源网联动控制系统在供热运行中的应用研究

马艳良 罗诗林 李彦成

天津市热力有限公司

0 背景

在供热领域，以节能降耗为目的的“精准供热”方式越来越受到各供热公司的重视。随着自动控制技术的不断发展，已产生多种节能降耗的自动控制模式来逐渐替代传统的手动调节方式。其基本宗旨是尽量减少人为参与的程度，利用大数据等计算方法，实现自动、智能、合理地调节供水温度，在降低能耗的同时，保证用户的用热需求，使其室内温度处于体感舒适的温度范围。重点介绍了源网联动控制系统在供热运行中的应用，通过技术路线、运行策略、操作步骤及全网运行状态等方面的介绍，分析该控制系统的优势。

1 技术路线

源网联动控制系统的基础是二次网智能平衡，通过调整安装在热力管井内的户用智能调节阀开度来实现。该系统的目标是使热用户室内处于舒适的温度，通过设定室内目标温度，基于大数据分析的全网优化控制策略自动进行分析，凭借热源、换热站的自动控制系统，实现源网联动调节，达到按需供热、节能运行的目的。

该系统包括智慧供热节能监控平台、下位机、户用智能阀、换热站PLC控制系统、基于大数据挖掘分析专家系统、电动调节阀、典型用户室内温度监测系统、锅炉房PLC控制系统、基于大数据清洗及分析挖掘机器学习的AI系统、智慧供热数据库。

智慧供热节能监控平台用于设定二次供水温度、室内温度目标值、监控运行数据等；下位机用于接收调控指令，对户用智能阀下达调节开度的指令；户用智能阀用于调节入户循环水的流量，自动调节二次网水力平衡；换热站PLC控制系统用于接收和下发换热站设备的控制指令；基于大数据挖掘分析专家系统用于分析运行参数，并自动下发二次供水温度；电动调节阀用于调节一次循环水流量，从而达到调节二次供水温度的目的；典型用户室内温度监测系统用于监测典型用户的室内温度，并通过数据筛查和分析计算，采取有效室内平均温度；锅炉房PLC控制系统用于接收和下发锅炉房设备的控制指令；基于大数据清洗及分析挖掘机器学习的AI系统用于分析智慧供热数据库的数据，并预测锅炉负荷；智慧供热数据库包含室外综合气象参数、历史运行参数、建筑热惰性，为基于大数据挖掘分析专家系统和基于大数据清洗及分析挖掘机器学习的AI系统提供数据。其控制系统原理图见图1。

图1 源网联动控制系统原理图

2 运行策略

供热系统由热源、热力站、热网组成，在运行过程中往往仅能单独调节、独立运行，缺少三级联动控制，造成能源的浪费与运行成本的增加。针对供热系统的此特性，亟须一种能够实现热源、热力站、热网三级联动控制的方法，达到按需供热、节能运行的目的，减少能源的消耗，降低供热运行的成本。

源网联动控制系统的运行策略是将热源、热力站、热网联动控制，以用户室温为目标，动态调整二次供水温度；二次网循环泵采用定压差方式运行；锅炉出水温度根据源网参数之间的耦合条件，采用非线性规划理论进行优化确定；一次网循环泵采用定压差方式运行。源网联动运行原理图见图2。

图2 源网联动运行原理图

每个供热系统的特性均具有不可复制性，如何根据源网匹配特性定制优化控制策略，保证热网安全、稳定、节能运行非常重要。因此，需要针对热力管网的实际情况，制订优化控制策略，以实现全网的科学调控与安全运行，达到“均衡输送、按需供热、节能降耗”的最终目标。

源网联动运行的全网平衡策略为一次网均匀性控制，消除水力失调带来的能源浪费。实现以上需求的控制策略如下：

1）根据稳定运行后的历史供水温度、阶段性循环流量、历史耗热量等监测参数，预测热源未来输出热量和供水温度，指导热源供热范围内的合理分配，并实时判断热源供热量是否与需热量匹配。

2）依据各换热站的二次供水温度、二次回水温度、耗热量、室外气象参数等历史数据，结合建筑热特性、室温需求及室外气象参数变化，预测在满足供热需求的情况下各换热站未来的日耗热量、未来的日二次网供热参数，使各热源下辖的换热站按照需求进行调控运行，实现按需供热。

3）选取智慧供热改造范围内的各小区的典型热用户室温，由于小区建筑结构、室内采暖方式等决定的滞后特性及室温变化规律不同，换热站调节控制和优化规律也不同。在综合考虑室外综合温度（室外温度、太阳辐照、室外风速）、昼夜人体热舒适度感受需求、室内温度控制目标要求（恒温、阶段性温度变化）等因素下，利用机器学习优化计算方法，形成系统的闭环控制流程，得出以满足预设室内温度为总体目标，以满足采暖舒适度的建筑热耗为控制目标，以满足分时改变供水温度为控制参数的换热站优化控制策略。

3 操作步骤

第一步为录入基础信息，点击菜单【基础信息】进入。实现对从热源到热用户全面的基础信息的录入和编辑功能，包括【热力信息管理】【组织机构】【热源管理】【管网站管理】【换热站管理】【居建管理】【室温监测】及【采暖期信息】。重点注意各热用户、换热站、热源的供热面积准确性以及各层级所属关系。其基础信息录入图见图3。

第二步为设置室温目标，点击主界面【运行监控】进入【换热站运行监控】。开启换热站自动运行模式，并逐一设定各换热站下属热用户的室温目标。室温目标温度设置图见图4。

第三步为下发联动控制命令，返回主界面【运行监控】进入【热源运行监控】。点击【控制柜】进入热源控制柜运行图界面，下发联动控制命令，开启锅炉自动运行模式。根据系统提示信息，现场启动投运锅炉。联动控制命令下发图见图5。

图5 联动控制命令下发图

第四步为监测全网运行状态，通过对各换热系统控制精度的分析，可以监测调节控制情况，确保供热平衡，达到预定控制目标。根据上位机数据绘制各个热力站的供水压力、回水压力水压图，分析管网的压力分布，从全局上掌控整网运行调节情况。

通过智能分析功能对各个机组、系统进行设备故障诊断、能耗诊断、优化控制等全方位的分析，监测整个供热系统设备故障情况、能耗情况，及时了解管网目前状态并进行针对性的解决。

4 结语

使用源网联动控制系统的第一个采暖季，热单耗为0.107 6 MJ/m2·℃，与计划的指标值0.127 7 MJ/m2·℃相比，下降了15.7%，同时电耗、水耗也有一定程度的下降，节能降耗工作取得了一定的效果。

源网联动控制系统建立了优化、合理的控制逻辑策略，配备了各环节所需的控制硬件及软件，以大数据采集和数据分析处理为手段，通过终端热用户室内测温面板温度的反馈，及时对换热站和热源的热能分配进行调整，在满足热用户实际用热需求的同时，实现精准供热、节能降耗的目的。该系统完善了供热系统的协调统一调度和控制[1]，弱化了人为参与供热运行调节的程度，降低了人为因素造成能源浪费的可能性，对热力公司产生一定的经济效益。