低碳實時調度在智慧水務中的位置與運行

游慶元， 吳勝華， 陳超明

(1．惠州供水有限公司，廣東 惠州 516000;2．南海市自來水公司桂城水廠，廣東 佛山 528200)

1 低碳實時調度系統

供水低碳實時調度系統［1］要求節能和快速響應水量變化輸入信息，實時控制修正偏差，但水力模型計劃調度目前還無法滿足要求。南海市桂城水廠(供水量為40×104m3/d)調度系統由管網壓力控制曲線模型和變頻器構成，曲線模型基于SCADA數據構建［1］，見圖1。PLC+變頻器控制泵群沿該曲線運行，使出廠壓力根據流量變化進行調節，維持末端壓力恒定且無多余揚程，達到節能的目的，并實現供水系統各單元實時調度低碳運行、水司調度中心遠程監控等管理功能［1］。

圖1 基于管網壓力控制模型的低碳實時調度

2007年，低碳實時調度在桂城水廠開始運行，千噸水電耗降低了7．62%，節電180×104kW·h［1］。但當時智慧水務尚未建立，因此未實現信息共享智慧應用。

2 低碳實時調度在智慧水務中的應用

2.1 位置與互連互通

2019年2月，住房和城鄉建設部發布了《城鎮供水信息系統工程技術標準(征求意見稿)》［2］，提出“對各個孤立運行的信息系統應進行整合與集成，宜利用物聯網、云計算、大數據等新的信息技術，實現各信息系統的互聯互通、信息共享，智慧應用。”

從圖2、圖3可以看出，城鎮供水業務系統是一個開放互連分層分布式體系結構。低碳實時調度系統可納入此開放結構，與廠站DCS系統在同一層，并成為 DCS系統控制子站，共享系統軟硬件資源［2］。同時可調用SCADA流量壓力信息，參與實時調度模型運行計算，減少重復建設。

圖2 低碳實時調度在城鎮供水業務系統中的位置

圖3 低碳實時調度在水廠DCS系統的位置

總調度中心安裝遠程控制軟件客戶端程序，通過無線網絡相連，對安裝服務端程序的桂城水廠上位機實現了監控功能［1］。通過設置多臺計算機，可以對多個水廠進行實時調度。

2.2 確定管網事故位置

用水量的變化會使泵群工況點偏離管網壓力控制曲線，水廠低碳實時調度系統顯示偏離誤差△H在 ±0．005 ～ ±0．01 mH2O［3］。若發生外界擾動(例如爆管)，△H值超出±0．5 m，系統顯示管網異常。供水信息系統的GIS管網分析系統［2］依據此信息，在水廠供水范圍內搜索事故點，縮小搜索范圍。若△H值小于－1 mH2O(存在大口徑管道爆管)或△H超出+1 mH2O(有大口徑管道未開閥)，系統會報警并自動轉為人工控制，同時減少機組運行。系統依據該信息，沿桂城水廠供水范圍內的大管方向搜索，以快速確定事故點。

3 智慧水務低碳節能自動調度的實現

與水力模型計劃調度及經驗調度相比，低碳實時調度的主要優勢是低碳節能和自動調度。根據《城鎮供水信息系統工程技術標準(征求意見稿)》，水力模型計劃調度的基本功能是“預計未來24小時總需水量，制定各廠站日水量分配及小時水量分配、水泵啟停調度計劃，依據管網需水量負荷變化趨勢，修正調度計劃，下達水泵啟停、調速轉速等調度指令”等。

低碳實時調度減省了水量預測與調度計劃，是在管網壓力控制曲線平臺上的自動調度(控制)，基本功能是依據出廠瞬時水量，變頻調節調速泵轉速和出廠壓力，實時滿足管網流量壓力需要并在流量區間更替時自動增減泵組。

