[摘 要]為了讓圩區(qū)泵閘群實現(xiàn)信息化及自動化，文章對圩區(qū)泵站自動化控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，并以正交試驗法為基礎(chǔ)提出調(diào)度策略優(yōu)化方案，通過9次正交試驗，獲得了各開機方案及運行規(guī)則的總能耗，隨后通過對能耗排序獲得了最佳調(diào)度方案。該方案不僅有效提高了圩區(qū)泵閘群自動化及信息化水平，還加強了調(diào)度控制，降低了總能耗。

[關(guān)鍵詞]圩區(qū)泵閘群；自動化；調(diào)度控制

[中圖分類號]TV66；TV675 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2024）06–0114–03

Research on Automatic Dispatching Control Strategy for Pump Sluice Group in Weiqu District

CHEN Wei

[Abstract]In order to achieve informatization and automation of the pump gate group in the polder area， this article designs the automation control system of the polder pump station and proposes an optimization plan for scheduling strategy based on the orthogonal experimental method. Through 9 orthogonal experiments， the total energy consumption of each startup plan and operating rule is obtained. Then， the optimal scheduling plan is obtained by sorting the energy consumption. This plan not only effectively improves the automation and informatization level of the pump gate group in the polder area， but also strengthens scheduling control and reduces total energy consumption.

[Keywords]pump gate group in polder area； automation； scheduling control

水利工程是社會發(fā)展及國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)，因此水利工程現(xiàn)代化需要水利信息化的支撐。泵閘自動化控制系統(tǒng)是水利工程信息化的重要組成部分，但目前水利工程中的泵閘系統(tǒng)由于功能單一，已經(jīng)無法滿足圩區(qū)排澇科學(xué)管理的需求。文章對圩區(qū)泵閘群自動化調(diào)度控制策略展開研究，以此來加強泵閘調(diào)控，降低能耗，促進(jìn)水利工程發(fā)展。

1 圩區(qū)泵站自動化控制系統(tǒng)設(shè)計

基于以太網(wǎng)框架搭建的圩區(qū)自動化調(diào)控體系，整合了數(shù)據(jù)采集、圖像傳輸、水閘及水位控制及泵閘的自動控制等多項功能，形成了一套綜合性的系統(tǒng)[1]。上海新浜自動化監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。這一控制系統(tǒng)采納了分層級分散化的架構(gòu)，實現(xiàn)了遠(yuǎn)程電動操作、現(xiàn)地電動操作及人工手動操作的3重操作模式；在權(quán)限管理的架構(gòu)內(nèi)，分為3級結(jié)構(gòu)，即圩區(qū)控制中心、現(xiàn)地控制中心及手動操作層。在這3個級別中，現(xiàn)地控制柜的手動控制優(yōu)先級最高。

1.1 現(xiàn)地控制單元

現(xiàn)地調(diào)控中心負(fù)責(zé)對分布于4個特定區(qū)域的全部水泵和閥門實施自主或人工操作[2]。該中心由編程邏輯控制器CPU、通訊網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字及模擬輸入輸出模塊，以及閥門位置監(jiān)管器、多功能電力參數(shù)顯示裝置、現(xiàn)地水位及閘位指示器、空氣斷路器、接觸器等組件構(gòu)成的綜合系統(tǒng)來實現(xiàn)。

現(xiàn)地控制中心的可編程邏輯控制器（PLC）利用ModbusRTU總線實時地匯集了運行狀況、故障及閘門位置的數(shù)據(jù)，同時還包括了水位波動及閘門流量的統(tǒng)計信息，這些數(shù)據(jù)一同被傳送至現(xiàn)地的PLC系統(tǒng)中。在現(xiàn)場PLC通過TCP/IP通訊協(xié)議，能夠?qū)?shù)據(jù)成功輸送至圩區(qū)控制中心，并在同一時刻，現(xiàn)地的PLC能夠?qū)崟r接收調(diào)控中心的命令，從而觸發(fā)操作設(shè)備，實現(xiàn)泵和閘門的操控及信息的采集?，F(xiàn)地控制系統(tǒng)借助網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)與指揮中心的數(shù)據(jù)同步，主動傳輸泵站及水閘的即時信息，同時接收重要的調(diào)節(jié)命令。

1.2 圩區(qū)控制中心

在圩區(qū)控制中心，文章構(gòu)建了一套集成化的數(shù)據(jù)搜集服務(wù)器群、指令下達(dá)的客戶端計算機系統(tǒng)、實時控制用的視頻處理計算機及高容量數(shù)字視頻資料的網(wǎng)絡(luò)存儲單元[3]。這些設(shè)施通過配置先進(jìn)的環(huán)狀以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)及基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通訊方式，共同構(gòu)筑了一個連通性強的計算機網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。通過建立一個專門的信息傳遞系統(tǒng)，圩區(qū)控制中心得以實時跟蹤控制區(qū)域內(nèi)外的水位變化、閘門運行情況及流量數(shù)據(jù)等核心指標(biāo)，同時對關(guān)鍵設(shè)施的運行情況實施持續(xù)的管理與監(jiān)督，確保水文參數(shù)在控制區(qū)域內(nèi)得到精確的檢測與維護(hù)。此外，該系統(tǒng)日后有望通過互聯(lián)網(wǎng)或?qū)Ｓ镁W(wǎng)絡(luò)與上海市水利局的數(shù)字化防洪系統(tǒng)達(dá)成數(shù)據(jù)共享和交互。

