互联网+热电厂热力生产运营一体化管理平台
技术领域
[0001] 本
发明涉及一种互联网+热电厂热力生产运营管理的全新应用，属于互联网+工业控制、远程通信技术应用领域。
背景技术
[0002] 随着国家“节能减排”政策和大气污染防治行动的推进，高污染高能耗的小热电逐步关停，取而代之的是越来越多的燃
煤大机组开始对外供热，这些以往以发电为主的电厂通过供热改造逐步成为热电厂，热力生产与经营管理已经成为这些电厂的主营业务之一。
[0003] 当前随着供
热管道保温技术发展，热电厂供热距离越来越长，供热范围越来越大，热用户越来越分散，但是热电厂关于热力生产与运营管理上依然停留在传统模式上，技术
水平不高，管理比较粗放，计划性、经济性、实时性、开放性、劳动效率等方面都急待提升。主要弊端如下：1）单一的热力供应调节手段，即只调节电厂总出口热力供应，造成整个管网热力参数（流量、压力、
温度）要升高一起升高，要降低一起降低，对于每个支线管网和用户的热力参数缺乏远程精确调节控制手段，容易造成热力输送过程中的损失和不经济性。2）热力生产缺乏预知性和计划性会造成发电生产
波动，由于无法事先获得热用户的需求，热力生产只能随着热用户实际需求变化而变化，造成热电厂热力和发电生产两方面相互影响，对于
电网和用户需求的响应速度和
精度较差。3）应急管理水平较低，缺乏应急处置技术手段，即当热电厂机组或某条管网支线出现故障时，只能采用电话通知方式，无法立即
切除或者转移负荷，容易造成较大供热中断影响。4）热用户计量与结算大多数采用人工方式，即人工抄表、手工制单、快递寄送单据、上
门收费、
银行转账等，虽然也有采用预付费和网银方式，但总体还是比较落后。
[0004] 随着互联网、移动通讯、工业控制、
电子商务、网络金融、
大数据等技术飞速发展，设计并开发一套适用于热电厂热力生产与运营管理的一体化平台系统成为可能。通过集成互联网+工业控制、远程通信等技术成果，可以将热电厂从热力生产到运营管理的全部业务整合在一个平台系统中，从而实现从用户热力需求
申请、计划管理、热电厂热力与发电优化调度、热力输送与用户控制、在线计量、信息发布共享直到线上支付结算的一体化管理。
[0005] 该一体化管理平台系统由一个集中控制中心、六个重要功能子系统、各用户和管网的远程控制终端以及各个热用户组成，集控中心是热力生产和经营管理的指挥中心、
数据中心，六个功能子系统分别承担相应业务功能、实现管理要求，各远程和用户控制终端采集并上传实时热力参数数据，并接收热电厂热力输送与控制子系统发来的指令去控制
阀门执行机构，热电厂生产与经营人员通过集控中心实现一体化监控和管理。
[0006] 将互联网+工业控制、远程通信技术思想应用到热电厂热力生产和运营管理上，不仅是技术管理水平的创新，而且是热力市场管理模式的创新，将有利于推动热电厂热力生产和运营管理向标准化、网络化、数字化、平台化、直至智能化方向发展。
发明内容
[0007] 发明目的：本发明的目的在于设计并开发一种融合了互联网+工业控制、远程通信技术应用，涵盖热电厂热力生产运营管理全过程的一体化管理平台系统，以实现热力生产、输送、计量、结算等业务管理的标准化、网络化、自动化、数字化、电商化，从而提高安全性、经济性和整体管理水平。
[0008] 技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
[0009] 通过互联网+工业控制网络、
