復雜引水系統智慧調度技術研究

劉 江 嘯

（深圳市東深電子股份有限公司，廣東 深圳 518057）

0 前 言

為解決區域缺水和水資源利用問題，近年來我國規劃建設帶多泵站群的遠距離跨區域復雜引水系統，比以往由水庫自流調引水，或單一水源地泵站取引水，或功能單一的終端供水等引水系統復雜得多。對于帶有多泵站群、多臺水泵機組、多供水終端（鄉鎮供水、農業灌溉、水廠及大型蓄水池等）以及復雜管網的引水系統的智慧優化調度及經濟運行研究，是其建設及運行管理亟待解決的重要課題。

研究針對寧夏清水河流域復雜引水系統，實現對水源、泵站群組、蓄水池及水廠、主干管、用戶管網等的全程的數學模擬分析、機組設備運行狀態監測、全系統自動監控計量、優化調度及經濟運行等［1］，采用智慧優化調度與敏捷構建技術以及數學模擬與現場監測相結合的方法［2］，在接收月用水申請并劃分日計劃供水量后，按確定的運行模式（緊急運行、經濟運行、節能運行），通過全線數學模擬、運行狀態及優化調度分析［3］，生成調度計劃及生成調度指令，將調度指令下達給SCADA實現開停機操作及運行調節，同時SCADA 及時將運行情況反饋給調度中心，根據實際的運行監測數據復核，進一步調整調度指令，有效提升引水工程全線的供水保證率，實現安全、高效、經濟運行［4］。

1 復雜引水工程的計算機模擬分析

通過對引水工程運行狀態計算機模擬分析，包括水源、管網、全線各蓄水池、水廠和泵站群組的模擬分析，為全線的智能優化調度計算提供技術依據。

1.1 水源井分析

以水源井回水率、當前水位降深要求、運行臺時為開機情況確定的主要依據，確定水源井開機序號、開機臺數。水源井綜合排序計算從每口井對應的回水率排行、當前水位降深排行、運行時長排行3個方面的進行排行。回水率的計算：

式中：h初為時段初實測水位，m；h末為時段末實測水位，m；h抽為時段內不考慮回水情況下，水源井抽水高度變化量，m；W抽為時段抽水總量，m3；W回為時段回水總量，m3；W末為監測的時段末累計抽水流量，m3；W初為監測的時段初累計抽水流量，m3；h回為時段內水源井回水高度，m；S為水源井底面積，m2；t查為查詢計算時段，1～2 h；Ps為水源井時段回水率，m3∕s。

1.2 泵站運行狀態分析

機組實時運行工況包括運行狀態、有功功率、當前流量、機組揚程、前池液位、后池液位、機組頻率、機組特性曲線、實時流量、實時揚程、實際頻率、實時效率。通過長期運行獲得揚程、頻率、效率的三維數組庫，展示機組三維性能曲面圖。機組實際性能根據運行時間的目標流量、計算流量、實際流量的過程線和計算效率、實際效率過程線進行分析［5］。

泵站經濟運行，對于流量的變化，其調節方法主要有以下幾種：開機臺數調節；變速調節（變頻或變極）；變角調節；變閥調節。在調節過程中，確保水泵不同楊程下，既滿足流量要求，又確保水泵運行在高效區。水泵工作點盡可能位于最高效率點［6］。由于變閥調節造成能源浪費，變角調節只適用于軸流泵，因此對于配有長管道、多用戶和管網的復雜引水系統，一般采用變換開機臺數和變頻調節相結合的方式［7-9］。

開機臺數的確定：

由水泵揚程靜揚程加水泵出水管損失揚程之和，通過水泵Q-H性能曲線數據表確定水泵的工作流量Q工。目標流量Q目除以水泵工作流量Q工，取整數n，則泵站開機臺數為N=n+1。

