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智慧供热平台地理信息与生产运行建设探索

太原市热力集团有限责任公司 王亚楠 申鹏飞 石光辉

要:供热生产运行正处于向智慧化发展阶段,过程中不断优化传统作业方式,大量的人工工作、纸质化内容地图化、网络化,实现“源---户”数据联动、直观,改进传统运行调节预测,使供热调度决策更科学。太原热力集团顺应行业发展需求,在平台建设时,将企业原有的生产作业通过生产与地理信息结合,单纯数据流转变为平面信息流,调度流转系统与设施设备编码、管理等融合至网络平台相应模块,实现作业可视化、调度精细化。本文从供热企业实际应用角度出发,浅析智慧供热平台建设前期地图信息需求方案,并对目前太原市智慧供热平台生产调度、设备管理、热用户管理功能进行阐述。

关键词:智慧供热;地图数据;生产作业;热用户

1 背景

《北方地区冬季清洁取暖规划(2017-2021 年)》文件提出到2021年年底,清洁取暖率需提升至 70% 的重大任务目标[1]当前国家“碳达峰”、“碳中和”目标对国家能源结构提出明确的思路,也对供热行业提出了新的要求,如供给侧能源结构的变化、低品位余热回收的利用、终端节能等,热能起始端与末端的发展需要更加智慧化的运行结构,供热企业原有的运作系统已无法满足行业日益增长的信息化与智能化需求。为了提升生产运行信息化、生产作业可视化水平,智慧供热平台的建设需在确保网络信息、地图数据安全保密性到位的前提下,充分将物联网[2]、云技术[2]、“数字孪生”[3]运用至实际生产运行,将热力管网及用户数据依托GIS地图动态显示,灵活运用手机APP参与实际生产运行,后台形成完备的运行服务维护体系,平台数据及各项服务及时更新。本文主要从供热企业实际应用角度出发,浅析智慧供热平台建设前期地图信息需求方案,对目前生产调度与设备管理模块功能进行阐述,详细介绍调度指令与巡检管理功能,希望对未来建设智慧供热平台的企业提供一定的参考价值。

2 平台介绍

2020-2021采暖季,太原市热力集团有限责任公司挂网总供热面积达到1.71亿㎡,服务用户超过123万户。集团公司管网总长达1430公里以上,热力站总数1798座左右。供热面积的不断扩大,伴随着热源、设备、用户等数据量的迅速扩增,在调节与数据管理方面对企业传统运行方式及运行人员的管理水平均存在一定的考验。太原市智慧供热平台自2017年建设以来,截止目前已建成党建工作、首页、生产调度、设施管理、能耗管理、数据管理、数据录入、平台管理、手机APP9个模块,另有智慧中心、应急管理、三维管网及水力计算等模块正在测试与开发阶段。下图为智慧供热平台建设架构简图。


1 智慧供热平台建设架构简图

已建成的9大模块于2019-2020采暖季前投入使用,实现了“源---户”的运行参数实时展示,供热运行调节预测,生产调度的线上派发与回执,巡检工作的在线上报,缺陷信息上报,能耗分析等功能。图2、图3展示了太原市智慧供热平台中热源参数、热力站能耗在地图上的分布情况,平台实现了数据、生产作业管理、设备管理、能耗管理及热用户管理等功能的可视化。在公司生产运行广泛应用过程中,运维人员整理并向平台开发技术人员多次提交测试报告与优化方案以达到不断完善平台的目标。

2 智慧供热平台热源分布图

3 智慧供热平台热力站能耗分布图

3 地图需求与实现

智慧供热平台数据多数依托地理信息平台进行展示,是集管理、分析、建模与显示地理空间数据的信息系统。地图数据是地理信息服务平台初期建设的重要工作,其数据类型与属性等在一定程度上限制和影响了平台建设发展的快慢。太原市智慧供热平台目标实现“源---户”精细化供热管理,所以对热用户层级的地图精准水平要求较高,大比例尺地图才能满足供热工作直接或间接管理到用户级别的需求。下文从应用角度出发分析地图数据需求方案,主要从以下几方面考虑。

