（电气工程专业论文）城市分布式泵站排水系统综合节能与协调优化控制研究.pdf

浙江大学博士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t u r b a nd r a i n a g es y s t e m sa r en o n - l i n e a rc o u p l e ds y s t e mw i t l lm u l t i i n p u ta n dm u l t i o b j e c t i v ec o m p l e x i t yo ft h ew i d eg e o g r a p h i c a ld i s t r i b u t i o n u 1 1 r e a s o n a b l ee m i s s i o nc o n t r o l m e t h o dw i l lc a l i s eh i 出e n e r g yc o n s u m p t i o no fp u m p sa n dp o l l u t i o no fs e w a g eo v e r f l o w a i m i n ga tt h ep r o b l e mo fc o m p r e h e n s i v ee n e r g ys a v i n ga n dc o o r d i n a t i v eo p t i m i z a t i o nc o n t r o l o fd i s t r i b u t e dp u m p i n gs t a t i o n si nu r b a nd r a i n a g es y s t e m s ，t h em a i nr e s e a r c ht o p i c sa n d c o n t r i b u t i o n so ft h ed i s s e r t a t i o na r e ( 1 ) ap u m pg r o u pc o n t r o lb a s e du r b a nd r a i n a g ec o n t r o ls y s t e m sm o d e lw a se s t a b l i s h e dt o d e s c r i b et h eu r b a nd r a i n a g es y s t e m sc o n t a i n i n gu n e x p e c t e dp i p e l i n ed e l a ya n dm u t u a lr e l a t i o n s b e t w e e np u m p i n gs t a t i o n s a c c o r d i n gt ot h ea f f i n i t yl a w s o fp u m p ，ag e n e r a lf o r m u l af o r v a r i a b l e - s p e e dc h a r a c t e r i s t i co fp u m pg r o u pw a sd e r i v e d ，t h e na ne x p o n e n t i a ll a wb a s e d n u m e r i c a lm o d e lo fv a r i a b l e s p e e dp u m pg r o u pw a so b t a i n e d b a s e do nt h ep r o p o s e dn u m e r i c a l m o d e l ，强o p t i m a lr e a l t i m ef l o wm e a s u r e m e n tm e t h o dw a sd i s c u s s e d 孔ee f f e c t i v e n e s so ft h e m e a s u r e m e n tm e t h o dw a st e s t e dt h r o u g he x p e r i m e n t s ( 2 ) t a k et h ee n e r g y - s a v i n go p e r a t i o no fd i s t r i b u t e dp u m p i n gs t a t i o n sa st h et a r g e t ，t h e e n e r g y - s a v i n gm e c h a n i s mt h a ti n t e g r a t e sr e d u c i n gs t a t i ch e a da n dd y n a m i ch e a dw a sa n a l y z e d t h e n , t w oo p t i m i z ee n e r g y - s a v i n gm e t h o d sf o rv a r i a b l e s p e e dp u m pw h i c ha r ea p p l i c a b l et o d i f f e r e