張 凱

(上海威派格智慧水務(wù)股份有限公司，上海 201806)

隨著經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整，城市給水系統(tǒng)供需矛盾日益突出；水廠水源地分布廣泛且無(wú)光纖接入條件，供水調(diào)度主要依據(jù)人工經(jīng)驗(yàn)方式，導(dǎo)致調(diào)度決策和管理缺乏科學(xué)性。因此，建立符合西部地區(qū)特點(diǎn)的水廠供水調(diào)度系統(tǒng)具有重要意義，本文以?xún)?nèi)蒙古自治區(qū)為主要代表的西部地區(qū)為例，從系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)和控制決策優(yōu)化角度進(jìn)行探討，提出基于SCADA和云平臺(tái)結(jié)合的建設(shè)方案，同時(shí)建立關(guān)于取水泵站群日運(yùn)行功耗數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法對(duì)水廠調(diào)度決策進(jìn)行優(yōu)化。

1 工程概況及系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 工程概況

某水廠原一期工程有8處水源深井，1處蓄水池和1套流量300m3/h、揚(yáng)程65m加壓泵站，目前已無(wú)法滿(mǎn)足相應(yīng)供水需求。二期工程中新建水源深井6處，2處蓄水池和1套流量200m3/h、揚(yáng)程70m的加壓泵站，同時(shí)在水廠管理處建立信息化供水調(diào)度中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)全部數(shù)量取水泵房、管網(wǎng)、清水池和供水泵站的整體管控優(yōu)化。由取水泵站、管網(wǎng)、清水池、供水泵站組成的水廠取供水流程布局如圖1所示。

圖1 取供水流程布局

1.2 水廠調(diào)度系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

構(gòu)建智慧水務(wù)系統(tǒng)的首要工作是落實(shí)頂層設(shè)計(jì)和總體規(guī)劃，其中頂層設(shè)計(jì)[1- 2]是一種從宏觀角度對(duì)所涉對(duì)象的設(shè)計(jì)思想、目標(biāo)、環(huán)境、流程、方法、成果等進(jìn)行檢驗(yàn)和布局。在信息化資源共享、業(yè)務(wù)協(xié)同、智能應(yīng)用等建設(shè)理念[3]基礎(chǔ)上，以水廠實(shí)際需求為導(dǎo)向建設(shè)供水調(diào)度管理系統(tǒng)。系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.1 調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)

云平臺(tái)系統(tǒng)采用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)分析技術(shù)，通過(guò)廣域復(fù)合型組網(wǎng)、供水設(shè)備關(guān)鍵數(shù)據(jù)采集、檢測(cè)預(yù)警、生命周期預(yù)測(cè)、工業(yè)控制模型等，實(shí)現(xiàn)對(duì)水廠供水設(shè)備生命周期運(yùn)維和決策優(yōu)化等服務(wù)。SCADA通過(guò)OPC協(xié)議向上與云平臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行通信，向下采用4G Router和光纖專(zhuān)線與取水泵站、管網(wǎng)、清水池、供水泵站完成數(shù)據(jù)采集和指令下發(fā)。

1.2.2 跨平臺(tái)數(shù)據(jù)交互

SCADA與云平臺(tái)數(shù)據(jù)通信采用OPC(OLEfor Process Control)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[4]，SCADA組態(tài)軟件為力控ForceControl7.2，內(nèi)部集成OPC服務(wù)器PCAuto OPCServer與云平臺(tái)OPCClient建立連接，即采用典型的客戶(hù)機(jī)/服務(wù)器模式。OPC Server與OPCClient存在兩種數(shù)據(jù)交互方式：同步方式和異步方式，當(dāng)數(shù)據(jù)量較大時(shí)，異步方式與同步方式相比能夠提供高效性能，避免阻塞客戶(hù)數(shù)據(jù)請(qǐng)求，故選擇異步通信方式。

1.2.3 鏈路安全防護(hù)

