西部地區水廠調度系統的架構設計與決策研究

張 凱

(上海威派格智慧水務股份有限公司，上海 201806)

隨著經濟產業結構的不斷調整，城市給水系統供需矛盾日益突出；水廠水源地分布廣泛且無光纖接入條件，供水調度主要依據人工經驗方式，導致調度決策和管理缺乏科學性。因此，建立符合西部地區特點的水廠供水調度系統具有重要意義，本文以內蒙古自治區為主要代表的西部地區為例，從系統架構設計和控制決策優化角度進行探討，提出基于SCADA和云平臺結合的建設方案，同時建立關于取水泵站群日運行功耗數學模型，運用動態規劃算法對水廠調度決策進行優化。

1 工程概況及系統架構設計

1.1 工程概況

某水廠原一期工程有8處水源深井，1處蓄水池和1套流量300m3/h、揚程65m加壓泵站，目前已無法滿足相應供水需求。二期工程中新建水源深井6處，2處蓄水池和1套流量200m3/h、揚程70m的加壓泵站，同時在水廠管理處建立信息化供水調度中心，實現對全部數量取水泵房、管網、清水池和供水泵站的整體管控優化。由取水泵站、管網、清水池、供水泵站組成的水廠取供水流程布局如圖1所示。

圖1 取供水流程布局

1.2 水廠調度系統架構設計

構建智慧水務系統的首要工作是落實頂層設計和總體規劃，其中頂層設計[1- 2]是一種從宏觀角度對所涉對象的設計思想、目標、環境、流程、方法、成果等進行檢驗和布局。在信息化資源共享、業務協同、智能應用等建設理念[3]基礎上，以水廠實際需求為導向建設供水調度管理系統。系統架構設計如圖2所示。

圖2 系統架構設計

1.2.1 調度系統建設

云平臺系統采用工業互聯網和數據分析技術，通過廣域復合型組網、供水設備關鍵數據采集、檢測預警、生命周期預測、工業控制模型等，實現對水廠供水設備生命周期運維和決策優化等服務。SCADA通過OPC協議向上與云平臺系統進行通信，向下采用4G Router和光纖專線與取水泵站、管網、清水池、供水泵站完成數據采集和指令下發。

1.2.2 跨平臺數據交互

SCADA與云平臺數據通信采用OPC(OLEfor Process Control)技術標準[4]，SCADA組態軟件為力控ForceControl7.2，內部集成OPC服務器PCAuto OPCServer與云平臺OPCClient建立連接，即采用典型的客戶機/服務器模式。OPC Server與OPCClient存在兩種數據交互方式：同步方式和異步方式，當數據量較大時，異步方式與同步方式相比能夠提供高效性能，避免阻塞客戶數據請求，故選擇異步通信方式。

1.2.3 鏈路安全防護

取水泵站和管網數據通過4GRouter無線模塊上傳SCADA服務器，為保證通信鏈路安全，采用VPN(Virtual Private Network)遠程訪問技術，即在公用網絡上建立專用網絡連接，進行加密通信。方案中將VPDN(Virtual Private Dial-up Networks)與IPSec兩種VPN協議相結合，其中VPDN協議利用IP網絡的承載功能結合相應的認證和授權機制建立虛擬專用網絡，屬于第二層隧道協議；IPSec協議是一種基于網絡層通過隧道技術對IP層安全保護的協議，可以有效的保護IP數據報文的安全性，屬于第三層隧道協議[5]，雙層隧道加密技術為鏈路安全提供保障。

2 數學模型

2.1 目標函數

水泵額定功率模型的建立需要揚程、流量、水泵效率等相關參數，即公式為[6]：

(1)

式中，Qf—水泵流量，m3/s；Hf—水泵揚程，m；ρ—水質密度，kg/m3；g—重力加速度，m/s2；ηr—傳動裝置效率，ηb—水泵效率，Ke—相關參數。

以取水泵站群日運行功耗最低為調度優化目標函數如下：

(2)

式中，t0、tm—水泵運行時間段；i—第i臺水源深井泵；n—運行泵站數量(每個泵站配備一臺深井泵)；C(t)—當地電力價格函數。

2.2 約束條件

針對取水泵站群優化問題，其約束條件主要包括：

(1)取水量與供水量平衡約束。在供水時域內，需要滿足取水量大于或者等于供水量，即：

(3)

