城市排水管網調度系統設計

Design of the Urban Drainage Network Dispatching System

童　飛1　吳　佳2　高瑋寅2

(上海城投污水處理有限公司石洞口污水處理廠，上海　200942；上海工業自動化儀表研究院，上海　200233)

城市排水管網調度系統設計

Design of the Urban Drainage Network Dispatching System

童飛1吳佳2高瑋寅2

(上海城投污水處理有限公司石洞口污水處理廠，上海200942；上海工業自動化儀表研究院，上海200233)

摘要：為了保持排水管網中水流穩定，保證各級泵站及污水處理廠平穩運行，利用SCADA技術設計了排水管網調度系統。通過各泵站PLC控制系統實時上傳的泵站數據,實現了對整個排水管網的全面監控；通過科學的數學建模過程對采集到的數據進行分析，將計算獲得泵站控制參數下發到各級泵站,實現了對整個管網的全面調度。該系統提升了排水管網全面監控的自動化、智能化程度。

第一作者童飛(1969-)，男，1991年畢業于上海師范大學環境工程專業，獲學士學位，工程師；主要從事工業控制SCADA系統領域的研究。

關鍵詞：SCADA管網調度模糊算法遺傳算法最優液位

Abstract：In order to keep the stability of water flow in drainage pipe network, and to ensure the smooth operation of the pumping stations and sewage processing plant, the drainage pipe network dispatching system has been designed by adopting SCADA technology. The whole drainage pipe network is monitored through the uploaded data from PLC system of each pump station; the data collected are analyzed by scientific mathematical modeling procedures, then the calculated pump station control parameters are downloaded to pump stations in various level to implement comprehensive dispatching of entire pipe network. The urban drainage network dispatching system enhances the level of automation and intellectualization of the drainage pipe network.

Keywords：SCADANetwork dispatchingFuzzy algorithmGenetic algorithmOptimal level

0引言

城市排水[1]是現代化城市不可缺少的重要基礎設施，是對城市經濟發展具有全局性、先導性影響的基礎產業，是城市水污染防治和城市排漬、排澇、防洪的骨干工程。人們生產和生活中產生的大量排水，如從城鎮住宅、工廠和各種公共建筑中不斷排出的各種各樣的排水和廢棄物，需要及時妥善地排除、處理或利用。

目前,排水泵站控制方式主要采用的是根據經驗液位啟停泵組方式。這種控制方式沒有考慮到水泵機組的最優狀態組合，耗能較高；同時在暴雨等突發情況發生時，無法及時反應，容易造成溢流事故。隨著信息化技術的快速發展，排水管網中各級泵站已經具備了自動化控制條件。在此基礎上,本文采用SCADA技術[2-4]設計排水管網調度系統實現泵站的統一運行調度管理。

1排水管網調度系統

基于SCADA技術的排水管網調度系統是以計算機為基礎的生產過程控制與調度自動化系統。它可以對泵站現場的運行設備進行監視和控制，以實現數據采集、設備控制、測量、參數調節以及各類信號報警等各項功能。其中排水泵站控制為整個排水管網調度系統的基礎。排水泵站一般由集水井、泵組、閥門、格柵、格柵除污機等構成。控制系統根據積水井液位控制泵組啟停,將積水井中收集的城市污水提升后送入污水管網;管網內污水流入下級泵站繼續提升輸送或最終流入污水處理廠進行處理。

1.1　系統架構

排水管網調度系統由底層數據采集層及上層調度中心構成，底層與上層通過專用光纖實現數據交互。調度系統網絡拓撲如圖1所示。

圖1　排水管網調度系統網絡拓撲圖

調度系統數據流向如圖2所示。

圖2　排水管網調度系統數據流向圖

底層數據采集層由各級泵站及污水處理廠構成，負責采集各類運行參數、水質參數、視頻及安防數據等。上層調度中心由工作站、服務器以及辦公系統構成，負責全市域管網泵站自動化控制和調度管理。調度中心與各泵站通過租用專用光纖線路網絡保證視頻等數據的實時上傳，組網方式采用點對點通信方式進行數據傳輸。管網調度系統預留接口實現排水公司各信息系統之間的通信聯系，實現數據共享。

1.2　系統控制

排水管網調度系統采用調度中心控制級、泵站PLC控制級和就地控制級的三級控制模式。各排水輸送線泵站在管網調度控制中心的統一調度下，協調各輸送線泵站優化運行。

第一級為就地控制級：就地控制系統對泵機單體或設備進行手/自動就地控制。當進行設備檢修或緊急故障時，可采用就地控制方式。

第二級為泵站PLC控制級：在各個泵站，通過已建的PLC控制系統對站內所有過程變量及設備運行狀態進行數據采集、監視控制及聯鎖保護。泵站控制級控制權限由現場設備本體手、自動轉換開關判斷，切換至遙控位置時，才允許操作人員通過泵站PLC控制系統對各泵機、格柵等設備進行授權范圍內的操作。當組網通信系統發生故障或系統檢修時，由泵站控制系統實現對各設備的監視與控制。

