常 魁，高金良，袁一星，趙洪賓

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 市政環(huán)境工程學(xué)院，150090哈爾濱，19401010@163.com)

通過(guò)穩(wěn)態(tài)模擬和延時(shí)模擬可以實(shí)現(xiàn)供水管網(wǎng)運(yùn)行工況分析，為管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)、優(yōu)化調(diào)度及優(yōu)化改擴(kuò)建提供科學(xué)依據(jù)[1-6].隨著供水管網(wǎng)模擬技術(shù)的發(fā)展，地理信息系統(tǒng)(GIS)、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)廣泛應(yīng)用于供水管網(wǎng)計(jì)算數(shù)字化管理，為智能供水管網(wǎng)的發(fā)展奠定基礎(chǔ).本文將SCADA系統(tǒng)應(yīng)用于供水管網(wǎng)水力模擬過(guò)程中，建立供水管網(wǎng)實(shí)時(shí)模擬系統(tǒng)，并應(yīng)用于東北某大型城市.

1 SCADA系統(tǒng)與OPC通信技術(shù)

1.1 SCADA系統(tǒng)

SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition)系統(tǒng)，即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)[7].是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的生產(chǎn)過(guò)程控制與調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)，它可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測(cè)量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號(hào)報(bào)警等各項(xiàng)功能.SCADA系統(tǒng)在電力系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、石油、化工、汽車、機(jī)械制造等諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[8-9].SCADA系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)包括遠(yuǎn)程控制單元RTU(Remote Terminal Unit)、通訊網(wǎng)絡(luò)及中心站.

中心站是一個(gè)局域網(wǎng)，可包含多個(gè)工作站和支持網(wǎng)絡(luò)功能的設(shè)備，以完成不同的工作.它通過(guò)中心站軟件管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，每個(gè)工作站通過(guò)組態(tài)畫面監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)站點(diǎn)，下發(fā)控制命令進(jìn)行控制，并完成工況圖、統(tǒng)計(jì)曲線、報(bào)表等SCADA軟件的標(biāo)準(zhǔn)功能.

采用SCADA系統(tǒng)OPC通信構(gòu)建的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)充分利用SCADA軟件對(duì)OPC的支持，通過(guò)一致接口進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問(wèn).SCADA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 SCADA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 OPC技術(shù)

如圖1所示，SCADA系統(tǒng)與專業(yè)應(yīng)用模塊通過(guò)OPC(OLE For Process Control)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換.SCADA系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)從I/O驅(qū)動(dòng)程序中獲取過(guò)程數(shù)據(jù)，而I/O驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)軟件和設(shè)備的通信.在I/O驅(qū)動(dòng)程序里，其中一項(xiàng)就提供了對(duì)OPC數(shù)據(jù)訪問(wèn)的支持.

OPC技術(shù)基于微軟的OLE(現(xiàn)在的Active X)、COM(部件對(duì)象模型)和DCOM(分布式部件對(duì)象模型)技術(shù)[10].OPC包括一整套接口、屬性和方法的標(biāo)準(zhǔn)集，用于過(guò)程控制和制造業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng).OPC定義了應(yīng)用Microsoft操作系統(tǒng)在基于PC的客戶機(jī)之間交換自動(dòng)化實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的方法，可以實(shí)現(xiàn)不同硬件產(chǎn)品與軟件產(chǎn)品之間的交互操作，所以，基于OPC標(biāo)準(zhǔn)的SCADA系統(tǒng)是真正開(kāi)放的過(guò)程控制系統(tǒng).

2 供水管網(wǎng)實(shí)時(shí)模擬模型的構(gòu)建

2.1 實(shí)時(shí)模擬模型的提出

傳統(tǒng)管網(wǎng)模型屬性信息包含靜態(tài)信息和動(dòng)態(tài)信息[1，11].靜態(tài)信息包含管長(zhǎng)、管徑、管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等;動(dòng)態(tài)信息包含節(jié)點(diǎn)流量、水泵、水池和閥門等信息.傳統(tǒng)管網(wǎng)模型計(jì)算速度較快，對(duì)包含幾千條管段的大型供水管網(wǎng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)水力計(jì)算僅需1 ～2 s.

傳統(tǒng)水力模型計(jì)算方程如下:

北大教授吳組緗，同樣尊重和堅(jiān)持自己的尺度。上世紀(jì)40年代，他曾應(yīng)聘四川省立教育學(xué)院教授，當(dāng)時(shí)是在學(xué)期中間，校方希望他開(kāi)半個(gè)學(xué)期的課，但可支付他一學(xué)期的薪水。沒(méi)想到，吳組湘當(dāng)即表示：“這樣怎么行？我明明只上了半學(xué)期的課，怎么能拿你們一學(xué)期的薪水？”這在庸人眼里，無(wú)疑是書呆子的迂腐表現(xiàn)，但在正人君子看來(lái)，他實(shí)事求是、公平公正的“尺度”，著實(shí)令人敬佩。

式中:A為銜接矩陣;q為管段流量向量;Q為節(jié)點(diǎn)流量向量.

式中h為環(huán)內(nèi)管段水頭損失.

