基于SCADA系统OPC通信的供水管网实时模拟

常 魁，高金良，袁一星，赵洪宾

(哈尔滨工业大学 市政环境工程学院，150090哈尔滨，19401010@163.com)

通过稳态模拟和延时模拟可以实现供水管网运行工况分析，为管网优化设计、优化调度及优化改扩建提供科学依据[1-6].随着供水管网模拟技术的发展，地理信息系统(GIS)、全球卫星定位系统(GPS)广泛应用于供水管网计算数字化管理，为智能供水管网的发展奠定基础.本文将SCADA系统应用于供水管网水力模拟过程中，建立供水管网实时模拟系统，并应用于东北某大型城市.

1 SCADA系统与OPC通信技术

1.1 SCADA系统

SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition)系统，即数据采集与监控系统[7].是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统，它可以对现场的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能.SCADA系统在电力系统、给水系统、石油、化工、汽车、机械制造等诸多领域得到了广泛的应用[8-9].SCADA系统的主要结构包括远程控制单元RTU(Remote Terminal Unit)、通讯网络及中心站.

中心站是一个局域网，可包含多个工作站和支持网络功能的设备，以完成不同的工作.它通过中心站软件管理系统数据库，每个工作站通过组态画面监测现场站点，下发控制命令进行控制，并完成工况图、统计曲线、报表等SCADA软件的标准功能.

采用SCADA系统OPC通信构建的实时仿真系统充分利用SCADA软件对OPC的支持，通过一致接口进行数据访问.SCADA系统结构如图1所示.

图1 SCADA系统结构图

1.2 OPC技术

如图1所示，SCADA系统与专业应用模块通过OPC(OLE For Process Control)进行数据交换.SCADA系统的实时监测数据库从I/O驱动程序中获取过程数据，而I/O驱动程序负责软件和设备的通信.在I/O驱动程序里，其中一项就提供了对OPC数据访问的支持.

OPC技术基于微软的OLE(现在的Active X)、COM(部件对象模型)和DCOM(分布式部件对象模型)技术[10].OPC包括一整套接口、属性和方法的标准集，用于过程控制和制造业自动化系统.OPC定义了应用Microsoft操作系统在基于PC的客户机之间交换自动化实时数据的方法，可以实现不同硬件产品与软件产品之间的交互操作，所以，基于OPC标准的SCADA系统是真正开放的过程控制系统.

2 供水管网实时模拟模型的构建

2.1 实时模拟模型的提出

传统管网模型属性信息包含静态信息和动态信息[1，11].静态信息包含管长、管径、管网拓扑结构等;动态信息包含节点流量、水泵、水池和阀门等信息.传统管网模型计算速度较快，对包含几千条管段的大型供水管网进行稳态水力计算仅需1 ～2 s.

传统水力模型计算方程如下:

北大教授吴组缃，同样尊重和坚持自己的尺度。上世纪40年代，他曾应聘四川省立教育学院教授，当时是在学期中间，校方希望他开半个学期的课，但可支付他一学期的薪水。没想到，吴组湘当即表示：“这样怎么行？我明明只上了半学期的课，怎么能拿你们一学期的薪水？”这在庸人眼里，无疑是书呆子的迂腐表现，但在正人君子看来，他实事求是、公平公正的“尺度”，着实令人敬佩。

式中:A为衔接矩阵;q为管段流量向量;Q为节点流量向量.

式中h为环内管段水头损失.

式中:Hi，Hj为管段两端节点 i，j的节点压力;hij为管段水头损失;Sij为管段摩阻;qij为管段流量.

传统模型中节点流量向量为已知量，通过实测与统计的方法绘制用户水量及水池水位变化的24 h变化曲线，结合日用水量数据计算各时刻节点流量向量，进行管网水力模拟，获得管道流量与压力信息.因此，传统水力模型采用人工方式为模型提供计算所需水量信息，不能实时分析供水管网运行工况，用水量及用水类型对模拟结果具有重要影响.

