西部地区水厂调度系统的架构设计与决策研究

张 凯

(上海威派格智慧水务股份有限公司，上海 201806)

随着经济产业结构的不断调整，城市给水系统供需矛盾日益突出；水厂水源地分布广泛且无光纤接入条件，供水调度主要依据人工经验方式，导致调度决策和管理缺乏科学性。因此，建立符合西部地区特点的水厂供水调度系统具有重要意义，本文以内蒙古自治区为主要代表的西部地区为例，从系统架构设计和控制决策优化角度进行探讨，提出基于SCADA和云平台结合的建设方案，同时建立关于取水泵站群日运行功耗数学模型，运用动态规划算法对水厂调度决策进行优化。

1 工程概况及系统架构设计

1.1 工程概况

某水厂原一期工程有8处水源深井，1处蓄水池和1套流量300m3/h、扬程65m加压泵站，目前已无法满足相应供水需求。二期工程中新建水源深井6处，2处蓄水池和1套流量200m3/h、扬程70m的加压泵站，同时在水厂管理处建立信息化供水调度中心，实现对全部数量取水泵房、管网、清水池和供水泵站的整体管控优化。由取水泵站、管网、清水池、供水泵站组成的水厂取供水流程布局如图1所示。

图1 取供水流程布局

1.2 水厂调度系统架构设计

构建智慧水务系统的首要工作是落实顶层设计和总体规划，其中顶层设计[1- 2]是一种从宏观角度对所涉对象的设计思想、目标、环境、流程、方法、成果等进行检验和布局。在信息化资源共享、业务协同、智能应用等建设理念[3]基础上，以水厂实际需求为导向建设供水调度管理系统。系统架构设计如图2所示。

图2 系统架构设计

1.2.1 调度系统建设

云平台系统采用工业互联网和数据分析技术，通过广域复合型组网、供水设备关键数据采集、检测预警、生命周期预测、工业控制模型等，实现对水厂供水设备生命周期运维和决策优化等服务。SCADA通过OPC协议向上与云平台系统进行通信，向下采用4G Router和光纤专线与取水泵站、管网、清水池、供水泵站完成数据采集和指令下发。

1.2.2 跨平台数据交互

SCADA与云平台数据通信采用OPC(OLEfor Process Control)技术标准[4]，SCADA组态软件为力控ForceControl7.2，内部集成OPC服务器PCAuto OPCServer与云平台OPCClient建立连接，即采用典型的客户机/服务器模式。OPC Server与OPCClient存在两种数据交互方式：同步方式和异步方式，当数据量较大时，异步方式与同步方式相比能够提供高效性能，避免阻塞客户数据请求，故选择异步通信方式。

1.2.3 链路安全防护

取水泵站和管网数据通过4GRouter无线模块上传SCADA服务器，为保证通信链路安全，采用VPN(Virtual Private Network)远程访问技术，即在公用网络上建立专用网络连接，进行加密通信。方案中将VPDN(Virtual Private Dial-up Networks)与IPSec两种VPN协议相结合，其中VPDN协议利用IP网络的承载功能结合相应的认证和授权机制建立虚拟专用网络，属于第二层隧道协议；IPSec协议是一种基于网络层通过隧道技术对IP层安全保护的协议，可以有效的保护IP数据报文的安全性，属于第三层隧道协议[5]，双层隧道加密技术为链路安全提供保障。

2 数学模型

2.1 目标函数

水泵额定功率模型的建立需要扬程、流量、水泵效率等相关参数，即公式为[6]：

(1)

式中，Qf—水泵流量，m3/s；Hf—水泵扬程，m；ρ—水质密度，kg/m3；g—重力加速度，m/s2；ηr—传动装置效率，ηb—水泵效率，Ke—相关参数。

以取水泵站群日运行功耗最低为调度优化目标函数如下：

(2)

式中，t0、tm—水泵运行时间段；i—第i台水源深井泵；n—运行泵站数量(每个泵站配备一台深井泵)；C(t)—当地电力价格函数。

2.2 约束条件

针对取水泵站群优化问题，其约束条件主要包括：

(1)取水量与供水量平衡约束。在供水时域内，需要满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小时取水量，m3/h；Qsj—供水泵站第j小时供水量，m3/h；β—取水泵站管网水量损失系数。