式中，Qij—第i取水泵站第j小時取水量，m3/h；Qsj—供水泵站第j小時供水量，m3/h；β—取水泵站管網水量損失系數。

(2)清水池液位約束。清水池的液位變化取決于單位時間取水泵站流量和供水泵站流量的變化，計算模型如下：

Hq(j+1)=Hqj+[Qrj-Qcj]/S0

Hqmin≤Hqj≤Hqmax

(4)

式中，Hqj—清水池第j小時的液位，m；Hqmin—清水池允許的最低液位，m；Hqmax—清水池允許的最高液位，m。

(3)取水泵站取水流量約束

Qfmin≤Qfj≤Qfmax

(5)

式中，Qfj—取水泵站第j小時的取水流量，m3/h；Qfmin—取水泵站的最小取水流量，m3/h；Qfmax—取水泵站滿足的最大取水流量，m3/h。

3 基于動態規劃的調度策略

3.1 動態規劃設計思路

以24h為優化過程，將每個小時劃分為一個時段；確定系統一天調度計劃開始時清水池的初始液位Hq0；根據清水池允許的最低液位Hqmin和最高液位Hqmax，將清水池液位劃成n等份，對應n+1個清水池液位值Hq(n+1)；計算從初始液位Hq0到第1時段可能的n+1個液位對應的取水泵站運行數量、運行功耗等，得到n+1種決策方案并記錄第一時段末對應的決策節點。第二時段繼續對應n+1個液位，選取其中任意一個液位值Hqx，計算從第2時段末n+1個可能液位值到Hqx液位對應的取水泵站運行數量、運行功耗等，得到n+1種決策方案，并記錄第2時段末對應的決策節點，繼而可以得到n+1種從清水池初始液位Hq0到第2時段末Hqx液位的決策方案。以此遞推，對24個時段進行全程優化，計算出各個時段對應的最佳清水池液位與取水泵站最小功耗，最終形成取水泵站群一天的最優調度決策序列。

3.2 優化調度分析

對水廠加壓泵站時供水量歷史數據提取和分析，可得其日供水規律曲線如圖3所示，依據當地城市用水規律，將高于400m3/h的時段分為高峰時段，低于400m3/h的時段分為低谷時段，即6∶00～22∶00時段為用水高峰期，22∶00～6∶00(第二天)時段為用水低谷期。通過動態規劃算法對取水泵站群調度方案進行調整，方案優化見表1，清水池24h液位變化曲線如圖4所示。

圖3 水廠日供水規律曲線

圖4 清水池24h液位變化曲線

表1針對實際供水調度方案進行優化，根據時段劃分為24個優化節點，針對每個節點的取水泵站群組合進行能耗計算，在滿足各項約束條件下確定最佳泵站運行數量。由于每個取水泵站受地理環境等外在因素影響，其小時取水量會有所差異，故選取平均流量65m3/h作為參考。依據2018—2019年內蒙古西部電網銷售電價表，相關工業用電按照電壓等級劃分電力價格，尚未采用谷峰電價模式，電力價格采用0.6263元/(kW·h)。實際調度方案情況下，取水泵站群日累計功耗所產生的費用為3567.41元；優化調度方案情況下，取水泵站群日累計功耗所產生的費用為3146.53元，相比與實際調度方案節省11.8%，且日取水量約為10205m3，大于城市日供水需求總量。

表1 取水泵站群調度優化方案

圖4原清水池液位變化幅度維持在20%左右，液位初始值為2.5m，優化后液位初始值設定為1.8m，充分利用清水池有效容積對用水低谷與高峰時段進行水資源平衡，若將來該市實行分時電價相關政策，可進一步降低水廠取水泵站群日運行功耗，節省運營費用。

4 結語

本文以烏蘭察布市某水廠調度系統設計為例，針對系統架構和調度策略進行研究。架構設計采用SCADA平臺和云平臺相結合的模式，實現水源、管網、加壓泵站實時管控和數據分析挖掘雙向交互；調度策略采用動態規劃算法，對水廠取水泵站群以小時為優化節點，以功耗最小為目標函數，通過多級決策得取水泵站群最優調度方案，研究表明，此算法對降低水廠取水泵站群日運行功耗有效、可行。