（环境工程专业论文）南京市给水管网优化调度模型校验及应用.pdf

摘要 随着城市给水规模的不断增大，给水系统所带来的巨大能耗，力 其是由于不合理运行方式所带来的巨大能量浪费显得日益突出，传纠 的经验调度方式已不能适应现代化社会发展的需要。在满足供水7 j 量、水质和水压要求前提下，最大限度地提高供水系统的经济效益硐 社会效益，其主要途径就足实施给水系统的优化调度运行。 为了使南京市给水管网优化调度软件更好地指w i - ? ：实际，本谢 题在对阿冀盯h 给水管恻模，魁校核、水泵特性参数校准的丛础i ：对优化 调度模j 魁进行了校验，j ：进行了为期一删的生产：试运行应川，以榆骊 优化明度软件的稳定性、可舷性和准确性。研究鲜i 果嵌哕j ：i 柯京i i j 给 水管网优化调度软中l ：能积极地指导日常供水调度：r i i - ，依据优化调腹 方案运行，有效降低了供水单位电耗，并且有利丁供水系统安全平甓 运行和产销差率的降低。 南京水司利用微观模型进行大规模给水系统优化调度的研究，在 中国是第一次，该项目被列为南京市市政公用局“十五”期间重点荆 技创新项目，成果已于2 0 0 3 年l o 月通过了省级鉴定。 关键词：给水管网、水力模型、优化调度、模型校验 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n go ft h ew a t e rs u p p l ys c a l e ，t h em a g n i t u d eo ft h ee n e r g y c o n s u m p t i o n ，e s p e c i a l l yt h eh u g ew a s t eo fe n e r g y , w h i c hw a sb r o u g h tb yt h e u n r e a s o n a b l eo p e r a t i n gm e t h o d ，h a sb e c o m em o r ea n dm o r ep r o m i n e n t ，a n dt h e t r a d i t i o n a ld i s p a t c h e rh a sa l r e a d yb e e nu n a b l et oa d a p tt ot h ed e v e l o p m e n to ft h e m o d e r ns o c i e t y o nt h ep r e m i s eo fs a t i s f y i n gb o t ht h eq u a l i t ya n dq u a n t i t yo fw a t e r s u p p l yb e s i d e st h eh y d r a u l i cp r e s s u r e ，t h em a i nm e t h o dt h a tc a ne n h a n c ee c o n o m y b e n e f i ta n ds o c i a lb e n e f i to f w a t e r w o r k si so p t i m i z i n gt h ed i s p a t c h i n gm o d e t no r d e rt om a k et h ew a t e rs u p p l yd u c t w o r k so p t i m i z a t i o nd i s p a t c h e rs o f t w a r e i n d u c tt h ea c t u a l p r o d u c t i o nb e t t e r , t h i ss u b j e c th a sv e r i f i e d t h eo p t i m i z a t i o n d i s p a t c h e rm o d e l ，b a s i n go nn a n ji n gw a t e rs u p p l yd u c t w o r k sm o d e lc h e c k o u ta n d w a t e rp u m pp a r a m e t e rc a l i b r a t i o n a tt h es a m et i m e ，i th a sb e e nt e s t e di np r o d u c t i o n f o raw e e k t h er e s u l ts h o w st h a tn a n j i n gw a t e rs u p p l yd u c t w o r k so p t i m i z a t i o n d i s p a t c h e rs o f t w a r ec a ni n s t r u c td a i l yw a t e rs u p p l yd i s p a t c h e ra c t i v e l y , a n dd e p r e s s t h eu n i te l e c t r i c i t yc o n s u m p t i o n sa c