本文提出基于SCADA系统OPC通信的供水管网实时模拟模型，实时获得供水管网运行信息，利用SCADA系统实时数据对供水管网运行工况进行实时仿真模拟，能够及时发现管网运行异常工况，实现供水管网运行工况实时分析、管理.

2.2 实时模拟模型的构建

供水管网实时模拟模型利用与传统管网模型相同的信息，但是采用实时监测数据作为模型边界条件和模拟初始参数值.基于实时监测数据和内置的用水类型预测工具，实时模拟模型可以对供水管网当前及未来一段时间内运行状态进行模拟计算.

传统供水管网水力计算模型基于理想化的24 h用水变化规律及节点流量分布.在模型校核的过程中，即使低精度的数据也可以获得一个合理的结果[7].实时模拟模型采用较多的实时监测流量和压力数据，放宽了这些边界条件，导致对模型校核和监测结果精度要求的提高.因此，实时模拟模型需要准确的管网静态信息和一个校核较好的传统管网模型.

对于实时监测数据中存在的无效数据，实时模拟模型自动进行容错判断，采用同一时段内历史数据或用户提供的默认值进行计算分析.

供水管网实时模型根据管网运行历史数据周期性进行模型校核，以保证管网模型精度.模型校核周期根据供水管网规模及其运行状况确定.

3 供水管网实时模拟系统的实现

3.1 实时模拟系统设计框架

本文建立的供水管网实时模拟模型以供水管网数字化分析系统[13-14]为基础，通过实时监测流量和压力数据驱动模型.实时数据通过SCADA系统每间隔15 min采样一次，采样结果通过OPC通信技术传递给供水管网数字化分析系统.实时模拟系统设计框架如图2所示.

供水管网实时模拟系统建立在客户/服务器(Client/Server)模式基础之上，具有较高的稳定性与可靠性.

实时模拟系统的上层充分利用供水管网专业分析平台对管网分析计算的支持与SCADA系统对实时数据库、I/O驱动程序以及各种网络服务组件的支持，通过OPC技术将二者进行集成.

实时模拟系统的下层，把OPC服务器嵌入到供水管网工况分析的数学模型程序、数据库以及现场实际的物理设备中，通过OPC通信技术实时获得管网运行信息，为供水管网计算分析及模型校核提供数据支持.

图2 实时模拟系统设计框架

3.2 实时模拟系统OPC服务器的设计与实现

实时模拟系统OPC服务器为供水管网数字化系统进行实时模拟提供输入数据，结构如图3所示.

图3 实时模拟系统OPC服务器的结构

OPC服务器内部的数据项代表着与数据源的连接，但这些数据项并非数据源本身.本文在服务器划出一个数据存储区，用来存储工况分析数学模型所需的控制量、过程数据等.工况分析数学模型周期性执行，在数学模型执行的一个周期里，首先，从数据存储区里获得必要的数据(如水量);其次，根据所获得的控制量运算数学模型模块得到结果(如压力);最后，将这些结果写到数据存储区里.OPC服务器所要做的事情就是将每一个数据项与数据存储区的每一个数据点正确关联起来.

供水管网实时模拟模型中各监测点数据包含SCADA系统编号、数据类型、单位、水力模型编号、监测结果等属性.实时监测数据包括各水源流量、出厂压力、水泵状态、阀门状态及监测点压力.

4 实例研究

4.1 项目背景

通过SCADA系统OPC通信实现H市供水管网数字化分析系统与SCADA系统的集成，实现供水管网实时模拟.

H市供水管网数字化分析系统构建了该市复杂旧管网供水管网GIS图文信息系统，数据库录入8 383张1∶500图纸，包含全部入户管，覆盖全市供水系统，建立包括14 199个节点，15 132条管段管网模型，可以进行供水管网水力模拟计算，进行管网运行工况分析，实现H市供水管网的全面数字化.H市供水系统SCADA系统实现了对制水及输配水过程的实时数据监测与采集.

