摘要：城市集中供热是我国北方地区冬季采暖的主要方式，随着社会的进步，环境治理标准的不断提高，居民对室内舒适性要求也不断增加，如果单一依靠传统热网管理模式，难以满足急剧增长的供热服务需要[1]。21世纪初的互联网革命在全球范围内掀起了技术革新的浪潮，传统行业无论自发或是被动，均无一例外地被卷入其中。计算机互联网大数据的应用，极大地推动了各行各业的生产力提高，加快了社会发展的步伐[2]。仿效智能电网，将供热系统各个环节（热源、热网、用户），通过自动控制、信息、网络通信、大数据等手段，提供供热系统的可靠性、安全性和效率问题，实现在大数据下的系统运行、维护动态优化。
【关键词】 智能热网；大数据技术；供热企业；数据调控；智能化系统
0 引言
供热企业目前面临的重要问题是如何对集中供热系统进行合理的调节、控制，提高热网的经济性和社会效益，缓解供需矛盾，使热网运行状态最平稳、居民生活最舒适、运行成本最经济，因此集中供热智能化就成为供热企业发展必须解决的问题[2]。
1 大数据在项目中的总体目标
以供热系统为基础,依靠现代网络技术,利用数据挖掘、主动辨识、物联网、大数据、云计算、传感测量、信息通信、控制技术等先进技术手段,通过智能决策平台为运行管理人员提供决策支持,形成
在保证室内舒适度的前提下,降低供热能耗的闭环供热运行模式，提高能源利用效率；通过数字化信息网络系统将热源的生产开发、热网输送、热量转换、用户服务等各个环节、热网与热用户之间的各种供热设施进行互联；通过智能化控制实现精确供热、节能供热,将能源利用效率和集中供热安全提高到全新的水平,将环境污染与温室气体排放降低到最低的程度,使供热成本和投资效益达到一种合理的状态[3]。
具体而言智能热网就是开发智能管网运行预警系统，综合分析管网运行工况、主要设备工况，有效防范系统瓦解，建立网源调度应急联合处置管理模型，提高安全保障。通过进行智能负荷预测，实现供热网水力、热力平衡。使用GIS/RS的集成技术对所有的供热管网准确位置进行采集、存储、检索、分析和显示，建立供热管网的地理信息系统，通过智能分析实现检修的精准定位。通过物联网技术实现终端热用户智能执行机构、智能仪表、智能测温装置，管网智能监视装置与移动终端设备的协同工作。利用自力式压差平衡阀、自力式流量调节阀、管网分支处设置智能调节阀、一级网增设分布式管道泵、地热机组增设混水泵、二级网管道更换、智能分户热量测控装置等方式，实现供热全系统智能在控实现精准供热。而大数据在整个项目中起到了展示、协调各专业信息，最终实现系统自主逐调控的作用。
2 主要解决的问题和需求
集中供热存在的主要问题一是用户增加、管网能力不足，一级网日益庞大、系统复杂、热损不断增大，用户近热远冷；二是环境温度发生变化时，一级网水力水平失衡现象较为频发，产生换热站“争食”，热量难以均衡调整；三是对运行工况不能做出快速、准确的分析判断及调控；四是设备选型预留量大，管道特性难以满足调控需要；五是人员流动频繁，技术积累薄弱等。智能热网对这些问题的解决提供了一个良好的平台支持，通过信息通信、控制技术等先进手段，建立智能决策平台，为运行管理人员提供决策支持。保证室内舒适度的前提下，降低供热能耗，实现闭环供热调整模式[2]。实施智能热网建设尚有以下几个方面的必要性：
一是节能降耗的要求。对于供热企业来说能源节约的基础是有效的能耗分析，供热企业需要清楚地了解热源、换热站、用户各级的能源消耗情况，并结合室外温度检查换热站内运行参数是否匹配，用户的室内温度是否达标等。有效的能耗分析可以对节能运行提供可靠的依据，准确、及时进行运行调整，从而提高工作效率，提高经济效益。智能的供热一体化调度系统，可以全面、系统的分析采暖期各阶段的生产运行成本，从而达到均衡分配热量，实现节能降耗的目的[2]。
二是管网安全性的要求。随着供热管网年限的增加，供热管网的泄漏、爆裂次数呈上升趋势，给安全稳定供热带来了的更多挑战。大多供热企业自动化水平、生产管理水平、设备装置水平尚处于完善阶段,而且由于供热行业的特殊性，在供热期大量使用季节工，但该类人员知识经验欠缺、人员流动性强,不利于热网运行的安全和稳定。
三是供热企业更好履行社会责任的要求。居民供热是民生工程，是公益事业，更好地提高供热服务质量，最大限度的提高用户满意度，各供热企业责无旁贷。
3 建设实施
3.1 建设思路
