【原创论文三】｜ 基于云平台的城市热网智能化系统的应用

大同市热力有限责任公司 李华，韩云平，张钟

北京天时前程自动化工程技术有限公司 李鹏，张伟

摘要：随着互联网技术及云计算技术的发展，进一步提高了社会信息化的进程，大大增强了信息系统的协同能力，加快了传统的供热自动化系统的升级及深化的进度。本文将结合云技术与供热信息化平台的知识，参考某市热力公司的成功案例，将智能化供热信息平台做详细的描述。

关键词：热网云平台；供热信息化；热网SCADA；XLink

一、引言

1.1 热网信息化系统架构的发展

热网监控系统的建设从最初局部的自动化、信息化，到基于网络的数字化，再到目前的智能化，经历了三个阶段。系统架构也从传统的基于消息传递的模式、到企业应用整合过渡架构逐步进化为面向服务体系的先进架构，发展过程见图1所示。

图1 热网信息化架构发展示意图

1.2供热企业信息化系统的现状与存在问题

供热企业信息化系统经历了长期的建设过程，已形成了智能热网平台的基础：与生产相关的包括热网SCADA系统、全网平衡优化控制系统、能耗分析管理系统，还包括在SCADA基础上延伸的指挥调度系统、应急指挥系统、设备管理系统、水力计算系统、在线仿真系统、GIS系统、可视化图形管理系统、热计量及二次调控系统等；与经营管理相关的有收费系统、客服系统、财务系统、人事管理系统、购销库存管理系统、OA办公自动化系统等。

由于各系统在硬件层及数据层均是独立的，随着企业生产规模的扩大及生产力的提高，在企业管理上逐渐出现了一些系统性难题，主要表现在：

各功能模块单元缺乏统筹规划；

企业门户缺乏网络安全的体系架构；

各功能模块的硬件设计仅考虑到本系统的需求，造成机房服务器存在着资源不足和资源闲置两极分化状况，无法实现硬件资源共享和负载均衡效果；

企业的硬件需求缺乏标准，设备型号多、牌子杂、高中低硬件设施共存，维护困难，造成“木桶短板”效应；

没有形成统一的数据集中管理系统，造成大数据很难实现共享应用。

1.3构建供热企业信息统一平台的必要性

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，建立统一的信息管理平台已显得尤为重要。因此，在网络互联的前提下，通过搭建云平台，首先能够实现企业内部资源的融合，进一步延伸至数据的融合，最终达到企业的业务融合。

二、云平台架构

2.1云平台简介及基本架构

现代云计算提出概念约有30 年的历史，但近10年才真正形成规模化、概念化、市场化。云平台与我们的生活息息相关，共享交通、互联网金融、在线教育、手机游戏、微信、支付宝、手机APP等应用，无一不是依靠云计算的支持才能大幅降低运维成本，实现用户量级的跃升。

云计算具有分布式计算、虚拟化、网络存储、按需使用、均衡负荷等几个特点，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2所示。

图2云平台基本架构

2.2云平台在热网信息化中的应用

图3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详细配置。

图3 某市供热智能化云平台架构

IaaS层主要包括8台计算机服务器（其中3台定义为控制节点，5台定义为计算节点）、1台万兆交换机及存储设备等，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，通过云引擎、云管理、云存储等进程的并行处理，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、GIS系统、能耗管理系统等软件提供类似操作系统和开发工具。各系统分别部署在不同的操作系统内，而不必关注承载此操作系统的硬件位置。

SaaS中文名为软件即服务，就是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SCADA、GIS、能耗管理、视频等应用软件。此外，监控平台的门户网站及手机端的APP应用也部署在SaaS层。

云平台搭建完毕后，将热网监控系统部署在云端，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。

接下来对SaaS层中热网监控系统（SCADA）在云平台的应用作一介绍。

三、热网监控系统

3.1监控系统的体系结构

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。

图4 热网监控系统架构图

监控中心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+Xlink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监控系统的功能简介

