1概述

熱網(wǎng)監(jiān)控是結合計算機、自動化控制、通信、供熱技術為一體的技術，適用于分散的熱力站遠程監(jiān)測和控制，實現(xiàn)熱源的有效分配，系統(tǒng)的自動運行，運行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計查詢，事故報警提示，成為集中供熱系統(tǒng)安全、經濟運行不可缺少的組成部分，也是集中供熱節(jié)能、高效發(fā)展的必然趨勢［1-6］。本文結合某熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)改造實例，對基于熱網(wǎng)仿真模型的熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)應用進行介紹。

鄂爾多斯市通惠供熱燃氣集團有限公司是鄂爾多斯市康巴什新區(qū)一家以供熱供燃氣為主的國有企業(yè)。其下屬康巴什新區(qū)熱力分公司（以下簡稱熱力公司）負責康巴什新區(qū)的集中供熱，實際供熱面積為658.2×104 m2，共133座熱力站。

2016年供暖期前，熱力公司采用功能比較單一的熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)。熱力站設備采取PLC（可編程邏輯控制器）控制，SCADA（監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集）系統(tǒng)負責采集熱力站PLC上傳的運行參數(shù)，并對PLC下達控制指令。通過對2015年12月典型日運行數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)熱力公司主要存在以下問題：當室外溫度變化時，供熱量不能及時調節(jié)。供熱系統(tǒng)存在水力、熱力失調，用戶冷熱不均。供熱系統(tǒng)失水量較大，耗電量偏高。

為解決以上問題，2016年熱力公司引入熱網(wǎng)仿真系統(tǒng)，通過建立熱網(wǎng)仿真模型，以熱網(wǎng)監(jiān)控可視化、熱負荷預測與智能調度為目標，對原熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)進行升級優(yōu)化。本文對改進后的熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的架構、功能與運行效果進行探討。

2熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)架構

2.1架構

改造后的熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)架構見圖1，按功能分為現(xiàn)場控制層、數(shù)據(jù)采集層、能源管理層。現(xiàn)場控制層涉及的設備設置在熱力站內，數(shù)據(jù)采集層、能源管理層涉及的服務器、大屏幕等設備設置在原熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控中心。

圖1改進后的熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)架構

①現(xiàn)場控制層

熱力站現(xiàn)場控制層仍采用PLC控制，可實現(xiàn)模擬量信號、數(shù)字量信號的采集監(jiān)控，根據(jù)操作人員下達的指令，通過調節(jié)電動調節(jié)閥、水泵變頻器等執(zhí)行裝置予以實施。增設HMI（人機界面）、CCTV（閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)）攝像頭，現(xiàn)場控制層與數(shù)據(jù)采集層之間的數(shù)據(jù)傳輸通過通信網(wǎng)絡實現(xiàn)。HMI通過連接PLC，利用顯示屏顯示，通過輸入單元（如觸摸屏、鍵盤、鼠標等）輸入操作命令或設定運行參數(shù)，實現(xiàn)人與機器信息的交互。現(xiàn)場控制層的攝像頭將采集的圖像信息通過通信網(wǎng)絡上傳至數(shù)據(jù)采集層，操作人員可控制熱力站攝像頭的動作，對熱力站內圖像信息進行采集和監(jiān)控。

②數(shù)據(jù)采集層

在SCADA系統(tǒng)基礎上，增設GIS（地理信息系統(tǒng)）、DCS（集散控制系統(tǒng)）、CCTV與收費、客服系統(tǒng)。各熱力站、管網(wǎng)運行數(shù)據(jù)由SCADA系統(tǒng)采集完成，用戶類型、用戶供熱面積通過收費、客服數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成。SCADA與DCS進行實時數(shù)據(jù)交換，用于輔助調整熱源及熱網(wǎng)運行參數(shù)。熱網(wǎng)的拓撲結構、長度、標高以及相關的管網(wǎng)屬性信息由GIS（地理信息系統(tǒng)）采集完成。

③能源管理層

通過建立熱網(wǎng)仿真模型（基于氣象預報數(shù)據(jù)、歷史以及實時數(shù)據(jù)、熱網(wǎng)地理信息數(shù)據(jù)、收費客服數(shù)據(jù)，對熱網(wǎng)進行高精度仿真），分析熱網(wǎng)的壓力、流量、溫度、壓力降、比摩阻以及熱負荷等各類數(shù)據(jù)，對熱網(wǎng)熱力、水力工況進行診斷與分析，并將運行參數(shù)仿真目標下達至SCADA系統(tǒng)進行熱網(wǎng)控制以及輔助決策。能源管理層主要模塊的功能如下。

Termis（熱網(wǎng)仿真軟件）用戶界面：用于操作人員對熱網(wǎng)仿真軟件的操作和數(shù)據(jù)查詢。

EMS（能源管理系統(tǒng)）用戶界面：用于操作人員對能源管理系統(tǒng)的操作和能耗數(shù)據(jù)、技術指標查詢。

EMS數(shù)據(jù)庫：用于儲存能耗數(shù)據(jù)和技術指標數(shù)據(jù)。

Termis歷史數(shù)據(jù)庫：用于儲存熱網(wǎng)仿真軟件的歷史運行數(shù)據(jù)，包含計算數(shù)據(jù)、負荷預測數(shù)據(jù)、熱網(wǎng)數(shù)據(jù)等。

