热电冷联产系统的信息化构建

侯君达

(中国大唐集团公司，北京 西城 100033)

热电冷联产系统的信息化构建

侯君达

(中国大唐集团公司，北京 西城 100033)

基于热电冷联产系统的技术和管理体系特点，提出了以建设完整、统一、共享的数据流和信息流为核心，以热电冷联产系统指标体系、生产运行监控平台、企业管理操作平台和企业管理监管平台为主要内容的热电冷联产系统信息化整体架构和完整的信息化体系的构建方案，实现数字化热电冷联产系统。

热电冷联产；信息化；互联网+；大数据

0 引言

分布式能源系统有多种形式，热电冷联产是区域性的、大中型的建筑群使用的十分重要的、也是技术比较成熟的分布式能源系统。目前,已建成的热电冷联产系统，在信息化方面都或多或少地建设了一些项目，在项目建设时建设了自动控制和调度系统，后期针对某些管理需求建设了一些管理系统，但是基本上都没有从项目前期全面考虑整体的信息化建设，缺乏整体的规划。由于热电冷联产系统自动化程度较高，系统比较复杂，因此，通过计算机、网络和数据库等信息化技术构建一个完整、统一的涵盖运行管理、设备管理、技术管理、日常工作综合管理的操作和监控平台，相关信息自动形成信息流，数据能够经过有计划的采集、整理，进行有效的使用，成为“数字化”系统，打造成真正意义上的数字化热电联产系统是可行的，对于系统的经济、可靠运行有着十分重要的意义。

本文从热电冷联产系统的管理出发，对热电冷联产系统信息化规划、总体架构、操作类信息系统、数据应用类信息系统(监督类信息系统、决策类信息系统)、系统的安全管理、系统基础设施的构建方面进行论述，同时为热电冷联产的信息化构建提供整体方案。

1 热电冷联产的管理与信息化

热电冷联产系统通常以天然气为主要燃料，带动燃气轮机或者内燃机等产生动力，驱动发电机发电，或者进一步使用余热锅炉带动蒸汽轮机驱动发电机发电，同时利用系统排出的废热通过余热回收利用设备和制冷设备，为用户提供生活用热水、供暖和供冷[1]。由于热电冷联产系统功能较多，其设备种类、数量较多，系统也相对单一的发电、供热、供冷系统复杂。因此，热电冷联产系统生产和技术管理具有重要地位，高效、可靠的系统运行、设备维护和检修管理是能源供应企业为用户提供优质、稳定的热电冷产品、使企业获得最大化效益的基础。由于热电冷联产系统不能孤立存在，热电冷联产系统要得到有效管理、获得最大效益，也就是关系到与之相关的各方面的管理，如财务、物资、人力资源等。

在建立管理体系和完整的管理制度(标准、规程)前提下，管理者的行为主要有：一是按照制度(标准、规程)进行操作，二是监督是否按照制度(标准、规程)进行操作、操作正确与否，同时对生产经营过程进行决策分析。这2个管理者的行为因管理者的岗位和管理事项不同而不同，针对某一管理事项，较高级管理者的管理行为可能只是监督(通过检查或者审计)，而不需操作。如控制系统操作员在接到关闭燃气轮机指令后，按照操作规程切断有关动力源(操作过程)，之后还要通过有关系统(如实时数据采集系统或者视频系统)观察是否已经停机(监督过程)；运行管理的厂长，并不进行操作，只是事中监督，事后通过检查或者审计相关记录监督是否按照规程进行操作，行使针对这一事项的监控职能。

因此，热电冷联产系统的信息化构建就是应用最新的信息技术(计算机、网络、数据库、数据分析技术)及由此而改变的思维，高度共享热电冷联产系统企业的信息资源，使人的智能、热电冷联产系统企业和社会物质资源潜力被充分发挥，个人行为、组织决策和社会运行趋于合理化，从而使热电冷联产系统企业效益趋于最大化的发展过程(理想状态)。

构建热电冷联产系统信息化的基础是企业的管理体系，由于信息化具有革新管理思想、变革管理体制、创新业务模式、引领战略转型和优化生产过程的作用，因此，在热电冷联产系统项目建设前期对热电冷联产系统的信息化建设进行整体规划，对于建设简约、高效的组织机构、管理流程、决策机制的管理体系，有着重要指导意义。