通过基础网络搭建整合、软件功能开发以及数据接口等手段整合现有设备、信息资源，建立统一的综合性平台--智能热网平台。平台在外部网络上实现热源到用户的全方位覆盖，在内部可连接到用户投诉、缴费平台，实现生产数据与用户信息的整合，进而利用系统的各项功能模块对热网的工况、负荷能力、能耗指标、安全性进行统计、分析、判断，满足智能化调整和控制的需求。网络基础如图1所示。
图1 智能热网网络基础
管理层的首要任务是根据环境变化、用户需求和一次管网的运行工况进行热网负荷分配的计算和分析，得出预测的负荷指令发布给热源（哈一热）和应用层各单元，进而协调热源（哈一热）和换热站快速的响应各种情况的负荷需求。管理层的任务还包括根据热用户缴费、投诉、报修等情况将相关指令发至应用层，由应用层进行调控。
应用层的任务是接收到管理层的负荷等指令后，根据换热站不同工况和特性曲线，向执行层的现场设备单元自动发送参数定值或操作指令，使各供热站自动稳定运行，同时应用层还从执行层收集、存储、处理各供热站设备运行参数进行能耗分析、异常诊断分析等。
执行层的任务是根据应用层下发的指令，各换热站就地控制系统（PLC）对指令进行逻辑计算后，对各机组及用户端的设备进行自动调控，满足热网用户对供热能力和质量的需求，并通过就地控制站对就地实际运行信号进行处理后上传给应用层。
3.2 建设设施
3.2.1建设通信基础网络
2015年3月，工信部印发65号文《工业和信息化部关于重新发布1785-1805MHz频段无线接入系统频率使用事宜的通知》，将此频段下的TD-LTE无线接入系统专门分配给交通、电力、石油等行业。
通过对拟覆盖区域的初步工勘及链路预算仿真结果，工程计划建设TD-LTE无线基站4个，基站配属3个扇区，每个扇区采用8通道天线。小型核心网eTC 100置于现有监控中心机房的机架中，与现有集控中心的内网网络互通。
无线扇区部署在居民楼楼顶，以抱杆的方式架设。同时无线基站单元根据实际情况，通过架设有线专网的光纤链路就近接入专网汇聚节点（PE节点），和核心机房EPC进行互联互通[4]，或者通过微波直接连接到核心机房。无线网使用1785~1805MHz频段中的20MHz连续可用带宽，采用同频组网方式进行组网。
3.2.2智能运行调整与控制模块
当前热源负荷预测的方法目前仍采用以室外温度为主导的面积热指标法，光照率、风力等影响因素还未被引入。实际运行中热力公司通过不断的优化调整已掌握一定的负荷预测经验并形成了运行曲线，但还未建立成熟的模型，当每年供热面积发生变化时，经验曲线需重新进行修正。拟建立热网的符合预测模型，基于管网基础特性（供热面积、设计热指标等）通过计算进行一次网负荷概算，生成理论负荷曲线；筛选不同时段有效历史数据进行拟合，修正曲线数据；实际运行数据对比，总结出不同天气变量（光照率、风力、湿度等）条件下全网的热特性系数，分类建立热负荷曲线模型；根据气象数据导入负荷曲线模型，生成曲线，作为热源首站热负荷调整的依据；在保证全网流量合理分配的前提下，热源首站以电耗为参考，确定最优供回水温度、流量曲线。并制定了以下的调整策略：以当前调节方式为基础，适当增加热源调节频次，按全天气温变化规律对一次网进行时段性的超前调节。新模式下的热源出口调整频次可由目前的每日1次增加为到每日4次，调整周期为6小时。a.引入实时气象数据，生成全天温度曲线，时间精度为2小时, 系统依据实时预测气温对未来6小时温度变化进行判定，ΔT≥5℃为一个调整时段，起始点为03:00（全天温度最低时间）。生成全天调整时段及时间点, 依据划分后各时间段的平均温度，通过负荷参数预测，生成全天的一次网供水温度--时间曲线指导热源调整。
3.2.3换热站智能调控
