一步节能降耗、降本提效的有力手段。

1.1.2  企业寻求生存和发展的需要

鉴于当前的能源电力行业环境，能源发电量消纳需求持续提升，供热机组热电协同矛盾日益增大。供热企业亟需通过“互联网+”智能化技术，在降低生产经营成本、打造品牌良好形象、科学开拓潜在热力市场方面，寻求更大的生存和发展空间。

1.1.3  衍生多元化市场价值的需要

“互联网+”智能化发展是为集中供热事业衍生多元化市场价值的需要。有必要通过“互联网+”平台，充分挖掘庞大供热群体的大数据资源，创新商业服务模式，提供高质量、多元化的客户服务，创造新的市场价值。

1.2 “互联网+”智能供热系统内涵

工业物联网是新一代信息技术的重要组成部分，也是信息化时代的重要发展阶段，即在互联网延伸和扩展的基础上实现不同物品间的信息交换，也就是“物物相息”，而“互联网+”智能供热系统就是工业物联网在集中供热领域的一种典型应用。

“互联网+”智能供热系统是指以供热自动化和信息化为基础，通过物理系统和信息系统的深度融合组成新的智能供热网络，将机理模型与数据驱动模型相结合，实现“数字孪生”，即工业物联网系统的应用内核，将数据辨识、数据挖掘、人工智能等先进技术集成于一体的信息处理系统。“互联网+”智能供热系统的重要意义在于，它能够为供热系统运行和管理提供全过程智能决策支持[2]。

2 “互联网+”智能供热系统建设内容

“互联网+”智能供热系统以“热源—热网—热力站—用户热力输送”为主线，涵盖民用采暖和工业供汽两种业务模式，以精益化运营管理服务为核心，统一部署数据库网络资源，打通运行、收费、客服、能耗、管理等业务应用的数据通道，实现平台内各功能子系统数据的充分交互调用，推进各项业务的在线实时协同。“互联网+”智能供热系统将真正实现需求场景化、场景在线化、在线业务化、多业务融合化。

平台采用B/S架构建设，内容包括数据感知层、数据采集层、数据访问层、业务逻辑层、表示层与终端访问层[3-7]。数据感知层包括满足智能供热系统建设所需的物联网自动化设备，用于完成智能供热平台中各项操作指令和任务命令;数据采集层和数据访问层主要通过互联网平台实现集中供热系统全过程的数据采集、智能调节与控制功能;业务逻辑层是智能供热平台的管理决策中心，为热力企业生产管理提供信息系统支撑及辅助决策支持，为热用户提供良好的客户服务和“互联网+”体验。表示层与终端访问层是平台的展示窗口，为运行人员提供良好的人机交互功能。热力企业“互联网+”智能供热系统应用架构如图1所示。

2.1  数据感知层

热源侧：首站加装电动调节阀，与循泵变频器协同调节首站输送热量，并在各输出关口加装温度、压力、流量等测量装置，以计算热量。

热力站侧：在站内新增和完善相关参数测点（温度、压力、流量、液位、热量等）、安全设备（跑水报警、摄像头、对讲装置）、控制装置（电磁阀、调节阀、变频器等）、计量装置（水表、电表、热表）。

热用户侧：在指定小区安装室内温度测量装置;对于按计量收费的小区，增设进户通断阀与热量表，实现按需供热。

2.2  数据采集层

数据感知层设备相关参数通过GPRS/5.8G/MSTP等以太网通信技术传输至热网监控系统，实现对所有热力站的实时数据采集和远程集中调控。小区室内测温装置、户用热量表和通断阀参数采用M-BUS总线模式或NB-loT无线通信方式传输至热力站PLC接收模块，再由以太网专线传输至热网监控中心。

2.3  数据访问层

数据访问层包含实时数据库和关系数据库，接收储存来自数据采集层的所有数据。

实时数据库用于存储生产运行过程中的实时数据，来源主要为首站/热力站/热用户数据监控、关口计量、贸易结算等功能模块。不同模块采集精度要求不同，分为“毫秒级”与“分钟级”两种。

关系数据库用于存储填报、配置参数等关系型数据，同时作为实时数据平台的完善和补充。

2.4  业务逻辑层

业务逻辑层是平台的核心内容，用于平台业务工作中的逻辑判断与执行操作。在收到表示层的用户指令后，连接数据访问层，实现三层之间的指令传达，对接收数据进行逻辑处理，完成数据的修改、获取、删除等功能，最终将处理结果反馈到表示层中。

业务逻辑层主要包括全网水力平衡分析子系统、运行调度子系统、热网监控子系统、能耗统计与分析子系统、经营收费管理子系统、客户服务管理子系统、生产管理子系统、设备设施管理子系统、智能稽查管理子系统、GIS地理信息子系统功能模块。

2.5  表示层与终端访问层

表示层与终端访问层为“互联网+”智能供热平台提供统一的业务应用操作界面和信息展示窗口，实现平台数据的输入与输出，子系统模块间业务数据的互通与展示。

表示层采用HTML页面或JSP页面，通过AJAX异步请求的方式进行数据的交互和终端缓存，通过自定义组件等技术保证用户友好的操作体验和流畅的数据展示，通过完善的后台业务层的逻辑运算技术作为支持，使表示层能够支撑各种外界页面及形式的自定义和更改，为智能供热平台提供优质的操作界面和信息展示窗口。