c o r d i n gt ot h eo p t i m i z a t i o nd i s p a t c h e r i ti sa l s o p r o p i t i o u st oo p e r a t et h ew a t e r w o r k ss a f e l ya n ds m o o t h l y , a n dd e p r e s st h ed i s p a r i t y b e t w e e np r o d u c t i o na n ds e l l n a n j i n gw a t e rc o m p a n yh a su s e dm i c r o c o s m i cm o d e lt os t u d yw a t e r w o r k s o p t i m i z a t i o nd i s p a t c h e r , w h i c hi st h ef i r s tt i m ei nc h i n a t h ei t e mh a sb e e nl i s t e da s a ni m p o r t a n tt e c h n o l o g yi n n o v a t i o ni t e mo fn a n j i n gm u n i c i p a lp u b l i cg o v e r n m e n t d u r i n g 卜五”，a n dt h ep r o d u c t i o nh a sp a s s e da p p r a i s a li no c t o b e r ，2 0 0 3 k e y w o r d ：w a t e rs u p p l yd u e t w o r k s o p t i m i z a t i o nd i s p a t c h e r w a t e rp o w e rm o d e l m o d e lc h e c k o u t 东南大学学位论文独创性声明 y 6 4 5 0 0 6 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我 所知，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，也不包含为获得东南大学或其它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了谢意。 研究生签名：奎望 日期：兰! 竖猢 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和 电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内 容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的 全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：萋移 期：羽妒多；廊 东南人学下程硕i ? 学位论文南京市给水管嘲优化调度模型校验及心用 1 1 课题研究背景 第一章绪论 给水系统是城市的重要基础设旌，是社会生产和人民生活的命脉，在 城市经济建设中发挥着重要作用。随着工业生产能力的提高，城市人口的 不断增长以及人民生活的不断改善，对城市供水系统的要求越来越高。供 水系统的舰模在不断扩大，至1 9 9 8 年，全国6 6 0 多个城市没有水厂2 0 7 5 座，同供水能力达1 1 5 1 3 万立方米。随着给水j ；! i ! 模的不断增大，给水系统 所带来的巨大能托，尤其足山于不合理运行方式所一特来的巨大能量浪赞显 得r | 益突h _ ，传统的经验调度方式已不能适应现代化 l 会发展的i 船要。供 水氽业要挺商经济效艋主要足降低成本1 乜赞在自来水成本【f = i 所占比倒较 大( 一般为3 0 0 o 4 0 1 1 1 ) ，敞降低电耗足封彻w 能办针提r 断d 水静i k 经 济效蕊的咂篮环节。 我供水 f j l k 将遍存靠的问题l ：坚虮i 乜耗人、渊火人、l 嫂l ；馥：餐，衙， 缺乏科学的锋j 机制，这些足制约仓业发展，造成僻m 效菔低f 的l i 婴原 因。面对同益复杂的供水系统，如何在满足供水水睫、水压和水质要求的 j i 挺下，最大限度地提高供水系统的经济效益和社会效益，烛摆在所仃供 水 | 门的重要课题，完成这一任务的课题就是城市给水优化凋度研究。隧 蓉科学技术的不断进步，数学规划、现代控制理论及计算机技术等的不断 发展，有力地促进了大型系统的控制和管理水平的提高，使供水系统借助 计算机工具进行科学优化调度管理成为可能。根据建设部要求，计算机辅 助调度系统在城镇给水应用中的晟终目标就是经济调度、优化调度f 1 、1 。 1 2 国内外给水系统运行调度现状及存在问题 国外自6 0 年代起一些发达国家就_ 丁l = 始了以计算机作为供水系统辅助 调度管理的探索，如象美国的费城、丹佛3 l 及加拿大的多伦多【4 1 等城市， 就是采用遥测设备将管网中控制点的压力、水厂出厂压力、出厂流量、水 位、功率及温度等实际运行参数自动适时地传送到中心调度室，并对超常 东南人学t 程硕i ：学位沧文南京市给水管嘲优化谢度模型饺验发应用 现象作出自动报警，依此作为控制人员实际操作的依据。