换热站调控由自动化系统来处理,构建了一体化的换热站自控和远程监控系统。换热站的运行程序独立存在于现场控制器中,可脱离监控中心系统独立运行[2],运行参数既可本地设定又可网络实现上位机操作实施调整。为了满足智能热网的自动化需求，实现智能热网的建设目标，必须完善就地控制站的PLC调节逻辑，减少换热站等设备的手动调节，避免误操作及设备损坏的时间发生。由于各换热站的一次网回水调节阀和循环泵变频调节都是由人工手动调节完成的，调节主要是依靠运行人员的实际工作经验来调整，虽然这种调整方法对系统安全稳定是有利的，但是却造成一定的经济损耗。况且由于换热站较多，存在调整不及时的问题，会造成热网客户端温度变化不及时，造成能源损耗较大或供热不及时的问题，计划将现场控制器程序完善。由具有相应权限的操作员根据需求远程修改换热站现场设备控制的参数,并下载到各站控制器, 各站控制器仍进行具体操作,所有能在就地控制器上进行设定或修改的参数都能在换热站流程画面上进行修改或设定，根据需求远程修改换热站现场设备控制的参数,并下载到各站控制器,具体的操作仍由各站控制器进行,只有具有相应权限的操作员才能进行设备远程控制,所有能在就地控制器上进行设定或修改的参数都能在换热站流程画面上进行修改或设定[2]，设备改造。电表、电动调节阀设备改造及关键部位测点的在线校验，开发上位机控制软件。保留原有监控、报警、单体设备操作功能外，实现换热站个体或整体的调节以曲线形式下发，调节阀、循环泵自动跟踪调整的功能。
3.2.4二级网水力平衡调控
二级网平衡调节是供热系统运行的重要环节，合理的二次网水力平衡调节一方面可以有效降低水、电、热的单耗，节约水、电、热的运行成本[5]，另一方面可以避免系统出现局部不热造成大规模投诉，有效防范供热群体事件的发生。对于热力公司的管网现状，造成目前二次网水力不平衡主要有以下几方面原因：一是管网前期建设不规范，同一小区由多个单位设计、施工，管径选取不匹配（近大远小）；二是用户内部存在私接乱改现象，如加装散热器、单环路改双环路等，系统局部阻力发生变化；另外，带有温控装置的入户计量阀门频繁动态调节，也是造成系统扰动、工况紊乱的重要因素。在此情况下，近热远冷的情况难以避免，企业为了保证远端住户室温达标会采取如下两种方式：一是提高整个二次网供热温度参数，普遍提高了住户室内温度，这样导致热的用户室温更加热，冷的用户室温接近达标，浪费了大量的热能；二是加大二次网循环泵的流量，使管网趋于平衡，浪费了大量的电能。同时，不达标住户在自家散热器末端私泄供热系统水，也导致系统热耗和水耗上升[3]。因此，做好二次网水力平衡，通过平衡阀调节弥补系统"天性"缺陷是节能降耗的基础，也是实现智能化运行调整的重要环节。
3.2.5分户室温管理及调控
对分户热计量装置或安装室温采集传感器集中上传，建立用户室温管理系统、利用入户调节阀对个体室温进行远程干预调节、减小差异，以求楼内终端的热量平衡。
分户计量、温度传感器采集控制方式：M-BUS、RS485接口，支持modbus协议，输出开关信号、脉冲信号，内置PID算法可根据流量、温度、热量需要调节阀门开度。分户阀门的操作指令可由上位机或换热站控制器发出，通过布置在楼内的集中采集器（通常每栋楼1台）以无线的方式送达至各执行机构。
通过不同测点的室温采集对用户用热情况进行实时监控，形成导出报表和直观的曲线显示；对用户个体室温监控；对实际温度与预期控制温度偏差进行对比。
4 预期成果
实现热源随热网需求的联动调节、换热站随室外温度的实时调节、二次网随用户室温的深度调节。建立用户室温监控、调节，投诉管理、开关栓管理等综合功能为一体的管理平台。建立智能管网运行预警机制，综合分析管网运行工况、主要设备工况[3]。解决用户近热远冷、一级网水力失衡现象、运行分析调控能力弱、设备选型预留量大管道特性难以满足调控需要及人员流动频繁、技术积累薄弱等问题。
参考文献：
[1] 闫曙光. 智能热网构建与应用[J]. 热电技术, 2015(2):9-10.
[2] 周青. 城市集中供热智能化与智能热网的构建研究[D]. 山东大学, 2015.
[3] 高峰. 哈尔滨群力西区集中供热技术可行性分析[J]. 科学技术创新, 2017(30):170-171.
[4] 魏龙. TD-LTE技术在智慧城市中的应用[J]. 现代建筑电气, 2016,7(10):14-17.
[5] 宋扬. 浅谈二次网水力平衡调节[J]. 中国新技术新产品, 2013(11):153-153.
作者简介：耿辰(1988-),男（汉族），哈尔滨市，本科，大唐黑龙江电力技术开发有限公司，职称：助理工程师；研究方向：信息管理，大数据，通信。
论文作者:耿辰
论文发表刊物:《电力设备》2018年第19期
论文发表时间:2018/10/14
标签：管网论文; 智能论文; 热源论文; 系统论文; 用户论文; 室温论文; 负荷论文; 《电力设备》2018年第19期论文;