n tc o n d i t i o n sw e r ep r e s e n t e d ：1 ) ah i g he f f i c i e n ts e l f - a d a p t i v ec o n t r o lm e t h o df o l l o w st h e v a r i a t i o no fs t a t i ch e a d t h i sm e t h o di ss u i t a b l ef o rt h es i t u a t i o nt h a tl a r g er a n g eo fs t a t i ch e a di s d i f f i c u l tt oc o n t r o la n dt h er a t i oo fh e a da n de f f i c i e n c yi sn o ts a t i s f i e dw i lt h el a wo f d i m i n i s h i n g 2 ) a ni n t e g r a t e do p t i m a lc o n t r o lm e t h o dc o n s i d e r i n gt h ep o w e ra n de f f i c i e n c yo f p u m ps i m u l t a n e o u s l yt a k e st h er a t i oo f h e a da n de f f i c i e n c ya st h ep e r f o r m a n c ei n d i c a t o r t h i s m e t h o di ss u i t a b l ef o rt h es i t u a t i o nt h a ts t a t i ch e a di se a s yt os e l f - r e g u l a t i o na n dt h er a t i oo f h e a da n de f f i c i e n c yi ss a t i s f i e d 丽t l lt h el a wo fd i m i n i s h i n g n ee n e r g y - s a v i n ge f f e c to ft w o m e t h o dw a sc o m p a r e dt h r o u g he x p e r i m e n t a t i o n ( 3 ) a d d r e s s i n gt h eo p t i m i z ec o o r d i n a t i o nd e m a n do fl a r g eg e o g r a p h i c a l l yd i s t r i b u t e du r b a n d r a i n a g es y s t e m s ，a n dt h ed e c l i n ei nt h eq u a l i t yc o n t r o la f t e rt h ei n t r o d u c t i o no fn e t w o r k e d c o n t r o l ，ah i e r a r c h i c a lc o o r d i n a t eu r b a nd r a i n a g en e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m sw a sp r e s e n t e d a n a d a p t i v ep a r a m e t e re s t i m a t i o nl a ww i t hi n i t i a lv a l u em a t c h i n gw a sp r o p o s e d b a s e do nt h e v 浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t p r o p o s e dl a w , am u l t i m o d e ls w i t c h i n gc o n t r o lm e t h o di n t e g r a t e do fp r e d i c t i v ef u n c t i o n a l c o n t r o l ( p f c ) w a sd e v e l o p e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a ti th a sb e t t e rp e r f o r m a n c eo f s y s t e mi d e n t i f i c a t i o nt h a ta p p l y i n gt h ep r o p o s e dp a r a m e t e re s t i m a t i o nl a wt or e g i o n a ls t a t i o n c l o s e d - l o o pc o n t r o ls y s