變頻機組的確定：

當目標流量Q目除于水泵工作流量Q工，小數點后位小于0.3時，則n臺機組按工頻運行，1 臺機組變頻運行。變頻機組流量為：

當目標流量Q目除于水泵工作流量Q工，小數點后位小于0.3大于0.6 時，則2 臺機組變頻調速，n-1 臺機組按工頻運行，變頻機組流量為：

當目標流量Q目除于水泵工作流量Q工，小數點后位大于0.6時，則n-2 臺機組工頻運行，3 臺機組變頻調速，變頻機組流量為：

變頻轉速的確定：

水泵變速調節中，當變頻調節水泵的流量確定以后，調節轉速M變由以下計算確定：

式中：Mp為水泵的額定轉速；Qp為水泵的額定流量，m3∕s。

工頻（軟啟）+變頻機組，讓目標流量與工頻機組總流量之差落在變頻機組總流量范圍內，即變頻范圍內。

另外水泵變速調節的轉速應不小于額定轉速的65%，若小于水泵額定轉速的65%，則其效率明顯下降。故應滿足以下條件：

式中：Q目為調度目標流量，m3∕s；Q工為工頻機組流量，m3∕s；X為工頻機組數，臺；Q變為變頻機組的流量變化范圍；Y為變頻機組數。

通過開機決策模型公式確定開機臺數、計劃輸出流量（得出頻率）后，進一步得出啟動機組。

1.3 調蓄水池與水廠分析

泵站與水廠之間供水系統的優化調度過程中，為保障系統穩定，避免水泵機組的頻繁開停機，充分利用調蓄水池的調蓄作用，使梯級泵站系統級間的水位和流量處于動態平衡狀態。將恒液位調節變為范圍調節，即設定設計水位和保證水位，水位在這個范圍內波動則不需調整進水閥，進水池前進水閥是調度調節的邊界，進水閥流量是由出廠流量反饋的。水廠進水調流閥往后處于自平衡狀態，該調流閥歸水廠自行調節。

當水廠需要調整進廠水流量大小時，向調度中心報備。調度中心根據具體每個水廠的實時進廠水流量調整值，結合蓄水池水位，判斷蓄水池前調流閥開關及各級泵站和水源井的開關狀態。通過不斷積累經驗，根據水廠歷史用水數據并利用大數據算法建立水廠供水流量預測曲線。當前應急保障天數根據蓄水池當前水位、水位減去容積曲線和昨日出廠平均流量計算得到。保證水位根據最低應急保障天數、水位減去容積曲線和水廠昨日出廠平均流量進行計算。

流量的邊界條件的基本原則為

式中：Q閥為進水閥流量，m3∕h；Q出為水廠出廠流量，m3∕h；Q泵為泵站收到水廠上報的調水目標流量，m3∕h。

2 智能優化調度的計算分析

主要分為3種運行模式：緊急運行、經濟運行、節能運行，其中緊急運行又稱為最大流量法［10］。優化調度模型包括流量優化和機組優化，流量優化是通過計算將水廠進水池前的進水閥的調節流量需水量轉化為泵站調水目標流量，并以此調水目標流量對各個泵站開機決策模塊進行調度優化［11］。

2.1 緊急運行模式

機組全開，快速滿足當日目標供水量；不需要流量分配，每臺機輸出流量最大計算；按當前的揚程；滿負荷運行，機組頻率50 Hz。

2.2 經濟運行模式

考慮峰谷電價時，使系統運行成本最低，需以泵站運行電費最低為目標。以峰谷電價為優化調度的前提，盡量在谷期抽滿蓄水池，谷期泵站開機臺數最大。

（1）目標函數：

目標函數轉換：

約束條件：

式中：Fmin為最小電費，其他下標1，2，3，4分別代表一、二、三、四等泵站的時段電費，元；minFt為全線泵站基于峰谷電價經濟運行模型最低電費，元；f（t）為4 個泵站時段總電費，元；E谷、E平、E峰分別表示谷、平、峰泵站的小時電量，kWh；J谷、J平、J峰為谷期、平期、峰期的電價，元；W1max、W2max、W3max、W4max為一、二、三、四泵站的時段內在谷期抽水最大值，W1b、W2b、W3b、W4b為一、二、三、四泵站的時段抽水量，m3；Q1谷、Q1平、Q1峰為一泵站在各期的每小時流量，m3∕h；Q2谷、Q2平、Q2峰為二泵站在各期的每小時流量，m3∕h；Q3谷、Q3平、Q3峰為三泵站在各期的每小時流量，m3∕h；Q4谷、Q4平、Q4峰為四泵站在各期的每小時流量，m3∕h；T1谷、T1平、T1峰為一泵站一個月內的谷、平、峰總時間，h。

