青草沙水源地原水工程调度自动化系统技术构架.doc

石狮市引水二期工程调度系统设计综述王建浦（福建省石狮供水股份有限公司 邮编：362700）摘要: 本文介绍石狮市引水二期工程调度系统，在设计过程中充分、系统、前瞻地考虑引水工程调度所涉及的各类因素，综合应用各类先进的信息化技术，设计确保引水输送高效、安全、经济运行的一体化信息管理系统平台， 实现调度系统具有时效性、预测性、高响应、精细化、精准化的运行关键词: 调度系统 GIS 水力学模型 决策支持 1. 工程概述石狮工业迅速发展，用水量激增，水资源贫乏被列入“红区”，为解决供水，石狮市开始进行引水二期工程的建设。石狮市引水二期工程为跨流域引水工程，取水口设在晋江干流旧金鸡闸上游约250m的库区右岸，供水点拟建在石狮市祥芝镇石狮大道南侧的赤湖水厂。工程主要由取水枢纽、取水加压泵站、输水管道及输水钢管桥等建筑物组成。输水管线途经金鸡山繁荣大道南高干渠新建金鸡拦河闸（南岸）笋江大桥（南岸）泉州大桥（南岸）刺桐大桥（南岸）高速公路桥泉州晋江大桥（南岸）晋江沿海大通道拟建的二期配套水厂（赤湖水厂）。设计引水规模为4.6m3/s，引水线路总长32km。跨越金浦水闸外引港、乌边港等采用2DN1800mm钢管桥通过，钢管桥双管中心间距为2.6m，其余均采用明挖浅埋2DN 1600mm玻璃钢管，双管中心间距为2.4m。2. 调度系统设计目标石狮市引水二期工程的调度系统设计中需要考虑供水和城市发展的矛盾、水资源“红区”与水质性缺水、缺乏对资源和成本的考虑等问题。对于城市供水发展快，供水调度要求不断提高的设计思路是采用综合信息技术，以提高供水调度的适应性。为了确保石狮城市供水安全保质调度，通过实时的监测、计算分析，建立科学、高效的供水调度信息系统。在目前的供水调度主要侧重于满足全市对水资源的需求，从经济角度上对成本的投入考虑较少，因此建立完善的信息管理体系，准确理解供水的需求量，实现按需供水的科学管理目标。石狮市引水二期工程调度系统的设计综合应用SCADA、GIS、数据库、网络通讯等信息技术，结合计算模型、供水管理技术、专家知识等专业技术，构建一个适应石狮城市发展所需的城市供水调度综合信息管理系统，为调度能够实现“安全供水、经济运行、保证水质”运行目标提供强大的技术支撑。调度系统基于自动采集石狮市引水二期工程范围内从取水、输配、到受水厂全过程的信息，包括水量、水压、水质、水位、电量等工艺运行数据；主要工艺设备运行工况；管线监测数据；生产视频图像，通过对数据的存储和分析；结合各类自动化和信息化技术。建立和实现取输水自动化和信息化管理的安全经济运行系统。3. 调度系统架构石狮市引水二期工程的调度系统是一项综合性设计和实施工程，在工程设计和实施中因充分考虑自动化和信息化的建设需求，信息系统是基于自动化中的数据采集和存储，即信息化需要自动化的数据支撑，自动化需要信息化的提高。引水调度系统中的泵站自控系统作为整个引水系统的重要点，设计和建设中不但要提高泵站的自控的功能，同时还需要考虑收集和存储大量有效和完整的数据。采集和积累丰富的各类运行数据，不仅能提高各类应用系统的数据丰富性和可对比性，在设计阶段就必须充分考虑综合应用各类信息技术建立的一个完整的全面的调度系统。石狮市引水二期调度系统构成：图1石狮市引水二期调度系统构成图4. 调度模式与功能石狮市供水调度模式采用调度监控中心和现场监控二级监控权限系统。控制权限是现场级最高，调度级次之；调度级权限是调度监控中心最高，现场级次之；控制权限可以通过操作开关和计算机软件进行切换和闭锁。