4.2 实时模拟系统实现

基于SCADA系统OPC通信的供水管网实时模拟系统连接供水管网数字化分析系统与SCADA系统，全市供水管网布设50个在线监测点，如图4所示.

图4 供水管网实时模拟系统

系统利用SCADA系统实时采集数据对供水管网进行实时模拟，实时分析管网运行工况，部分水厂流量监测结果如图5所示，其中L811、L812、L821、L822、L83、L84 为监测点编号.在线监测点0106实时监测与模拟结果如图6所示.实时模拟系统将在线监测点实时采集数据与模型实时计算结果同时显示，当在线监测数据超出数据限定范围，实时模拟系统进行报警提示，如图7所示.

图5 水厂流量实时监测结果

图6 0106点监测与计算结果

图7 监测点超压报警

5 结论

1)建立了基于SCADA系统OPC通信的供水管网实时模拟系统，将SCADA系统实时监测数据连续传递到供水管网水力模型，实现供水管网实时模拟分析.模拟结果表明，实时模拟系统可以为调度人员提供预警信息，保证供水管网安全运行.

2)供水管网实时模拟系统为供水管网运行管理提供有力工具，管网调度人员根据实时模拟结果及监测信息可以及时制定调度方案，调整管网运行状态;通过管网压力分析及时发现管网突发事故，如爆管.

3)基于SCADA系统OPC通信的供水管网实时模拟系统解决了传统供水管网数字化分析系统数据访问、有人参与等问题，为智能供水管网的发展提供了新思路.

[1]赵洪宾.给水管网系统理论与分析[M].北京:中国建筑工业出版社，2003.

[2]WATSON J P，MURRAY R，HART W.Formulation and optimization of robust sensor placement problems for drinking water contamination warning systems[J].Journal of Infrastructure Systems，2009，15(4):330-339.

[3]ALFONSO L，JONOSKI A，SOLOMATINE D.Multiobjective optimization of operational responses for contaminant flushing in water distribution networks[J].Journal of Water Resources Planning and Management，2010，136(1):48-58.

[4]RECA J，MARTÍNEZ J，BAÑOS R，et al.Optimal design of gravity-fed looped water distribution networks considering the resilience index[J].Journal of Water Resources Planning and Management，2008，134(3):234-238.

[5]IZQUIERDOA J，MONTALVOB I，P'EREZA R，et al.Sensitivity analysis to assess the relative importance of pipes in water distribution networks[J].Mathematical and Computer Modelling，2008，48:268-278.

[6]KLEINER Y，ADAMS B J，ROGERS J S.Water distribution network renewal planning[J].Journal of Computing in Civil Engineering，2001，15(1):15-26.

[7]WEBER C，BUNN S.Water distribution optimization:taking scada one step forward[C]//Proceedings of World Environmental and Water Resources Congress.Kansas:[s.n.]，2009:2182-2190.

[8]路小俊，冬大龙，宋斌，等.基于OPC技术的风电厂数据采集与监控系统方案[J].电力系统自动化，2008，32(23):90-94.

[9]郭圣安，城市供水调度SCADA系统的应用与发展[J].工业控制计算机，2009，22(4):29-30.

[10]OPC Foundation.OPC data access custom interface specification version 3.0 [EB/OL].http://www.orgfoundation.org，2003.

[11]ROSSMAN L A.The EPANET programmer’s tookit for analysis of water distribution systems[C]//Proceedings of the Annual Water Resources Planning and Management Conference.Reston:CD-ROM，ASCE，1999:61-76.

[12]MACHELL J，MOUNCE S R，BOXALL J B.Online modelling of water distribution systems:a UK case study[C]//Proceedings of the Integrating Water Systems.Sheffield:University of Sheffield Press，2009:65-73.

[13]邓汇，赵洪宾，高金良.供水信息系统模型的建立及应用研究[J].哈尔滨工业大学学报，2005，37:63-65.

[14]高金良，常魁，方海恩，等.城市配水管网改造工程配水分析及其应用[J].中国给水排水，2008，24(2):32-35.