基于物聯網技術的熱網監控系統應用

王開辰

（安陽益和熱力有限責任公司，河南安陽455000）

1 概述

城市集中供熱經過多年的發展，已經由粗放型向精細化智能化供熱方式轉變。近幾年來，熱用戶需求的提高及社會環保意識的加強，對集中供熱工作提出了更高的要求。對集中供熱中熱源、熱網、熱用戶的集中監控及量化管理確保了供熱工作的高效、安全、穩定運行[1]。為了更好實現精準化智能化供熱，熱力調度監控在供熱工作中越發重要，從熱源的生產管理，熱網熱力站自動化運行，到熱用戶用熱實時監控，供熱工作已經由起初的人力調控向著完全智能化生產運行不斷發展[2]。對于熱網各個節點的運行數據監控也由起初的人工巡查，發展到調度中心實時熱網監控。

物聯網（Internet of things，IoT）是在互聯網的基礎上，將萬物通過網絡互聯進行信息交換，網絡用戶端從人與人之間延伸到物與物之間。物聯網系統通過信息采集和傳輸，并進行分析管理，將萬物通過聯網的方式進行關聯，按照預設定協議進行信息交換與配合作業[3]，其衍生出的CPS（物聯信息系統）將生產、運行、銷售信息數據化，形成智能化的生產運行方式。

物聯網技術實現了熱力工作中的熱源、熱網、熱用戶等關鍵節點信息的全面自動采集，數據互聯互通，自動分析生產運行的問題[4-5]。基于物聯網技術的智慧供熱系統是指將供熱生產運行過程中各個關鍵節點的數據信息通過不同類型的采集器進行實時數據采集，在集抄器、GPRS（通用分組無線服務）、光纖專網等互聯方式的支持下進行數據傳輸。其利用計算機處理數據分析，并根據既定協議形成自動化生產運行方式。供熱資源通過系統進行合理分配，通過系統運作達到了以用戶用熱需求決定熱網運行及熱源生產的工作方式，為供熱調度工作高效運行提供有力保障的同時實現了資源利用率的最大化。

智慧供熱系統的物聯網建設，實現實時控制整個城市供熱能源分布，監控所有節點工作狀態。系統收集每個熱用戶的供熱使用情況，利用歷史數據進行挖掘分析，形成適合于特定地區的供熱指導曲線或公式算法，指導未來供熱生產運行。在此基礎上通過與城市大數據云計算平臺對接，與城市中機關、企事業單位進行數據共享，為智慧型物聯網城市的建設提供熱力部分的基礎保障。本文結合某供熱系統實例，對基于物聯網技術的智慧供熱系統組建和在城市供熱中的運行方式及所達到的效果進行介紹。

2 系統設計與實現

系統基于物聯網進行數據采集與傳輸，根據系統各部分屬性可將系統分為自動采集單元、半自動采集單元、數據傳輸單元、數據監聽存儲單元、自動化控制單元、可視化監控單元等6個部分。其中自動及半自動采集單元主要包含的是前端下位機熱源、熱網、熱用戶不同的采集模塊。數據傳輸單元主要由GPRS模塊、光纖組網組成。數據監聽存儲單元和自動化控制單元主要是指服務器部分，在本文中采用了云端服務器的形式。可視化監控單元是指調度中心上位機監控部分，包含了報警部分、人工干預控制部分等。其結構及數據流轉方式如圖1所示。

2.1 自動采集單元

自動采集單元使用不同類型的采集器對遍布熱源、熱網、熱用戶的所有關鍵節點進行數據采集，采集信息包含溫度、壓力、流量、熱量和閥門開度等。各部分采集數據統計如表1所示。