现场级操作通过现场的监控系统实现所有设备的运行或联动等控制权限。现场级权限与上级调度级权限通过软件系统的安全机制授权监控下实现相互切换和闭锁。现地手动级通过设备的现场操作装置实现就地设备的手动运行操作或基本联动操作。设备控制权限为最高级别权限，通过现场设置的硬件转换装置与上级操作权限进行切换，能完全脱离上级独立工作，实现应急处理的手动操作。除应急状态外，正常运行中不允许处于现地手动级。调度中心与各现场自动化控制程度依据通讯信道的状态进行适应调整，通讯信道正常，调度自动化为最高，反之越低；通讯中断，各现场的控制系统自动完成各自系统的控制和数据采集；直到通讯恢复，接受调度中心的自动调度。系统具有对全线所有设备监控的能力，实现全线自动化调水。调度系统包括优化调度输水、经济运行、流量平衡、事故分析与处理等功能。根据用水量预测、输水计划，并结合金鸡拦河闸上游的水情和气象等信息，通过模型计算、分析和人工校核，制定出少开停机次数、流量波动率最小的优化调度输水计划。在满足输水量的前提下，通过构建动态过程模型分析做出经济运行的设备操作命令，保证整个输水系统安全稳定运行，使整个系统弃水最少，能耗最小。根据水量的要求，在维持整个输水线路的输水量或调节池水位基本不变的情况下，确定上下游各泵站开/停机的台数，调节变频泵的转速，使整个输水系统的处于流量平衡的状况下安全和高效运行。设置统一标准的事件分类模型及根据调度经验形成的联动处理预案库。将所有发生事件分为不影响总体水量分配与影响水量分配的两大类。当发生不影响水量分配的事件时，由各下属泵站根据自身的设备余量或泵站监控系统预案自行解决，调度中心仅监视及事件评估处理。当发生影响水量分配的重大事件时，统一由调度中心根据事件类型、严重程度、联动影响范围、响应时间要求等进行判断处理。5. 系统网络和通信架构系统网络主要由SCADA监控网络和管理网络组成。调度中心的主干局域网采用千兆以太网技术，为调度应用软件、管网地理信息系统（GIS系统）、WEB系统提供统一的网络平台，并与SCADA实时监控网络集成，通过GPS时钟实现系统同步。采用网络安全隔离设备和防火墙与互联网安全连接。调度中心至泵站、水厂现场采用点对点通讯链路，采用租用两条不同公共运营商有线专网VPN的互为备份方式来构建主干网。用于SCADA监控数据、视频数据、管理数据的通讯。租用的有线专网采用主备两个信道，主信道进行SCADA数据传输、遥测和遥控，备用信道传输常规信息、语音调度及视频图像传送通讯信道/兼SCADA实时数据通路的备用回路。当主或备用信道中一条发生故障时，主备信道之间无扰动自动切换。租用不同运营商链路，可以保证网络不会因为其中一家的设备故障或链路中断使得整个通信链路瘫痪石狮市引水二期调度系统网络构成：图2 石狮市引水二期调度系统网络构成图6. 调度系统组成和各部分功能调度系统由监视与控制系统、地理信息系统(GIS)、水力学模型系统、调度决策系统组成。图3 系统组成及功能图系统设计和开发具有模块化、规范化和组件化，满足各类各层次的需求。通过简捷即可操作各种指令或切换画面，确保系统开放性、可扩充性和扩展性，数据库设计和功能设计也充分考虑城市供水运行管理日益增长的业务需求。系统设计和实施确保所有监控数据从同一个数据源出发的，避免由于时间差造成的数据中间过程和结果数据的差别。在系统的总体结构设计上，将选择客户机/服务器（C/S）和浏览器/服务器（B/S）相结合的方式。