另外国外学者： 美国的k e l a n s e y 、r o b e r td e m o y e r 、l e o r m s b e e ，英国的r s p o w e l l 、 b c o m b e c k 、p l o w i t t ，日本的k a z u m a s am u g u r u m a 、m t u s m y a m a 及以 色列的u s h a m i r ，c d d h o w a r d 等人也在调度管理的建模上进行了许多 有益的探讨。目前在美国、英国、| i = = i 本、法国等地的一些城市已基本上实 现了供水系统的计算机优化调度管理，并编制了一些较通用的调度管理软 件，如英国的g i n a s “1 及荚国的o p w a d “1 等。 国内的许多专家、学者从7 0 年代起，f 始尝试将计算机技术应川于 供水系统的模拟、优化设计及水厂水质控制等方i 面。在供水优化凋度管理 方面也进行了一些有益的探索和尝试，制作了一些应用软件，如w n w 等，j ：在大庆、郑州、济南、深圳、广州等地进i i 了实际成用，但h q 内砹备条件和技术手段的限制能在供水的n r 报陀和经济性方i f | _ i 郇较成功 的实例j # 不多见”i 。 【司内传统的明度f 段办法比较落后，盹息的f 递t 受足诈报& 和i u i 来实现。t 坚阀门的| ：j f i i 篮镍经验渊度和人f 仳i ) 儿体搛n ；人i ：水 完成，这种竹理梭式不能保证! l - j “竹理的安个商效运行，造成了生产成小 的上升刷人力的浪赞。 南京足我围经济发达大省江苏省的省会城啊历史悠久十： 技进步 举【廿闻名在推动我国历史发展和科技进步进程中发挥符重要的作j f j 。南 京地处江苏省西南部的低i “、丘陵区，属热带季风气候，冬冷夏热，四季 分明。南京市自来水总公司是南京市睢一的公共供水企业，其有5 座水厂 ( 江南4 座，江北l 座) ，7 座主要增压站，日制水规模1 7 8 力立方米天 ( 江北1 5 万立方米天) 。供水管网有2 7 0 0 多千米，分江南、江北两个独 立系统，成环状管网。2 0 0 3 年南京市总供水量为4 2 7 亿立方米，总售水 量为3 4 4 亿立方米，其中生活售水量为2 7 3 亿立方米，工业售水量为 0 7 1 亿立方米。江南2 0 0 3 年总售水量为3 2 9 亿立方米，占全市总售水 量的9 5 6 ，最高日供水量为1 2 8 4 万立方米。2 0 0 3 年供水同变化系数 为1 1 5 ，最高日时变化系数为1 2 0 。 图1 - 1 为南京市2 0 0 3 年同供水量变化曲线，图l _ 2 为2 0 0 3 年各月份 日供水量变化曲线。从曲线可以看出，6 、9 月供水母明显高于其他月份， 2 东南大学t 程硕1 ：学位论文南京市给水管嘲优化悄度模型技验及成用 这与夏季气温商，居民生活用水量大有直接关系。而【、2 月供水量最低， 因冬季天气寒冷，气温较低，居民用水量大大减少所致，全年供水量呈夏 高冬低的规律。从各月份的供水情况看，都存在不同程度的波动，但无明 显的规律可循。 田1 - i 南京市2 0 0 3 年e l 供水变化曲线 图1 - 2 南京市2 0 0 3 年备月份日供水量变化曲线 在给水管网技术管理方面，南京市自来水总公司已经完成了城市管网 监控和采集系统( s c a d a ) 、城市给水管网地理信息系统( g i s ) 、营业抄表 东南人学t 程硕l 二学位论文南京市给水管嘲优化调度模型校验及庶用 计算机管理系统和城市给水管网水力模型的建立，为进一步加强管网的运 行管理和实施给水管网优化调度奠定了良好的基础，在国内城市给水企业 高科技技术应用方面居于全国领先水平。 南京市供水管网的运行调度模式为传统的人工经验调度模式，s c a d a 系统能自动巡测和选站遥测供水网中所有分站的监测量，每2 分刽i 屈0 新一 次，每1 5 分钟存贮一次。其监测量有水厂二泵房开关状态、出水压力、 水量、电量、浊度、余氯、清水池水位、长江水位及全市各测压点的压力 数值。系统实现了供水网生产数据的定时采集、定时存储、集中处理、数 据发布和远程查询功能。调度人员依据s c a d a 系统实测数据和各控制点压 力，结合常年运行经验，来指挥水厂和增压站的机泵开关状态和凋祭变速 泵的频率，以满足用，o 的用水需求。对于南求市这样大规模复杂的供水系 统，仪凭经验干推测不一l 能找到最经济优化的潞度方案，要解决这一问题， 科、# 合理凋度，降低i 三耗，竹约供水成本就必须丌塍优化调度的f i j f 究。 1 3 课题的来源及其研究目的和意义 “订京l l 给水竹刚优化调皮生产应j f j 软件j l ：发项 1 ”j l ! = i ；i 束f i 束水 总公司根据南京市给水瞥网生产运行管理的技术前要确定的l i 选科研项 日，应j ji ：海i 州济宏扬软件有限公司给水管恻优化渊度软f l ：j i ：发成粜，血 接应用于南京市i l l 水管网优化凋皮与生产管】j e 。