移动通信网络，将热电厂热力生产运营一体化管理平台各个部分进行连接，形成数据和功能互联互融的全新系统拓扑架构，包括集中控制层、功能应用层和终端控制层三层网络架构，其中集中控制层为一个集中控制中心，用于集中管理和监控热力生产与运营；功能应用层包括六个重要功能子系统如：热力与发电优化调度子系统、热力输送与控制子系统、管网安全管理子系统、计划管理子系统、综合信息发布与查询子系统、结算与
电子商务子系统，用于实现热力生产与运营中的各项业务和功能；终端控制层包括若干远程管网和用户控制终端，所述远程管网与用户控制终端通过移动通讯网络接入互联网。所述集中控制中心和各重要功能子系统通过工业控制网络连接并接入互联网，所述热力与发电优化调度子系统与热电厂各台机组分散控制系统（DCS）通过工业控制网络连接，所述热力输送与控制子系统与各远程管网与用户控制终端通过互联网和移动通信网络连接，个用户与热电厂通过互联网实现计划管理、热费计算和数据交换。通过互联网和工业网络，将热电厂热力生产与运营全部业务和目标要求全部整合在一个平台下，实现数据共享和业务融合，优化生产运营效率，实现经营运行和管理提升。
[0010] 进一步地，所述热力与发电优化调度子系统包括：
[0011] 基于全
能量平衡控制策略的机组热力与发电优化控
制模块，将热力需求和发电负荷需求合并作为机组总能量需求，
锅炉主控指令响应发电和供热总能量需求变化，汽机主控指令响应机组功率和抽汽流量需求变化，供热抽汽阀位指令兼顾对于发电负荷影响控制供汽压力，由此改进并优化常规燃煤机组协调控制逻辑，解决常规发电优先控制策略所带来热力需求响应滞后、热力参数波动过大的弊端，在同时快速响应热力和发电负荷需求方面寻找到平衡点，实现电、热供需平衡协调。
[0012] 以及，基于最优化原理的机组负荷调度模块，根据热电厂各台机组能耗水平和设备状况，通过最优化方法，将热力需求和发电负荷需求，分别在各台机组中进行动态负荷分配，使得在满足相同热力和发电负荷总输出条件下，热电厂综合发电和供
热能耗最低、能效水平最优。
[0013] 所述热力输送与控制子系统，包括：
[0014] 各管网、用户热力参数调节
控制模块，将用户热力参数需求或者系统要求作为设定值，实时热力参数作为反馈值，按照闭环控制逻辑，实时发出控制指令，通过远程管网与用户控制终端，远程
调节管网与用户的阀门执行机构，实现一对一精确控制。
[0015] 互联网通讯管理模块，通过互联网、移动网络通信，实现子系统控制主机与远程管网与用户控制终端之间的双向通讯，热力参数数据和控制指令的传送。
[0016] 以及，
可视化监控模块，在
指定重要区域，通过移动通讯网络和互联网，传送实时视频监视图像，实现远程监控和无人值守。
[0017] 进一步地，所述管网安全管理子系统，包括：
[0018] 热用户需求侧管理模块，根据用户用热类型，分成可中断、部分中断、不可中断等优先级别，形成中断热力供应的先后顺序；根据用户用热参数要求，预置部分热力供应条件下的低限和高限参数保证值。
[0019] 以及，管网运行安全应急预案模块，在热电厂机组发生故障或者管网设备出现异常，不能保证正常热力供应时，根据故障影响程度，设置Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级（Ⅰ级为最高）应急处置预案，当故障发生时，子系统手动或自动启动应急处置程序，通过紧急切断或转移热负荷的方式，快速调节特定远程管网与用户控制终端，切除少量、部分或绝大部分用户，将影响降到最低。
[0020] 进一步地，所述远程管网与用户控制终端，包括：
[0021] 专业设计的移动通讯模块、可编程
控制器、集成仪表、I/O
端子、电源模块等构成高性能、高防护等级的室外型控制终端箱，实现实时采集和上传就地