圖1 系統結構及數據流轉

表1 供熱各組成部分采集數據統計

各模塊采集的數據通過前端下位機PLC或集抄器將模擬信號轉化為數字信號進入數據傳輸單元。其中熱源、一級網、熱力站的自動采集數據通過PLC中的CPU（中央處理器）對各采集器的數據進行集中收取分析，通過配備的網口設備或DTU（數據傳輸單元）設備轉換為電信號，進入ONU（光網絡單元）中轉換為光信號經遍布全市站點的光纖專網進入數據中心。二級網自動采集數據通過小區熱力站部署的集抄器進行集中并轉換為電信號，進入ONU轉換為光信號通過光纖專網進入數據中心。熱用戶自動采集數據經過其自身集成的GPRS設備通過無線方式進入數據中心。數據中心服務器完成信息的監聽、存儲及智能化分析工作。系統自動分析結果及自動運行命令下發通過相同傳輸方式反向下發到前端下位機執行調控。

熱力站PLC配備有HMI（用戶界面）設備可對監控數據進行就地查詢，就地設備可根據操作員級別設置不同的就地調控權限，系統會對就地操作進行操作員及下發指令記錄并上傳至數據中心，上位機監控界面可查詢就地操作記錄。

熱力站配備視頻監控，其具備的移動偵測錄像功能能夠記錄熱力站設備維修操作畫面，利用移動偵測功能對無人值守熱力站進行監控，保障熱力站設備運行安全。上位機可對熱力站進行實時監控及移動偵測錄像記錄調取回放。

2.2 半自動采集單元

一級網分支分段閥門狀態、一級網入戶門狀態、管網故障（包含一級網健康狀況、補償器健康狀況、二級網健康狀況等數據）通過半自動方式進行數據采集。一級網及二級網工作人員定期進行管網巡查，對發現的一級管網問題、一級網分支分段閥門操作情況、小區內二級網故障等情況通過手持客戶端選取對應節點，對對應節點當前狀態進行更改，數據將自動上傳至數據監聽存儲單元，上位機監控對于出現的問題進行相應的處理。半自動采集單元中的節點數據在今后的發展中也將逐步由全自動采集模塊數據代替。

2.3 數據傳輸單元

基于物聯網技術的熱網監控系統為完成對PLC及集抄器等設備收集的各個運行節點數據的傳輸與交換，建立了覆蓋所有供熱站點的光纖專網，形成了數據傳輸的主干通道進行數據通信傳輸。運行數據通過光纖匯聚至云計算數據中心服務器，光纖帶寬根據數據上傳速率進行10∕100M自適應調整，在節約光纖資源的前提下有效的保障了數據傳輸。整網通過資源使用情況進行了區塊劃分，不同區塊對應不同的VLAN（虛擬局域網），不同VLAN使用不同的網關，一個VLAN區域內出現的網絡故障不影響其他VLAN的正常運行。上位機監控通過千兆光纖與云計算數據中心服務器直接互聯，保障所有運行監控數據及視頻監控數據的實時上傳。光纖專網在傳輸過程中與互聯網進行物理隔絕，通過云計算數據中心防火墻進入服務器后再與互聯網相通，保障了監控數據的安全性。

2.4 數據監聽存儲單元

系統與云服務器運營商合作使用了云計算中心服務器，根據數據類別分別由智慧熱網服務器、典型室溫采集服務器、用戶室溫溫控服務器、視頻服務器、手機客戶端服務器等進行數據監聽及存儲。建立在城市大數據云計算平臺上的系統通過與城市市政機關、供水、供電、供氣等各行各業數據進行數據共享，在云平臺的支撐下，城市市民之家能夠調取所有進駐平臺單位的數據，物聯網智慧城市在平臺的支持下已經初現雛形。

