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【原创论文八】| 基于私有云平台的智能热网调度系统

日期: 2019-11-15
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北明天时能源科技(北京)有限公司 龙艳平,崔凤葵

通辽热电有限责任公司 郭义明,杨亮


摘要:热力企业供热面积大,地域广阔,调度、管理、分析、核算、统计等工作困难,非常需要以先进的现代化信息技术,实现系统化的管理。热网管控模式由传统的以大量人力工作为中心的管理模式,向以现代化、信息化、系统化为中心的管理模式转变,管理层、决策层所获数据将更加准确和及时,以便更快地制定生产目标和企业未来发展战略,达到高效、节能、减排的目的。本文将结合云计算技术与供热信息化平台的知识,结合某市热力公司的成功案例,将基于私有云平台的智能热网调度系统结构及应用做详细的描述。


关键词:云平台;热网SCADA;节能


一、 引言

1.1供热企业热网调度系统的现状与存在问题

随着供热企业热网面积不断扩大,寻求高效、安全、节能的发展模式成为供热企业的着力点和关注点。企业近几年不断加大热网自控改造升级的投入,从需求出发,稳步提高热网的自控水平。通过热网自控系统的逐渐完善,公司供热运行的能耗水平及经营性成本也有一定下降。但由于原有系统建设时间较早,无论是性能还是容量上,都已满足不了当前系统扩展。受软硬件系统性能所限,生产调度系统经常出现故障,既对日常生产运行造成影响,系统维护工作量又很大。除了生产调度系统,经过这几年的信息化建设,又先后完成了供热行政办公系统、供热经营收费管理系统、供热客户服务器系统、热网监控系统、简单的地理信息系统的建设,但是这些系统之间都是独立运行。主要问题汇总如下:


1)现有热网自控系统不够完善,监控中心无法对网内换热站实现完全的集中控制,无法对生产运行进行进一步的精细化控制管理;


2)一些应用系统之间存在功能界面重叠,致使系统重复建设,多头控制,而有些实际需要的功能却被遗漏;应用系统的信息共享不够,存在信息孤岛,系统间不能协助、协同进行信息处理和分析;


3)运行模式为单站独立运行,网源的协调性、热网的均衡性缺乏控制手段,没有有效的能耗控制和系统实时优化控制手段。


1.2构建供热企业智能热网调度系统的必要性

集中供暖是北方地区冬季生活必需品,是各地政府作为民生工程的重中之重,系统的稳定和安全运行是首要的管控指标,需要以稳定的设备作为基础,配和能保证供热稳定运行的调节方案。对于大型供热管网系统来说,均匀性调节、优化系统水力和热力平衡的全网平衡调控方案,能有效的防止系统的震荡及最不利端供热异常等情况的出现,对整个系统稳定运行是一个最好的保障。建设热网信息平台,建立完备的热网生产调度系统,以便在热源或者管网出现异常时,通过调度中心控制系统可以及时启动应急预案,进行热源调度、管网路由切换、特殊工况转换等全网级工况调整,降低事故损失、争取抢修时间、保障管网运行安全。


供热系统的供热负荷多种多样,各种供热负荷因其采暖类型、建筑用途、保温情况差别很大,供热调度系统的需要精细化控制,以降低平均能耗。智能热网信息平台需整合热网运营中的各方面信息,进行必要的信息处理和综合整理,为热网生产运行的参与者和决策者提供对热网运行状态,优化调整,工况分析,发展规划等的参考性分析结果和决策辅助。


随着云计算技术的推广,为了提高供热企业的生产效率,降低企业运营的成本,响应国家节能减排的号召,消除各功能模块间的“数据孤岛”现象,实现数据的共享,建立统一的智能热网一体化平台已显得尤为重要。


二、 私有云平台

2.1 私有云平台架构

云计算(Parallel Computing)、效用计算(Utility Computing)、 网络存储(Network Storage Technologies)、虚拟化(Virtualization)、负载均衡(Load Balance)、热备份冗余(High Available)等计算机和网络技术发展融合的产物。云平台的建设,将大大地降低IT系统的建设成本,将“智能热网”的多个软件功能和多个系统,有机地结合在一个统一的平台之上,将热力企业的生产与经营活动通过云平台整合,实现供热大数据分析,进一步实现“智能供热”目标。