本项l i = i i 波列为南京市市政 公用局“十五”期间重点科技创新项目，并于2 0 0 2 年被南京市市政府确 定为市科技先导计划项目( 宁政办发 2 0 0 2 1 9 1 号文) 。本项目工作内容同 时也是教育部博士点基金项目( 9 7 0 2 4 7 0 1 ) 。 本课题研究目的是开发微观优化调度模型的校验与应用，形成一套切 实可行的南京市给水管网优化调度软件系统，并在实践中加以有效利用， 将能有效地降低南京市给水管网的运行能耗，节省能源，增强供水安全性 可靠性，为公司带来良好的经济效益和社会效益，并将有力地提高南京市 自来水总公司供水系统管理的科学技术水平，具有厂泛的应用阿景。 东南；= 学工程硕士学位论文南京市给水管嘲优化 j 爿度模型校验及庶用 第二章给水管网优化调度方法及研究状况 2 1 给水管网优化调度方法 给水系统的优化调度运行，指在满足用户对水量及水压要求的前提 下。通过合理组合泵站中的工作水泵及调整变频调速泵的转速范围( 或频 率范围) ，寻找多泵站中水泵工作组的最优运行工况组合，使各水泵均运 行在高效段范围，从而达到最大限度地降低水泵f = i 常运行能耗的目的。 供水系统优化调度主要由三部分组成：一足用水壁预测( 年用水量预 测、日用水量预测、时用水量预测) ；二是建立供水系统网络分析模型( 宏 观模型、微观模j 她) ：三是凋度决茂( 直接寻优方法、二缎寻优方法) n 从实施方式上分为离线优化溯度和在线优化渊度。实肫给水系统微观腆j i ! ! 征线闭环优化明度足f = i _ ii j 年l l 将来给水管例优化渊度的发展方向。 j i 水破颅测属r 优化谢度的l 搿期工作，也足进行优化洲嫂的j 占础厢l 玎 挺，它的准确度i ：t 接影响到它的町敲性和实j | 性，实际调度控制l f i ：要 需进行f i 川1 水聩艉卜h 水破的颅测。预测的方法一般分为i l ；类：解释t e f ! ；i 测方法( 啊p 1 分圻疗法) 和时问序列分折疗法。前抒认为输入突f 砖的变 化会引起系统输出变磺的变化即系统的输入年| i 输出之间存在符e - 种闳果 关系。对于用水皿的输入量一般需考虑气象、人口增长、工商业分斫i 及居 民活动、节假f ； l 作用等影响因素。这种模型对输入变嫩的耥度要求较商， 特别是当进行离线控制时，需对次日整天的用水量进行预测，这就要求次 日的天气、居民活动等的预报资料精度较高，否则，误差可能较高。后者 是把系统看着是一个“暗盒”。可以不管其影响因素，而只关心观测和预 测的结果，其预测过程只依赖历史观测数据，它的数据模式用水量预测中 常用的有指数平滑模型、自回归( a r ) 模型、滑动平均( m a ) 模型、自 回归一滑动平均( a r m a ) 模型、狄色预测模型等8 19 “0 1 。 在空间上可将用水量预测分为总水量预测和节点用水量预测，前者是 指预测系统内每日和每时用户用水总量，主要是为宏观模型的优化调度服 务；后者是预测分配到各用户节点的用水量，其需要了解系统内各用户特 点及以往的观测数据库，并据此建立数学模型，主要为微观模型服务。 东南人学t 程硕 ：学位论文南京市给水管恻优化调度摸型技验及心用 供水系统网络分析模型分为两类：宏观模型和微观模型。前者是出美 国的r o b e r td e m o y e rj r 在1 9 7 5 年提出的】，之后国内外许多学者致力 于这项研究，如国外的o r m s b e e t n l ，t a r q u i na n dd o w d y ”1 及国内的孙伟、 赵洪宾及王训剑【1 5 】、赵新华“1 等。 给水管网宏观模型是指基于观测点所反映出的水厂出水压力与流量 的变化关系建立微分方程，在运行记录的基础上，建立各主要变量随时问 变化的经验关系模型，从而避开了对给水系统复杂结构的研究。宏观模型 比较简单，计算速度快，但模型参数不易准确，需要较t 圭1 0 j 的数据积累年 模型校验。 给水管网微观模型基于管网的网络拓扑结构，建立管网连续性方程及 管网能盈方程，从而通过解析形式获得管网i l 乜括仃点流耻、节点水压、 水泵流m 、水袋扬羁! 芷内的详细水力信息。与宏观摸型相i 比，微观馍型肘 系统的变化及h 点川水f = i = 分斫i 的变化通成性较强仳儿输入数 l ：多，摸j l i ! 的准备和饺验i ：作磺人，汁弹耗丌寸长。准确的竹州微观筷型j f 助j 个i n f 、 详细地了解锵例运行状态，为竹嘲遁 ，凋度方案的决策挺供强f | j 的盘 特。 优化渊皮的【l 】2 后环竹就足建立优化酬度模型，川以硼定优化明皮的决 策变睡值，其目的就足在满足系统约束的i 讨提1 卜，他运行贤川城小。模型 包括目标函数和约束条件两部分，目标函数足给水系统运行成本赞用的数 学表达，约束条件是质量平衡方程、能髓平衡方程、水池水位限制、各水 源供水量上下限、管段水力方程、用户用水量、节点水头限制等。 根据决策变量的选取，分为不同的寻优方式。在直接寻优中，以水泵 运行策略作为决策变量，其计算结果就是计算周期内( 一般为2 4 小时) 运行方式。二级寻优是以泵站出e l 流量或水池水位作为决策变量，其计算 结果是调度周期内水池水位变化轨迹，因此还需要第二次寻优，以确定水 泵运行策略。