圩區(qū)控制中心坐落于周界之內(nèi)，得以收集現(xiàn)地指揮部門傳輸?shù)南嚓P(guān)信息，并將搜集到的相關(guān)信息即時傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫當(dāng)中，旨在刷新視聽界面、實施操作調(diào)整、探究走勢、保存及打印相關(guān)資訊，并深入分析事故成因，進(jìn)而實時跟蹤水泵與閘門的操作狀況，并監(jiān)測水位、閘門位置及過閘流量等核心參數(shù)，同時采集泵站與閘門站的圖像資料；在自動模式的現(xiàn)地切換開關(guān)設(shè)定下，操作人員能夠通過鍵盤、鼠標(biāo)等外部輸入裝置實現(xiàn)對水泵與水閘的控制。通過融合水資源管理的高級優(yōu)化調(diào)度策略及智能控制系統(tǒng)，形成了一個綜合的水災(zāi)防治聯(lián)動平臺。

2 圩區(qū)調(diào)度控制策略優(yōu)化

2.1 常規(guī)調(diào)度方案

在初期排水環(huán)節(jié)，借助排水系統(tǒng)的內(nèi)建積水自調(diào)機制實現(xiàn)水的儲存，大約只需要1 h便能完成最簡短的儲水過程[4]。并且隨著排水管道中的水位逐漸逼近其容量極限，分布在各處的泵站便能夠激活其半數(shù)設(shè)施以此來展開排水作業(yè)。在設(shè)備啟動之后，只要觀察到蓄水池內(nèi)的水位停滯不前或呈現(xiàn)出減少的趨勢，系統(tǒng)將維持當(dāng)前狀態(tài)直至所執(zhí)行的任務(wù)結(jié)束；若水位迅速下降至停機閾值以下，必須立即中止動力系統(tǒng)的運行，直至水位恢復(fù)至所規(guī)定的最高水位線，方能重新開啟設(shè)備；在進(jìn)水池的水位不斷攀升至預(yù)定預(yù)警閾值的情況下，工作人員應(yīng)該激活全部發(fā)電設(shè)施，并且當(dāng)降雨結(jié)束或水位上升至設(shè)定的停機上限時，系統(tǒng)會根據(jù)實際情況適時終止所有發(fā)電設(shè)備的運行，這使得工作人員在水位重新漲至既定安全高度之后，應(yīng)重新啟動機械裝置，并且當(dāng)外部水位下降至一定程度時，水閘會自動啟動排放程序，與此同時，圩區(qū)內(nèi)的各個水閘通常保持封閉狀態(tài)。在降雨量超出常態(tài)的閾值后，常規(guī)的排澇調(diào)度手段通常因其較高的能源消耗效率而顯得力不從心，難以迅速有效地完成排水任務(wù)。

2.2 調(diào)度方案優(yōu)化

圩區(qū)泵閘群的調(diào)度方案優(yōu)化可分為2個階段：①集中對圩區(qū)排水泵站進(jìn)行優(yōu)化，力求在整個過程中能源消耗達(dá)到最低，通過對不同方案的深入分析與對比，實現(xiàn)執(zhí)行策略的高級優(yōu)化；②基于上下游水位限制條件，執(zhí)行多目標(biāo)劣質(zhì)物的移除。

2.2.1 正交試驗的調(diào)度方案

在對變量進(jìn)行試驗性分析的過程中，將23個泵站依據(jù)圩區(qū)特點劃分至4個不同的類別，這些類別各自形成獨立的試驗?zāi)K，由此構(gòu)建了4個試驗?zāi)K。

每座排澇泵站配備多臺排澇泵，調(diào)度一般有機組全開、1/2機組開啟、只開1臺機組的3種開機方式?；谯讌^(qū)的具體情況，文章制訂了不同水泵裝置組的啟動程序及其時間安排，將其作為試驗的基準(zhǔn)。圩區(qū)4組試驗因素的試驗水平見表1。

在實施全面的審查過程中，根據(jù)先前的試驗參數(shù)及其設(shè)定，預(yù)計將開展81輪試驗。然而，借助優(yōu)化的試驗設(shè)計表開展試驗，可將試驗次數(shù)減少至9輪。

通過對各個批次試驗數(shù)據(jù)的深入分析可知，在圩區(qū)排水泵閘群中，當(dāng)各個裝置嚴(yán)格依照既定的操作規(guī)則進(jìn)行協(xié)同運行時，能夠?qū)崿F(xiàn)相同水量排出的最小能源耗費。9輪正交試驗結(jié)果見表2。

