“互聯網+”智能供熱系統在集中供熱中的研究與應用

黃平平 高新勇 鄭立軍 郭凱旋

摘? ?要： 在工業物聯網時代，“互聯網+”技術的引進有助于從系統工程層面提升集中供熱系統的生產、運行、管理和服務水平。為集中供熱領域提出一套“互聯網+”智能供熱系統，將集中供熱物理系統和信息系統深度融合，形成“數字孿生”新型應用模式。以“熱源—熱網—熱力站—用戶熱力輸送”為主線，采用B/S架構，形成由數據感知層、數據采集層、數據訪問層、業務邏輯層、表示層與終端訪問層組成的智能供熱系統。在某源網一體基層熱電企業實現了“互聯網+”智能供熱平臺示范建設應用，建設了全網水力平衡分析、源網一體化協同調度、能耗統計與分析、經營收費管理、客戶服務管理等子系統模塊，在供熱指標能耗降低、經營成本節約、工作效率提高和服務質量提升方面取得了顯著成效。

關鍵詞： “互聯網+”;智能供熱系統;源網協同;B/S架構;數字孿生

引言

當前，我國集中供熱事業飛速發展。2018年的全國集中供熱面積相比1990年增長了35倍。近十年來，熱電聯產機組應用規模持續擴大，目前占比達到37%，其中系統熱源類型正由單一結構向多源互補轉變，熱網運行工況趨于復雜多變，熱用戶服務標準日益提高[1]。

目前，在國內基層熱力企業的實際生產運營中，存在智能化水平整體偏低、管理方式較為粗放等問題：一是一部分集中供熱系統尚未實現對重要參數的遠傳遠控，缺乏對在線診斷與實時分析的數據支撐，水力失調和冷熱不均的情況時有發生;二是由于缺乏對數據采集和數據共享的保障，智能熱網實施前后的指標經濟性、運營時效性難以評估;三是收費客服系統功能不完善，熱用戶服務不能滿足互聯網信息化時代要求;四是在已建立的供熱運行管理平臺中，熱源、熱網、熱力站與用戶之間存在信息壁壘，運行調節策略大多基于局部系統考慮，未能實現源網協同控制。

熱電聯產機組應用規模持續擴大，需要在工業物聯網下實施智能控制系統建設。物聯網是在互聯網基礎上的延伸和擴展，利用先進的信息通信技術和互聯網平臺的優勢，推進能源生產智能化，促進多種類型能流網絡互聯互通和多種能源形態協同轉化，建設“清潔低碳、安全高效”的現代化能源體系，是能源行業轉型升級的重要方向。在先進的工業物聯網信息技術快速發展和能源“消費、供給、技術、體制”理念提上日程的時代背景下，我國的集中供熱企業亟需利用“互聯網+”技術形成工業物聯網系統，采用現代化、數字化、智能化的方式，在系統工程層面提升集中供熱系統的生產、運行、管理和服務水平。

本文聚焦于“互聯網+”智能供熱系統在集中供熱中的研究與應用。首先，對集中供熱事業進行“互聯網+”需求分析，得出研發“互聯網+”智能供熱系統的重要意義;然后，詳細闡述“互聯網+”智能供熱系統建設內容;最后，展示“互聯網+”智能供熱平臺應用實例。

1 “互聯網+”需求分析與智能供熱系統

1.1? 集中供熱事業的“互聯網+”需求分析

1.1.1? 學科融合和技術創新的需要

節能降耗是能源行業發展追求的永恒主題?，F階段，隨著先進制造工藝的應用，對集中供熱系統局部設備設施的靜態節能效果進行提升的潛力已然殆盡，而各子系統聯動的動態節能空間亟需開發。因此，“互聯網+”智能化是實現學科融合、技術創新的融合，可滿足進一步節能降耗、降本提效的有力手段。

1.1.2? 企業尋求生存和發展的需要

鑒于當前的能源電力行業環境，能源發電量消納需求持續提升，供熱機組熱電協同矛盾日益增大。供熱企業亟需通過“互聯網+”智能化技術，在降低生產經營成本、打造品牌良好形象、科學開拓潛在熱力市場方面，尋求更大的生存和發展空間。

1.1.3? 衍生多元化市場價值的需要

“互聯網+”智能化發展是為集中供熱事業衍生多元化市場價值的需要。有必要通過“互聯網+”平臺，充分挖掘龐大供熱群體的大數據資源，創新商業服務模式，提供高質量、多元化的客戶服務，創造新的市場價值。

1.2 “互聯網+”智能供熱系統內涵

工業物聯網是新一代信息技術的重要組成部分，也是信息化時代的重要發展階段，即在互聯網延伸和擴展的基礎上實現不同物品間的信息交換，也就是“物物相息”，而“互聯網+”智能供熱系統就是工業物聯網在集中供熱領域的一種典型應用。