对于泵站内水泵组合数较少，缺少调速泵的，适宜采用直接 寻优方式，而对于供水系统规模大，泵站多，可调余地大，供水方式较为 复杂的情况，宜采用二级寻优。对于大规模供水管网，近年来一般都倾向 于采用两级优化调度模型方法求解。即先求解各水厂或者泵站的最优水量 分配，然后在泵站内部进行水泵的组合优化。 6 东南大学工程硕士学位论文南京市给水管网优化调度模型校验及应用 根据所建模型的不同，可采用不同的优化算法。主要采用的有动态规 划法、线性优化、非线性规划法和混合离散变量法，并尽可能对大型管网 系统进行时间与空间上的分解，同时利用水力模型的独立求解减少优化模 型中约束条件的个数。出于优化调度模型本身的非线性特点，应用中采用 非线性规划法的较为广泛，该方法适应性强，可应用于多水池、多水源的 复杂系统。如c h c n t l ”、t a t c j e w s k i 【1 8 】、俞国平、：h i l l 俭【2 0 】等都对此进 行了探讨隅】。 2 2 国内外供水系统优化调度研究状况 给水系统优化调度的目的，就是通过调整调度方案，在满足水量、水 压的阿挺下，尽量使系统总运行赞用( 动力必用和水处理赞用之和) 达到 最低。 在早期给水系统优化调度研究时，未建立管删微观模型许多学者通 过北立宏观模型、集结模型、恻络等价模型等米进行优化凋度的研究【z 。 2 3 2 4 2 5 2 6 2 7 1 。 国外在六十年代后期就丌始了稠度系统的汁辩机应用一螳发达闭家 城市供水企业都先后实现了离线或在线微观模型优化调度控制。如文献2 8 l 报道了大型配水系统的运行模拟与优化调度，成功设汁了一个宏观模型和 微观模型。文献2 9 峙艮道了一个配水系统的优化调度算法，在该配水系统的 调度优化中建立了一个基于模拟算法和泵站调度优化算法的数学模型。文 献【3 0 】报道了配水系统的分级优化调度。文献p 1 i 应用基因算法实现大型配 水系统的优化调度，已成功应用于纽约地区给水管网的优化调度。文献3 2 】 报道了加利福尼亚的大型配水系统的优化调度建模，在优化算法上采用了 线性优化。文献3 3 1 报道了配水调度系统的实时优化调度的设计，该系统实 现了计算机的在线实时控制，由调度优化模型、用水量预测模型和管网水 力模拟模型组成，已成功应用于英国城市供水管网。文献3 4 1 指出，以最小 化水处理费用和泵站电费之和为目标函数来建立非稳定流条件下的优化 调度操作模型，并应用于含两个水源、两个水库、1 1 个用户和l l 根管道 的给水系统等。 东南大学工程硕士学位论文 南京市给水管嘲优化调度模型校验及应用 我国城市给水管网系统优化调度的研究起步于八十年代初期， 文献 3 5 】从给水管网分析的角度，通过延时水力模拟技术进行供水系统的优化调 度研究，并编写w d o c 软件系统。内容包括问题的提出及分析、问题的 求解方法和策略、程序的实现过程，最后以算例的形式给出调度的控制要 求、管网系统优化调度表和计算成果图。文献口6 1 对现行给水控制进行研究， 说明了两个问题：一是给水系统是一个复杂的工程存在，在水工业思想已 经提出的今天，在沿用以往的大系统观将有碍于水工业工程技术的进步； 二是重视并研究给水工程的复杂性及其对现行给水工程控制模式的影响， 对给水工程科技进步至关重要。文献【”1 分析了我国供水系统所面临的问 题，指出目前采用的管网微观动态水力模拟的优越性和局限性。提出了给 水管网分区的新概念，即在管网微观动念模型的毡础上进行给水管网分 区，然后用模型指导管网的运行。阐述了适应我【_ i i i 田竹的管嘲建模和管嘲 分区方法。文献i 孙1 拟利用b p 神经元网络建立杭州l f 供水僭网宏脱状念模 型。针对传统b p 嘲络学习速度擞、网络结构难以确定等问题，引进遗传 算法来优化改进算法的b p 神经元刚络的拓扑结构，模型预测结粜较为j i h 想。文献 3 9 l 针对供水系统优化模型的特点对遗传算法进行了改进井成功地 应用于供水系统优化模型的求解。结粜农i 刿，改进的边他算法在求解类似 于供水系统优化模型的大型非线性复杂模型时，j t - 1 f 程序简沾、计算迅速、 结果精确等特点，特别是在攘型变量和众多约束的处理上其优越性更加 明显。在此基础上，编制了供水系统优化调度软件，试算表明该软件具有 很高的实用价值。 文献 2 l 4 0 】根据给水系统的网络特性，并结合我国实际情况，对优化 调度控制方法进行了系统的分析，进而提出了大规模混合实用优化调度模 型及算法，并针对隐式模型，提出了分级优化方法，特别是根据含调速泵 供水系统的特点，提出了优化调度策略，并在沈阳供水系统中进行了实际 应用，证明了其实用性。 文献【4 l 】结合天津市供水系统开发了城市供水信息管理与调度系统，建 立了供水信息库与供水调度模型方法库，并通过两者的有机结合，实现了 基于数据库管理信息系统上的城市供水系统优化调度宏观模型。利用该系 统不仅能够对供水数据库中存贮的大量历史数据进行统计和分析，还能够 8 东南大学工程硕士学位论文南京市给水管嗍优化调度模型技验及成用 进行水量预测、管网建模和运行优化调度。 