传感器、执行机构参数，接收上级控制系统控制指令，调节就地执行机构，保证所需热力参数的功能。
[0022] 有益效果：本发明应用互联网+远程通信、工业控制技术，首次将庞大、分散和复杂的热电厂热力生产和经营管理全部业务过程整合到一个管理平台系统上，通过互联网、工业网、移动通讯网等将热电厂、控制对象、热用户紧密联系在一起，建立了数据中心、控制中心、结算中心，实现一体化管理，不仅是技术水平的创新，而且是管理模式的创新，对于热电厂热力生产和经营管理向网络化、数字化、自动化直至智能化发展提出了全新的标准和试点，将极大地推动热力产业技术与管理水平的快速进步，主要优点包括：
[0023] 1)建立了涵盖热力生产运营管理全部业务过程的数据中心、控制中心、结算中心[0024] 绝大部分热电厂采用传统热力生产和经营管理模式，各业务过程相对分散、独立，数据信息不共享，缺乏计划性、关联性，技术和管理手段落后，效率很低。一体化管理的平台系统，建立了数据中心、控制中心、结算中心，根本解决原来管理模式的种种弊端。
[0025] 2)使用各类网络将热电厂、控制对象和热用户紧密连接
[0026] 传统供热管理模式中，热电厂和热用户依靠电话联系，一体化管理的平台系统，应用各种网络将热电厂、热用户、控制对象三者紧密连接，供需双方业务联系和需求响应更快捷、更透明，更加数字化。
[0027] 3)实现热电厂热力与发电生产优化调度和经济运行
[0028] 提出了机组热力和发电协调控制的优化改进逻辑，引入总能量平衡策略，很好地解决以往单方面响应电或热负荷变化而引起另一方面大幅波动的弊端；提出了采用最优化方法，解决各台机组之间的发电和热力负荷动态分配，以总耗能最少为目标函数，以满足总能量需求为约束条件，使得热电厂在满足相同发电和供热需求条件下总体能耗最优。
[0029] 4)实现远程设备的精准调节和可视化监控
[0030] 通过移动通讯网络和工业控制技术，实现每一个热用户的实时闭环控制，保证目标值的精准调节，远程可视化技术实现了超远距离以外重要控制对象的安全运行监控，极大地提升了控制可靠性。
[0031] 5)引入热用户需求侧管理，增加供热安全与可靠性
[0032] 创新性地将用户需求侧管理和供热中断应急管理相结合，将此策略引入供热系统应急处置方案中，将热用户进行分级管理，当出现故障性，采用转移负荷、快速切除次要用户，确保重点用户的处置方案，将用户损失降到最小。
[0033] 6)开放式数据服务，数据共享与综合查询
[0034] 提供多种多样的互联网数据服务，增加数据共享与透明，支持包括移动终端APP，以及微信平台等更加便捷的查询方式，热用户可以随时随地实现综合数据查询，查询从需求审批、生产计划、实际供应、参数偏差、周期累计、欠费催缴、支付结算等信息。
[0035] 7)创新电商方式销售热力商品
[0036] 将热力作为可以在网路上销售的商品，突破传统热力生产到销售的模式，从用户需求申请开始，热力生产计划、热力输送、用户控制、交接计量、结算支付、综合查询等都在网络上进行，完全按照互联网电商模式，创新实现了热电厂从热力订单、生产、配送到结算的互联网生产、经营新模式。
[0037] 8)灵活多样的互联网支付与结算
[0038] 形式多样与安全可靠的互联网支付与结算，保证热用户支付更方便、更快捷。
附图说明
[0039] 图1为本发明的一体化管理平台系统拓扑结构示意图。
[0040] 图2为本发明的热力与发电优化调度子系统原理结构示意图。
[0041] 图3为本发明
实施例中改进后汽机控制逻辑示意图。
[0042] 图4为本发明实施例中改进后锅炉控制逻辑示意图。