终端访问层是平台的外观层，负责向用户提供友好的人机交互接口。以B/S方式供不同类型的用户进行访问。热力公司内部用户可通过WEB接口、移动管理客户端对平台进行访问;热用户则通过移动端手机应用软件或微信公众平台等方式访问平台前置应用服务器，查询与热用户自身相关的供热业务数据。

3 “互联网+”智能供热平台应用实例

通过对某源网一体的基层热电企业“互联网+”智能供热平台示范建设应用，使其在供热指标能耗降低、经营成本节约、工作效率提高和服务质量提升方面取得了显著成效。

在数据感知层面，通过加装热力站内的物联网調节阀、水泵变频器，自动控制系统，完善站内主要运行参数监控测点，增设视频监控设备，利用租用的运营商以太专网，将热力站内采集的所有运行参数统一传输至智能供热平台。调度中心可实现对热力站设备运行状态的监测与远程控制，从而实现热力站的无人值守。

在平台业务分析层面，建设了全网水力平衡分析子系统、源网一体化协同调度子系统、能耗统计与分析子系统、经营收费管理子系统、客户服务管理子系统模块。

3.1  全网水力平衡分析子系统

根据管网的实际拓扑结构，通过热力系统机理分析与历史大数据驱动两种建模方式建立热网模型，实现离线模拟计算与在线运行工况寻优功能。通过模型计算的软测量结果与热网实际运行参数的比较，指导运行调度，优化控制策略。

3.2  源网一体化协同调度子系统

根据热网历史运行数据、室外气象参数、管网惯性、建筑物特性、末端供热形式、用户室温等多维度因素对热负荷进行预测，实时计算出热力站当前最佳二次网供热水温度，制定出每个热力站的独特调节曲线，实现“一站一策”精准控制。以用户侧室内温度为最终控制目标，沿换热站二次网供水温度、换热站一次网侧电动调节阀开度、热网首站一次网供水温度等参数溯源关联，建立热电联产机组抽汽与一次网供水温度协调变化的联动关系，从而形成源网一体化的热力调控模型。源网协同调度子系统“一站一策”控制策略如图2所示。

3.3  能耗统计与分析子系统

通过建立供热能耗多指标的计算模型，利用供热系统运行的各类数据，进行水、电、热等各类能耗指标的计算，并以图形报表等多种形式，以不同维度加以分析呈现。进一步地，结合水价、电价、热价等价格因素细化供热边际贡献，增加生产所涉及的人工、材料等各类成本信息，建立节能效果与经济收益的影响关系，从经济效益优先的角度，推进供热系统的节能优化及改造。

3.4  经营收费管理子系统

通过建立一站式供热收费解决方案，辅以银行、微信、支付宝等多元化缴费方式，以及税控接口、电子发票系统等，关联客户服务子系统，实现跨部门、跨系统的联动收费管理，主要包括与稽查管理、生产调度、客服管理的联动协调运作。解决用户资料混乱、账目不清、收费率低、历史信息无法追溯等问题，提升经营收费效率和客户满意度。

3.5  客户服务管理子系统

集成服务大厅、电话、网络（小程序/APP），以及社会监督、主管部门等多元化客户服务请求渠道，畅通信息传输机制。针对客户报修或投诉等请求工单，通过由客服中心统一派单和回访，依据工单的类型、紧急程度等分级别督办管理。利用移动端完成人员定位、远程接单、远程监督、工单处理反馈，建立由派单、处理、监督、反馈、回访等环节构成的闭环管理机制，实现对客户需求的快速响应。全过程统计客服管理系统的各类服务信息，包括客服请求响应率、客服请求办结率、坐席利用率、热线接通率等关键指标，建立综合评价机制。

4  总结与展望

随着能源互联网技术的快速发展，先进的互联网信息化技术与集中供热系统的融合愈发深入，应用更为广泛。在“互联网+”智能供热系统的加持下，在满足基层企业供热数据远传、运行远控的基础上，未来可进一步“做实底层，激活云端”，进一步促进基层供热企业节能降耗、提质增效，实现热力“产—输—配—售”全过程精细化、标准化、智能化管理，稳步提高客户服务水平，用“互联网+”智能化先进应用满足客户需求，提升企业供热运行效率和品牌价值。

参考文献

[1] 华电电力科学研究院有限公司. 热电联产供热节能改造典型案例[M]. 北京： 中国电力出版社， 2020.

[2] 中国城镇供热协会. 中国供热蓝皮书2019： 城镇智慧供热[M]. 北京： 中国建筑工业出版社， 2019.

[3] 姜健， 王飞， 韩向广. 基于人工智能实现供热系统“源网站户”联动控制[J]. 区域供热， 2020（5）： 125-131.

[4] 方修睦， 杨大易， 周志刚， 等. 智慧供热的内涵及目标[J]. 煤气与热力， 2019， 39（7）： 1-7.

[5] 柴春蕾. 智慧供热系统研究与架构设计[J]. 物联网技术， 2020（5）： 109-111.

[6] 曹玉强， 沈金安. 节能型智能供热控制系统[J]. 工业仪表与自动化装置， 2002（1）： 44-46.

[7] 何嘉. 集中供热系统中的物联网技术应用[J]. 工业技术创新， 2016， 3（5）： 1028-1030.