3.1 管網自動調度綜合平臺

廣州水司研究并建立了泵組開停調度功能分析圖，能直觀顯示人工經驗調度環境下，泵開停對供水管網運行狀態的影響。研究表明，當西村水廠增開1臺水泵，出廠水流量增大了1 059 m3/h，石門水廠、南洲水廠出廠水量分別減少了479和300 m3/h，管網中心區壓力普遍升高 0．5 ～0．7 mH2O［4］，調度員可通過分析圖采取措施，實現各廠供水量平衡與合理壓力控制。

低碳實時調度環境下，各廠運行的管網壓力控制模型(各不相同［3］)確定了各廠的供水范圍，變頻系統依據需水量調節轉速、增減定速泵，保持各廠水量基本平衡且各廠供水交匯處呈相對穩定狀態。例如桂城水廠泵群由3#區間進入4#區間運行(8:00～18:00)，增開1臺24SA機組后，流量增加了3 000 m3/h。但出廠水總量并未隨即相應升高，這是因為系統PID控制調速機組降速量，以保持水廠出水量與管網需水量基本平衡，避免對管網運行造成沖擊。運行顯示水量逐步上升，到12:00升高至3 000 m3/h。

變頻系統也能適應水量的急劇上升、下降，例如23:00至次日1:00，水量從23 500 m3/h急劇下降至10 000 m3/h，泵群從 5#區間自動經過 4#、3#、2#區間進入1#區間運行。6:00～8:00用水量急劇上升，泵群自動進入2#及3#區間運行，如表1所示。

表1 桂城水廠流量區間與泵群組合對照

當出現供水故障時，平衡被打破，水廠的出水量升高，使泵群工況點偏離曲線模型，經PID運算壓力設定與壓力反饋比較誤差±△H，變頻器調節頻率增加調速泵轉速，使工況點返回曲線。如此循環控制，使泵群工況點沿曲線向右運行直至自動增加定速泵，出廠水量增加，出廠壓力上升。例如當另1座供水量為50×104m3/d的水廠因故障大面積停水時，桂城水廠就自動提高了供水量，保障了基本用水［1］。

低碳實時調度環境下，可實現供水系統各單元實時調度低碳運行，包括管網末端壓力、出廠壓力、供水泵站、取水泵站、加壓泵站、清水池及遠端高位水池等［1］。

因此，通過運行實時調度系統，一方面總調度中心遠程監控各廠運行參數，并在大屏幕集中直觀顯示管網運行狀態，包括各廠主要控制點壓力(管網遠端、末端或最不利點)。另一方面，調用各廠實時出廠流量壓力和功率電耗，與宏觀模型各廠優化流量比較，并設立允差范圍和各項約束條件(編制腳本程序在上位機運行);若發生越限則核驗末端壓力規定值的合理程度，并相應修正管網壓力控制模型的供水范圍和末端壓力，核驗比較功率電耗，以進一步降低管網運行能耗。

3.2 精準控制管網末端壓力

基于SCADA數據和宏觀模型，綜合應用預測推斷控制算法，離線構建末端壓力與出廠壓力流量的關系模型，即管網壓力控制模型，模型末端壓力hY與規定末端壓力 hG的平均誤差為 ±0．002 MPa［3］。實際運行只要控制出廠壓力沿此曲線運行，就可控制管網末端壓力(主控量)。

實時調度模型輸入量為出廠流量，輸出量為沿曲線運行的出廠壓力，因而實現了末端壓力的精準控制，使末端壓力處于規定值范圍內。

桂城水廠實際運行情況顯示，末端壓力實測值與規定值平均誤差在 ±0．002 MPa，其中2#～3#區間平均誤差在 ±0．002 MPa以內，0#～1#區間平均誤差超出 ±0．002 MPa，4#～5#區間出廠壓力與末端壓力均符合規定。

水力模型在管網規劃設計、改造及管理等領域用途廣泛，但節能效果不明顯［5］。應用SCADA數據在線校正模型節點(DN300以上)流量，使95%的監測點計算壓力與監測值誤差在2 mH2O以下，符合標準［2］;90%的監測點誤差1．5 mH2O以下，符合管網水力計算允許誤差 1 ～ 1．5 mH2O 的要求［4，6］。桂城水廠的實際運行顯示，管網末端壓力控制誤差不超出 ±0．002 MPa［1］才可使供水泵站千噸水電耗下降10%左右，且全廠千噸水電耗下降5% ～6%，從而符合低碳交易履約要求。若誤差超出±0．006～0．007 MPa，供水泵站千噸水電耗下降僅2% ～3%，曲線模型的實際應用價值不大。