一般来说,目前大家比较公认的云架构是划分为基础设施层(IaaS)、平台层(PaaS)和软件服务层(SaaS)三个层次的。云平台架构如图1所示:

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图1 云平台基本架构


2.2智能热网一体化平台的应用

图2是云技术在国内某市供热智能化监控平台上的应用架构,在图中我们可以看到云平台的三层结构上的基本配置。

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图2 某市供热智能化云平台架构


IaaS层主要包括6台服务器,1台万兆交换机等,能够按需向用户提供的计算能力、存储能力或网络能力等IT基础设施类。


PaaS层在IaaS层的基础上,按照传统计算机架构中“硬件+操作系统/开发工具+应用软件”的概念,根据各系统模块的需求,为SCADA系统、负荷预测系统、能耗管理系统、室温采集系统等软件提供类似操作系统和开发工具。


SaaS层为一种通过互联网提供软件服务的软件应用模式。在本案例中,供热企业不需要再花费大量投资用于硬件、软件和开发团队的建设,只需要提供各应用软件对资源的基本需求,在PaaS层提供服务器的虚机。部署热网SCADA、全网平衡控制系统、负荷预测系统、能耗分析系统、室温采集系统等,而不用再纠结于因受制于计算机硬件造成数据吞吐量不足的问题。此系统具有高度安全性和保密性、高速率、高可靠性、高抗干扰能力、实施及运行成本低、易维护等特点。


三、 智能热网调度系统介绍

智能热网调度系统建设指导思想,实现从热源、热网、换热站、热用户监测数据的大汇总,系统涵盖了热网SCADA监控系统、全网平衡优化控制系统、热网能耗分析系统、负荷预测系统、用户室温采集系统、二级网平衡阀控制系统等,涵盖了供热数据的采集、存储、分析、控制、优化等各个方面,利用云平台云计算等功能,实现对大数据的存储、挖掘,最终目标为实现热网安全与节能降耗。由于篇幅有限,本文只简要介绍部分系统。


智能热网调度系统模块结构如图3所示:

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图3 智能热网调度系统模块结构


3.1热网SCADA监控系统

基于集中供热热力站远程监控系统,分布地域广,依托公共网络平台的特性,选用了西门子高端监控系统解决方案PVSS监控系统软件开发平台。


热网监控系统由三大系统组成:包括热网监控中心(MCC)、远程终端站和通讯系统。监控系统的结构如图4所示:

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图4 热网监控系统架构图


监控系统具有数据采集存储、数据展示、远程控制、工艺流程、数据报表、趋势曲线、报警、巡检记录、操作日志等等功能。监控系统的设备主要包括云服务器、网络设备、打印机、操作员站等;远程终端站的设备主要包括控制器、调节阀、变频器、远传仪表等;通信系统包括无线、光纤等物理链路及VPN系统。相对于普通的热网监控平台,SCADA系统采用PVSS作为上位机软件,具有系统稳定、数据安全、数据吞吐量大等优势。再加上云计算的平台,为数据存储提供了资源池,大大加快了数据访问的实时性,且具备了二次网平衡系统的海量数据采集的接口。


3.2全网平衡调控策略

集中供热系统的基本任务是保证在任意室外温度下热源的供热量与全部热用户的耗热量之和的平衡,以及各热用户之间耗热量的平衡,也就是供需平衡与分配平衡问题。具有大惯性、长时滞、非线性的特点,而且是一种存在耦合的多输入-多输出系统。热源与用户的平衡是量的纵向平衡,用户之间的耗热量的平衡是分配标准下的横向平衡。平衡同时又分为水力平衡与热力平衡(简称平衡),水力平衡是热网平衡的必要条件,是热网平衡的基本手段;热力平衡是消除冷热不均、总量控制、合理分配的手段,也是调节和控制的最终目标。集中供热系统的调节与平衡策略是供热行业安全、稳定、经济供热的核心技术问题。


全网平衡调节主要包括两个环节,首先是通过供热集团的调度机制确保热源供热量和热网需热量的平衡,然后是通过全网平衡控制策略的实施确保所有用户室温达标。同时供热集团建设了室温监测系统,通过其反馈的室温监测信息,对供热负荷预测进行修正,从而实现管网自动调节系统的闭环控制。


