城乡供水一体化运行调度平台建设的探索与实践

董鸿波

(天津市自来水集团静海水务有限公司，天津301600)

1 应用背景

按照国家农村饮水安全巩固提升工程部署要求，实现中央提出的到2020年全面建成小康社会、确保贫困地区如期脱贫目标，在“十三五”期间，全国通过实施农村饮水安全巩固提升工程，切实解决了农村饮水安全问题。尤其是在经济较发达地区，地方政府与城市大型水务企业共同出资，统一城乡供水规划，加快农村地区供水厂网建设，基本形成城乡供水“一张网”，历史性地实现了农村居民和城市居民在水质、水压和服务等关键供水指标方面的均等化。

然而，随着城乡供水一体化的推进，城市供水管网向农村快速延伸，原先使用地下水的农村集中供水站并入城市供水管网，使城市供水企业的加压泵站调度和输配水管网的运行面临诸多挑战。供水量直线上升导致原水非常紧张，在这一状态下，如何更好地保证各加压泵站合理调度调整水量、水压，同时做好管网长距离输配中的管网维护并降低漏损工作，是供水企业必须解决的问题。笔者介绍了天津市静海区实现城乡供水一体化后，静海水务公司(以下简称公司)通过供水运行调度平台建设解决前述问题的探索与实践。

2 供水设施概况

2.1 设施现状

静海区供水区域总面积为1 482 km2，管网总长1 500 km，水源为市区凌庄水厂引入的3条输水干线，有一级加压泵站3座，每座加压站的设计供水能力为(5～10)×104m3/d，清水池调蓄能力为(1～1.5)×104m3/d；二级加压泵站3座，每座加压站的设计供水能力为(3～5)×104m3/d，清水池调蓄能力为(0.6～0.9)×104m3/d；农村小型供水加压站30座，每座加压站的设计供水能力为5 000 m3/d，清水池调蓄能力为100 m3。以上设施共服务乡镇18个、行政村300余个，涉及人口70余万，企事业单位2000余家，日均供水量为12.8×104m3/d，详见图1。

图1 静海区供水管网和加压泵站示意

2.2 运行模式

一级、二级泵站均配备了SCADA自控系统，能实现智能化自动控制，具备来水直供串联加压和来水进清水池低放加压两种运行模式，可以单独运行或同时运行，水质方面具备余氯检测和投加次氯酸纳消毒药剂的功能，以保持出厂余氯能够满足不利点水质达标为标准。出厂压力为0.35～0.25 MPa，楼房用户建筑引入管压力不低于0.18 MPa。农村小型加压站为低放加压模式，具备余氯在线检测，未设置投加次氯酸纳消毒药剂功能。

2.3 管网布局

3条市区水源线为一级输水管网，直接输送至一级加压站；一级加压站出厂干管作为二级输配管网，辐射周边区域用户的同时远距离向二级泵站输水，二级输配管网之间实现互联互通形成环网；二级加压站出厂干管作为三级输配管网，辐射周边区域用户的同时远距离向农村小型加压站输水，各三级输配管网实现互联互通形成环网。因此，通过管网的合理布局，保证了各一级泵站之间和各二级泵站之间均可以联合调度、互相补充，避免出现因个别泵站和干管出现问题而造成大面积停水的情况，最大限度保证供水安全。

3 存在的问题

3.1 供水量和需水量之间平衡紧张

综合市区水厂来水量与各终端用户需水量数据测算，在高峰供水期间供需基本持平。需要调度人员随时结合日间和夜间来水量变化，做好各泵站清水池调蓄和供水模式调整的工作，最大限度地使用来水并满足各区域供水需求。由于供需之间的紧平衡状态，一旦调度不及时准确，将会造成供水量区域性降低甚至停水的严重问题。

3.2 供水区域水压不利点布局分散

由于管网运行模式为输配水功能兼具，在下游需水量增加时会造成配水管网的压力下降，尤其是农村集中供水站入口瞬时水量较大，一般在150 m3/h以上。若多个集中供水站同时加水，需水量在短时间内大幅变化，二级加压站仅靠SCADA系统难以保证出厂压力平衡，需要人工及时调整泵组运行模式和工况，对调度人员及时了解管网流量和压力数据提出了更高要求。

3.3 远距离输水漏损控制难度加大

农村集中供水站分布在距离一、二级泵站较远的农村，输配水管网从一、二级加压站至农村集中供水站的距离超过几十公里，沿途多为国道、省道或乡村公路的绿地和边沟，远离城镇、乡村，存在跑冒滴漏、工程施工损坏甚至不法分子通过放气阀偷盗水等不易发现的问题。

4 基于城乡供水一体化的远程运行调度平台建设

公司组建了供水管理专业部门，依靠运行调度平台全天24 h对泵站和管网进行统一的远程运行调度管理，平台建设涉及5个方面的内容，拓扑结构见图2。

图2 网络拓扑结构

4.1 广域网络的搭建

公司中心机房与各泵站租用网络运营商千兆光纤连接，保证调度中心与各泵站数据交换通畅。同时，中心机房租用10M带宽移动数据专线，实现移动端或远端物联网设备数据交换。机房主交换机采用划分VLAN模式，保证各系统之间的数据隔离。