哈尔滨工业大学和哈尔滨建筑大学学者开展了赤峰市给水系统实用 优化调度( 离线操作指导) 研究，建立了微观模型与宏观模型相结合的实 用优化调度方法，其城市供水系统优化调度数学模型采用分级调度方式 1 4 2 1 ，同时在天津市给水管网系统中建立微观模型，以平差计算为基础进行 水力模拟，实现了整个给水管网系统的模拟【”l 。 福州市自来水公司将“三遥”系统应用于供水优化调度进行探索，根 据计算机采集的“三遥”历史数据，确定各z k 厂二泵房漉量q 和扬程h 、 测压点及运行费用之间的函数关系，建立宏观模型，并用管网测压点返回 的数据去调整管网模型的节点流量，模型校正后进行优化调度计算【“。 上海市已建立了给水管网微观动态水力模型，给水管弼动态水力模型 已投入应用，能够指导管网系统的f i 常管理工作：能够有效地分析用j 、川 水中存在的主要问题，有钏时性地提出解决方案：通过模型掌握水流的典 实流动状况，有和r 对大型供水系统迸行管理和调度：为上海开rr l 束水公 司供水系统开发实时在线调度模型提供了丛础，而竹网动态水力筷慰与 s c a d a 系统相接，实现实时优化在线调度，还有彳导进一步研究【45 4 引。 同济大学环境科学与工程学院提出了微观和宏观模型桕结合的研究 理论，与南京市自来水总公司合作，以此理论为瑟础研究丌发了建立在竹 网微观模型思想基础之上的“给水管网优化调度软件”，在此之前，国内 见有微观动态水力模型的报道，有微观模型与宏观模型相结合的调度方法 的报道，末见单独将微观模型应用在管网优化调度上的报道。南京水司在 管网微观模型优化调度研究方面走在全国自来水的前列，该模型采用时间 序列法对用水量进行预测( a r 模型) ，利用遗传法求解，在满足水量、 水压的前提下，计算得出次日全天总费用最低的优化调度方案。南京水司 自优化调度软件开发以来，一直在日常调度工作中正常使用，值班人员每 天在企业网上发布次日调度预案，为日常调度起到了指导和参考作用。降 低了能耗，提高了供水安全性，取得了很好的经济效益和社会效益。而国 内其它城市的优化调度，除赤峰市外，其应用研究工作均基于宏观模型， 研究成果在实践中大多没得到氏期有效的应用。管网进行准确的微观建模 难度大、投入多，事实上往往由于管网微观模型建立的滞后性和管网内参 9 东南大学工程硕士学位论文南京市给水管嘲优化调度模型技验及应用 数的时变性及不可测或难以测定性，使得建立一个非常准确的管网微观水 力模型具有相当的难度。然而，由于微观模型本身所具备的优点，管网模 型的校核与管网状态参数的估计一直成为国内外学者致力研究的热点，也 是基于微观模型优化调度成功的关键所在。南京水司利用微观模型进行大 规模给水系统优化调度的研究，在中国是第一次，它的成功具有深远的意 义。 2 3 本课题主要研究内容 一、 研究方法： 本课题结合给水管网s c a d a 系统及管网水力计算模型，建立给水管 网优化调度软件对模型在不同的供水状态下进行校验并应用于生产实 践。 二、实施方案： 1 、给水管网模型校核。 d n s 0 0 以上锊段及阀门数据、二泵房和增压站的清水池水位变化及i i l 水流量同步数据、测压点的同少监测数堀、大流量水表的同步：i ：f 测数 据、典型管段的实测流量数据。 2 、水泵特性曲线和效率曲线校准。 3 、模型校验：利用上元门老厂改造中和改造后两种不同工况对模型讨算 结果与实际运行结果相对比。 4 、为期一周的生产试运行，模型应用于生产实际。 东南大学工程硕士学位论文南京市给水管网优化调度模型校验及应用 第三章南京市给水管网优化调度理论 3 1 南京市用水量预测模型与求解方法 用水量预测是进行优化调度的基础和前提，它的准确度直接影响到它 的可靠性和实用性，在实际调度控制中，主要需进行日用水量和时用水量 的预测。给水管网用水量预测包括对天气、季节、节假日等影响用水量因 素的分析和处理。 本课题采用时间序列法自回归模型( a r 模型) 对管网用水量进行预测： l 、a r 模型 = 晌，i = 0 ，人 式中：日。一管网允许最小供水水头，取1 6 m a h 。一管网中第i 节点压力值( 米) 。 ( 2 ) 各水厂供水量约束 ， ( 靠以) q 一， f | l 式中：，一各个水厂水泵个数， 东南大学工程硕士学位论文南京市给水管网优化调度模型技验及应用 q 一该水厂在t 供水时段的允许供水量，取日供水能 力的时段平均值 ( 3 ) 二泵房以及增压泵站水泵的扬程限制 m i n h n h n m a x h ni = 水泵l a ，t = 时段1 ar ( 4 ) 水池水位 m i n s m a x ，= 水厂i a5 ，t = 时段l a7 式中：v 一第r 个水厂t 时刻的水位( 米) 。 ( 5 ) 水厂清水池初始与终止水位： v 。，= v 。1 ，= v 。， r = 7 1 ( ) - - i a5 式中：v 。、v 。、v 一分别为第r 个水厂清水池初 始水位、终止水位和零时刻的水位( 米) 。 ：j 、求解方法 针对以上建立得南京市供水管嘲优化调度数学模型，浆用遗传贸= 法求 解，具体步骤如下： ( i ) 依据遗f 算法编码策略对随机产生的- - i l l 水厂务时段的凋度方 案( u l j 水厂及增压采站的水泵丌关状态) 进t ? - - 进制编码，形成调度方案 得遗传编码： ( 2 ) 对产生的遗传编码进行解码根据各时段水厂泵站的水泵开关 组合计算各水厂二泵房的组合水泵条件下的水泵特性曲线 ( 3 ) 对当前调度方案进行水力平差计算，根据计算结果中的水厂二 泵房以及增压泵站得流量、扬程计算能量费用，同时根据计算结果对约束 条件的满足与否进行罚函数补偿； ( 4 ) 对计算得到的该组方案进行目标函数值的比较，确定该组中的 较优的方案，并进行遗传算法策略中的选择、交叉、变异操作，形成下一 组调度方案： ( 5 ) 重复1 4 的步骤，直至该组方案中的最小目标函数值的变化在 允许值以内，以该最小目标函数值对应的调度方案作为该次调度的最优方 案选择。 东南大学工程硕士学位论文南京市给永管网优化调度模型技验及应用 图3 - 2 遗传算法求解优化调度模型流程图 东南大学工程碗上学位论文南京市给水管网优化调度模型校验及戍用 第四章南京市给水管网优化调度模型的校验 4 1 给水管网模型校验 4 1 1 模型校验理论 模型校验是把计算机结果与实际情况相比较，来确定模型是否正确或 计算精度是否合理“”。其目的是发现并改正所发生的错误，评价模型对 数据变化的灵敏度。 给水管网模型的正常与否要通过管网模型的水力计算结果与相应的 管网实测数据( 包括管道测压、测流、测压点压力等) 的吻合程度束检验， 其校核步骤大致如下”“： l 、集尽可能弹尽的管网资料，包括确定管网中管道苴径、摩阻系数以及 连接关系、阀门位胃丌启程度、嚣诲点的地面标商，并对水泵进行特 性曲线数据的测试有条件的城市镑刚可结合相应的地理信息系统的 抄袭数据，为伢网各节点分配流量和流显时变化系数，建靓初步的僚 网水力模型。 2 、收王l ! 安测数獭，实测数据一般分为i 狰念数撕和动态数獬鹏部分。静念 数据足指通过消防栓测试获得的管网巾消防栓位履的流最与压力。由 于目前s c a d a 系统逐渐应用于管网中，因此各测压点及水泵的进出口 压力、薷水池的水位等动态数据也可以比较方便地取得。 一般当实测值与计算值的误差为5 1 0 时可以认为管网模型是准确 的当计算值与实测值之差超过3 0 时则可能是因为管网的基本数据存在 较大偏差所致，需要进行下一步的管网基础资料的校核。 管网基础资料包括管网施工图纸、城市给水管网布置地图( 管长、管 径、管材、敷设年代等) 、阀门( 阀门类型、尺寸、开启度、埋设位置等) 、 水库、水池( 容积、池底标高、溢流水位) 情况等，这些资料是建立在正 确的管网拓扑关系、提供准确管网模型数据的基础。同时，一个完善的管 网水力模型还包括对水泵开启、关闭时的不同工况的水力模拟。一些水厂 由于建造时间较早而无法得到水泵的特性曲线样本，或者由于水泵的切削 或磨损引起了水泵水力特性曲线的改变，这些都会对管网水力模型的准确 lr 东南大学工程硕士学位论文 南京市给水管恻优化调度模型技验及应用 性产生影响。 为提高给水管网系统模型的可信性，了解实际管网运行，掌握其运行 机理，必须进行模型校核。校核标准：压力、流量监测点的各时段模拟数 据在允许误差范围内，低压区、高压区、供水分界线、供水趋势和实际情 况相符m 1 。 给水管网每年都改建、扩建大量的管线，这必须及时地反映到模型中。 另外，水源、大用户、用户用水规律、管网操作条件等的变化，都应在模 型中做相应的修改。当模型运行一段时问后，若现场监测量与模拟量之间 的差值超出允许精度范围，应重新校核模型。 4 1 2 模型校验准各 自1 9 9 8 年始，南京市自来水总公司与同济大学合作开发了南京市江 南地区输水= 1 三于箭网d n 5 0 0 以k 管线的计算机动态水力模型模型中校拟 的对象足江南地区给水管劂- | j 的饽段、水厂、阀门及泵站。模型包含2 7 9 个节点、4 3 0 根管段和6 个泵站( 共计2 9 台水泵) 。本次课题的研究魁在 以上科研成果的旗础上开展的，为提高优化调度方案的精度，需对已建有 的管网模型进行进一步的校验。 为了准确地把握高温天气、节假同等几种典型时段的同用水变化怙况 和供水管网的实际运行情况，进一步提高模型的糨度，为优化调度软件开 发打好基础，选择在2 0 0 1 年4 月2 9 日至5 月2 1 日( “五一”节前后) 、8 月6 日至1 3 日( 高峰供水期间) 、9 月2 7 日至l o 月3 日( 国庆节前后) 三个典型供水时段，总计一个月的时间开展了大用户用水量、典型管段流 量、管网重要节点的压力变化情况开展实测工作，为对模型进行校验以及 分析管网用水量的变化规律提供第一手准确的资料。 1 、大用户用水量调查 在城市用水中，大用户的数量占总用户数的比例虽然很少，但其用水 量所占的比例很大，因此摸清大用户的分布及其用水规律对分析城市用水 状况十分必要。本次建模对大用户的用水情况调查通过以下步骤进行。 1 ) 用户名址确定 由供水抄收部门统计出上一年度用水量的前五十名( 用水量约占全市 9 东南大学工程硕士学位论文 南京市给水管网优化调度模型校验及应用 总用水量的1 5 ) 的用户的水表口径、用水量、地址，抄收人员与建模人 员根据地址实地查看和比选，最终选定了4 6 块易于抄读的水表作为实测 对象。并在管网模型中找出与这些大用户对应的节点。 