2 热电冷联产系统的总体架构

热电冷联产系统投产后，其管理内容主要有：系统的运行管理、系统设备维护管理、设备的检修管理；综合计划管理；财务与资金(预决算)管理；物资、设备备品配件及仓储管理；公文流转及档案管理；人力资源管理；党政工团管理；政策法规文化管理。利用计算机技术、网络技术、数据库技术和数据分析技术等信息化技术将上述管理内容的管理制度、标准和规程实现操作事项、控制事项和控制节点自动化，从而使管理制度得到落实。利用底层数据使物资、燃料与财务形成统一数据流，及时反映企业的经营状况。利用这些管理系统、生产过程采集的生产数据和设备运行数据，实时监视整个企业的生产、经营运行情况，并针对关键指标设定阈值，超出阈值进行自动报警；对这些数据进行多维分析和深度挖掘，使企业和社会物质资源潜力被充分发挥，个人行为、组织决策和社会运行趋于合理化，从而为热电冷联产系统企业效益趋于最大化提供依据和建议方案[2]。

基于管理者的行为，上述管理内容通过构建2个平台——操作平台和监管平台来达到信息化目标。根据国家发展改革委员会发布的《工业监控系统网络信息安全》的有关规定，生产过程的操作和监管应该独立建设，必须将操作平台分为2个部分即监控平台和操作平台，监控平台必须与其他系统进行物理隔离，因此控制热电冷联产系统的信息系统只能构建在1个监控平台、1个监管平台和1个操作平台之上，实现热电冷联产系统的信息化(见图1)。监控平台就是监视和直接控制生产过程操作平台，具备监视和控制功能，即监控平台分为操作子平台和监视子平台；监视平台就是生产状态和企业生产经营状态监视平台，只具备监视或者监督功能，并为生产和经营提供决策支持，不具备操作功能；操作平台就是所有管理事项的自动化实现，具备操作功能，实现管理流程的自动化。

图1 热电冷联产系统总体架构框图Fig.1 Overall platform for cogeneration of heat power and cool

为了使三大平台稳定、可靠、安全运行，还需建设操作及可视化平台(门户)。操作及可视化平台包括集中展示监视中心的监视内容、操作平台的操作动作、完成有关的工作流程。

如前所述，考虑到网络信息安全，门户分为2个部分建设，一部分是监控平台的门户；另一部分是操作平台和监管平台的门户。在监控平台的门户上完成对生产过程的监视和生产过程的控制，在操作平台和监管平台的门户完成所有操作流程和监管事项。

3 三大业务平台

3.1 监控平台

监控平台包括燃气轮机、余热锅炉及辅机、蒸汽轮机及辅机、升压站及变电站、供热系统、制冷系统、用户使用的控制等模块，即所有需要控制的各种设备的控制模块均部署在这个平台上,便于统一控制管理。生产运行部门使用监控平台上各种功能。

监控平台分为2个部分：一是控制系统部分，通过对设备实时工作状况的监视以及对其施加控制，实现对生产过程的控制，具有控制功能的软硬件系统；二是非控制系统内的数据采集系统，通过安装在需要控制的设备上的传感器采集设备和生产过程有关数据和控制系统软件采集控制过程实时和历史数据。

监控平台的控制系统部分功能为：一是实现控制功能；二是实现与控制有关的数据采集、展示和报警功能。控制系统部分采用分散控制系统的控制分散、操作和管理集中基本设计思想和规则；采用多层递阶、合作自治的结构形式，即每级由若干子系统组成，每个子系统实现若干特定的有限目标，形成金字塔结构，实现集中管理和分散控制。

监控平台的控制系统部分分为过程控制层和过程管理层，过程控制层通过现场控制单元实现信号的输入、变换、运算和输出等分散控制功能；过程管理层通过操作站(工程师站、操作员站、管理计算机)完成对过程控制的集中监视和管理。操作站通过主机系统、显示设备、键盘输入设备、信息存储设备和打印输出设备等，借助软件实现强大的显示功能(如模拟参数显示、系统状态显示、多种画面显示等等)、报警功能、操作功能、报表打印功能、组态和编程功能等等；通过人机接口控制、控制回路调节、参数列表、串行通信等对控制单元实施命令，达到系统控制的目的。