2.5 自動化控制單元

自動化控制單元熱力站調控部分可根據預設控制方案或環境溫度對整網進行自動化運行調控。預設方案一般運行于采暖季初期或系統未達到穩定狀態時期。該時段內系統會根據預設溫控曲線調控溫度，對熱力站運行進行自動調整。在整網運行基本穩定之后，系統將采用環境溫度對應氣候補償調控方式，在此自動運行方式下，系統將前端下位機收集的數據與健康管網數據進行對比分析，根據環境溫度情況對于熱力站進行自動運行指令下發，系統監控環境溫度的升高與降低對熱力站熱量供給進行相應的降低或升高，不同的環境溫度對應不同的供溫，形成自動氣候補償溫控曲線控制模式。

熱用戶調控部分，系統會記錄用戶設定的室溫溫度，根據目前室溫情況對用戶開關閥狀態進行更改，用戶當前室溫高于或低于設定溫度，用戶開關閥自動進行相應的關閉或開啟操作，達到控制室溫的目的。熱力站會對該小區內所有用戶閥狀態進行統計，當檢測到用戶閥關閉率達到一定程度導致二級網供壓升高過多，將自動調整循環泵頻率，降低二級網供壓，在保證二級網運行安全的情況下達到節能的目的。

2.6 可視化監控單元

可視化監控單元主要功能包括供熱運行情況展示及調度控制指令下達。調度中心通過可視化監控單元對熱源運行、熱網各個節點及用戶室溫的情況進行查詢及監控。在管網運行自動化控制的情況下，調度中心工作人員僅需要對管網出現的故障進行處理。系統對不能自動處理的故障及事故根據緊急程度進行不同級別的報警，調度員可通過系統報警下達調度指令處理緊急事故。可視化監控單元還包含了熱力站的視頻監控，可通過移動偵測功能進行彈窗提醒，達到輔助監控的目的。城市市民之家與調度中心具備同樣的可視化監控功能，但不具備指令下發的權限。

3 系統應用于城市供熱成效

3.1 城市熱網設備運行情況監控

系統通過GIS（地理信息系統）完成了城市熱力管網圖的建立，詳細記錄了熱網分布、分支分段閥門開閉、管網變徑、排氣小室、檢查井、補償器、固定墩及熱力站的情況及位置。管網巡線及操作人員根據現場勘察及操作，使用手持設備實時上傳管網健康狀態及閥門操作作業，信息上傳至服務器匯聚并能夠在調度中心調取管網各節點的實時運行情況。如有管網故障發生，系統會根據巡線人員上報改變不同節點顯示顏色的變化對故障進行報警。調度中心根據報警情況對整網運行健康狀況進行把控。熱網設備運行情況如圖2所示。

3.2 熱力站關鍵節點運行監控

基于物聯網技術的熱網監控系統對熱力站的關鍵節點通過數據采集聯網，熱力站已完全實現無人值守自動化運行。熱力站根據用戶熱量使用情況，對于循環泵頻率、電動調節閥開度等一系列運行參數進行智能化調控，在保證運行安全及用戶需求的情況下使能源利用率最大化，達到了自動控制及節約能源的目的。系統對于全市熱力站熱量需求進行自動化分析，得出熱源供應需求，調節熱源供應情況。

圖2 熱網設備運行情況圖

系統對于數據分析及調控結果進行可視化展示，調度中心可通過電腦客戶端查看熱源、熱網、熱力站及熱用戶的運行情況，所有前端下位機采集的數據都經過數據中心服務器進行處理分析，將自動運行結果反饋調度中心上位機監控，根據系統調控結果展示整網運行情況。系統根據運行壓力、流量等數據分析管網泄露、站點故障、水利失調等故障報警。根據報警級別的不同進行聲、光、電多種方式提醒調度中心運行監控人員。調度可對自動調控的結果進行修正，并根據報警對突發性管網故障進行調整及搶修。

在量化考核方面系統實現了耗電、耗水、耗熱的指標化管理。根據能源消耗的情況暴露熱力站運行問題。多維度分析統計運行數據、聚類綜合分析等技術的應用使得管網運行數據化、指標化，實現了城市集中供熱安全、準確、高效的運行。系統通過運算自動生成日、周、月及采暖季運行報表，報表中呈現整網運行情況，熱力站分站運行情況，供熱預測等數據信息指導未來供熱運行。整網運行關鍵節點運行數據監控主界面如圖3所示。圖中可看到熱力站報警顯示紅色為報警狀態。