t e m si n s t e a do fu s i n ga r m a xm o d e l ，a n dt h ep r o p o s e dc o n t r o lm e t h o d h a sg o o dr o b u s t n e s s ( 4 ) i no r d e rt oi m p r o v ec o m b i n e ds e w e ro v e r f l o w s a n i t a r ys e w e ro v e r f l o w ( c s o s s o ) p r o b l e mb r o u g h ta b o u tb yd i f f e r e n c e si no p e r a t i n gc o n d i t i o n so fs p a t i a l l yd i s t r i b u t e d d r a i n a g es y s t e m s ，ac o o r d i n a t e dd i s c h a r g es c h e d u l i n gm e t h o dw a sd i s c u s s e d ，w h i c hi sa d a p tt o d i s t r i b u t e dp u m p i n gs t a t i o n si nu r b a nd r a i n a g es y s t e m s b yt h ed i s c h a r g es c h e d u l i n gm e t h o d a n di n t r o d u c t i o no ft h ei n t e r a c t i o np r e d i c t i o nm e t h o d ，o p t i m a lc o n t r o lw i l lb ec o n v e r t e di n t o m u l t i - o b je c t i v eo p t i m i z a t i o ni n t e g r a t i n go p t i m a lc o n t r o la n dc o m p r e h e n s i v es c h e d u l i n g t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tc o o r d i n a t i v eo p t i m i z a t i o ni sa b l et oe f f e c t i v eu s eo ft h ec a p a c i t yo f t h ed i s t r i b u t e dd r a i n a g ep u m p i n gs t a t i o n si nt e r m so fc o n d i t i o n sd i v e r s i t yw h e nt h ei n f l o wd o e s n o te x c e e dt h et o t a lc a p a c i t yo fd r a i n a g ep u m p i n gs t a t i o ni ne v e r yl e v e l ，w h i c he n s u r e so v e r a l l n o n es e w e ro v e r f l o w t h i sc o o r d i n a t i v eo p t i m i z a t i o nm e t h o dd o e sn o ta f f e c t e db yt h ec h a n g e s o f p i p e l i n ed e l a ya n dd e c i s i o n - m a k i n gv a r i a b l e s ( 5 ) am u l t i c h a n n e l ，p a r a l l e ln e t w o r ka r c h i t e c t u r eb a s e do nt h eo p e ns t a n d a r d se t h e m e ta n d i n t e r a c tw a sd e s i g n e d i nt h eb a s i so ft h ea r c h i t e c t u r e ，c o o r d i n a t i v en e t w o r ks c h e d u l i n go f m u l t i - t y p ea n dm u l t i l o o pc o n t r o l l e r so fd i s t r i b u t e dp u m p i n gs t a t i o n si nu r b a nd r a i n a g en e t w o r k e d c o n t r o ls y s t e m sw a si m p l e m e n t e d ，w h i c hp r o v i d eas o f t w a r