监控平台非控制系统内的数据采集系统将采集的数据通过物理隔离设备传送到技术、经营和生产监视平台，进行数据分析，为设备故障诊断和故障预警(预测)提供决策依据；控制过程数据也通过物理隔离设备传送到技术、经营和生产监视平台，为进行控制过程审计提供数据来源。

3.2 操作平台

操作平台是实现所有管理制度流程化和自动化的平台，或者称为管理者行为的信息化实现，其核心是将所有的管理制度和管理流程用计算机技术、网络技术等信息化技术固化，在提高日常工作效率的同时，保证管理制度能够得到落实。建设依据是各项管理制度、标准和规程，在这些管理制度、标准和规程流程化的基础上，编制软件。其涵盖热电冷联产系统与操作和工作有关的各方面。操作平台的使用者为企业的所有工作人员。

操作平台的主要模块有：计划管理、财务与资金管理、物资管理、设备管理、生产过程管理、安全管理、燃料管理、网络与信息化管理、工程施工管理、用户管理、公文管理、党务思政管理、综合管理(车队、食堂、门卫、工会、会议室)等。在这个平台上，数据流形成有机联系并为监视平台提供数据支撑。关系型数据的发明为实时监督操作和由操作产生的数据进行分析提供了可能[3]。

将所有管理流程按照专业和业务分模块建设在一个平台上，其主要优点是在这个平台上可以实现有关数据自动链接，而无需通过接口。这方面最重要的应用是实现价值量数据的自动整合，使财务指标能够自动生成，并且保证指标的实时性、真实性。当与价值量有关的业务，如热电冷等产品销售、购买物资或者从仓库出库、燃料消耗等业务发生时，通过底层的数据链接，随时反映在财务指标上。

3.3 监管平台

3.3.1 组成

监管平台是从管理角度出发而定义的，从信息化角度就是热电冷联产系统的数据中心。监视平台通过收集的数据，采用报表技术和工具、在线事务处理和可视化技术，进行描述性分析为热电冷联产系统提供所有的管理事件的实时监视、报警、数据统计、即时查询、可视化展示和报告等功能，为企业操作性决策和战术性决策的决策支持；在此基础上，利用多维分析技术、统计学、数据挖掘技术、在线分析处理和可视化技术对有关管理事项进行预测性分析，为企业的战术性和战略性决策提供决策支持[4]。监管平台从管理角度共分为技术监管和业务监管两大部分。

图2 监视平台架构框图Fig.2 Structure of monitoring and supervisory platform

监管平台的技术监管部分，类似燃煤电厂的SIS系统，主要有针对整个热电冷系统的生产设备、生产过程进行、用户端设备的实时监视、报警(通过对现场工作人员进行数字化跟踪，还可以对现场工作人员进行实时监视、越位或者超出操作范围进行报警)和针对设备进行故障诊断和预测两大功能。并针对这两大功能数据统计、即时查询、可视化展示和自动产生报告；这部分数据主要是生产过程中和设备运行过程中，从监控系统中各种传感器采集的数据；监管平台技术管理部分使用者为各级管理人员，对整个生产和经营过程进行监管的人员。

监管平台的业务管理部分，在对业务、绩效指标进行实时监视报警和针对这两大功能数据统计、即时查询、可视化展示和自动产生报告同时，还具备为各级机构提供决策支持和对业务事件进行预测的功能(战略性、战术性和操作性)，这部分数据来源于操作平台的各个模块。

监管平台(数据中心)的建设主要包括数据规划、数据的采集、数据的存储和数据的分析平台搭建、数据可视化等几个部分，其基本架构[5]如图2。监管平台的数据可视化的图表应该是标准化的，使之能够通过门户系统随时调用。