（2）分區段計算泵站時段供水量。為方便計算泵站時段抽水量W1b、W2b、W3b、W4b，將全線站點分為多個區段，把泵站或蓄水池當做區段的水源點，需要滿足一段時間內的總供水量。

（3）泵站計算過程。將W1b、W2b、W3b、W4b代入目標函數，經過計算得到各泵站在谷期、平期、峰期的流量，以及各期具體時長。以下是以一泵站為例進行說明，其他三級泵站均如此計算。目標函數：

約束條件：

2.3 節能運行模式

當不考慮峰谷電價時，則以能耗最低為目標。若通過中途停機的方式是無法達到更節能，因為需要保障的需水量不變，各時段電價一樣，不管中間停機多久，要達到這個需水量的耗能始終不變。可通過機組調頻的方式節能降耗，已知變頻機組的頻率和能耗存在一個關系，在完成同一抽水量時，可在抽水時降低機組頻率，此時流量變小，抽水時長更長，此時能耗更低。

（1）已知機組頻率與機組功率的關系。已知當頻率改變時，水泵轉速也會相應變化，則頻率變化前后轉速的比值等于頻率的比值，流量Q與轉速的一次方成正比，軸功率P與轉速M的立方成正比，當流量減少，當水泵轉速下降時，其軸功率則按轉速的三次方下降，關系式為：

式中：f1為變頻后水泵機組的電機頻率，Hz；fe為額定工況下水泵機組的電機頻率，Hz；M1為變頻后水泵機組轉速，r∕min；Me表示額定工況下水泵機組轉速，r∕min；Q1為工況1 下水泵對應的流量，m3∕h；Qe為額定工況下水泵對應的流量，m3∕h；P1為工況1 下水泵對應的功率，kW；Pe為額定工況下下水泵對應的功率，kW。

（2）當供水量相同時，不同頻率下的耗能對比：

式中：W為供水量，m3；t1、t2為工況1（降頻前）、工況2（降頻后）所需的供水時，h；P1、P2為降頻前、降頻后水泵對應的功率，kW；Q1s為降頻前水泵的流量，m3∕h；Q2s為降頻后水泵的流量，m3∕h；E1為降頻前的耗電量，kWh；E2為降頻后的耗電量，kWh。

3 復雜管網智慧調度系統的構成及其實現

依據上述優化調度理論及方法，結合寧夏清水河流域城鄉供水工程的建設，建成智慧調度平臺及調度系統并順利投入運行，成功應用于工程實踐，成功實現引水系統的優化調度和智慧運行，有效提升供水保證率，實現安全、高效、經濟運行。

寧夏清水河流域城鄉供水工程沿線途經中衛市、吳忠市、固原市等3 市6 縣、區。以中衛市黃河右岸淺層地下水為水源，新建輻射井群取水，沿清水河向南布設輸水管線供水，解決沿線135.75 萬城鄉群眾生活用水、規模化養殖和工業產業發展用水需求，改善和保護區域水環境，保障區域城鄉供水安全。工程建設內容由取水工程、輸水管道、調蓄工程、凈水工程等組成，包括輻射井群20組、泵站4座、調蓄水池9座，輸供水主管道215 km，凈水廠9 座，工程總投資23 億元，是國家150 重大水利工程項目。如圖1所示。