ep l a t f o r mf o ro p t i m a lh i e r a r c h i c a l c o n t r o lo f t h ec o o r d i n a t i o no f d i s t r i b u t e dp u m p i n gs t a t i o n si nu r b a nd r a i n a g es y s t e m s k e y w o r d s ：d i s c h a r g eo f d i s t r i b u t e dp u m p i n gs t a t i o n s ；c o m p r e h e n s i v ee n e r g ys a v i n g ；c o o r d i n a t i v e o p t i m i z a t i o ns c h e d u l i n g ；m u l t i o b je c t i v e ；p u m pg r o u p ；h i e r a r c h i c a lc o n t r o l v i 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研 究成果，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位燃：j 百寸。銮， 签字日期：夕矿叩 年罗月，口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解迸至三盘堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝鎏盘堂可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文储签名沥哼、圭) 签字日期：q 年月口日 导师签名： ；翻惟 签字日期：矽7 年夕月秒日 ， 浙江大学博士学位论文 致谢 致谢 科研碰壁时的痛苦与对交流的渴望，论文录用时的欣喜，同学毕业时的惆怅与不舍，种种不 同的情景与情绪，都曾使我反复想像过自己在毕业论文完稿之际，向在我的博士求学过程中直接 或间接帮助过自己的每一个人发自肺腑地道一声谢。现在终于到了这一刻，却不禁有些语涩。 首先要衷心感谢导师汪雄海教授在我整个攻读博士研究生期间的悉心指导! 感谢恩师汪雄 海在论文选题、思路整理和撰写方法上提供的大量宝贵意见，以及身体力行地指导我们如何解 决各类实际工程应用中的控制问题。一直以来，恩师汪雄海严谨求是的工作态度，在学术上的 严格要求，修改论文时的字斟句酌，在生活上慈父般无微不至的关怀，都历历在目，难以忘怀。 玉泉老和山下近两千个日与夜的酸甜苦辣，汇织成了我的研究生生活感谢浙江大学 为我们提供了这样一处幽静美丽的学习工作环境，或者说感谢命运让我有机会在这个高等 学府完成我的博士学业 感谢各位实验室同门，感谢他们在科研学术和课题研究上给予的帮助，感谢他们使我 感受到团结的力量和生活的乐趣。感谢张青、周旭强、马义方、张琴、孙福寿、陆玲霞、 张将府、杨成成、张伟、黄美春、李双双、陈丽琳、宋春福、夏莹莹、苏国军，以及实验 室其他已毕业的和未毕业的同学。同时，感谢我的几位挚友：吴邵庆、潘啸、冷雁，在与 他们学术和生活上的交流使我受益匪浅 此外，还要感谢一直给予我关心与指导的张树有教授，曾经教授过我的各位专业课与 非专业课老师，学院研究生科和团委的各位老师，寝室室友，帮助我排版校对毕业论文的 曹老师，是他们使我在攻读博士期间的见识更广泛，经历更丰富，工作开展更顺利。 论文的完成还得益于杭州市排水公司生产管理部门及泵站职守工作人员的支持与配 合，特此感谢。此外，对论文中所引文献的作者也表示深深的敬意。 深深感谢我的父亲和母亲，女友黄斯涵和她的父母! 他们同时在精神和物质上不遗余 力地给予我支持，尤其是精神上的不断鼓励相比之下，我能给予他们的回报却一直很少。 千言万语无法表达对他们的感激与愧疚，谨以此文献给他们，并在以后的生活中努力回报。 最后要感谢博士学位论文评审和博士学位论文答辩委员会的诸位专家、教授在百忙中 对本文工作的专业指导! 同时再次对所有曾给予过我关心与帮助的老师、同学和亲朋好友 表示感谢! 非常感谢! 何中杰于求是园 浙江大学博士学位论文 绪论 1 绪论 1 1 引言 全国每年工业，生活污水排放量已达约6 0 0 亿立方米，9 0 的城市水域受到不同程度 的污染；尤其南方城市作为水源的地表水都受到不同程度的污染。据国家环境保护总局统 计，近2 0 年间，全国污水排放总量增加了2 倍多，每年约有1 3 的工业废水和2 3 的生活 污水未经任何处理就直排，江河湖海遭受严重污染，直接导致水质性缺水。研究结果表明， 污水得到有效处理的前提下，水体受纳废污水量在水体天然水量1 1 0 ( 即水体污径比在1 - 1 0 ) 以内时，受纳水体的天然自净能力能够得到较好利用和发挥，否则受纳水体生态系统 将出现失衡局面。现代城市大量的生活污水、工业废水和雨水径流经排水系统的运输和处 理，以实现城市的除涝安全和污染控制，因此排水系统是城市水循环的重要环节。