低碳实时调度在智慧水务中的位置与运行

游庆元， 吴胜华， 陈超明

(1．惠州供水有限公司，广东 惠州 516000;2．南海市自来水公司桂城水厂，广东 佛山 528200)

1 低碳实时调度系统

供水低碳实时调度系统［1］要求节能和快速响应水量变化输入信息，实时控制修正偏差，但水力模型计划调度目前还无法满足要求。南海市桂城水厂(供水量为40×104m3/d)调度系统由管网压力控制曲线模型和变频器构成，曲线模型基于SCADA数据构建［1］，见图1。PLC+变频器控制泵群沿该曲线运行，使出厂压力根据流量变化进行调节，维持末端压力恒定且无多余扬程，达到节能的目的，并实现供水系统各单元实时调度低碳运行、水司调度中心远程监控等管理功能［1］。

图1 基于管网压力控制模型的低碳实时调度

2007年，低碳实时调度在桂城水厂开始运行，千吨水电耗降低了7．62%，节电180×104kW·h［1］。但当时智慧水务尚未建立，因此未实现信息共享智慧应用。

2 低碳实时调度在智慧水务中的应用

2.1 位置与互连互通

2019年2月，住房和城乡建设部发布了《城镇供水信息系统工程技术标准(征求意见稿)》［2］，提出“对各个孤立运行的信息系统应进行整合与集成，宜利用物联网、云计算、大数据等新的信息技术，实现各信息系统的互联互通、信息共享，智慧应用。”

从图2、图3可以看出，城镇供水业务系统是一个开放互连分层分布式体系结构。低碳实时调度系统可纳入此开放结构，与厂站DCS系统在同一层，并成为 DCS系统控制子站，共享系统软硬件资源［2］。同时可调用SCADA流量压力信息，参与实时调度模型运行计算，减少重复建设。

图2 低碳实时调度在城镇供水业务系统中的位置

图3 低碳实时调度在水厂DCS系统的位置

总调度中心安装远程控制软件客户端程序，通过无线网络相连，对安装服务端程序的桂城水厂上位机实现了监控功能［1］。通过设置多台计算机，可以对多个水厂进行实时调度。

2.2 确定管网事故位置

用水量的变化会使泵群工况点偏离管网压力控制曲线，水厂低碳实时调度系统显示偏离误差△H在 ±0．005 ～ ±0．01 mH2O［3］。若发生外界扰动(例如爆管)，△H值超出±0．5 m，系统显示管网异常。供水信息系统的GIS管网分析系统［2］依据此信息，在水厂供水范围内搜索事故点，缩小搜索范围。若△H值小于－1 mH2O(存在大口径管道爆管)或△H超出+1 mH2O(有大口径管道未开阀)，系统会报警并自动转为人工控制，同时减少机组运行。系统依据该信息，沿桂城水厂供水范围内的大管方向搜索，以快速确定事故点。

3 智慧水务低碳节能自动调度的实现

与水力模型计划调度及经验调度相比，低碳实时调度的主要优势是低碳节能和自动调度。根据《城镇供水信息系统工程技术标准(征求意见稿)》，水力模型计划调度的基本功能是“预计未来24小时总需水量，制定各厂站日水量分配及小时水量分配、水泵启停调度计划，依据管网需水量负荷变化趋势，修正调度计划，下达水泵启停、调速转速等调度指令”等。

低碳实时调度减省了水量预测与调度计划，是在管网压力控制曲线平台上的自动调度(控制)，基本功能是依据出厂瞬时水量，变频调节调速泵转速和出厂压力，实时满足管网流量压力需要并在流量区间更替时自动增减泵组。

3.1 管网自动调度综合平台

广州水司研究并建立了泵组开停调度功能分析图，能直观显示人工经验调度环境下，泵开停对供水管网运行状态的影响。研究表明，当西村水厂增开1台水泵，出厂水流量增大了1 059 m3/h，石门水厂、南洲水厂出厂水量分别减少了479和300 m3/h，管网中心区压力普遍升高 0．5 ～0．7 mH2O［4］，调度员可通过分析图采取措施，实现各厂供水量平衡与合理压力控制。

低碳实时调度环境下，各厂运行的管网压力控制模型(各不相同［3］)确定了各厂的供水范围，变频系统依据需水量调节转速、增减定速泵，保持各厂水量基本平衡且各厂供水交汇处呈相对稳定状态。例如桂城水厂泵群由3#区间进入4#区间运行(8:00～18:00)，增开1台24SA机组后，流量增加了3 000 m3/h。但出厂水总量并未随即相应升高，这是因为系统PID控制调速机组降速量，以保持水厂出水量与管网需水量基本平衡，避免对管网运行造成冲击。运行显示水量逐步上升，到12:00升高至3 000 m3/h。

变频系统也能适应水量的急剧上升、下降，例如23:00至次日1:00，水量从23 500 m3/h急剧下降至10 000 m3/h，泵群从 5#区间自动经过 4#、3#、2#区间进入1#区间运行。6:00～8:00用水量急剧上升，泵群自动进入2#及3#区间运行，如表1所示。

表1 桂城水厂流量区间与泵群组合对照

当出现供水故障时，平衡被打破，水厂的出水量升高，使泵群工况点偏离曲线模型，经PID运算压力设定与压力反馈比较误差±△H，变频器调节频率增加调速泵转速，使工况点返回曲线。如此循环控制，使泵群工况点沿曲线向右运行直至自动增加定速泵，出厂水量增加，出厂压力上升。例如当另1座供水量为50×104m3/d的水厂因故障大面积停水时，桂城水厂就自动提高了供水量，保障了基本用水［1］。