数据录入、管网信息编辑、管网智能分析等应用采用客户机/服务器结构，为企业网内授权用户使用，为这些用户提供图形的浏览、信息查询、信息统计、SCADA信号监控、互联网数据发布系统等应用采用浏览器/服务器结构。利用智能手持终端，实现工作现场GIS图形信息的查询、浏览，以及户外数据采集的功能，并可和数据中心实现无缝的数据交互。（1）监视与控制系统监视与控制系统为数据收集与处理、数据管理、事件处理、报警、运行调度、信息共享。从各泵站、水厂收集的数据包括：进水水质、进水流量、进水压力、送水泵运行状态、送水泵组准备好信号、各路出站水压力和流量、主变电所进线、联络及主要馈线断路器工况、主变电所进线电气参数、有调节/调压水池的增压泵站还需调节/调压水位。向各泵站、水厂监控中心发送的调度指令包括：取水时间、取水量、各路出水量。向增压泵站发送的调度指令包括：各路出水量、指定某送水泵组开/停。从管线远程站采集的数据包括：管线监测点的压力、流量电池压低报警、安防报警。（2）调度运行管理系统调度运行管理系统是一套面向生产调度运行提供各种管理手段的信息平台，它集各类生产调度信息于一体，为调度生产提供准确可靠的信息数据，对确保原水调度安全运行。系统主要是对生产调度过程中产生的各类相关信息提供输入、分类、统计、查询、打印等多种日常办公的自动化操作，使得调度员与管理层都能掌握相关信息制定相应调度方案。根据不同的用户设置提供以下不同的功能模块及操作模式；记录、查询当天的工作情况，并提供历史日志的查询；调度员排班管理：用于设定、显示当班调度员的工作班次；跟踪记录、查询水库、各泵站及管线监测点的运行状况；记录每日“原水供水量”和“服务压力”；根据多种分析、查询方式统计相关的水量等信息；根据条件多条显示相关水量等信息，进行比较；表打印及导出；记录、储存、查询各类操作单以及对各操作单中的工程的进度进行跟踪，对未完成或延期的工程进行报警提示；提供即时手机短信发送、接受、查询等功能。（3）地理信息系统(GIS)基于引水二期泵站管网空间地理信息数据的建设，实现具体可视化管理、数据编辑、统计报表、设施查询、管网分析、实时监视、视频监视、调度监视、自动报警、数据输出、数据共享、数据维护等功能。对于设施管理方面，实现管网拓扑、横断面、纵断面和连通等分析。信息对象类型多（如调压池、水厂、阀门、三通、弯头、泵站等各种设施），查询内容丰富（如简单统计查询、关联统计查询、高级统计查询等），表现形式多样（图形、表格、图像、动态、静态）。为动态仿真模型提供地理信息要素、为优化调度提供地理信息依据和人机交互界面。为故障处理和抢修提供需要的画面和数据，为管理和运行工作提供更好的技术支持。地理信息系统结构图图4 地理信息系统结构图（4）水力学模型系统在建立准确可靠的水泵和管网模型的基础上，实现管网实时动态水力模拟，对水泵、管网、管网上设备各种工况、过渡过程、事故情况进行仿真。接收SCADA系统实测数据来较核模型参数，并通过与SCADA系统实时监测数据的比较，分析管线的用水量变化模式，发现管线运行中存在的问题。模拟不同水泵开启方案下的水力运行情况，为决策支持与专家调度系统提供依据。通过泵站和管网事故仿真，分析出对上下游泵站和管网应采取的相应应急措施，为在专家库内建立的事故处理预案提供依据，提高事故处理能力，提升输水的安全性。动态水力仿真模型的开发可以直接从管网GIS 系统中获取输水管网基础数据来建立管网水力模型原型。（5）调度决策系统调度决策系统是建立在SCADA、地理信息系统、水力学模型基础之上。