城市排 水系统遍布整个城市，不论是传统合流制排水系统还是新型分流排水体制，由于强降雨或 人群排污突增，在缺乏全局协调优化控制的情况下区域入水量可能大大超过泵站或处理厂 的排放处理能力，未经处理的污水溢出进入受纳水体，造成大面积水体污染，环境和公众 健康受到影响 水泵、风机是应用量大，面广的耗能设备，其用电量占全国电量生产量的3 1 ，占工 业用电量的4 5 5 0 。城市污水排放处理是大功率水泵设备应用的重点行业之一以杭城为 例：日均产污水1 5 0 万立方米，年量5 5 亿立方米，每年至少需处理近5 亿立方米的污水。 污水从各泵水站送到远郊处理厂链级提升排放次数约4 “次，以4 级排放计：杭城提升污 水量达2 2 亿立方米。全国污水排放处理系统的水泵用量极大 城市排水系统属多输入、多目标的复杂非线性耦合系统，任何不当控制都会造成污水 溢出污染环境或电能虚耗早期的泵站控制系统主要依靠人工值守，难以实现优化协调 为了防止污水溢出，工程上常采用适当预留水位空间的方法，泵站多在低水位、高扬程下 运行，电能浪费大，投入运行的泵机机组也往往不是最佳组合 单位时间内，每座污水处理厂处理污水能力有限，区域泵站提升污水能力及管网通过污 水容量也是有限的，而污水流量输入却具有不确定性、非线性和滞后性；进水水位、污水流 量及其变化率受人为排放、降雨及区域泵站纳容、回流等不确定因素影响；区域泵站管网间 还有污水链级制约影响这些问题都是仅通过单个泵站的控制难以很好解决的仅以单个泵 站为研究对象的控制方法时常会出现前级泵站向某后级泵站过量送水，使后级泵站溢流，造 浙江大学博士学位论文绪论 成污染，增加了无效工作；同时其他后级泵站却有可能因进水量不足而运行在低扬程或低效 率区，难以充分利用泵站的排放能力和综合整个管网系统的信息实现最佳节能排放 综上所述，城市污水排放控制具有城市环保和综合节能的重大意义分布式机泵 群节能优化控制问题，合流制污水溢流( c o m b i n e ds e w e ro v e r f l o w ，c s o ) 和分流制 污水溢流( s a n i t a r ys e w e ro v e r f l o w ，s s o ) 控制问题、以及泵站间或泵站与污水处理 厂问的流量协调优化调度问题，是污水排放领域的突出问题，类似问题同样也出现在 给水、油田机泵控制等领域。 1 2 城市排水系统研究现状 1 2 1 城市排水系统模型及相关应用 传统的城市排水系统模型研究主要集中于水文水力物理模型。自2 0 世纪7 0 年代以来， 随着计算机技术的快速发展，考虑到物理模型的局限性，城市排水系统模型研究也更侧重 于包含水文水力模型的降雨径流模型、溢流模型和综合雨水管理模型等计算机数值模型。 基于综合雨水管理模型的应用软件可用于预测排水系统内污染物的产生、转移及排放【1 6 】 在降雨径流模型及应用方面，我国台北科学家m h h s u 和s h c h e r t 川结合暴雨监 管模型s w m m ( s t o r mw a t e rm a n a g e m e n tm o d e l ) ，对城市排水系统建立了洪水过程模拟 模型。e p a p p e n b e r g e r 等人则建立了洪水的不确定性模型【1 0 ，1 1 】y d i e b b a r 等人【3 】将神经网 络引入分流管系流量估计。e p r e v i d i 等人【8 】根据降雨量数据，采用a r x 和n a r x 模型对 排水管网中集水池的降雨径流量进行辨识，并做了对比r k l e e t 3 6 】根据流量观测数据提 出了污水截流管尺寸选择的计算方法【3 5 1 ，并使用强降雨时的流量观测数据辨识排污系统 入流渗流( i n f i l t r a t i o n i n f l o w ，i i ) 量e s m i t c h e l l & p l s t e v e n s t 3 羽研究如何从排污系统的 实测流量数据集中得到有效数据信患的最大化，得出流量的准确测量是保证入流渗流 ( 1 1 1 ) 数据分类精度基础的结论。 在溢流模型及应用方面，德国的t g s c h m i t t 等人【9 】建立了城市排水系统的溢流仿真 模型，并以凯泽斯劳滕市的局部排水区为对象进行仿真研究验证了该模型。m b u y e r 等人 【4 1 1 研究了使用围堰调节c s o 排放控制，建立了相关的数值模型。丹麦a a l b o r g 大学的s t h o m d a h l 等人首先建立了基于一阶可靠性方法( f n s t - o r d e rr e l i a b i l i t ym e t h o d ，f o r m ) 和局域降雨数据的c s o 模型【1 2 l ，并使用商业软件d h i 的城市排水建模工具m o u s e ，通 过采集丹麦a a l b o r g 一小型城市集水池( u r b a nc a t c h m e n t ) 的流量数据，并记录溢流事件 2 浙江大学博士学位论文绪论 ( c s oo c c r i t c r l c c ) ；然后应用广义似然不确定估计( g e n e r a l i z e dl i k e l i h o o du n c e r t a i n t