相同的设计情况下,全网保持一致的二次供回水平均温度,大致可以认为室温相当。首先,依据各站的建筑结构、建设年代、保温情况、历年供热经验,建立各站偏差库,确定偏差系数;其次,根据室外温度大致确定二次供回水平均温度,将此二次供回水平均温度加权后(加减各站偏差系数)设定为各站控制目标;然后,每小时统计实时二次供回水平均温度,分析全网偏离目标情况,如全网实时二次供回水平均温度普遍高于设定目标则热源充足,相应增加各站二次供回水平均温度设定目标;如全网实时二次供回水平均温度普遍低于设定目标则热源不足,相应减少各站二次供回水平均温度设定目标。最终目标是加权后的各站二次供回水平均温度保持一致。调度人员可以根据用户实际不同的建筑特性(如建筑节能效果)、换热站设备特性(如换热器的换热效率)、户内换热方式(如挂暖、地暖等),通过监控系统软件,为每一个换热站二次系统设定相应的补偿值,使该系统平均温度追踪的目标值高于或低于全网二次均温,从而使不同用热条件的用户获得相对一致的供热效果。


全网平衡优化控制策略是否能够取得用户舒适度高和企业节能降耗的双目标,就必须完善两个要素,分别是:预测热源总负荷和换热站依据热源总供给平衡分配热量。其中:第一个要素依靠负荷预测系统完成,第二个要素依靠全网平衡优化控制系统来实现。


负荷预测系统系统,首先通过理论依据,包括本地区单位热指标、建筑类型、建筑年代、用户采暖设备(暖气片或地采暖)等,计算出各换热站供热目标偏差值,然后结合历年供热数据(二次供温、二次供回平均温度、室内测温、投诉情况等)和供热经验,制定预测温度与供热目标的关系表。调度员在对换热站运行指标(热单耗、二次供回温、室温监测、用户投诉率等)进行查询、排序后,对于排序中能耗过大站和能耗不足站,人为分析后,上调或降低设定目标值和权重补偿值,运行一段时间后,确定结果是否合理再进行调整,如此调整、考核、分析,再调整循环几次就能确定热源负荷及换热站补偿的最佳运行参数。

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图5 负荷预测系统界面图

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图6 全网平衡控制系统界面图


3.3能耗分析系统

该系统把水、电、热等能源数据集中到统一的数据管理平台,使数据的管理、统计与应用实现了信息化、智能化,实现了数据报表的网络化报送、审计,提高了数据的统计分析效率和广泛性应用。


通过有效的能源分析为公司的经营决策、经济运行提供及时、准确的能源数据支持;以系统化的管理思想,为公司构建能源管理、监测、分析平台。通过对能源数据的系统化分析,以及管理考核的要求,及时提供节能依据,管理者通过采取有效的节能措施,不断提升公司的能源管理水平和能源利用率。


利用该系统可以按热指标、水耗、电耗、回水温度等对换热站、分公司、班组进行考核,对运行指标较好的站或班组或人员进行奖励,对运行指标较差的站、人、班组进行批评和惩罚,及时发现和矫正问题,有效提高节能效果。

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图7 能耗分析系统界面图




四、 总结

云计算已经普遍深入到了大型企业的业务中,越来越多的大型企业将业务迁移到云端,私有云更受青睐。供热企业完成基于私有云平台的智能热网调度系统搭建,完成大数据基础平台建设,具备大数据积累功能,为下一步智能热网利用强大的云计算功能,在线或离线调用几十万、几百万甚至几千万条历史同期的供热温度参数、分析匹配、自动寻优,制作各热源、热力站、各个小区的最佳供热曲线,提升温度控制曲线的科学性和稳定性,实现“稳定供热、均衡供热和舒适供热”打下坚实基础。


本案例供热企业通过搭建私有云平台、完善热网自控系统,构建智能热网调度系统,运用合理的控制策略,实现热网全自动运行,科学有效地解决一次网的水力失调,解决各个热力站供热不均的问题,节约系统热耗;均衡供热,解决低温不热用户,降低系统失水率;优化调节二次网循环泵控制,分时优化控制,节约系统电耗;完善换热站采集数据、视频监控,数据变化分析等,达到提前预警,无人值守,节约人力成本;对企业发展、智能城市建设及人民居住环境的改善起到积极的作用,具有良好的社会效益、环境效益和综合经济效益。


原论文发表在《2019供热工程建设与高效运行研讨会论文精选集》

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