2 ) 实测方法 实测的一个月内，每块水表由专人负责现场抄读数据，完整地记录下 测试的时间、用户名、地址、水表口径、水表号、水表读数，除夜间用水 低峰2 2 点至次日凌晨6 点每两小时抄读一次外，其余时间每小时抄读水 表读数。 2 、典型管段流量实测 对典型管段流量测试可以进一步提高模型的准确性。根据管网的实际 情况和现场流量仪设备的安装条件要求，选定大中桥d n l 2 0 0 管、清凉门 大桥i # d n l 2 0 0 管、2 # ：d n l 2 0 0 管、卫桥d n l 0 0 0 管、汉中门大桥d n l 8 0 0 管、 龙蟠路d n l 0 0 0 管等6 个管段进行流量实测。测试采用富士f l b i v 型超声 波流量仪。测试步骤如下： 1 ) 选择满足测试条件的直管段，直管段长在流量仪前大于等于i o d 、 后大于等于印： 2 ) 确定管道材料； 3 ) 确定管径及安装方式( v 字型或z 字型) ； 4 ) 实测管壁厚度： 5 ) 将管材、管径、管壁厚度等参数输入流量仪； 6 ) 根据信号强度及安装精度确定探头安装位置； 7 ) 开始测试记录数据，每小时记录一次。 3 、管网压力实测 南京市江南地区已设置s c a d a 实时测压点2 7 个，为进一步了解管网 压力分布情况，又选取了2 9 个重要节点进行实测，用以校核管网模型。 在每个节点邻近选取消防栓，用特制的转换器将压力表安装上去，工作人 员在早、中、晚三个用水高峰和夜间用水低峰进行测试，记录内容包括测 压点地址、接入口主管道管径、测试时间、压力数据。 4 1 3 模型校验 东南大学工程硕士学位论文南京市给水管网优化调度模型校验及应用 给水系统优化调度是建立在准确的给水管网模型基础上的，所以在生 产试运行过程中，管网模型的更新和维护是一项重要的基础工作。给水管 网模型的校核工作主要包括以下工作： 现场实测数据为一个月，模型校验时，选定其中一天的数据，收集测 试期闻所有供水调度报告、管线工程和有关供水系统中的事件汜录，按照 测试期间的要求选定一天作为检验数据，该天作为模型校验日期，具体校 验方法为： i 、整理o n 5 0 0 以上管道资料，修正了管网模型拓扑结构。 2 、根据最新管网改扩建资料，对管网模型进行了扩充。 3 、根据大流量水表的同步实测数据，确定用户的用水曲线，得到管网的 用水量分配方案，翻定节点流量的求解方案。 4 、利用管网测压点的同步实测数据，验证了管网模型的准确性。 5 、利用典型管段的流量实测数据，验证管网模型的运行。 根据现有s c a d a 数据对经过校验的模型进行验证：利用2 0 0 1 年7 月 5 日2 4 小时的生产数据对校验过的管网模型进行验证，实测数据与模拟 结果对比表明，在参考测压点光华门周围各个测压点有较好的拟合度，其 中小行( 节点2 0 4 ) 、新街口( 节点2 6 9 ) 、军区医院( 节点2 7 3 ) 、夫子庙( 节 点2 4 1 ) 、海福巷( 节点4 1 8 ) 等测压点的2 4 小时模拟误差都控制在2 3 米 之内。 对于水厂，除城南、北河口老厂的拟合程度较好外，其它水源点的误 差平均值大于4 米，以城北水厂差距最大，分析造成拟合程度差的原因有 如下两点： 1 、实测压力为水泵出口压力，而泵轴相对于地面的高度没能准确测算。 2 、管网模型中节点流量以及管段摩阻系数可能不能完全反应管网的真实 情况。 此外，通过分析其他测压点可以看出，误差较大的测压点分别有两种 情况： l 、实测值均比模拟值高，如水西门、中央门、市委、中华门。 2 、实测值均比模拟值低，如鼓楼、省政府、迈皋桥、下关。 2 1 东南大学工程硕士学位论文南京市给水管网优化调度模型校验及应用 分析造成上述差异的原因可能是模型中节点用水量分配误差造成某 些区域水头过高两某些区域水头不足；同时管网模型中管段摩阻系数估计 过大或者过小可能造成某区域水压同时偏高或者偏低：地面标高不精确， 另外也不排除管网中测压点数据的不准确性以及管网中存在不可计量的 漏失或者阀门设置不详等情况。 图4 - 1 南京市自来水总公司管网测压点布置图 综上分析，已经建立的南京市给水管网动态模拟水力模型能够一定程 度地反映当前管网的水力状态，但在模拟精度上还有一定程度的不足，建 议南京市自来水总公司在彻底核查管网基础资料的基础上，进一步进行管 2 2 东南大学工程硕士学位论文南京市给水管网优化调度模型校验投应用 网水力模型的校核工作，以期为管网运行管理提供更加精确的参考。 4 2 水泵特性参数的测定与校准 优化调度软件计算出的优化调度方案主要是靠合理地开关水泵，达到 节能的目的，水泵运行参数的可靠性将直接影响优化调度结果。由于南京 市自来水总公司江南四座水厂中，城北水厂于2 0 0 0 年才投产，上元门老 厂二泵房于2 0 0 2 年8 月进行了改造，老水泵机组已全部更换，而北河口 水厂、上元门新厂“一o ”和城南水厂建造历史均比较长，水泵经长期运 行造成了磨损，其运行参数有可能与生产厂家提供的特性参数相差比较 大，因此有必要对运行时间较长的水泵的特性参数进行测试和校核。 1 、测定原理 水泵的工作过程是一次做功的过程，其不仅将机械能转变成水的动 能，而且在整个工作过程中将一部分机械能转变成热能。当水从水泵的进 口经泵的叶轮传送至泵的出口。其中水温有一个微小的升高。