TermisDM（熱網(wǎng)仿真軟件的數(shù)學模型模塊）：用于計算熱網(wǎng)數(shù)據(jù)和分析水力工況等。

TermisMM（熱網(wǎng)仿真軟件的管理模塊）：利用熱網(wǎng)仿真模型計算結果，實現(xiàn)生產調度、成本管理等管理功能。

2.2主要數(shù)據(jù)傳輸

①現(xiàn)場控制層與數(shù)據(jù)采集層

現(xiàn)場控制層的PLC將熱力站的運行數(shù)據(jù)上傳至SCADA系統(tǒng)，SCADA系統(tǒng)可將控制指令下達給熱力站PLC。

②數(shù)據(jù)采集層

SCADA系統(tǒng)以及收費、客服系統(tǒng)的重要數(shù)據(jù)，可通過數(shù)據(jù)表方式傳至GIS。在GIS的衛(wèi)星矢量圖中，可顯示熱力站的位置、實時運行數(shù)據(jù)、用戶繳費情況、工單派發(fā)等信息。

③數(shù)據(jù)采集層與能源管理層

GIS系統(tǒng)及收費、客服系統(tǒng)為熱網(wǎng)仿真系統(tǒng)提供建立熱網(wǎng)仿真模型的基礎數(shù)據(jù)。SCADA系統(tǒng)將熱網(wǎng)的主要運行數(shù)據(jù)實時上傳至TermisDM。熱網(wǎng)仿真系統(tǒng)可將模擬結果通過OPC（用于過程控制的對象連接與嵌入）方式下達至SCADA系統(tǒng)進行控制目標值（如一級管網(wǎng)流量等）的設定，以實現(xiàn)熱網(wǎng)調度。

2.3熱網(wǎng)仿真模型的建立

熱網(wǎng)仿真模型的建立分為兩個步驟：第一步，將帶有地理信息屬性的GIS熱網(wǎng)圖和由AutoCAD軟件繪制的熱網(wǎng)圖導入熱網(wǎng)仿真軟件，在此過程中對GIS熱網(wǎng)圖中管道的屬性和熱網(wǎng)仿真模型屬性進行匹配，如管道標號、長度、節(jié)點號、供回水管徑等。將熱網(wǎng)節(jié)點圖層、閥門圖層、熱用戶圖層等進行導入和屬性的匹配，建立完整的熱網(wǎng)模型（見圖2）。

第二步，對熱網(wǎng)參數(shù)（管子、管道附件等參數(shù)）進行校正，然后根據(jù)熱網(wǎng)歷年實際運行數(shù)據(jù)對熱網(wǎng)模型進行校正，達到仿真準確度為98%以上。熱網(wǎng)參數(shù)校正界面見圖3。在圖2中點選一條管段后彈出圖3中對話框，在對話框中進行管道的基礎數(shù)據(jù)輸入（包含管道的長度、直徑、節(jié)點數(shù)量、比摩阻等數(shù)據(jù)），并根據(jù)歷史數(shù)據(jù)對比摩阻等數(shù)據(jù)進行校正。

3熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)功能

①熱網(wǎng)可視化

熱網(wǎng)仿真軟件可以實現(xiàn)熱網(wǎng)的可視化，直觀地了解供熱系統(tǒng)的運行工況及運行數(shù)據(jù)，在熱網(wǎng)仿真軟件的界面中可以通過色塊或管道的顏色不同來顯示管網(wǎng)的運行狀態(tài)。熱網(wǎng)運行壓力分布界面、運行流量分布界面分別見圖4、5。

在圖4中，采用不同色標標志出不同的熱網(wǎng)運行壓力范圍，色標的顏色與對應的壓力范圍可人為定義，這樣通過顏色可以表示出熱網(wǎng)中各區(qū)域所處的運行壓力范圍，從而判斷是否存在超壓、壓力不足的情況。在圖5中，采用不同色標標志出不同的運行流量范圍，色標的顏色與對應的運行流量范圍可人為定義，這樣通過顏色可以表示出熱網(wǎng)中各管段的運行流量范圍。

②熱網(wǎng)仿真與生產調度

a.水力工況調整

熱網(wǎng)仿真軟件可列舉出熱網(wǎng)運行中的10個不利工況點（即壓差或壓力最低點），并對不利工況進行仿真。在滿足不利工況點用戶用熱量和資用壓差的前提下，將用戶資用壓差作為循環(huán)泵的工作頻率的控制參數(shù)，從而實現(xiàn)熱網(wǎng)水力工況控制。熱網(wǎng)最不利工況點所在管段顯示界面見圖6。在圖6中，黃色線段表示由熱源至最不利工況點所在管段，實現(xiàn)管段上節(jié)點（包含支線、熱力站）以及節(jié)點運行數(shù)據(jù)可視化，利于判斷水力工況調整效果。

圖6熱網(wǎng)最不利工況點所在管段顯示界面

b.負荷預測和生產調度

熱網(wǎng)仿真軟件可根據(jù)室外溫度預報信息，通過內部設定的熱力學模型算法和線性回歸分析法，對未來一周的熱負荷進行預測，并根據(jù)預測熱負荷，制定生產調度計劃。根據(jù)當前實際熱負荷情況，對熱網(wǎng)運行參數(shù)進行優(yōu)化調節(jié)，實現(xiàn)節(jié)能經濟運行。

4運行效果

熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)改造前2015年12月典型日運行數(shù)據(jù)見表1。熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)在2016年供暖期前改造完畢，2016年供暖期投入使用，熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)改造后2016年11、12月典型日運行數(shù)據(jù)見表2。與改造前相比，熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)改造后，供熱量能基本隨室外溫度的變化進行調整，耗電量、補水量下降幅度明顯。

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