y e s t i m a t i o n ，g l u e ) 法来检验城市排水水力模型和观测数据的匹配度【1 3 】 综合雨水管理模型及应用方面，美国环保局( e p a ) 早在7 0 年代就开始了暴雨监管 模型s w m m ( s t o r mw a t e rm a n a g e m e n tm o d e l ) 的研究，所研发的雨水管理模型s w m m 能模拟降雨和污染物质经过地面、排水管网、蓄水和处理设施，可作单一事件或长期连续 时期的模拟；在9 0 年代末，基本上成功地控制了点源污染，并开始重视非点源径流污染 的控制，为减小污水溢出次数而努力在相关的应用软件开发上，丹麦的数值模拟软件 d h im i k e ( h t t p - w w w d h i g r o u p c o r n ) 可用于城市给排水管网和污水处理厂，其中的 m i k es w m m 是基于e p as w m m 的模拟系统，可用于模拟城市污水和雨水管网；而 m i k eu r b a n 软件包则是基于g i s 界面的城市给水管网和排水管网模拟系统，并同时支 持s c a d a 。基于图形式交互界面的雨水和污水管理决策支持系统x p s w m m ( h t t p ： w w w x p s o t h v a r e c o r n ) ，能够执行水文、水力及水质分析计算；i n f o w o r k s 和f l o o d w o r k s ( 英国w a l l i n g f o r d 软件公司) ，e p a n e t 等也具有类似功能。目前这方面研究重点之一是 决策支持管理系统与s c a d a 结合的软件 城市污水排放处理系统遍布整个城市，是一个广地域分布的复杂大系统，泵站间存在 链级制约作用由城市排水系统模型研究及应用现状可知，当前排水系统的模型研究主要 二 通过雨水管理模型等预测并实现溢流控制然而，排水量、排水耗能同时受分布式泵站纳 容、管道长度和各站点机组容量等确定因素，强降雨或人群排污等造成的流量不确定因素， 以及泵站目标水位和围堰闸高度设定、机泵群排水量、各级间的流量协调优化调度量等人 为控制因素的影响。因此，在结合机泵群控制和协调优化调度的城市分布式泵站排水控制 系统数学模型方面还有待进一步探索。也有学者做了相关研究，如俄罗斯学者y a e r m o l i n 2 1 - 2 3 研究了排水系统流量调度模型；英国d e m o n t f o r t 大学的b u l a n i c k i 等人以节资和优 化算法研究为目标，在机泵制造厂商提供的机泵性能曲线图基础上，建立了并联调速机泵 群的效率和功率特性数值模型【1 5 1 ；但都仅限于其中的某个方面，且在模型应用方面还有 待进一步深入研究与探索。意大利的c a n d r e a 等人【1 4 1 以全局水库系统的高效运行控制为 目标，从经济和环保的角度综述了水力发电的输入流量不确定性建模，多维状态量非线性 系统建模，以及多目标综合；其研究成果对城市排水综合节能与优化协调控制系统的建模、 模型降阶和多目标综合有一定的借鉴意义 浙江大学博士学位论文绪论 1 2 2 城市排水系统溢流控制 随着人们对环境污染的重视，城市污水全局安全清洁排放的需求e t 益提高，c s o 与 s s o 的溢流污染控制逐渐成为世界范围城市排水领域内关注的焦剧2 9 - 3 1 1 。 c s o 控制的传统方法有【3 2 1 ：加大管道冲洗，增大系统的运输与储存能力，减小雨水 入流量，改建溢流设施，改变污水处理厂的运行方式以适应短期雨水洪峰等，使现有系统 效率最大；线内与线外调蓄池，通常用于截流发生频率较高的降雨和强降雨的“初期”雨水， 待下游管道及处理厂有空余能力之后再将污水排入下游。虽然调蓄池不能完全消除溢流， 但却是公认的经济有效的控制方法；以及采用雨污分流( s a n i t a r ys e w e r ，s s ) 体制 m l b a c h a n d & m b g i l b e r t 3 3 1 通过增加泵站纳容、调蓄池蓄水量、管道容量等方法来改善 美国路易斯安那州b a t o n r o u g e 的s s o 问题 近年来，随着c s o s s o 溢流模型的不断改进，西方国家在溢流污染控制方面取得了 进一步的理论研究和应用成果h y p a r k 等人【6 】以c s o 控制为目标建立了芝加哥市j e e r y m a n o r ( j m ) 地区的水力模型j g s z a b o 等人【弘】讨论了美国俄亥俄州辛辛那提排水系统在 雨季的c s o 控制处理能力。z z h a n ge 3 9 i 入了基于自回归偏差基础的回归方法，支持考 虑包含降雨引起入流渗流( i i ) 变化量的统计预测，改进的i i 预测法提高了排水系统对 s s o 的控制能力。g l u y c k x 等人【柏】针对不同结构的c s o 原型，提出了对应的沉淀物分离 低次效率特性曲线，这些效率数值模型主要受排水管网中沉淀物的沉淀速度分布影响。 