“互聯網+”智能供熱系統是指以供熱自動化和信息化為基礎，通過物理系統和信息系統的深度融合組成新的智能供熱網絡，將機理模型與數據驅動模型相結合，實現“數字孿生”，即工業物聯網系統的應用內核，將數據辨識、數據挖掘、人工智能等先進技術集成于一體的信息處理系統?！盎ヂ摼W+”智能供熱系統的重要意義在于，它能夠為供熱系統運行和管理提供全過程智能決策支持[2]。

2 “互聯網+”智能供熱系統建設內容

“互聯網+”智能供熱系統以“熱源—熱網—熱力站—用戶熱力輸送”為主線，涵蓋民用采暖和工業供汽兩種業務模式，以精益化運營管理服務為核心，統一部署數據庫網絡資源，打通運行、收費、客服、能耗、管理等業務應用的數據通道，實現平臺內各功能子系統數據的充分交互調用，推進各項業務的在線實時協同?！盎ヂ摼W+”智能供熱系統將真正實現需求場景化、場景在線化、在線業務化、多業務融合化。

平臺采用B/S架構建設，內容包括數據感知層、數據采集層、數據訪問層、業務邏輯層、表示層與終端訪問層[3-7]。數據感知層包括滿足智能供熱系統建設所需的物聯網自動化設備，用于完成智能供熱平臺中各項操作指令和任務命令;數據采集層和數據訪問層主要通過互聯網平臺實現集中供熱系統全過程的數據采集、智能調節與控制功能;業務邏輯層是智能供熱平臺的管理決策中心，為熱力企業生產管理提供信息系統支撐及輔助決策支持，為熱用戶提供良好的客戶服務和“互聯網+”體驗。表示層與終端訪問層是平臺的展示窗口，為運行人員提供良好的人機交互功能。熱力企業“互聯網+”智能供熱系統應用架構如圖1所示。

2.1? 數據感知層

熱源側：首站加裝電動調節閥，與循泵變頻器協同調節首站輸送熱量，并在各輸出關口加裝溫度、壓力、流量等測量裝置，以計算熱量。

熱力站側：在站內新增和完善相關參數測點（溫度、壓力、流量、液位、熱量等）、安全設備（跑水報警、攝像頭、對講裝置）、控制裝置（電磁閥、調節閥、變頻器等）、計量裝置（水表、電表、熱表）。

熱用戶側：在指定小區安裝室內溫度測量裝置;對于按計量收費的小區，增設進戶通斷閥與熱量表，實現按需供熱。

2.2? 數據采集層

數據感知層設備相關參數通過GPRS/5.8G/MSTP等以太網通信技術傳輸至熱網監控系統，實現對所有熱力站的實時數據采集和遠程集中調控。小區室內測溫裝置、戶用熱量表和通斷閥參數采用M-BUS總線模式或NB-loT無線通信方式傳輸至熱力站PLC接收模塊，再由以太網專線傳輸至熱網監控中心。

2.3? 數據訪問層

數據訪問層包含實時數據庫和關系數據庫，接收儲存來自數據采集層的所有數據。

實時數據庫用于存儲生產運行過程中的實時數據，來源主要為首站/熱力站/熱用戶數據監控、關口計量、貿易結算等功能模塊。不同模塊采集精度要求不同，分為“毫秒級”與“分鐘級”兩種。

關系數據庫用于存儲填報、配置參數等關系型數據，同時作為實時數據平臺的完善和補充。

2.4? 業務邏輯層

業務邏輯層是平臺的核心內容，用于平臺業務工作中的邏輯判斷與執行操作。在收到表示層的用戶指令后，連接數據訪問層，實現三層之間的指令傳達，對接收數據進行邏輯處理，完成數據的修改、獲取、刪除等功能，最終將處理結果反饋到表示層中。

業務邏輯層主要包括全網水力平衡分析子系統、運行調度子系統、熱網監控子系統、能耗統計與分析子系統、經營收費管理子系統、客戶服務管理子系統、生產管理子系統、設備設施管理子系統、智能稽查管理子系統、GIS地理信息子系統功能模塊。

2.5? 表示層與終端訪問層

表示層與終端訪問層為“互聯網+”智能供熱平臺提供統一的業務應用操作界面和信息展示窗口，實現平臺數據的輸入與輸出，子系統模塊間業務數據的互通與展示。

表示層采用HTML頁面或JSP頁面，通過AJAX異步請求的方式進行數據的交互和終端緩存，通過自定義組件等技術保證用戶友好的操作體驗和流暢的數據展示，通過完善的后臺業務層的邏輯運算技術作為支持，使表示層能夠支撐各種外界頁面及形式的自定義和更改，為智能供熱平臺提供優質的操作界面和信息展示窗口。