取水泵站和管網(wǎng)數(shù)據(jù)通過(guò)4GRouter無(wú)線模塊上傳SCADA服務(wù)器，為保證通信鏈路安全，采用VPN(Virtual Private Network)遠(yuǎn)程訪問(wèn)技術(shù)，即在公用網(wǎng)絡(luò)上建立專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)連接，進(jìn)行加密通信。方案中將VPDN(Virtual Private Dial-up Networks)與IPSec兩種VPN協(xié)議相結(jié)合，其中VPDN協(xié)議利用IP網(wǎng)絡(luò)的承載功能結(jié)合相應(yīng)的認(rèn)證和授權(quán)機(jī)制建立虛擬專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)，屬于第二層隧道協(xié)議；IPSec協(xié)議是一種基于網(wǎng)絡(luò)層通過(guò)隧道技術(shù)對(duì)IP層安全保護(hù)的協(xié)議，可以有效的保護(hù)IP數(shù)據(jù)報(bào)文的安全性，屬于第三層隧道協(xié)議[5]，雙層隧道加密技術(shù)為鏈路安全提供保障。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 目標(biāo)函數(shù)

水泵額定功率模型的建立需要揚(yáng)程、流量、水泵效率等相關(guān)參數(shù)，即公式為[6]：

(1)

式中，Qf—水泵流量，m3/s；Hf—水泵揚(yáng)程，m；ρ—水質(zhì)密度，kg/m3；g—重力加速度，m/s2；ηr—傳動(dòng)裝置效率，ηb—水泵效率，Ke—相關(guān)參數(shù)。

以取水泵站群日運(yùn)行功耗最低為調(diào)度優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)如下：

(2)

式中，t0、tm—水泵運(yùn)行時(shí)間段；i—第i臺(tái)水源深井泵；n—運(yùn)行泵站數(shù)量(每個(gè)泵站配備一臺(tái)深井泵)；C(t)—當(dāng)?shù)仉娏r(jià)格函數(shù)。

2.2 約束條件

針對(duì)取水泵站群優(yōu)化問(wèn)題，其約束條件主要包括：

(1)取水量與供水量平衡約束。在供水時(shí)域內(nèi)，需要滿(mǎn)足取水量大于或者等于供水量，即：

(3)

式中，Qij—第i取水泵站第j小時(shí)取水量，m3/h；Qsj—供水泵站第j小時(shí)供水量，m3/h；β—取水泵站管網(wǎng)水量損失系數(shù)。

(2)清水池液位約束。清水池的液位變化取決于單位時(shí)間取水泵站流量和供水泵站流量的變化，計(jì)算模型如下：

Hq(j+1)=Hqj+[Qrj-Qcj]/S0

Hqmin≤Hqj≤Hqmax

(4)

式中，Hqj—清水池第j小時(shí)的液位，m；Hqmin—清水池允許的最低液位，m；Hqmax—清水池允許的最高液位，m。

(3)取水泵站取水流量約束

Qfmin≤Qfj≤Qfmax

(5)

式中，Qfj—取水泵站第j小時(shí)的取水流量，m3/h；Qfmin—取水泵站的最小取水流量，m3/h；Qfmax—取水泵站滿(mǎn)足的最大取水流量，m3/h。

3 基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃的調(diào)度策略

3.1 動(dòng)態(tài)規(guī)劃設(shè)計(jì)思路

以24h為優(yōu)化過(guò)程，將每個(gè)小時(shí)劃分為一個(gè)時(shí)段；確定系統(tǒng)一天調(diào)度計(jì)劃開(kāi)始時(shí)清水池的初始液位Hq0；根據(jù)清水池允許的最低液位Hqmin和最高液位Hqmax，將清水池液位劃成n等份，對(duì)應(yīng)n+1個(gè)清水池液位值Hq(n+1)；計(jì)算從初始液位Hq0到第1時(shí)段可能的n+1個(gè)液位對(duì)應(yīng)的取水泵站運(yùn)行數(shù)量、運(yùn)行功耗等，得到n+1種決策方案并記錄第一時(shí)段末對(duì)應(yīng)的決策節(jié)點(diǎn)。第二時(shí)段繼續(xù)對(duì)應(yīng)n+1個(gè)液位，選取其中任意一個(gè)液位值Hqx，計(jì)算從第2時(shí)段末n+1個(gè)可能液位值到Hqx液位對(duì)應(yīng)的取水泵站運(yùn)行數(shù)量、運(yùn)行功耗等，得到n+1種決策方案，并記錄第2時(shí)段末對(duì)應(yīng)的決策節(jié)點(diǎn)，繼而可以得到n+1種從清水池初始液位Hq0到第2時(shí)段末Hqx液位的決策方案。以此遞推，對(duì)24個(gè)時(shí)段進(jìn)行全程優(yōu)化，計(jì)算出各個(gè)時(shí)段對(duì)應(yīng)的最佳清水池液位與取水泵站最小功耗，最終形成取水泵站群一天的最優(yōu)調(diào)度決策序列。