4.2 感知层设备新装选型和改造

为保证远程监测和控制，需要对感知层设备在新建环节提前选型设计，并对已经运行但达不到标准和要求的设备进行更换和改造。设备主要涉及两个方面：一是泵站相关的感知设备，包括泵站内的阀门，水质、水压、流量、次氯酸纳加药罐液位、清水池液位等的监测仪表和传感器，送水泵组、加氯泵组，此类设备由现场的PLC和下位端的SCADA系统进行控制管理，同时开发系统接口通过光纤与调度中心对接，可以实现调度平台对远端各类感知层设备的远程监测报警和实时控制。二是与管网相关的感知设备，包括区域计量流量计、小区入口考核流量计、大用户贸易结算流量计、压力监测点、管网末稍水水质在线监测点，这类设备主要采用电池供电模式，通过GPRS或NB上传至调度中心远程数据平台。

4.3 平台软件系统的开发和应用

对应广阔的区域面积和庞大的管网设施，公司建立了准确可靠的地理信息系统(GIS)，在基于1 ∶2 000覆盖全域面积的基础地形图上建立GIS，地理信息数据包括管网、阀门、表具、井室等全部管网数据。主要应用包括管网的可视化管理和统计分析，移动端的应用程序为现场人员定位查询管网辅助抢修，与泵站SCADA及无线远程监测点数据平台建立接口，实时查询相关数据。

对应分散的泵站布局和输配一体的管网运行模式，建设公司统一的SCADA系统，新系统集成了各个泵站本地的SCADA系统，实现公司调度人员对各泵站设备及仪表的远程监测、报警和实时控制，使各泵站运行实现了有人值班、无人值守的水平。在此基础上，公司调度人员还能利用GIS的管网数据，以及无线远程监测点数据平台的流量、压力和水质的实时数据，对泵站运行模式、泵组运行状态和出厂压力进行调整，保证各泵站和输配水管网的水力平衡。

对应复杂的管网布局、分布不均匀的区域用水和大量分散的用户，建立无线远程监测点数据采集平台，对实时上传数据的200余台流量计、100余台压力监测点和30余台水压监测点进行管理，为区域计量、管网压力平衡、水质检验提供支持。各远端设备的数据上传频次按照管理需要已分别达到5，10和30 min/次，形成了对管网水运行状态的灵敏感知。平台应用软件功能如图3所示。

图3 平台应用软件功能示意

4.4 网络、数据安全和安防系统的搭建

自来水的供应是保障生产、生活的基础，具有不可替代性，任何的停水、压力低、水质问题都会严重影响用户，对远程运行调度平台的安全稳定运行提出了很高的要求。为此，公司对机房和网络安全系统设备进行升级，使其达到三级等保要求，并建设了异地灾备机房。在安全生产的技术层面，公司利用专业的安防系统平台软件，实现了对所有泵站的无死角视频监控，在高低压配电室安装温度、烟感、幕帘等传感设备，超出限定值则向公司调度室安防平台实时报警。在中控室设置远程可视对讲和门禁，保证调度人员第一时间了解现场情况，从而应急指挥值班人员在现场处置。各类设备的稳定性已达到泵站无人值守(有人值班)的标准。

5 运行效果与展望

平台建设历经5年，全面投入运行至今已超过1年，取得了显著的应用效果。

5.1 泵站运行更加科学

调度人员能够结合原水管线的来水量、清水池蓄水量、各区域用水量，实时调整泵组运行模式和出厂压力，在供需非常紧张的情况下最大限度地增加来水量，保证各区域管网的水力平衡，避免出现低压片[1]。同时充分利用来水压力，适时调整各泵站的串联加压模式、清水池低放模式和两种混合模式，实现了泵站的节能降耗。平台正式运行以来，公司从未出现因调度原因造成的较大面积降压停水的情况。

5.2 漏水控制更加有效

通过流量计的合理布局，形成三级计量分区，调度人员对各计量区进行日核算，同时对各考核流量计的上传流量进行对比分析，能够对异常情况在短时间(2～24 h)内做出反应，指导巡查人员现场处置，报告准确率接近100%，能及时发现工程漏水、自然漏水和偷盗水的情况。运行1年多来，虽然管网长度和供水面积大幅增加，但公司的管网漏损率始终保持在8%以下，同比没有增加。

5.3 为智慧水务的搭建提供了必要和基础条件

目前，公司运行调度平台虽然在保证城乡供水一体化供水安全上发挥着重要作用，但仍然存在不足之处：

① 泵站之间的运行数据没有在平台统一整合后进行智能分析计算，无法实现统一的自动控制，仍然需要平台调度人员实时查看各泵站数据并进行人工调整。

② 管网端感知层流量、压力、水质等仪表上传数据分散，没有开发数据分析处理软件，只能通过人工核算检验才能发现问题并形成区域水量成果，耗时费力，时效性低。

③ 泵站设备运行、管网设施档案、远程在线仪表等数据资源未能有效整合，无法互相校验，影响运行和决策效率。

以上问题的解决，需要公司尽快搭建智慧水务平台，用大数据、水力模型计算、智能控制等新技术整合现有各个系统、各类资源，在运行调度平台的基础上构建智慧水务综合应用系统，使供水真正实现智能化、自动化，为城乡供水一体化安全稳定运行提供坚强的科技支撑。