圖3 整網運行關鍵節點運行數據監控

3.3 熱用戶個人化室溫需求控制

基于物聯網技術的熱網監控系統在熱用戶端安裝了通斷閥控制及用戶室溫設定面板。用戶自主設定室溫需求溫度后，系統將根據用戶設定值控制通斷閥狀態，追隨用戶設定室溫。熱力站循環泵根據用戶通斷閥開啟率控制循環泵頻率，其范圍為停止狀態至工頻頻率，保證二級網壓差保持在穩定狀態，達到熱用戶個人化室溫需求控制的目的。在國家大力推進分戶計量的情況下，能源的按需合理分配已是目前供熱工作的目標[6]。該功能有效解決了二級網水利分配不平衡及熱能浪費的問題，在熱用戶對于室溫個人化需求越發強烈的條件下，系統能夠保證需要熱量的用戶得到充足的熱量，不需要很高室溫的用戶或者需暫時關停供熱的用戶自主設定關閉用戶閥開關，在滿足用戶個人化需求的同時達到節能降耗目的。

系統對用戶室溫調控情況進行實時上傳，調度中心可通過電腦客戶端查看所有用戶運行狀態。通過數據積累分析可得出適合特定小區的供熱運行分析結果，形成符合特定小區的供熱需求指導。熱用戶個人化室溫需求控制如圖4所示。圖中顯示一棟建筑中所有熱用戶的入網情況、供回水溫度、室溫設定、通斷閥開關及用戶當前室溫狀態等信息。

圖4 用戶個性化室溫需求控制

3.4 供熱運行大數據分析

基于物聯網技術的熱網監控系統與城市大數據云計算中心合作對接，使用云服務器作為數據分析依托，基于大數據回歸分析法進行運行數據分析指導供熱。

在熱用戶與熱網層面，系統結合不同小區圍護結構的不同對小區進行等級初步分類，在室溫達到要求的前提下根據不同天氣情況不斷記錄并分析供水溫度、回水溫度及供給熱量的關系，系統經過計算得出不同環境溫度下不同類別的熱力站所需熱量值，得出不同類別小區所對應的特定供熱指導值，依照供熱指導數據進行科學供熱。在此條件下進一步分析得出單一小區在不同環境溫度下所需熱量的供溫控制曲線，并根據初寒期、嚴寒期、末寒期的不同對曲線進行調整，推導優化出適合特定小區特有的數據化供熱指導方案指導供熱運行。

在熱網與熱源方面，系統通過熱力站運行整體情況，對一級管網供回溫情況、熱力站電動調節閥開度情況、循環泵頻率、熱力站供溫控制誤差情況等進行統計分析，根據結果對熱源的調節進行把控，使熱能得到最大化利用。

系統同時與客服系統建立數據關聯，運行數據與客戶反饋相結合，實現多維度數據積累與運算。

經過計算得出的一級網熱能最優供給及二級網熱能量化分配，使得系統智能化運行能力得到很大提升。

4 系統運行熱網節能效果

對比基于物聯網技術的熱網監控系統應用前后的能耗得知，在系統使用后整網運行達到了根據天氣變化智能化調整的目的，能源消耗下降幅度明顯。運行數據對比結果見表2。

表2 系統在相同室外平均溫度下使用前后的能耗對比

5 結語

物聯網是未來社會的發展趨勢，基于物聯網技術的熱網監控系統是智慧城市建設的一部分。系統在控制熱源、熱網、熱用戶各關鍵節點生產運行、提升供熱科學化智能化方面起到了很好的作用，在提升供熱精準度的同時降低了企業的運行成本，同時為環保事業做出了貢獻。