[0043] 图5为本发明实施例中改进后供热抽汽压力控制逻辑示意图
[0044] 图6为本发明实施例中远程管网与用户控制终端原理结构示意图。
具体实施方式
[0045] 下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的
修改均落于本申请所附
权利要求所限定的范围。
[0046] 本发明实施例公开的热电厂热力生产运营一体化管理平台由三层网络结构组成，上层为集中控制中心，
中间层是热力与发电优化调度子系统、热力输送与控制子系统、管网安全管理子系统等六个重要功能子系统，集中控制中心与各功能子系统通过工业控制网络连接并接入互联网，第三层是位于管网或用户就地的各远程管网与用户控制终端，各终端通过移动通信网络和互联网接入中间层相关子系统，各热用户通过互联网接入相关子系统。热力生产与运营管理全部业务通过互联网、移动通讯网、工业控制网络以及专用网络进行互联，完成数据、指令的采集、传送、处理和共享，实现需求、计划、调度、控制、计量和结算等各项业务流程的管理要求，系统网络拓扑结构如图1所示。
[0047] 本一体化管理平台系统的结构组成与功能说明如下：
[0048] 一、集中控制中心
[0049] 集中控制中心设置在热电厂内，是热力生产与运营管理的指挥中心、数据中心，由若干
服务器、操作员站、工程师站、
防火墙、网关、交换机、
接口机、实时
数据库、历史数据库、大屏幕、网络
打印机等
硬件设备构成。
[0050] 二、六个重要功能子系统
[0051] 六个子系统是一体化管理平台系统的业务管理和应用核心，六个子系统分别是：（1）热力与发电优化调度子系统；（2）热力输送与控制子系统；（3）管网安全管理子系统；（4）计划管理子系统；（5）综合信息发布与查询子系统；（6）结算与电子商务子系统。
[0052] （一）热力与发电优化调度子系统
[0053] 热力与发电优化调度子系统原理结构示意图如图2所示。
[0054] 1、基于全能量平衡控制策略的机组热力与发电优化控制模块
[0055] 热电厂热力与发电都是按需生产，发电需求来自电网调度，供热需求来自分
散热用户，两者没有联系，但在热电厂一侧共同构成对于能量的总需求。在总输出一定的情况下，一方的变化必然会引起另一方的扰动。实现热力与发电负荷两者优化调度的关键，是解决好热电厂在热力和发电两方面的平衡协调问题。本发明基于全能量平衡控制策略的机组热力与发电优化控制模块，提出将热力需求和发电负荷需求合并作为机组总能量需求，并改进常规燃煤机组协调控制逻辑，解决常规燃煤机组发电优先控制策略所带来热力需求响应滞后、热力参数波动过大的弊端，在同时快速响应热力和发电负荷需求方面寻找到平衡点，实现电、热供需平衡协调。
[0056] 如图3所示，改进后的汽机控制逻辑：当热负荷需求Q0发生变化时，机组供热抽汽量Q的变化直接影响进入汽机做功的
蒸汽量，进而对实发功率N和主汽压力产生扰动，将热负荷的扰动作为前馈引入到汽机主控指令控制回路中，使
汽轮机主汽调门提前动作，就能够快速消除由于热负荷变化引起的汽机扰动。改进后的汽机控制逻辑中，电网发电负荷需求N0与机组实发功率N的偏差，经过PI调节器，形成汽机负荷调节指令，热负荷需求Q0和当前供热量Q的偏差，经过函数f(x)，计算出供热抽汽流量所对应机组发电负荷调整量，作为前馈，与汽机负荷调节指令组成汽机主控指令，为了快速响应电网发电负荷需求，再将N0经过比例器K的
信号作为前馈，直接作用到汽机主控指令上，同时设置死区
放大器，当主汽阀前压力偏差P0-P超出预定范围时，输出指令，限制汽机主控指令进一步变化。上述控制逻辑能够实现平衡协调响应发电和供热负荷需求、消除扰动功能，保证机组发电和供热稳定。