热网生产监控系统包括热网监控、全网平衡优化、热网调度指挥、气候模型专家、热网能耗分析等功能模块，结构如图5所示：

图5 热网生产监控系统模块结构

热网监控模块为监控系统提供数据源，完成热力站单元的生产数据的采集、指令下发、数据入库、曲线、报警、操作人员分级管理权限等功能。

全网平衡优化控制模块能够根据动态水力平衡分析计算结果，确定全网综合调节控制方案，保持管网水力平衡，系统能够分析计算出在当前热源输出条件下全网最佳的平衡控制方案，包括三种模式：温度平衡、热量平衡、流量平衡。

以热力公司调度中心为核心，贯穿热力公司生产调度的全过程，是融合了热源预测、值班管理、应急预案和任务上传下达的综合性的热网生产指挥调度模块。

能耗管理模块，就是通过对各类能耗实行精细计量、实时监测、智能处理和动态管控，达到精细化管理的目标，是精细化、智能化、现代化的节能减排管理不可或缺的重要保障。

上述功能模块均部署于同一平台上，实现了数据源的共享。云平台的接入保证了大并发数据的吞吐量，目前已接入678套机组的数据，系统运行稳定。另外，在云服务器上设置WEB发布及手机服务等的功能，实现远程主机及手机APP的访问。

3.3热力站控制系统

结合供热企业热源、管网、热力站以及供热方式等实际情况，热力站控制采取监控中心“远程给定，本地自控”的控制策略。热力站控制系统主要包括：一次侧控制子系统、二次侧控制子系统和通讯控制子系统，这些控制子系统相互结合完成应用任务。目前关于热力站调控的案例很多，此处不再做详细的论述，仅针对此案例中的亮点做描述。

该控制系统的控制策略，以完整的先进的控制理论为基础，在国内众多热力站自控系统工程中应用，运行效果优良，能够保证项目的可靠性。主要的亮点功能包括：

热负荷的预测与规划，采集二次侧分支的温度，评估供热效果。

对运行中的关键参数，进行系统水力工况的监测和采集，完成多个设备的联锁，保证系统安全稳定。

确保监控中心，可及时对热力站的过程控制进行参数优化设定，使系统处于最佳经济运行状态，满足按需供热或均衡供热的要求。

监控系统控制策略，具备限制一次侧的流量、热量和回水温度的节能措施。

具有“分时控制”功能策略；对公共建筑物的热用户的供热负荷，可根据作息时间设置不同的热负荷输出，控制电动调节的开度以便节约能源。

与上位机通讯接口标准化，可实现“一键加站”，大大缩短上位机组态时间。

可移植，免维护，控制程序中兼容多种变频器及热量表的采集控制，通过触摸屏的设置即可完成不同品牌设备的接入。

软水器的自动保护，检测自来水压力的变化，当自来水缺水时，自动切断软水器电源。

热力站泄露的保护，采用合理的水浸传感器的布局，实时检测热力站的“跑冒滴漏”故障，上传到各分公司监控中心。

综上所述，在云平台的支撑下，此系统通过采集和分析热力站尽可能多的数据，既能达到全网的“热量平衡”，又能满足“经济运行”的最佳效果。

四、总结及展望

综上所述，云平台是基于大数据应用的资源整合平台，应用在供热领域能实现能源的精准化、定向推广管理。用户通过监控系统对热力站数据进行全方位的掌控，有效的协调了5个热源的联网运行，消除了6000余万供热面积管网的水力失调。在整网可调控的基础上，实现了热力站的节能降耗，进而提高热网的热负荷容量。

目前，云计算不仅仅是尝鲜者的行为，而是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，万物互联要求云计算在基础设备层具备更强大的能力和更丰富的功能。此案例中供热企业搭建私有云平台后，未来通过大数据分析，构建供热模型，着重体现在两个方面：

1、为供热企业提供热用户、楼单元、楼栋、小区、支线、热网、热源的所有的供热数据链，结合营业数据，可以做到对供热大数据的深度挖掘，实现供热企业的精细化管理，从而实现真正的智慧供热。

2、使得企业的经营板块跟生产板块的融合成为可能，接下来可通过应用ESB（Enterprise Service Bus）企业服务总线，可以消除两个板块平台的技术差异，让不同的应用服务器协同运作，构筑企业神经系统。

本篇论文已刊登在《区域供热》2018年第2期P18-P23，欢迎指正。