3.3.2 指标体系建设和数据规划

(1) 指标体系建设。

指标体系建设是热电冷联产系统信息化建设的重要的基础性工作。通过指标体系的规划和建设，更加明确了从设备、生产、物资、财务、资金、计划等各方面管理的目标，是信息系统建设保证管理流程、相关数据(信息)连接、关键节点控制和数据展示自动化和数据分析智能化的基础。

指标是业务管理过程中重要的数据指标，是开发设计三大平台各种应用模块的重要参考，这些指标的确定，为数据库的结构设计提供了基础。

热电冷联产系统指标体系建设内容分为管理分析范围、指标、定义、公式、原数据、数据来源、维度、层次、度量值、阈值等。

管理分析范围主要根据业务范围进行划分，主要有：生产运行、设备检修维护、财务与资金、物资、人力资源、计划、营销、用户等方面；公式和原数据是为了计算指标而设置的，有些指标是通过原数据用公式计算出来的。数据来源表明数据是从哪个信息系统产生的；维度通常指对这个指标进行分析时的视角，层次是针对同一维度的进一步细分。

指标体系是数据规划的基础，指标体系的建设要与热电冷联产系统的数据规划和数据仓库的建设保持一致。尤其是指标体系的管理分析范围的数据规划要与通过识别业务过程和业务活动而建立的职能域相一致。

指标体系的建设必须基于热电冷联产系统的各项管理制度、标准和操作规程。其基本方法是对管理制度、标准和操作规程提出的各种指标进行量化，并进行系列化操作。因此，指标分为过程监视指标和考核指标。

管理指标体系的建设反作用于信息系统的建设，对操作平台和监管平台的建设有指导作用。

(2) 数据规划。

数据规划是监管平台建设的另一个重要的基础性工作，也是操作平台数据库建设的基础。因此，热电冷联产系统信息化建设的数据规划应该从2个方面开展，一是从操作平台建设角度，通过数据规划完成操作平台的数据库建设，为具体管理事项的自动化提供支持；二是从监管平台建设角度，通过数据规划完成数据中心建设、为管理决策提供支持。

从操作平台建设角度和从监管平台建设角度进行数据规划的方法学基本相同[6]。首先，通过需求分析、进行系统建模和数据分类，从而形成需求分析成果统计表、系统建模成果统计表、数据分类成果统计表等；其次，形成业务及数据模型规划报告、功能模型及数据模型报告、元数据标准及元数据、数据信息编码标准及数据信息编码等数据规划成果；最终，形成应用系统建设指导规范或者数据中心建设指导规范。

从操作平台建设角度和从监管平台建设角度进行数据规划的目标不同，前者是以建设操作平台上的满足日常管理事项的应用系统为目标；后者是以建设数据中心、满足对生产、经营等管理数据进行分析、为决策提供服务为目标。因此，这2种规划尽管采用的方法学基本相同，但是在规划的过程中还是有差异的。

从操作平台建设角度和从监管平台建设角度进行数据规划在需求分析方面的差异主要有：从操作平台建设角度进行数据规划，其需求分析的出发点是针对各部门的管理事项，进行划分职能域、识别业务过程和业务活动、绘制用户视图、绘制数据流程图等；从监管平台建设角度进行数据规划，其需求分析的出发点是分析主题，在此基础上识别业务过程和业务活动、绘制用户视图、绘制数据流程图等。

从操作平台建设角度和从监管平台建设角度进行数据规划在系统建模方面的差异主要有：从操作平台建设角度进行数据规划，其系统建模的出发点是针对各部门的管理事项所对应的功能, 在此基础上，进行功能建模、系统数据建模(主题和基本表)、体系结构建模和信息分类编码等；从监管平台建设角度进行数据规划，其系统建模的出发点是分析主题，在此基础上进行功能建模、系统数据建模(主题和基本表)、体系结构建模和信息分类编码等。