第三級為管網調度中心控制級：對排水管網各輸送泵站運行進行遠程監控，實行統一調度管理。在正常情況下，由管網調度控制中心對全市所有泵站進行監視和控制。在調度控制中心的統一指令下完成各線泵站設備運行監控。

1.3　系統功能

根據上述系統架構構建的排水管網調度系統可實現以下功能。

(1) 數據采集

遠程數據采集，采集內容有：集水井液位、泵出流量、排水處理廠水量水質數據，排水泵、格柵、閘門等的設備狀態、運行工況，遠程控制設備和通信設備的運行工況、配電狀況等。

(2) 數據管理

①數據的分類、檢索和顯示；②歷史數據的管理和顯示；③報警處理；④事件處理。

(3) 運行模擬、執行控制策略和決策

①支持遠程控制和執行調度；②緊急狀態下的對策及處理方案；③離線或在線顯示運行結果和運行趨勢；④技術交流、演示、教學和培訓。

(4) 遠程控制和調度

①進行遠程控制(遙控)和遠程設置(遙調)；②下達控制和調度指令；③優先插入傳送的能力，根據調度人員的指令優先插入傳送緊急控制等信號。

(5) 報表管理

報表管理提供實時的、歷史的和統計數據報表(日、月、年報表)。報表可自動打印或按需打印。報表應以用戶編寫的程序、系統軟件或第三者成套形式打印。

(6) 數據及圖像顯示

①SCADA系統HMI界面顯示；②視頻及紅外周界安防系統畫面顯示。

2管網調度

管網調度功能[5-8]是在分析排水管網調度系統采集的排水管網的流量、液位高度等數據后，根據排水的流量變化及集水井水位的變化，運用智能控制方法對排水管網進行統一調度控制。該控制的主要思想是以管道設施輸送能力作為排水負荷的約束條件，以管網中泵站綜合調度運行能耗最小為目標，在保證排水管網安全運行及集水井安全液位有效控制(集水井不會發生排水溢出，造成局部區域排水溢出污染)的情況下，運用控制系統相關算法控制管路流量自動有序調節，優化分配，實現管網水位、流量最優調節控制，從而實現城市排水管網系統的安全運行、優化調度、高效節能。

管網調度控制排水過程中主要的控制對象為水泵的開停、 閘閥的啟閉、 貯水池水位的升降等。管網調度以全局化的思想，以泵站控制為基礎對管網內水量的流量進行控制，使集水井的排水液位保證在一定范圍內，控制排水泵站排放系統使流入排水泵站的排水及時排出，Q流入=Q流出。保持泵機在高液位下運行可以有效地降低水泵的實際揚程，保證水泵運行在高效區，降低管網運行能耗，實現經濟運行。同時，由于流入的流量能夠被等量泵出，消除了鏈級效應，使整個排水系統處于最佳運行狀態，實現動態平衡，避免排水溢流事故的發生。在復雜的排水管網中，調用SCADA系統進行聯動控制，改變了傳統方式下依靠人的經驗及電話溝通的方式，在保證管網安全運行的前提下，有效提高了管網的運行能力及泵站的運行效率。

管網調度數學模型主要由三個子模型構成：①泵站最優工作液位(泵站高效液位)選取；②泵站泵出流量控制值計算；③泵機啟停控制。數學建模流程如圖3所示。

圖3　數學建模流程圖

2.1　泵站最優工作液位選取

對于各泵站而言，抽水能耗大小主要由揚程決定，揚程越高，泵機提升等量排水做功越多，耗能也越大[9]。因此，在運行條件許可的情況下應盡可能地減小運行揚程，而揚程大小取決于泵機的運行液位。在確定可以有效防止管網排水溢出、使其安全運行的液位后，根據各泵站周邊排水的實際情況，通過一段時間的自動測試，利用數據分析得出泵機運行的最優工作液位，使泵機在此液位上運行，在安全的基礎上實現節能。