式中:Hi，Hj為管段兩端節(jié)點(diǎn) i，j的節(jié)點(diǎn)壓力;hij為管段水頭損失;Sij為管段摩阻;qij為管段流量.

傳統(tǒng)模型中節(jié)點(diǎn)流量向量為已知量，通過(guò)實(shí)測(cè)與統(tǒng)計(jì)的方法繪制用戶水量及水池水位變化的24 h變化曲線，結(jié)合日用水量數(shù)據(jù)計(jì)算各時(shí)刻節(jié)點(diǎn)流量向量，進(jìn)行管網(wǎng)水力模擬，獲得管道流量與壓力信息.因此，傳統(tǒng)水力模型采用人工方式為模型提供計(jì)算所需水量信息，不能實(shí)時(shí)分析供水管網(wǎng)運(yùn)行工況，用水量及用水類型對(duì)模擬結(jié)果具有重要影響.

本文提出基于SCADA系統(tǒng)OPC通信的供水管網(wǎng)實(shí)時(shí)模擬模型，實(shí)時(shí)獲得供水管網(wǎng)運(yùn)行信息，利用SCADA系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)供水管網(wǎng)運(yùn)行工況進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真模擬，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)運(yùn)行異常工況，實(shí)現(xiàn)供水管網(wǎng)運(yùn)行工況實(shí)時(shí)分析、管理.

2.2 實(shí)時(shí)模擬模型的構(gòu)建

供水管網(wǎng)實(shí)時(shí)模擬模型利用與傳統(tǒng)管網(wǎng)模型相同的信息，但是采用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為模型邊界條件和模擬初始參數(shù)值.基于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和內(nèi)置的用水類型預(yù)測(cè)工具，實(shí)時(shí)模擬模型可以對(duì)供水管網(wǎng)當(dāng)前及未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行模擬計(jì)算.

傳統(tǒng)供水管網(wǎng)水力計(jì)算模型基于理想化的24 h用水變化規(guī)律及節(jié)點(diǎn)流量分布.在模型校核的過(guò)程中，即使低精度的數(shù)據(jù)也可以獲得一個(gè)合理的結(jié)果[7].實(shí)時(shí)模擬模型采用較多的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)流量和壓力數(shù)據(jù)，放寬了這些邊界條件，導(dǎo)致對(duì)模型校核和監(jiān)測(cè)結(jié)果精度要求的提高.因此，實(shí)時(shí)模擬模型需要準(zhǔn)確的管網(wǎng)靜態(tài)信息和一個(gè)校核較好的傳統(tǒng)管網(wǎng)模型.

對(duì)于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中存在的無(wú)效數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)模擬模型自動(dòng)進(jìn)行容錯(cuò)判斷，采用同一時(shí)段內(nèi)歷史數(shù)據(jù)或用戶提供的默認(rèn)值進(jìn)行計(jì)算分析.

供水管網(wǎng)實(shí)時(shí)模型根據(jù)管網(wǎng)運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)周期性進(jìn)行模型校核，以保證管網(wǎng)模型精度.模型校核周期根據(jù)供水管網(wǎng)規(guī)模及其運(yùn)行狀況確定.

3 供水管網(wǎng)實(shí)時(shí)模擬系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 實(shí)時(shí)模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架

本文建立的供水管網(wǎng)實(shí)時(shí)模擬模型以供水管網(wǎng)數(shù)字化分析系統(tǒng)[13-14]為基礎(chǔ)，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)流量和壓力數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型.實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)SCADA系統(tǒng)每間隔15 min采樣一次，采樣結(jié)果通過(guò)OPC通信技術(shù)傳遞給供水管網(wǎng)數(shù)字化分析系統(tǒng).實(shí)時(shí)模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架如圖2所示.

供水管網(wǎng)實(shí)時(shí)模擬系統(tǒng)建立在客戶/服務(wù)器(Client/Server)模式基礎(chǔ)之上，具有較高的穩(wěn)定性與可靠性.

實(shí)時(shí)模擬系統(tǒng)的上層充分利用供水管網(wǎng)專業(yè)分析平臺(tái)對(duì)管網(wǎng)分析計(jì)算的支持與SCADA系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、I/O驅(qū)動(dòng)程序以及各種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)組件的支持，通過(guò)OPC技術(shù)將二者進(jìn)行集成.

實(shí)時(shí)模擬系統(tǒng)的下層，把OPC服務(wù)器嵌入到供水管網(wǎng)工況分析的數(shù)學(xué)模型程序、數(shù)據(jù)庫(kù)以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的物理設(shè)備中，通過(guò)OPC通信技術(shù)實(shí)時(shí)獲得管網(wǎng)運(yùn)行信息，為供水管網(wǎng)計(jì)算分析及模型校核提供數(shù)據(jù)支持.