目前针对排水系统的c s o s s o 控制主要在水文水力模型、降雨径流模型及雨水管理 模型基础上，结合溢流控制的传统方法，讨论有降雨或强降雨情况下的c s o s s o 控制， 以及与控制面源污染相关的c s o s s o 排放负荷估计、面源污染控制对策的评价等，最终 实现雨水管理及安全排放控制。但传统的溢流控制方法存在高投入的问题，以雨水管理为 主要手段的溢流控制也难以综合高效节能和机泵控制量优化等多重目标，所以综合考虑各 项指标的全局协调优化溢流控制研究显得尤为迫切 另一方面，大部分相关研究中的模型估计校验以天气预报或降雨量测量为主要手段 天气预报可以预测某日的天气，但往往无法准确到某日的某段具体时间；而若采用雨量计 ( r a i ng a u g e ) ，则测量数据往往受安装所选局部分区域影响，难以覆盖全局工况，且硬件 投入成本也随雨量计数量的增加而增加。通过降雨量测量校验模型主要可用于估计城市排 水系统中各区域的实时流量变化，为溢流控制提供决策支持；因此，探求更经济有效的实 时流量量测方法及相关排水系统模型估计校验方法具研究价值。 4 浙江大学博士学位论文绪论 1 2 3 城市排水系统节能与优化拉制 由于污水管网的水源来自各类用户废水及部分降水，属广地域分布系统，其流量具有 不确定性、非线性和滞后性，不合理的排放控制方式造成污水溢出污染的同时伴随有高能 耗问题随着环保、节电意识的不断增强，污水安全经济排放的优化控制问题日益受到关 注，排水系统的节能与优化控制水平有了一定的提高 2 1 9 0 年代以来，国内外针对泵站的控制提出一些新的控制方法和策略，如日本的s y a g i s s h i b a 首先将模糊控制和遗传算法用于泵站控制系统【2 0 1 ，并进行了仿真研究；1 9 9 5 年， 英国伦敦建立了用p l c 控制泵站的地下水排放系统同期国内也开始将变频器用于机泵 调速，在获得节能效果的同时避免水锤效应。但这些优化控制研究均未从机泵的综合节能 机理上分析如何实现泵站的综合高效节能控制。 浙江大学电气学院自1 9 9 7 年开始，一直致力于泵站的节能与优化控制研究，取得了 包括获省部奖和论文在内的一系列成果文献 1 7 】以前后链接泵站的能耗为目标函数，通 过改进遗传算法调整模糊控制器的规则来优化模糊调速控制器的参数，能较好地实现泵站 水位稳定控制，算法收敛性好文献 1 8 】针对泵站的流量扰动，将预测控制引入泵站节能 控制，提高了系统控制的鲁棒性，提供了一种解决污水泵站运行中溢流问题的方法在借 鉴遗传算法等先进算法在电力系统机组组合优化的成功应用基础上【2 5 之7 】，针对污水泵站机 组泵水扬程多交、起动控制任意性大等不合理运行方式导致的泵水耗能较高、综合节电效 果差的问题，文献【1 9 】将遗传算法引入泵站的机组组合优化控制，提出了利用遗传算法寻 优选择启停合适容量机泵，选择调速运行机泵，提升了节能效果。 由于城市排水系统的广地域分布特性，局部控制存在难以协调优化的局限性，有研究 开始重视污水排放系统的全局优化控制。1 9 9 2 年美国西雅图开始研究将全局优化控制策 略应用于其城市排水管网系统，但其他城市仍以局部响应控制控制为主y a e r m o l i n 2 1 1 给出了排水系统在前后级联泵站流量约束条件下的节能指标，以期通过排水系统的全局流 量调度来达到节能的目标2 0 0 1 年，加拿大的m a r t i n p l e a u 4 2 】等人为了解决魁北克的城市 污水溢流至圣查理斯河及圣劳伦斯河造成的河流污染，开发了一套基于无线电通信和闸门 控制的全局优化( g o c ) 实时控制( r t c ) 系统，以期减少c s o 发生频率和溢流流量； 并在2 0 0 5 年给出了相关运行结果的分析【4 3 1 m m a e d a 等人【2 8 1 研究了通过实时测降雨量和 满管率来实现日本东京排水系统的实时控制( r t c ) 同期西班牙的l f i g u e r a s 和 g c e m b r a n o 等人提出了以环保为目标的优化控制策略，在v c + + 编程环境下开发了一个基 浙江大学博士学位论文绪论 于对象的数学模型建立和仿真工具，并将其用于巴塞罗那的污水排放系统进行测试 4 4 , 4 5 1 由于传感器精度，计算机网络通信的可靠性，控制系统架构的稳定性，以及缺乏有效 的全局控制数学模型等方面的不足，当前世界各国的污水排放系统仍以局部响应控制 ( l r c ) 为主。虽然也有城市排水系统全局优化控制方面的研究，但尚处于起步阶段，控 制目标和控制手段较单一；缺少对泵站综合节能机理和参数优化选择的详细分析；也没有 探究区域工况差异和支流扰动影响下如何根据泵站的相互链接作用来实现协调优化调度 以充分利用各泵站的排污能力，从而实现综合节能优化和c s o ( s s o ) 多目标控制此外， 基于无线通讯网络的全局控制系统存在占用频道资源、数据易丢失等问题。 随着经济发展，当今中国城镇正逐步扩大形成中心城市、大城市，而排水管网系统也 逐级向外延伸，旧管网难改造，排水呼唤新的全局c s o ( s s o ) 优化控制和流量协调调度 方法，而节能也已成为一个全社会所关注的问题。