3.2 優(yōu)化調(diào)度分析

對(duì)水廠加壓泵站時(shí)供水量歷史數(shù)據(jù)提取和分析，可得其日供水規(guī)律曲線如圖3所示，依據(jù)當(dāng)?shù)爻鞘杏盟?guī)律，將高于400m3/h的時(shí)段分為高峰時(shí)段，低于400m3/h的時(shí)段分為低谷時(shí)段，即6∶00～22∶00時(shí)段為用水高峰期，22∶00～6∶00(第二天)時(shí)段為用水低谷期。通過(guò)動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法對(duì)取水泵站群調(diào)度方案進(jìn)行調(diào)整，方案優(yōu)化見(jiàn)表1，清水池24h液位變化曲線如圖4所示。

圖3 水廠日供水規(guī)律曲線

圖4 清水池24h液位變化曲線

表1針對(duì)實(shí)際供水調(diào)度方案進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)時(shí)段劃分為24個(gè)優(yōu)化節(jié)點(diǎn)，針對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的取水泵站群組合進(jìn)行能耗計(jì)算，在滿(mǎn)足各項(xiàng)約束條件下確定最佳泵站運(yùn)行數(shù)量。由于每個(gè)取水泵站受地理環(huán)境等外在因素影響，其小時(shí)取水量會(huì)有所差異，故選取平均流量65m3/h作為參考。依據(jù)2018—2019年內(nèi)蒙古西部電網(wǎng)銷(xiāo)售電價(jià)表，相關(guān)工業(yè)用電按照電壓等級(jí)劃分電力價(jià)格，尚未采用谷峰電價(jià)模式，電力價(jià)格采用0.6263元/(kW·h)。實(shí)際調(diào)度方案情況下，取水泵站群日累計(jì)功耗所產(chǎn)生的費(fèi)用為3567.41元；優(yōu)化調(diào)度方案情況下，取水泵站群日累計(jì)功耗所產(chǎn)生的費(fèi)用為3146.53元，相比與實(shí)際調(diào)度方案節(jié)省11.8%，且日取水量約為10205m3，大于城市日供水需求總量。

表1 取水泵站群調(diào)度優(yōu)化方案

圖4原清水池液位變化幅度維持在20%左右，液位初始值為2.5m，優(yōu)化后液位初始值設(shè)定為1.8m，充分利用清水池有效容積對(duì)用水低谷與高峰時(shí)段進(jìn)行水資源平衡，若將來(lái)該市實(shí)行分時(shí)電價(jià)相關(guān)政策，可進(jìn)一步降低水廠取水泵站群日運(yùn)行功耗，節(jié)省運(yùn)營(yíng)費(fèi)用。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以烏蘭察布市某水廠調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例，針對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)和調(diào)度策略進(jìn)行研究。架構(gòu)設(shè)計(jì)采用SCADA平臺(tái)和云平臺(tái)相結(jié)合的模式，實(shí)現(xiàn)水源、管網(wǎng)、加壓泵站實(shí)時(shí)管控和數(shù)據(jù)分析挖掘雙向交互；調(diào)度策略采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法，對(duì)水廠取水泵站群以小時(shí)為優(yōu)化節(jié)點(diǎn)，以功耗最小為目標(biāo)函數(shù)，通過(guò)多級(jí)決策得取水泵站群最優(yōu)調(diào)度方案，研究表明，此算法對(duì)降低水廠取水泵站群日運(yùn)行功耗有效、可行。