[0057] 如附图4所示，改进后的锅炉控制逻辑：全能量平衡协调策略就是将发电负荷和供热负荷相加作为总能量需求，以此作为锅炉总
燃料需求，锅炉主控指令的变化必须同时满足机组发电负荷及供热负荷需求变化，这样在源头上保证了所需能量平衡。改进后的锅炉控制逻辑中，电网发电负荷需求N0经过函数f(x)1计算出所对应燃料量C0，C0与锅炉实际燃料量C的偏差经过PI调节器，形成锅炉负荷调节指令。供热负荷需求Q0与实际供热量Q的偏差经过f(x)2计算出所对应的锅炉燃料增量，作为前馈，与锅炉负荷调节指令组成锅炉主控指令，这样就使得锅炉所产生的能量始终满足发电负荷和供热需求。考虑到锅炉是一个大滞后的被控对象，为了快速响应电网发电负荷需求N0变化，将N0的比例微分信号作为前馈，直接加到锅炉主控指令上，锅炉主控指令再分别去控制锅炉燃料、送
风、给水等系统。上述控制逻辑能够实现平衡协调响应发电和供热负荷需求、消除扰动功能，保证机组发电和供热稳定。
[0058] 如附图5所示，改进后的供热抽汽压力控制逻辑：当机组发电负荷发生大幅变化时，汽轮机主汽调门也会相应大幅变化，进而影响供热抽汽的
蒸汽压力Pr，对热负荷产生扰动，单一传统的PID控制回路来调节供热抽汽调节阀的开度，存在较大滞后，不能及时消除扰动。在改进后的控制逻辑中，将发电负荷指令N0的变化率△N0所产生的扰动因素影响作为前馈引入到PID控制回路中，通
过热力试验的方法，得出发电负荷变化率与抽汽调节阀开度调整量的对应函数关系f(x)。供热抽汽的蒸汽压力设定值Pr0与当前值Pr的偏差，经过PID调节器，形成抽汽调节阀开度指令，当发电负荷指令变化率△N0大于一定数值时，经过函数f(x)，计算出对应阀门开度调整量，作为前馈，直接作用到抽汽调节阀开度指令上，指令μ0快速调整阀门开度。上述控制逻辑能够实现快速消除机组发电对热负荷扰动功能，保证热负荷稳定。
[0059] 2、基于最优化原理的机组负荷调度模块
[0060] 提出根据热电厂各台机组能耗水平和设备状况，通过最优化方法，以全厂能耗最低作为目标函数，外来总能量需求作为约束条件，将外来热力和发电负荷需求在热电厂各台机组之间动态分配，使得在满足相同热力和发电负荷总能量需求条件下，实现热电厂发电和供热综合能耗最低、能效水平最优，从而达到效益最优。各台机组的能耗水平如供电煤耗、供热煤耗、厂用电率等通过热力试验方法进行测定排序。
[0061] （二）热力输送与控制子系统
[0062] 1、各管网、用户热力参数调节控制模块
[0063] 建立每一个管网和用户控制对象的一对一闭环控制回路，以需求参数作为设定值，以实际参数作为反馈，实时发出控制指令，通过远程管网与用户控制终端，实现对阀门执行机构的一对一精确控制。
[0064] 2、互联网通讯管理模块
[0065] 通过互联网、移动网络通信，实现子系统控制主机与远程管网与用户控制终端之间的双向通讯，保证热力参数
数据采集和控制指令的传送。
[0066] 3、可视化监控模块
[0067] 在个别重要区域（如供热首末站、重要支线、重要用户等），设置视频采集设备，通过移动通讯网络和互联网，传送实时视频监视图像，实现远程监控和无人值守。
[0068] （三）管网安全管理子系统
[0069] 1、热用户需求侧管理模块
[0070] 根据用户用热类型，分成可中断、部分中断、不可中断等优先级别，形成中断热力供应的先后顺序；根据用户用热参数要求，预置部分热力供应条件下的低限和高限参数保证值。
[0071] 2、管网运行安全应急预案模块