有效地进行城市排水系统的综合节能控 制与优化协调调度，不仅与居民的生活质量密切相关，而且还关系到电能合理高效地利用 和分配，因此日益受到大中城市市政及水务部门的关注 如何建立合理的城市分布式泵站排水控制系统模型和机泵群特性模型，实时计量全局 工况流量和水位，以及制定合适的优化协调控制策略与调度方法，从而实现综合考虑分布 式泵站排水系统c s o s s o 问题的节能与全局协调优化调度多目标控制，都是目前该领域 值得研究的重点和难点 1 3 网络控制及其在城市分布式泵站排水系统中的应用 1 3 1 网络控制概述 计算机技术和网络控制技术近年飞速发展，在控制应用方面也已取得了令人惊喜的成 就按照控制器、执行器、传感器的物理空间距离分布及信号传输方式，可将控制分为本 地控制和远程控制。远程控制通信体系结构的主要发展历程为：现场总线控制系统( f c s s ， f i e l db u sc o n t r o ls y s t e m s ) 一集散控制系统( d c s s ，d i s t r i b u t e dc o n u t r o ls y s t e m s ) 一网络 控制系统( n c s s ，n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ) 有别于传统的远程控制系统，网络控制系 统( n c s s ) 是基于开放网络和通用协议的在y h k i m ，h s p a r k & w h k w o n 4 明于1 9 9 6 年提出的n e t w o r k - b a s e dc o n t r o ls y s t e m ，以及马里兰大学的g c w a l s h & h y e 【4 9 】等于1 9 9 9 年提出的n c s s 相关文献中，网络控制系统通过各类网络实现远程控制和调度，需解决网 6 浙江大学博士学位论文 绪论 络诱导( 传输) 时延、拥塞和信号丢失等通信品质问题导致的系统不稳定或控制品质下降 问题，同时保证系统的安全网络控制可应用于教育、电力、航天、石化、污水排放，水 处理、农业灌溉、交通、汽车、造船、城市基础设施等不同行业和领域【5 1 - 6 0 网络控制系统从功能上大致可将分为三大类：遥控( t e l e o p e r a t i o n ) ，监管控制 ( s u p e r v i s o r yc o n t r 0 1 ) 和网络反馈控铜 ( f e e d b a c kc o n t r o lo v e rn e t w o r ko rn e t w o r k e df e e d b a c k c o n t r 0 1 ) 【删其中网络反馈控制不需要人的参与，实时性强、可靠性高，但网络通讯质量对 控制稳定性等控制性能的影响仍困扰着研究者。很多学术论文从推导网络通讯模型 5 0 , 6 1 1 ，分 析时延【1 弭1 0 9 1 、丢包【1 1 0 也6 1 ，采样间隔和采样信号的发送【1 0 0 - 1 嘲等方面研究网络反馈控制的 稳定性和实时性，在有损网络估计，控制器综合等方面做了很多有益的工作针对不同的 应用对象，网络控制系统可选择上述其中一类控制方式，也可组合使用目前对于监管控 制和网络反馈控制两类研究较为丰富，尤其网络反馈控制更是当今国内外的研究热点。 y t i p s u w a n 和m yc h o w 6 1 】在对n c s s 控制方法的回顾中，从结构上将网络控制分为 直接结构和分层结构两大类。虽然其文主要是针对直接结构的，但只要将远程闭环系统看 作为一个控制对象，直接结构中的方法也适用于分层结构 t c y a n g 6 2 】回顾了n c s s 对传统大系统控制方法的影响，提出了一个n c s s 的通用研 究结构，给出了两类广义n c s s 问题( 即直接结构和分层结构) 的系统描述方程，并考虑 了相关应用问题。单个n c s s 回路可以被认为是由两个子系统通过网络信道交织而成，方 框图1 1 代表了研究网络控制的一个通用结构 对于a 类问题，即直接结构控制，图1 1 的子系统1 代表了一个用传感器和驱动器控 制的分布式系统子系统1 ：。= ( a ，b ，c ，d ) 是连续的，并有状态变量x ，输出向量y 和 输入向量u 。子系统l 连续状态方程： j c ( t ) = a x ( t ) + b u ( t ) y ( f ) = c x q ) + d u ( t ) 子系统2 代表了一个控制器：= d + c ，这里d 和c 分别代表了观察器和控制器 的变化该通用公式对有线和无线网络都适用。在满足一定前提条件下，该方程还可离散 化，便于微机控制 对于b 类问题，分层结构控制，图1 1 的子系统1 代表了本地受控系统，子系统2 代表了一个远程自适应协调算法控制器，两者通过位于本地的微控制器连接y ( f ) 的延时 信号以f ) 是自适应算法所需的信号；而v ( f ) 的延时信号“o ) 是子系统1 控制器的受控参数。 a 类问题的通用公式，也适用于b 类问题 7 浙江大学博士学位论文绪论 1 3 2 网络控制的通信协议 子系统l u y t 网络通讯信遭 ( 延时并可能数据丢失) t0 v 子系统2 w 图1 1网络和控制的一般结构 网络协议决定了n c s s 中控制信号