智慧應用可將水力模型調度預案的時段流量輸入曲線模型，生成相應的出廠壓力，并替代調度預案出廠壓力，以控制末端壓力精度在±0．002 MPa。該方法簡便可行，有利于擴展水力模型在調度領域的節能應用。

3.3 變頻設備現場節能應用

管網壓力控制曲線模型需變頻控制泵群沿曲線運行，才能實現節能和實時調度。雖然離心泵對變頻器的要求最為簡單，但變頻機組如何運行、機組何時參與運行能耗才會最小，須在曲線模型平臺上通過模擬仿真，經多方案比較確定。

3.3.1 變頻器數量

如表2所示，方案一的節電效果最好，但機組啟停次數過多;方案二設置2臺變頻器，啟停次數減少，但節電量比方案一減少了21×104kW·h，方案可行合理;方案三下機組啟停僅4次，但所增加的1臺1 400 kW變頻器自身年耗電量為30×104kW·h，此外轉速下降導致泵效率下降，增加耗電(10～12)×104kW·h，因此節電效果不如方案一和方案二。

表2 低碳實時調度變頻器設置方案

3.3.2 各流量區間起點的變頻器頻率

變速機組轉速下降，泵效率也會下降［7］，例如32SA變速泵在F點(0#區間起點)的運行參數如下:轉速比 0．808(額定轉速 742 r/min)、流量 0．904 4 m3/s、揚程42．02 m，CFD計算的 F點葉輪轉矩 M=8 072 N·m，則計算得到F點的效率為0．736，與額定轉速曲線對應的E點效率(0．773)相比降低4．8%。效率降低會額外消耗一部分電，例如F點功率的計算公式:

其中1+(η額E－ ηi)/η額E是轉速下降導致的效率下降。

為簡化仿真，實際仿真程序是應用經驗公式計算F點效率，即采用式(2)所示的經典公式估算F點效率，計算精度足夠。

仿真結果表明轉速下降后，調速泵95%以上的工況點分布在過D點的相似拋物線左右兩旁，處在轉速不同的流量－揚程曲線上(F、B點)效率不同程度下降，相應功率點分布在轉速不同的流量－功率曲線上。仿真計算其效率、功率，瞬時用電量及其累計值，可使年能耗預測誤差在±1．5%內。

桂城水廠變頻機組的供水量超過供水泵房出水總量的50%以上，運行頻率過低會影響變頻機組的節電量，例如32SA變頻機組千噸水電耗為172 kW·h，與變頻前(182 kW·h)相比，節電僅5．5%，沿曲線運行的32SA定速機組千噸水電耗為165 kW·h，節電 9．4%［3］。因此，仿真最終確定 1#～5#區間起點的變頻機組轉速為額定轉速的85% ～90%(須兼顧流量調節寬度)，使供水泵房達到最佳節能效果。

3.3.3 機組投入運行的時間

確定各流量區間的泵群組合(變頻和定速機組)使區間運行能耗最低，同時也決定了區間寬度和流量調節范圍。流量區間更替時，泵群的更替投入自動確保各區間起點及終點的變頻機組在預定頻率(轉速)運行。無需頻率設定裝置，簡化了變頻運行系統。

4 結語

低碳實時調度依據出廠水量變化調節變速泵轉速(直至增減定速泵)及出廠壓力，控制泵群沿曲線運行，以滿足末端壓力且無多余揚程，實現取水泵站、加壓泵站、清水池及遠端高位水池實時調度，實現水廠調度室實時監控預警、水司調度中心遠程監控、運營參數實時分析，進而實現輔助決策等綜合管理功能。系統運行結構簡單，僅出廠流量壓力(傳感儀表在泵房內)參與運行計算，有利長期安全穩定運行。