监管平台建设所需要的数据来源于各业务系统，因此进行数据规划时保证操作平台各业务系统数据库的数据标准和监管平台的数据标准(基本表)一致是十分重要的。

4 三大平台的可视化

三大平台的可视化通过统一的门户系统实现。热电冷联产的管理内容涉及到生产、经营、人力资源等各方面，每个管理岗位的管理职能和管理内容均有所不同，甚至差异很大。如前所述，在企业建立完整的管理体系和管理制度(标准、规程)的前提下，针对每个企业的每位从业者，不论管理体系多么复杂、管理制度数量多少，每位从业者的行为主要有：一是按照制度(标准、规程)进行操作，二是监督是否按照制度(标准、规程)进行操作、操作正确与否，同时对生产经营管理过程中的各种行为进行决策分析。因此，统一的门户系统应该充分体现这2部分功能。门户系统的操作界面应简洁明了，所有用户操作和系统设置实现图形化界面，复杂和多步骤的操作实现向导，示意界面见图3。

图3 门户系统示意图Fig.3 Schematic diagram of portal system

按照制度(标准、规程)进行操作，可以简化为：(1)自拟办事项；(2)别人委办事项。门户系统通过采用开放、灵活、符合主流标准的集成框架，与操作平台各相关应用模块进行有效的集成整合。使门户直接通过拟办和委办事项这2个按钮实现所有操作平台上从业者的管理事项等操作。

针对管理过程中的监督是否按照制度(标准、规程)进行操作、操作正确与否，同时对生产经营管理过程中的各种行为进行决策分析，即监管平台的各种功能，是通过各种图表来实现的。由于每位从业者在实际工作中进行决策所需的图表不同，因此针对不同的用户提供不同的图表，在定制的用户信息门户，保持简洁的操作界面，显示给用户的始终是他当前需要处理的工作，从而方便用户使用。

5 结语

本文提出了热电冷联产系统信息化整体架构和完整的信息化体系，简要分析了热电冷联产系统的管理特点，在此基础上提出了以建设热电冷联产系统指标体系、生产运行监控平台、企业管理操作平台和企业管理监管平台为核心的热电冷联产系统信息化整体架构和完整的信息化体系。提出了数据规划应该从操作平台和监管平台角度进行数据规划，其数据规划的方法学主要差别在于需求分析。对整个体系中数据流、信息流进行分析和论述，并提出了数据的存储、应用的具体方案：通过底层与价值链相关的数据的贯通，使财务有关指标的形成一个有机整体，避免人为操控；通过生产运行监控平台、企业管理工作事项平台操作数据的采集、整合和初步分析，实现对所需要的生产运行、设备和经营指标的实时监视、报警、数据统计、即时查询、可视化展示和报告；通过对这些数据的综合分析，实现生产设备故障诊断和预测、提供生产经营决策分析报告和供参考的解决方案。三大平台的可视化通过统一的、可根据每个用户进行定制的门户系统实现。

[1]国家发展改革委经济运行调节局. 分布式能源与热电冷联产[M]. 北京： 中国电力出版社， 2013.

[2]赵捷. 企业信息化总体架构[M]. 北京： 清华大学出版社， 2011.

[3]涂子沛. 大数据[M]. 桂林： 广西师范大学出版社， 2012.

[4]DAVENPORT T H. 大数据分析[M]. 吴峻申, 译. 北京： 机械工业出版社， 2015.

[5]拉姆什·沙尔达， 杜尔森·德伦， 埃弗雷姆·特班. 商务智能： 数据分析的管理视角[M]. 赵卫东， 译. 3版. 北京： 机械工业出版， 2015.

[6]林小村.数据中心运行建设与运行管理[M].北京：科学出版社，2013.

侯君达

(编辑 蒋毅恒)

Information Platform for Cogeneration of Heat Power and Cool System

HOU Junda

(China Datang Corporation, Xicheng District, Beijing 100033, China)

Considering the technical and management feature of cogeneration of heat power and cool system, the information system was built to implement the complete, uniform and shared data stream and information stream. The information platform covers several subsystems such as the index system, operation monitoring and control platform, operation and supervisory of enterprise management platform. Such a system can be introduced to implement the digitization of cogeneration of heat power and cool system.

cogeneration of heat power and cool(CCHP); informationization; internet plus; big data

TK018

A

2096-2185(2016)02-0055-06

2016-06-12

侯君达(1963—)，男，工学博士，高级工程师，研究方向为信息化建设与管理， houjunda@china-cdt.com。