圖1 寧夏清水河供水工程平面布置圖Fig.1 Layout plan of Qingshui River Basin Project

3.1 智慧調度系統的構成

智能調度系統的總體框架如圖2所示。調度中心接收月用水申請劃分日計劃供水量，通全線運行態勢分析，結合優化調度計算邊界條件進行計算。通過泵站開機決策進行流量、機組的優化后，在優化調度圖表分析模塊展示優化前后的流量、耗電情況，通過優化調度計算生成日調度計劃表，將調度指令下發給SCADA。SCADA將前期用水情況直接反饋給調度中心，來進一步調整調度指令。原水水源井取水選取原則如圖3所示。

圖2 智能調度系統框架圖Fig.2 Frame diagram of intelligent dispatching system

圖3 原水水源井選取原則Fig.3 Selection principle of raw water source well

圖4 調度系統分析框架圖Fig.4 Analysis frame diagram of dispatching system

將調度系統的邊界條件輸入后，系統進行水泵機組運行特性分析及全線運行分析，確定各級泵站群的流量，如圖4所示。

機組實時運行工況包括運行狀態、有功功率、當前流量、機組揚程、前池液位、后池液位、機組頻率、機組特性曲線、實時流量、實時揚程、實際頻率、實時效率。

輸水優化調度模型計算包括流量優化和機組優化，流量優化是通過計算將水廠進水池前的進水閥的調節流量需水量轉化為泵站調水目標流量，并以此調水目標流量為條件聯動后面的單個泵站開機決策模塊進行機組優化。

圖5 全線優化調度計算流程圖Fig.5 Flow chart of optimal dispatching calculation for the whole line

3.2 智慧優化調度的實現

實時調度實現整個系統的流量平衡，是優化調度的基礎。

根據各個水廠計劃用水量制定年度制水任務。水廠根據經驗將年度任務分配到每個月，并向調度中心按月上報需水量。水廠是通過出廠水流量的變化，確定進水池前進水閥的流量變化，并向調度中心上報需水流量變化［12，13］。

水源井群與一泵站實現動態的流量平衡，使一泵站前池水位相對恒定，保障一泵站安全穩定運行。

在保證供水安全和質量的前提下，充分的利用水資源，提高經濟效益，充分利用蓄水池的調蓄作用，減少開停機次數及啟∕閉閘門的次數，減少能耗，以保持系統運行的穩定性［14］。

水廠未啟動（初始化程序）：根據水廠每日計劃需水量，并進一步計算出泵站調水目標流量，然后進行優化調度計。水廠已運行：當水廠需要調整進場水流量大小時，需要向調度中心報備。調度中心再根據具體每個水廠的實時進廠水流量調整值，結合蓄水池水位，判斷蓄水池前進水閥開關及各級泵站和水源井的開關狀態；實現自動化和信息化后可直接根據歷史日供水量來預測水廠今日及未來需水量，不需水廠上報。

調度將需調節的進水閥流量值下發至PLC，根據PID 算法得到開度值。根據進水閥需要調節的流量，得到泵站調水目標流量，再結合進其他邊界條件進行開機決策，根據進水閥開度值和泵站開機決策結果開啟水廠前池進水閥進行蓄水，當進水池水位達到一定程度且水位穩定不變，即進出水廠流量一致，達到流量平衡，則保持此時系統狀態運行。

4 結 語

結合復雜引水系統中多泵站群、多水泵機組、多供水終端以及復雜管網的特點，通過復雜引水系統智慧調度關鍵技術的研究，在保證供水安全和質量的前提下，通過智能分析和優化調度計算，敏捷獲取最優運行方案，然后采取數學模擬與現場監測相結合的方法［1，15，16］，實現全線各站點的智能分析、智能診斷、經濟運行及調度決策［7］，提高系統整體運行經濟性和操作效率，同時結合工程實際，研發了復雜引水系統的優化調度和經濟運行的智慧平臺，成功實現引水系統的優化調度和智慧運行，有效提升供水保證率，實現安全、高效、經濟運行。實踐證明，系統運行穩定，靈敏可靠，節能增效經濟效益顯著，可在同類大型復雜引水系統中廣泛推廣應用。