1概述

熱網(wǎng)監(jiān)控是結(jié)合計算機(jī)、自動化控制、通信、供熱技術(shù)為一體的技術(shù)，適用于分散的熱力站遠(yuǎn)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(jīng)濟(jì)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(jié)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(yīng)用進(jìn)行介紹。

鄂爾多斯市通惠供熱燃?xì)饧瘓F(tuán)有限公司是鄂爾多斯市康巴什新區(qū)一家以供熱供燃?xì)鉃橹鞯膰衅髽I(yè)。其下屬康巴什新區(qū)熱力分公司（以下簡稱熱力公司）負(fù)責(zé)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(shè)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(fù)責(zé)采集熱力站PLC上傳的運行參數(shù)，并對PLC下達(dá)控制指令。通過對2015年12月典型日運行數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)熱力公司主要存在以下問題：當(dāng)室外溫度變化時，供熱量不能及時調(diào)節(jié)。供熱系統(tǒng)存在水力、熱力失調(diào)，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(fù)荷預(yù)測與智能調(diào)度為目標(biāo)，對原熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行升級優(yōu)化。本文對改進(jìn)后的熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)、功能與運行效果進(jìn)行探討。

2熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

2.1架構(gòu)

改造后的熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)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?，F(xiàn)場控制層涉及的設(shè)備設(shè)置在熱力站內(nèi)，數(shù)據(jù)采集層、能源管理層涉及的服務(wù)器、大屏幕等設(shè)備設(shè)置在原熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控中心。

圖1改進(jìn)后的熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

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(dá)的指令，通過調(diào)節(jié)電動調(diào)節(jié)閥、水泵變頻器等執(zhí)行裝置予以實施。增設(shè)HMI（人機(jī)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(luò)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(biāo)等）輸入操作命令或設(shè)定運行參數(shù)，實現(xiàn)人與機(jī)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(luò)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(nèi)圖像信息進(jìn)行采集和監(jiān)控。

②數(shù)據(jù)采集層

在SCADA系統(tǒng)基礎(chǔ)上，增設(shè)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(jìn)行實時數(shù)據(jù)交換，用于輔助調(diào)整熱源及熱網(wǎng)運行參數(shù)。熱網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、長度、標(biāo)高以及相關(guān)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(yù)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(jìn)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(fù)荷等各類數(shù)據(jù)，對熱網(wǎng)熱力、水力工況進(jìn)行診斷與分析，并將運行參數(shù)仿真目標(biāo)下達(dá)至SCADA系統(tǒng)進(jìn)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(shù)指標(biāo)查詢。

EMS數(shù)據(jù)庫：用于儲存能耗數(shù)據(jù)和技術(shù)指標(biāo)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(fù)荷預(yù)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(xué)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(jié)果，實現(xiàn)生產(chǎn)調(diào)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(dá)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(chǔ)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(jié)果通過OPC（用于過程控制的對象連接與嵌入）方式下達(dá)至SCADA系統(tǒng)進(jìn)行控制目標(biāo)值（如一級管網(wǎng)流量等）的設(shè)定，以實現(xiàn)熱網(wǎng)調(diào)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(dǎo)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(jìn)行匹配，如管道標(biāo)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(jìn)行導(dǎo)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(jìn)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(jìn)行校正，達(dá)到仿真準(zhǔn)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(jìn)行管道的基礎(chǔ)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(jìn)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(biāo)標(biāo)志出不同的熱網(wǎng)運行壓力范圍，色標(biāo)的顏色與對應(yīng)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(biāo)標(biāo)志出不同的運行流量范圍，色標(biāo)的顏色與對應(yīng)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(chǎn)調(diào)度

a.水力工況調(diào)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(jìn)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(diào)整效果。

圖6熱網(wǎng)最不利工況點所在管段顯示界面

b.負(fù)荷預(yù)測和生產(chǎn)調(diào)度

熱網(wǎng)仿真軟件可根據(jù)室外溫度預(yù)報信息，通過內(nèi)部設(shè)定的熱力學(xué)模型算法和線性回歸分析法，對未來一周的熱負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測，并根據(jù)預(yù)測熱負(fù)荷，制定生產(chǎn)調(diào)度計劃。根據(jù)當(dāng)前實際熱負(fù)荷情況，對熱網(wǎng)運行參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)節(jié)，實現(xiàn)節(jié)能經(jīng)濟(jì)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(jìn)行調(diào)整，耗電量、補(bǔ)水量下降幅度明顯。