[0072] 在热电厂机组发生故障或者管网设备出现异常，不能保证正常热力供应时，根据故障影响程度，设置Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级（Ⅰ级为最高）应急处置预案，当故障发生时，子系统手动或自动启动应急处置程序，通过切断或转移热负荷的方式，快速调节特定远程管网与用户控制终端，切除少量、部分直至绝大部分用户，将影响降到最低。
[0073] （四）热用户需求申请与计划管理子系统
[0074] 1、需求申请模块
[0075] 热电厂开设专用
网站，接受各用户填报次日24小时各时段热力供应需求（包括热力参数）申请和周预计、月预计申请。系统汇总后，形成次日总量以及各用户分时热力需求计划。
[0076] 2、需求审批模块
[0077] 根据热电厂机组设备状况和供热能力，系统自动或由热电厂生产计划管理人员手动对次日、周预计、月预计需求计划进行审核，形成热力供应计划。
[0078] 3、统计、分析、查询模块。供需双方可以查询模块，发现需求计划与实际供应的偏差、以及周、月、年统计，以便双方加强需求预测与供应的准确性。
[0079] （五）综合信息发布与查询子系统
[0080] 有关数据在此分类、统计、计算、分析、存储和备份，提供多种网络化、移动终端查询功能和数据服务功能，并将部分供需双方综合数据进行共享和发布，便于用户随时随地查询，增加服务透明度，提升服务水平。
[0081] （六）结算与电子商务子系统。
[0082] 按照互联网金融和互联网电商标准，建设结算与支付平台，开展线上缴费、催缴、支付以及预付费充值等业务，也可开展热力产品现货与期货互联网交易，创新热力销售模式。
[0083] 三、远程管网与用户控制终端
[0084] 控制终端是实现热力输送精确控制的关键，由高速无线通讯模块、
数字量与模拟量转换模块、集成智能仪表、小型PLC控制器、电源模块等部分构成高防护等级的户外型终端箱，实时采集、上传就地管道蒸汽的温度、压力、流量等传感器和管道电动调节阀门的数据，接收上一级系统发来的控制指令，调节或快开/关管道阀门，实现对用户热力供应的精准调节。远程管网与用户控制终端原理结构示意图见图6。
[0085] 远程管网与用户控制终端通过移动通讯网络GRPS（也可以选用4G网络）再经互联网与热力输送与用户控制子系统服务器连接，实现上传采集数据、接收控制指令。使用GPRS技术实现数据分组发送和接收，为用户提供高速、永远在线、透明数据传输的虚拟专用数据通信网络，GPRS理论带宽可达171.2Kbps，实际应用带宽大约在20～40Kbps，在电力系统自动化、工业监控等部门目前大量应用GPRS通信，它的主要优点是：采用移动通信网络，传输距离不受限制、传输数据不会丢失、系统永远在线、维护方便、运行
费用较低。热力输送与用户控制子系统能够可靠、快速、准确地实现位于远方的用户终端阀门的调节操作，通讯稳定、响应迅速，很少出现拒动和无效情况。闭环控制回路将热力供应计划值作为给定，实际参数偏差作为反馈，实时修正控制指令，能够及时消除用户实际用量变化引起的扰动，保证用户参数的基本稳定。
[0086] 远程管网与用户控制终端能够实时采集并上传各设备的各种报警信息、测量原件的瞬时数据信息，抗干扰性好，上传数据与实际数据偏差小，可以同时作为实时与历史数据，进行分类存储、分析和计算应用。
[0087] 结论：互联网+热电厂热力生产运营一体化管理平台能够很好地实现所设计的各项功能，在当前互联网+工业控制、远程通信技术和应用背景下，完全切合热电厂管理层、生产和经营人员对于提升热力生产运营管理的新要求，具有较好的实用推广价值和应用前景。