地图要素的全面性、数据的真实可靠性、样式的美观性等均应作为平台建设前期重视的内容。首先在空间数据的变换方面,应选择技术可行的投影方式。不同的地图投影转换方式适合不同平台类型的需求且均存在一定误差,大致可分为三种变形:角度变形、长度变形、面积变形,故应通过搭建GIS平台的类型、涉及面积大小及对附属工程、管线等数据的精度要求等选择最佳适配当前平台的投影方式。常见的投影方式有墨卡托投影,高斯-克吕格投影,UTM投影及兰勃特投影等。其中,墨卡托投影(正轴等角圆柱投影)保证了方向与相对位置的正确性,通常应用于航海、航空等领域。目前互联网上数字电子地图多用墨卡托投影,称为Web墨卡托[4]。高斯-克吕格投影(等角横切圆柱投影)没有角度变形,在长度和面积上变形均较小。由于其投影精度高,变形小且计算简便,因此常应用于在大比例尺地形图中且能在图上进行精确的量测计算,即城市级大比例尺的智慧供热平台可选用高斯投影。UTM投影(等角横轴割圆柱投影),全称为通用横轴墨卡托投影,与高斯投影类似,是英、美、日、加拿大等国地形图最通用的投影。兰勃特投影适于制作沿纬线分布的中纬度地区中、小比例尺地图。WGS84CGCS2000等坐标系的选取会在一定程度上影响平台中即时巡检轨迹获取的实现,应基于对巡检人员定位技术的确定考虑坐标系的选择。

其次,为地图最大比例尺的确定。一般比例尺大于1:20万的地形图称为大比例尺地图。比例尺越大,覆盖面积越小,反之,比例尺越小,覆盖面积越大。结合智慧供热平台建设目标对管线、道路或建筑等要素显示的大小要求,通过比例尺计算公式:地图距离/实际距离,计算得出所需地形图最大比例尺。即,平台涉及展示或管理的范围、要求的地形图精度确定后,地形图比例尺范围基本确定。下图为由于最大比例尺不合理导致的管线间距小,无法对管线附属设备清晰编辑与处理的示意图。

4最大比例尺对管线间距与管线附属设备的影响

在空间数据结构的转换方面,瓦片数据与矢量数据有着各自的优缺点。瓦片数据虽要素种类全面,但是灵活性不强,无法对要素进行编辑。矢量地图数据具有精度高,便于要素检索分析等优点,但是对于多层空间数据的叠合分析比较困难。若采用矢量地图数据,则应考虑平台要素需求。智慧供热平台的建设以供热运行为核心,以用户舒适感为判断依据展开,以科学调度调节为手段,故针对矢量地图数据进行要素需求的整合须设定“热力专题数据”。该专题数据中应包含平台建设最终效果涉及的所有要素。对供热企业来说,侧重建筑物类、道路桥梁类、热力井盖等要素。其中,为了方便二次网与用户信息的完善,建筑物要素的属性需包含所在小区、建筑物名称、建设年代、层数/层高、楼号等内容,同时要求建筑物轮廓、小区轮廓可见。道路要素应包含道路中心线、道路边线及道路名称等。下图为无法满足智慧供热平台需求的地图示意与小比例尺地图的对比。大比例尺地图不显示具体建筑物轮廓,同时缺少其他要素,无法满足平台生产运行与地理信息结合的需求。

5不同比例尺地图对平台应用的影响

若采用瓦片地图数据,则应考虑分级的级数。瓦片地图数据的分级数越高,分辨率越大。分级数在一定程度上影响了平台展示效果,同时,制约着基础数据分级显示的内容。电子地图分级数最低为1级,最高为22级,笔者认为分级数12级以上可满足一般地理信息平台建设需求。确定分级后,根据地形图比例尺,确定每一层级下比例尺的大小,随着分级数的增大,比例尺不断增大。一般地图分级最大比例尺至1:400,根据平台建设实际需求可要求最大比例至1:50等。

4 实际功能应用

4.1 设施设备管理

智慧供热设施设备管理模块的建成,应以企业整体设备的生命周期完全网络化、无纸质化为目标。在平台建设初期应形成完备、统一的设备记录与编码、管理体系,确保多方信息统一,建立设施设备各类数据库,目前太原市智慧供热平台设施设备等模块的基础数据、编码规则已较为明确[5]。为实现生产运行线上线下作业顺利融合,集团公司每个设备具有不同二维码,当前已实现张贴于主要设备及热力站等位置,方便调度令直接下发至设备与日常巡检上报。平台正在积极探索建设设备状态变更的及时上线、设备全生命周期的记录、设备与资产管理系统的统一等功能,以实现真正的设备智慧管理。下图6为太原热力太古供热分公司设备二维码的现场张贴样式。

6 设备二维码张贴样式

4.2 生产调度

生产调度模块作为与实际生产工作紧密相关的部分,涉及到供热运行生产的核心环节-运行调度。运行调度最终要体现为运行参数调节,实现过程则为生产作业中通过调度指令传达与执行(自上而下)、自主发起的上报事件(自下而上)过程。

4.2.1调度指令

调度指令必须具备几个特性才可派发至执行部门及执行人进行指令流转。具体如下:

一是明确性。一方面为指令内容的明确性。以往的指令均为调度室通过电话派发至各部门,存在指令不规范,言语表达不清晰等问题。平台建设过程中,结合运行经验,综合考虑指令类别及内容,对指令进行明确分类,如操作类、维修类、点检类、保养类等。各类指令中明确指令语言,调度人员选择相应指令发送,每一条指令可追根溯源。

二是权威性。除了日常派发的指令外,有部分指令涉及热网调节或重要参数调整等内容,需经过领导审批确认可行后才能对部门或其他公司派发,所以平台指令流程中设置审批环节,重要指令须经部门领导与其他相关领导的审批通过后下发。

三是灵活性。生产运行过程中的调度指令涉及对象、包含的动作多种多样,故应实现指令派发对象的灵活性,可选择单个对象或多个对象,同时应实现对象的自定义编组,根据各公司运行特点不同将常用使用对象列为一组,方便选择。

四是关联性。一方面是指令与涉及操作对象的关联,每一条指令最终都对应一个执行人,本特性主要针对热力站相关指令,多条指令对应多个站长派发时,系统应具备自动匹配关联站长的功能,站长仅接收到指令内容与个人管辖范围内的热力站。另一方面是指令状态与设备的关联。调度指令的内容均与设备关联,如阀门的开关、板换进出口阀门的调节等操作,应对应关联至具体某台设备并显示设备的当前状态,如设备故障次数、阀门的开关状态,部分电动执行机构的开度显示等,避免原有设备操作历史不明、开关状态不明、故障历史不明等弊端。

综合以上四个特性,确定平台当前的调度指令流程。具体指令派发流程分为两种,一种为公司内部调度流程,另一种为公司与公司间外部调度流程。其中,公司内部流程为调度指令通过调度室(公用账户)统一派发至各个部门(账户为部门公用账户或部门负责人账户),最终由执行人完成指令后回执至调度室,完成指令的流转。对于指令中较重要的指令,调度中心首先通过领导审批,批准后的指令领导直接派发至各部门,指令动态返回至调度中心账户及各相关账户。另一种外部调度流程为公司调度室公用账户之间相互派发或集团公司总调度室向分公司派发进行指令流转,其中,集团公司级别的闭环称为一级流转,公司内部的闭环称为二级流转。具体流程见下图7

7集团公司与分公司及公司内部调度指令流程图

智慧供热平台以地图为载体,将供热管网平面化,集合显示热网所有要素。新建调度令时,可通过地图快速选择具体指令对象(图8),点击热源、热网、热力站、小室及阀门补偿器等图标即可选定设备为具体指令操作对象,操作便捷,解决指令下达过程中输入过多设备对象名称的繁琐、耗时问题,更重要的是通过这样的操作实现了相关的操作、维修等各类记录与设备的关联(图9)。

8 生产调度指令与地理信息结合

9 设施设备各类信息与地理信息结合

4.2.2上报事件

自下而上的流转过程主要指现场工作人员的上报事件环节。参与实际运行操作的运行人员在本部门安排的固定时间间隔内的日常点检过程中,通过手机APP扫码对设备点检/保养/操作/维修结果的进行上报。主要包含泵站及管线小室内设备的上报、管线及热力站缺陷故障上报等。

其中,泵站内设备上报主要由运管所人员日常点检上报。小室内设备的上报主要有巡检人员完成。巡检工作由以往电话通知改进为通过平台派发指令,工作手机点击在线巡检,扫描设备二维码上报点检(巡检)情况,利用GIS系统对巡检人员的轨迹捕捉,实现巡检可视化(图10)。巡检管理主要分为日常巡检与应急巡检两部分。日常巡检一般为固定时间间隔的巡检工作,由巡检所自主发起。过程中,巡检人员使用手机APP扫码,通过选择“点检”并勾选相应点检选项,从而确定设备是否存在异常。同时,平台记录巡检轨迹。另一种应急巡检主要由调度室发起,巡检人员到达调度指令中指定巡检区域或位置,点检设备,确定设备是否有异常。

10智慧供热平台巡检可视化

当前手机APP及网页版平台的巡检功能都有待进一步优化。如在线巡检人员的实时位置与历史轨迹的小误差显示,选择或点击人员头像可获取人员姓名、所属分公司及所属科室内容,方便确定不同分公司管辖边界巡检人员的归属等功能。同时,考虑优化巡检实时在线环节,增加视频监控设备在线查看巡检工作,对巡检中发现的故障第一时间回传至调度中心。