(2)清水池液位约束。清水池的液位变化取决于单位时间取水泵站流量和供水泵站流量的变化，计算模型如下：

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

Hqmin≤Hqj≤Hqmax

(4)

式中，Hqj—清水池第j小时的液位，m；Hqmin—清水池允许的最低液位，m；Hqmax—清水池允许的最高液位，m。

(3)取水泵站取水流量约束

Qfmin≤Qfj≤Qfmax

(5)

式中，Qfj—取水泵站第j小时的取水流量，m3/h；Qfmin—取水泵站的最小取水流量，m3/h；Qfmax—取水泵站满足的最大取水流量，m3/h。

3 基于动态规划的调度策略

3.1 动态规划设计思路

以24h为优化过程，将每个小时划分为一个时段；确定系统一天调度计划开始时清水池的初始液位Hq0；根据清水池允许的最低液位Hqmin和最高液位Hqmax，将清水池液位划成n等份，对应n+1个清水池液位值Hq(n+1)；计算从初始液位Hq0到第1时段可能的n+1个液位对应的取水泵站运行数量、运行功耗等，得到n+1种决策方案并记录第一时段末对应的决策节点。第二时段继续对应n+1个液位，选取其中任意一个液位值Hqx，计算从第2时段末n+1个可能液位值到Hqx液位对应的取水泵站运行数量、运行功耗等，得到n+1种决策方案，并记录第2时段末对应的决策节点，继而可以得到n+1种从清水池初始液位Hq0到第2时段末Hqx液位的决策方案。以此递推，对24个时段进行全程优化，计算出各个时段对应的最佳清水池液位与取水泵站最小功耗，最终形成取水泵站群一天的最优调度决策序列。

3.2 优化调度分析

对水厂加压泵站时供水量历史数据提取和分析，可得其日供水规律曲线如图3所示，依据当地城市用水规律，将高于400m3/h的时段分为高峰时段，低于400m3/h的时段分为低谷时段，即6∶00～22∶00时段为用水高峰期，22∶00～6∶00(第二天)时段为用水低谷期。通过动态规划算法对取水泵站群调度方案进行调整，方案优化见表1，清水池24h液位变化曲线如图4所示。

图3 水厂日供水规律曲线

图4 清水池24h液位变化曲线

表1针对实际供水调度方案进行优化，根据时段划分为24个优化节点，针对每个节点的取水泵站群组合进行能耗计算，在满足各项约束条件下确定最佳泵站运行数量。由于每个取水泵站受地理环境等外在因素影响，其小时取水量会有所差异，故选取平均流量65m3/h作为参考。依据2018—2019年内蒙古西部电网销售电价表，相关工业用电按照电压等级划分电力价格，尚未采用谷峰电价模式，电力价格采用0.6263元/(kW·h)。实际调度方案情况下，取水泵站群日累计功耗所产生的费用为3567.41元；优化调度方案情况下，取水泵站群日累计功耗所产生的费用为3146.53元，相比与实际调度方案节省11.8%，且日取水量约为10205m3，大于城市日供水需求总量。

表1 取水泵站群调度优化方案

图4原清水池液位变化幅度维持在20%左右，液位初始值为2.5m，优化后液位初始值设定为1.8m，充分利用清水池有效容积对用水低谷与高峰时段进行水资源平衡，若将来该市实行分时电价相关政策，可进一步降低水厂取水泵站群日运行功耗，节省运营费用。

4 结语

本文以乌兰察布市某水厂调度系统设计为例，针对系统架构和调度策略进行研究。架构设计采用SCADA平台和云平台相结合的模式，实现水源、管网、加压泵站实时管控和数据分析挖掘双向交互；调度策略采用动态规划算法，对水厂取水泵站群以小时为优化节点，以功耗最小为目标函数，通过多级决策得取水泵站群最优调度方案，研究表明，此算法对降低水厂取水泵站群日运行功耗有效、可行。