低碳实时调度环境下，可实现供水系统各单元实时调度低碳运行，包括管网末端压力、出厂压力、供水泵站、取水泵站、加压泵站、清水池及远端高位水池等［1］。

因此，通过运行实时调度系统，一方面总调度中心远程监控各厂运行参数，并在大屏幕集中直观显示管网运行状态，包括各厂主要控制点压力(管网远端、末端或最不利点)。另一方面，调用各厂实时出厂流量压力和功率电耗，与宏观模型各厂优化流量比较，并设立允差范围和各项约束条件(编制脚本程序在上位机运行);若发生越限则核验末端压力规定值的合理程度，并相应修正管网压力控制模型的供水范围和末端压力，核验比较功率电耗，以进一步降低管网运行能耗。

3.2 精准控制管网末端压力

基于SCADA数据和宏观模型，综合应用预测推断控制算法，离线构建末端压力与出厂压力流量的关系模型，即管网压力控制模型，模型末端压力hY与规定末端压力 hG的平均误差为 ±0．002 MPa［3］。实际运行只要控制出厂压力沿此曲线运行，就可控制管网末端压力(主控量)。

实时调度模型输入量为出厂流量，输出量为沿曲线运行的出厂压力，因而实现了末端压力的精准控制，使末端压力处于规定值范围内。

桂城水厂实际运行情况显示，末端压力实测值与规定值平均误差在 ±0．002 MPa，其中2#～3#区间平均误差在 ±0．002 MPa以内，0#～1#区间平均误差超出 ±0．002 MPa，4#～5#区间出厂压力与末端压力均符合规定。

水力模型在管网规划设计、改造及管理等领域用途广泛，但节能效果不明显［5］。应用SCADA数据在线校正模型节点(DN300以上)流量，使95%的监测点计算压力与监测值误差在2 mH2O以下，符合标准［2］;90%的监测点误差1．5 mH2O以下，符合管网水力计算允许误差 1 ～ 1．5 mH2O 的要求［4，6］。桂城水厂的实际运行显示，管网末端压力控制误差不超出 ±0．002 MPa［1］才可使供水泵站千吨水电耗下降10%左右，且全厂千吨水电耗下降5% ～6%，从而符合低碳交易履约要求。若误差超出±0．006～0．007 MPa，供水泵站千吨水电耗下降仅2% ～3%，曲线模型的实际应用价值不大。

智慧应用可将水力模型调度预案的时段流量输入曲线模型，生成相应的出厂压力，并替代调度预案出厂压力，以控制末端压力精度在±0．002 MPa。该方法简便可行，有利于扩展水力模型在调度领域的节能应用。

3.3 变频设备现场节能应用

管网压力控制曲线模型需变频控制泵群沿曲线运行，才能实现节能和实时调度。虽然离心泵对变频器的要求最为简单，但变频机组如何运行、机组何时参与运行能耗才会最小，须在曲线模型平台上通过模拟仿真，经多方案比较确定。

3.3.1 变频器数量

如表2所示，方案一的节电效果最好，但机组启停次数过多;方案二设置2台变频器，启停次数减少，但节电量比方案一减少了21×104kW·h，方案可行合理;方案三下机组启停仅4次，但所增加的1台1 400 kW变频器自身年耗电量为30×104kW·h，此外转速下降导致泵效率下降，增加耗电(10～12)×104kW·h，因此节电效果不如方案一和方案二。

表2 低碳实时调度变频器设置方案

3.3.2 各流量区间起点的变频器频率

变速机组转速下降，泵效率也会下降［7］，例如32SA变速泵在F点(0#区间起点)的运行参数如下:转速比 0．808(额定转速 742 r/min)、流量 0．904 4 m3/s、扬程42．02 m，CFD计算的 F点叶轮转矩 M=8 072 N·m，则计算得到F点的效率为0．736，与额定转速曲线对应的E点效率(0．773)相比降低4．8%。效率降低会额外消耗一部分电，例如F点功率的计算公式:

其中1+(η额E－ ηi)/η额E是转速下降导致的效率下降。

为简化仿真，实际仿真程序是应用经验公式计算F点效率，即采用式(2)所示的经典公式估算F点效率，计算精度足够。

仿真结果表明转速下降后，调速泵95%以上的工况点分布在过D点的相似抛物线左右两旁，处在转速不同的流量－扬程曲线上(F、B点)效率不同程度下降，相应功率点分布在转速不同的流量－功率曲线上。仿真计算其效率、功率，瞬时用电量及其累计值，可使年能耗预测误差在±1．5%内。

桂城水厂变频机组的供水量超过供水泵房出水总量的50%以上，运行频率过低会影响变频机组的节电量，例如32SA变频机组千吨水电耗为172 kW·h，与变频前(182 kW·h)相比，节电仅5．5%，沿曲线运行的32SA定速机组千吨水电耗为165 kW·h，节电 9．4%［3］。因此，仿真最终确定 1#～5#区间起点的变频机组转速为额定转速的85% ～90%(须兼顾流量调节宽度)，使供水泵房达到最佳节能效果。

3.3.3 机组投入运行的时间

确定各流量区间的泵群组合(变频和定速机组)使区间运行能耗最低，同时也决定了区间宽度和流量调节范围。流量区间更替时，泵群的更替投入自动确保各区间起点及终点的变频机组在预定频率(转速)运行。无需频率设定装置，简化了变频运行系统。

4 结语

低碳实时调度依据出厂水量变化调节变速泵转速(直至增减定速泵)及出厂压力，控制泵群沿曲线运行，以满足末端压力且无多余扬程，实现取水泵站、加压泵站、清水池及远端高位水池实时调度，实现水厂调度室实时监控预警、水司调度中心远程监控、运营参数实时分析，进而实现辅助决策等综合管理功能。系统运行结构简单，仅出厂流量压力(传感仪表在泵房内)参与运行计算，有利长期安全稳定运行。