缺陷管理是集运行安全隐患、突发事故上报、数据异常上报、设备的故障、点检、保养、维修等信息于一体的管理功能。从设备方面来说,建立设备缺陷库,流程化管理缺陷内容,形成接收上报、安排处理至形成明确处理结果的闭环,确保信息环环可查,环环留底。目前太原市智慧供热平台实现了分公司随时上报热力站、热网等临时停供情况,方便总调度快速知晓故障区域,对热网调度提供一定的参考意义。本年度完成运行缺陷及时上报98%,缺陷闭环完成效果良好。未来将联合应急管理、水力计算模块,实现及时判断事故发生时影响区域、诊断水力工况,对管网运行情况及设备等情况进行整体评估的效果。下图为缺陷管理方案示意图。

11缺陷管理方案

4.3 热用户管理

热用户作为用热终端,是供热效果最直接的体现,实现对热用户室温等内容的快速监测与分析是实现供热节能、提高效率努力的方向。热用户管理应分为“楼栋-单元-用户”三个层级,逐层的自控水平提升才能不断提升精细化调度与控制,目前太原市热力集团推进热用户室温在线监测工程进展,提高室温在线监测比例,同步室温数据进入智慧供热平台,直观查看热用户室温变化,评判供热效果,同时加大户阀改造力度,提高终端自控水平。通过诊断一次网、二次网水力平衡,从而实现优化管网整体运行工况。目前太原热力集团室温覆盖率仍需提高,同时在使用过程中发现部分数据存在数据明显错误、长时间不刷新等等后期维护问题,需加强数据维护要求。三供一业户阀数据方面,需进一步进行调试,确保信号回传准确无误。在地理信息平台的进一步应用中,拟实现智慧供热平台链接客服系统,将用户投诉与地理信息结合显示,直观了解供热整体情况,快速知晓热网或热力站故障对用户的影响。拓展用户室温监测广度,加大用热终端数据实时回传力度,才能更有效地判断供热效果的优良。下图12为热用户管理基础体系图示,热用户层级基础设备的完备率影响着供热调节的精细度发展。目前太原市智慧供热平台已实现对三供一业室温及户阀数据的回传,通过智慧供热平台可查看相关热用户的参数(图13、图14),最终将实现热用户层级的数据展示与综合分析。

12热用户管理基础体系图示

13平台热用户层级效果图

14热用户管理室温与户阀数据展示

5 结语

智慧供热的总体目标可总结为:用户舒适满意、系统安全可靠、能源利用高效、低碳清洁经济[6],要实现真正“源---户”信息全面,打通企业不同部门间信息孤岛,协同形成供热企业运行的良性运转,需利用大数据实现高效率、智慧指导生产,从而才能提高企业运行效率,节约“源---户”整体能源成本,降低有害气体排放,同时达到舒适供热目标,实现真正的智慧供热,推动行业及智慧城市的发展。

智慧供热平台的建设,应切实考虑供热企业生产运行需求,同时不断创新,对现状进一步的改进与提升。适配于平台建设目标的地图数据可推进平台搭建工作的顺利开展,地图数据作为地理信息服务类平台初期建设的重要工作内容,应首先进行考虑并对地图数据更新等服务进行长远规划。太原市智慧供热平台目前虽初步实现了生产调度的信息化,运行参数的在线监测,但仍需对现有模块朝着更智能化、人性化的方向进行优化,如审批过程的优化、轨迹显示的纠偏、设施设备的系统化管理、实时管网诊断与平衡调节优化、热用户融合应用等等,各模块的功能应在应用中不断提升、整合。本文仅从供热企业实际应用角度出发,浅析智慧供热平台建设过程中地图信息的配套方案,平台生产调度、巡检、热用户管理等功能应用进行相关介绍,部分问题仍需专业人士分析讨论。

参考文献:

[1] 国家能源局. 北方地区冬季清洁取暖规划(2017-2021年)[EB/OL. 2017-12-27)[2021-5-25. http://www.nea.

gov.cn/2017-12/27/c_136854721.htm.

[2] 张宏波, 彭延锋. 基于GIS和云技术的智慧供热系统研究与实现[J]. 测绘与空间地理信息, 2019, 42(07): 148-150.

[3] 钟崴,郑立军,俞自涛,林小杰.基于“数字孪生”的智慧供热技术路线[J].华电技术,2020,42(11):1-5.

[4] 许辉, 马晓鹏. 基于Web墨卡托投影地理信息系统设计与实现[J]. 电脑编程技巧与维护, 2011(08): 41-43+51.

[5] 石光辉, 申鹏飞. 基于太古热网智慧供热信息服务平台搭建基础数据体系的探讨[J]. 区域供热, 2019(06): 48-53.

[6] 方修睦, 杨大易, 周志刚, . 智慧供热的内涵及目标[J]. 煤气与热力, 2019(7): 1-7.

作者:王亚楠,1992113日生,工程师,669899824@qq.com18234062987。投稿方向:智慧供热相关技术。


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