終端訪問層是平臺的外觀層，負責向用戶提供友好的人機交互接口。以B/S方式供不同類型的用戶進行訪問。熱力公司內部用戶可通過WEB接口、移動管理客戶端對平臺進行訪問;熱用戶則通過移動端手機應用軟件或微信公眾平臺等方式訪問平臺前置應用服務器，查詢與熱用戶自身相關的供熱業務數據。

3 “互聯網+”智能供熱平臺應用實例

通過對某源網一體的基層熱電企業“互聯網+”智能供熱平臺示范建設應用，使其在供熱指標能耗降低、經營成本節約、工作效率提高和服務質量提升方面取得了顯著成效。

在數據感知層面，通過加裝熱力站內的物聯網調節閥、水泵變頻器，自動控制系統，完善站內主要運行參數監控測點，增設視頻監控設備，利用租用的運營商以太專網，將熱力站內采集的所有運行參數統一傳輸至智能供熱平臺。調度中心可實現對熱力站設備運行狀態的監測與遠程控制，從而實現熱力站的無人值守。

在平臺業務分析層面，建設了全網水力平衡分析子系統、源網一體化協同調度子系統、能耗統計與分析子系統、經營收費管理子系統、客戶服務管理子系統模塊。

3.1? 全網水力平衡分析子系統

根據管網的實際拓撲結構，通過熱力系統機理分析與歷史大數據驅動兩種建模方式建立熱網模型，實現離線模擬計算與在線運行工況尋優功能。通過模型計算的軟測量結果與熱網實際運行參數的比較，指導運行調度，優化控制策略。

3.2? 源網一體化協同調度子系統

根據熱網歷史運行數據、室外氣象參數、管網慣性、建筑物特性、末端供熱形式、用戶室溫等多維度因素對熱負荷進行預測，實時計算出熱力站當前最佳二次網供熱水溫度，制定出每個熱力站的獨特調節曲線，實現“一站一策”精準控制。以用戶側室內溫度為最終控制目標，沿換熱站二次網供水溫度、換熱站一次網側電動調節閥開度、熱網首站一次網供水溫度等參數溯源關聯，建立熱電聯產機組抽汽與一次網供水溫度協調變化的聯動關系，從而形成源網一體化的熱力調控模型。源網協同調度子系統“一站一策”控制策略如圖2所示。

3.3? 能耗統計與分析子系統

通過建立供熱能耗多指標的計算模型，利用供熱系統運行的各類數據，進行水、電、熱等各類能耗指標的計算，并以圖形報表等多種形式，以不同維度加以分析呈現。進一步地，結合水價、電價、熱價等價格因素細化供熱邊際貢獻，增加生產所涉及的人工、材料等各類成本信息，建立節能效果與經濟收益的影響關系，從經濟效益優先的角度，推進供熱系統的節能優化及改造。

3.4? 經營收費管理子系統

通過建立一站式供熱收費解決方案，輔以銀行、微信、支付寶等多元化繳費方式，以及稅控接口、電子發票系統等，關聯客戶服務子系統，實現跨部門、跨系統的聯動收費管理，主要包括與稽查管理、生產調度、客服管理的聯動協調運作。解決用戶資料混亂、賬目不清、收費率低、歷史信息無法追溯等問題，提升經營收費效率和客戶滿意度。

3.5? 客戶服務管理子系統

集成服務大廳、電話、網絡（小程序/APP），以及社會監督、主管部門等多元化客戶服務請求渠道，暢通信息傳輸機制。針對客戶報修或投訴等請求工單，通過由客服中心統一派單和回訪，依據工單的類型、緊急程度等分級別督辦管理。利用移動端完成人員定位、遠程接單、遠程監督、工單處理反饋，建立由派單、處理、監督、反饋、回訪等環節構成的閉環管理機制，實現對客戶需求的快速響應。全過程統計客服管理系統的各類服務信息，包括客服請求響應率、客服請求辦結率、坐席利用率、熱線接通率等關鍵指標，建立綜合評價機制。

4? 總結與展望

隨著能源互聯網技術的快速發展，先進的互聯網信息化技術與集中供熱系統的融合愈發深入，應用更為廣泛。在“互聯網+”智能供熱系統的加持下，在滿足基層企業供熱數據遠傳、運行遠控的基礎上，未來可進一步“做實底層，激活云端”，進一步促進基層供熱企業節能降耗、提質增效，實現熱力“產—輸—配—售”全過程精細化、標準化、智能化管理，穩步提高客戶服務水平，用“互聯網+”智能化先進應用滿足客戶需求，提升企業供熱運行效率和品牌價值。

參考文獻

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