圖2 實(shí)時(shí)模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架

3.2 實(shí)時(shí)模擬系統(tǒng)OPC服務(wù)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

實(shí)時(shí)模擬系統(tǒng)OPC服務(wù)器為供水管網(wǎng)數(shù)字化系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)模擬提供輸入數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖3 實(shí)時(shí)模擬系統(tǒng)OPC服務(wù)器的結(jié)構(gòu)

OPC服務(wù)器內(nèi)部的數(shù)據(jù)項(xiàng)代表著與數(shù)據(jù)源的連接，但這些數(shù)據(jù)項(xiàng)并非數(shù)據(jù)源本身.本文在服務(wù)器劃出一個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，用來(lái)存儲(chǔ)工況分析數(shù)學(xué)模型所需的控制量、過(guò)程數(shù)據(jù)等.工況分析數(shù)學(xué)模型周期性執(zhí)行，在數(shù)學(xué)模型執(zhí)行的一個(gè)周期里，首先，從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)里獲得必要的數(shù)據(jù)(如水量);其次，根據(jù)所獲得的控制量運(yùn)算數(shù)學(xué)模型模塊得到結(jié)果(如壓力);最后，將這些結(jié)果寫到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)里.OPC服務(wù)器所要做的事情就是將每一個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)的每一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)正確關(guān)聯(lián)起來(lái).

供水管網(wǎng)實(shí)時(shí)模擬模型中各監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)包含SCADA系統(tǒng)編號(hào)、數(shù)據(jù)類型、單位、水力模型編號(hào)、監(jiān)測(cè)結(jié)果等屬性.實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包括各水源流量、出廠壓力、水泵狀態(tài)、閥門狀態(tài)及監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力.

4 實(shí)例研究

4.1 項(xiàng)目背景

通過(guò)SCADA系統(tǒng)OPC通信實(shí)現(xiàn)H市供水管網(wǎng)數(shù)字化分析系統(tǒng)與SCADA系統(tǒng)的集成，實(shí)現(xiàn)供水管網(wǎng)實(shí)時(shí)模擬.

H市供水管網(wǎng)數(shù)字化分析系統(tǒng)構(gòu)建了該市復(fù)雜舊管網(wǎng)供水管網(wǎng)GIS圖文信息系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫(kù)錄入8 383張1∶500圖紙，包含全部入戶管，覆蓋全市供水系統(tǒng)，建立包括14 199個(gè)節(jié)點(diǎn)，15 132條管段管網(wǎng)模型，可以進(jìn)行供水管網(wǎng)水力模擬計(jì)算，進(jìn)行管網(wǎng)運(yùn)行工況分析，實(shí)現(xiàn)H市供水管網(wǎng)的全面數(shù)字化.H市供水系統(tǒng)SCADA系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)制水及輸配水過(guò)程的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與采集.

4.2 實(shí)時(shí)模擬系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

基于SCADA系統(tǒng)OPC通信的供水管網(wǎng)實(shí)時(shí)模擬系統(tǒng)連接供水管網(wǎng)數(shù)字化分析系統(tǒng)與SCADA系統(tǒng)，全市供水管網(wǎng)布設(shè)50個(gè)在線監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖4所示.

圖4 供水管網(wǎng)實(shí)時(shí)模擬系統(tǒng)

系統(tǒng)利用SCADA系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)對(duì)供水管網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)模擬，實(shí)時(shí)分析管網(wǎng)運(yùn)行工況，部分水廠流量監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5所示，其中L811、L812、L821、L822、L83、L84 為監(jiān)測(cè)點(diǎn)編號(hào).在線監(jiān)測(cè)點(diǎn)0106實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與模擬結(jié)果如圖6所示.實(shí)時(shí)模擬系統(tǒng)將在線監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)與模型實(shí)時(shí)計(jì)算結(jié)果同時(shí)顯示，當(dāng)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超出數(shù)據(jù)限定范圍，實(shí)時(shí)模擬系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警提示，如圖7所示.

圖5 水廠流量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖6 0106點(diǎn)監(jiān)測(cè)與計(jì)算結(jié)果

圖7 監(jiān)測(cè)點(diǎn)超壓報(bào)警

5 結(jié)論

1)建立了基于SCADA系統(tǒng)OPC通信的供水管網(wǎng)實(shí)時(shí)模擬系統(tǒng)，將SCADA系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)連續(xù)傳遞到供水管網(wǎng)水力模型，實(shí)現(xiàn)供水管網(wǎng)實(shí)時(shí)模擬分析.模擬結(jié)果表明，實(shí)時(shí)模擬系統(tǒng)可以為調(diào)度人員提供預(yù)警信息，保證供水管網(wǎng)安全運(yùn)行.

2)供水管網(wǎng)實(shí)時(shí)模擬系統(tǒng)為供水管網(wǎng)運(yùn)行管理提供有力工具，管網(wǎng)調(diào)度人員根據(jù)實(shí)時(shí)模擬結(jié)果及監(jiān)測(cè)信息可以及時(shí)制定調(diào)度方案，調(diào)整管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài);通過(guò)管網(wǎng)壓力分析及時(shí)發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)突發(fā)事故，如爆管.

3)基于SCADA系統(tǒng)OPC通信的供水管網(wǎng)實(shí)時(shí)模擬系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)供水管網(wǎng)數(shù)字化分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)訪問(wèn)、有人參與等問(wèn)題，為智能供水管網(wǎng)的發(fā)展提供了新思路.

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