2.2.2 正交試驗的過程分析

2.2.2.1 正交試驗結(jié)果

深入分析表2中的數(shù)據(jù)，對比其差異性，從而掌握實驗因子及其各個級別如何對優(yōu)化目標(biāo)產(chǎn)生影響，并依照其影響力大小，從高到低進(jìn)行排列。通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，第4組泵站的相關(guān)試驗參數(shù)對于試驗成果的產(chǎn)出具有決定性的影響，因此，這些關(guān)鍵的實試驗參數(shù)亟需被優(yōu)先考慮并納入優(yōu)先級排序之中；在二級泵站裝置中，試驗級別3與試驗級別2得以布署并進(jìn)行序列化操作；在優(yōu)化過程中，第一和第三泵站對整體影響幾乎可忽略不計，通過精心篩選高質(zhì)量的試驗層級進(jìn)行排序，從而成功提煉出理想的優(yōu)化序列方案。

2.2.2.2 正交試驗優(yōu)化方案序列

多種優(yōu)化方案的聯(lián)合運用形式多樣，從理論上講，可以挑選出若干能量消耗效率較高的組合。在考慮到各項啟動計劃間的顯著區(qū)別時，由此不難預(yù)見，在具體實施過程中，可能會出現(xiàn)水位在上下游河道間的不平衡，這種不平衡可能不滿足堤壩的安全性要求，從而導(dǎo)致排灌系統(tǒng)的效率降低，并最終造成經(jīng)濟損失。因此針對這一情況，工作人員應(yīng)該把防洪區(qū)域外的水位當(dāng)作限制條件，并對改良方案進(jìn)行周詳?shù)膬?yōu)化挑選，以此來排除那些效果較差的計劃。在僅以排澇能耗最小為優(yōu)化目標(biāo)的前提下，第1種組合方式的開機原則能夠使排澇能耗達(dá)到最小（9 935 kW？h）。然后校驗此種組合方式下的水位，可知在實際運行時，最高運行水位為3.9 m，低于最高控制水位4.5 m，滿足圩區(qū)外河水位限制條件。

2.3 作業(yè)流程優(yōu)化

對圩區(qū)排灌系統(tǒng)的調(diào)控機制進(jìn)行深度優(yōu)化，目的在于提升排灌效率、降低能耗，并鞏固系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。因此為了有效優(yōu)化作業(yè)流程，工作人員需要對現(xiàn)行的圩區(qū)區(qū)域調(diào)度管理方針進(jìn)行徹底的審閱和細(xì)致的估價，并對排水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、設(shè)備、水位監(jiān)測以及調(diào)控機制進(jìn)行深入探討，通過這種方式可以讓工作人員全面了解現(xiàn)有流程的運行狀況，并挖掘存在的問題，從而有針對性地采取相應(yīng)措施，以此來確保系統(tǒng)能夠有序進(jìn)行，發(fā)揮出應(yīng)有的作用和價值。

值得注意的是，提升工作效率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)在于對流程進(jìn)行優(yōu)化和剔除那些非必要的環(huán)節(jié)。通過優(yōu)化機械布局、調(diào)整水位觀測節(jié)點、精化調(diào)控邏輯與方法，可消除冗余的技術(shù)復(fù)雜性，提高操縱的速率，使得排水設(shè)施能夠迅速響應(yīng)并高效運轉(zhuǎn)，因此，為了更好地優(yōu)化作業(yè)流程，工作人員應(yīng)該大力整合前沿技術(shù)工具和數(shù)字化設(shè)備，并借助先進(jìn)的信息技術(shù)和精密的數(shù)據(jù)分析方法，以此實現(xiàn)對污水管網(wǎng)的遠(yuǎn)程智能調(diào)控與監(jiān)督。通過這種方式能夠最大程度地提高整個系統(tǒng)的自動化程度與智能化水平，并有效優(yōu)化排放水體的效率和管理水平，使系統(tǒng)能夠有序運轉(zhuǎn)。值得注意的是，在改進(jìn)作業(yè)流程的過程中，還應(yīng)該對工作人員展開培訓(xùn)，不斷提高工作人員的專業(yè)水平，使其在日常工作當(dāng)中能夠精通優(yōu)化流程和前沿技術(shù)，進(jìn)而顯著提升團隊的執(zhí)行效率和對環(huán)境變化的適應(yīng)性。通過構(gòu)建并優(yōu)化績效評估及獎勵機制，以此來激發(fā)團隊的工作熱情與創(chuàng)新潛力，進(jìn)而促進(jìn)工作流程的不斷進(jìn)步與完善。

3 結(jié)束語

相較于常規(guī)調(diào)度方案而言，文章通過正交試驗法對圩區(qū)泵閘群自動化調(diào)控展開設(shè)計，并借助有限的試驗對各種開機方案及運行規(guī)則下的排澇總能耗進(jìn)行排序，以此來得到最佳的調(diào)控方案，降低能耗。文章的研究不僅能夠加強圩區(qū)泵閘群自動化水平，還可以更好地進(jìn)行調(diào)控，降低能耗。

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