2.2　泵站泵出流量控制值計算

在已知最優工作液位條件下，以集水井控制液位差及液位差變化率作為模糊控制器輸入變量，輸出控制流量值，以保證泵機運行在高效揚程區內。

模糊控制器參數設計

① 模糊控制器論域范圍設定

輸入：液位差e=[-6 6]。

液位差變化率：ec=[-4 4]。

輸出：控制流量u=[-6 6] (按泵站泵出能力換算)。

② 模糊控制器各變量模糊分割及隸屬函數選取

液位誤差e=H-H*(H*為最優液位，H為液位測量值)經過尺度變換，轉換為對應語言變量e，其論域為[-6 6]。定義論域上的模糊子集為Ai(i=1,2,3)，其對應的語言值為{液位低,最優液位,液位高}，分別表示當前液位相對于最優液位：“低”、“正好”、“高”。

液位差變化率ec=e(i+1)-e(3)經過尺度變換，轉換為對應語言變量ec，其論域為[-4 4]。定義在論域上的模糊子集為Bi(i=1,2,3)，其對應的語言值是{液位下降快,液位穩定,液位上升快}，分別表示當前液位H的變化為“下降”、“不變”、“上升”。

控制器輸出為控制量u，其語言變量u,論域為[-6 6]。定義在論域上的模糊子集Ci(i=1,2,3)，其對應的語言值為{流量減小, 流量不變, 流量增大}，分別表示：“減小泵出流量”、“保持泵出流量”、“增大泵出流量”。

雙輸入-單輸出模糊控制過程如圖4所示。隸屬函數選取如圖5所示。

圖4中，e為液位差，ec為液位差變化率，u為控制流量,Ku為比例因子。

圖4　雙輸入-單輸出模糊控制系統

基于此分割，共有9條規則，具體如下。

① if(E is 液位低) and (EC is 液位下降快) then (flow is 流量減少)。

② if(E is液位低) and (EC is 液位穩定) then (flow is 流量減少)。

③ if(E is液位低) and (EC is 液位上升快) then (flow is 流量不變)。

④ if(E is最優液位) and (EC is 液位下降快) then (flow is 流量減少)。

⑤ if(E is最優液位) and (EC is液位穩定) then (flow is 流量不變)。

⑥ if(E is最優液位) and (EC is液位上升快) then (flow is 流量增加)。

⑦ if(E is液位高) and (EC is液位下降快) then (flow is 流量不變)。

⑧ if(E is液位高) and (EC is液位穩定) then (flow is 流量增加)。

⑨ if(E is液位高) and (EC is液位上升快) then (flow is 流量增加)。

圖5　模糊控制器隸屬度函數

2.3　泵機啟停控制

在確定最優目標液位后，根據各個泵機的揚程、額定功率、吸入口徑、排出口徑等參數，在滿足泵站流量約束條件下，利用遺傳算法的基本原理，以泵組總功率最小為目標函數，建立數學模型;接著設計基于遺傳算法的泵站優化調度，選取各個泵機機組啟停的最優組合，從而達到系統能耗最小的目的。

2.4　管網聯動

① 泵站上下級預警

根據本級泵站的泵出流量計算下一級泵站的輸入流量，在動態流量過大時可以對下級泵站發出預警；當本級泵站出現緊急故障時，泵出能力降低到警戒值時，對上級泵站發出預警，減少上一級泵站的泵送流量，防止排水倒灌，變被動響應為主動控制。

② 廠站聯動

強降雨等特殊情況下，根據各級泵站監測數據分析后，可預警上報相關管理部門，對污水處理廠的超越閘門開啟做出應急處置預案；當污水處理廠生物池處于檢修或重要工藝設備故障而使處理能力下降時，對相應污水輸送線進行預警，提高該輸送線各泵站泵組的開車液位，盡可能利用管網來蓄水，減少輸送量來平穩過渡。

③ 線線調配

在排水管網中存在一個污水處理廠為兩條排水輸送線輸送終點的情況，對積累的兩線日常輸送流量數據進行統計分析，經過輸送流量歷史曲線對比，找出兩線輸送量對應均衡關系。當其中一線遇大流量等突發情況時，合理調配另一線的排水輸送量，使得進入排水處理廠的總排水流量相對平穩。

3結束語

本文基于SCADA技術，設計了一個排水管網調度系統。該系統與各泵站PLC[10]控制系統和排水處理廠組成一個城市排水運行監控綜合調度系統，實現對各輸送線泵站和排水處理廠的生產運行監控管理、統一調度、視頻監視和安防報警等工作，促使排水管網運行調度工作由原來的人工經驗調度上升到科學生產調度層面。通過最優工作液位選取、流量控制、泵組啟停控制三個階段實現了排水管網的優化調度，在保證管網安全運行的前提下，實現了節能降耗、經濟運行的目標。

參考文獻

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中圖分類號：TP27

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201501006

修改稿收到日期：2014-01-23。