以取水口、泵站、受水厂、管线的大量实时的和历史的数据信息为基本依据，根据季节、气候、节假日, 以及前两天和当天的实际输水量等约束条件,制定次日24小时、次周、次月、次季后次年的全市总需水量预计和输水计划。为决策层经过计算分析数据并结合专家知识库综合的信息，为辅助决策支持提供依据。从SCADA系统接收管线运行实时数据，利用动态仿真提供的数据，计算出后续时刻需要采取的资源调度模式，并根据数据库中存储的典型的、可行的专家知识和当前管线中使用的各种类型泵组的水力特性，各台泵的运转时间，各类控制设备的运行特性，选定出合理的调度运行方式，达到在满足供水量和供水安全的前提下，减小能源的消耗、减少设备的损耗。调度决策系统的功能是对调度事件进行侦测、判断、定性、分类和表达，确认后的调度事件保存到调度事件数据库中，作为调度决策的限制条件。对供水系统的状态、能力及性能进行评估，以辅助调度决策过程中的方案优选，评估供水系统满足水量、水压、水位、水质要求的程度，同时对安全性、减少水资源浪费、运行成本等进行评估。完成调度方案的生成、调度方案优选和方案执行。以事件系统和水量预测系统的数据为条件生成可行调度方案，然后通过评估系统对可行方案进行仿真和评估，再对方案评估结果进行比较优选出相对较优的方案，对优选后的方案进行发布供调度人员参考或请求发送SCADA系统执行。对系统的用水量进行分析预测、供水计划、分析制定供水计划、自控方案分析制定模块、辅助制定合理的自动控制方案和运行规程； 7. 调度系统软件结构系统软件结构采用B/S 和C/S 混合的三层体系结构，包括企业信息系统（EIS）层、应用服务器层和客户端应用层。B/S方式，即系统的整个体系在物理和应用上分为三个层面，及客户端、业务逻辑层、数据存储层。系统的逻辑层和数据层集中在了服务器端，使得系统的维护工作大为简化。B/S结构还可以实现系统在各个管理部门和相关单位的分布式应用，大大简化了系统用户的工作流程。C/S 模式是传统应用系统搭建的技术架构体系，它主要包括了两层服务，一是在客户端提供了为用户定制的使用和表现界面，并在客户端实现计算和分析等业务逻辑，二是数据层主要指位于服务器端的数据库服务器，它包含了各类数据以供客户端访问。C/S 结构的优势在于运行稳定、高效，适用于监控系统、复杂的建模、分析等高级功能。调度系统建立统一的数据库。数据库分为实时数据库和关系型数据库，系统各组成部分的数据按类型分存于这两个数据库中。实时数据库主要功能是提供统一而完整的实时数据存储功能，提供OPC、DDE等多种数据服务方式，具有强大的功能、稳定的性能以及良好的开放性为管网GIS、水力学模型系统、辅助调度和辅助决策等提供底层的实时数据。具有极强的时间特性，能在有效的时间内响应数据的变化和完成实时信息处理。关系型数据库主要功能是在存储各子系统的关键数据同时，为集成各应用系统提供统一的数据源；保证信息的一致性和准确性；为SCADA系统的数据、运行操作日志、报警记录等历史数据存储查询分析和提供各类文字图形报表的数据依据；为地理信息系统（GIS）、动态仿真和水力学模型系统提供统一高效的数据服务；为辅助决策系统提供数据检索工具。8. 调度优化模型建立根据规划，石狮市引水二期工程末端与石狮市水源储备调节水池（城市应急水源）工程连通。石狮市水源储备调节水池工程是利用石狮市引水二期工程输水管道，在二期配套水厂（赤湖水厂）蓄水池前设岔管，引水蓄至地面储备调节水池、院后水厂、奈清水厂，丰水期时将水厂蓄水池的水提升至储备调节水池、奈清水厂、院后水厂；枯水期水量不足时将地面储备调节水池、院后水厂、奈清水厂的储备水引至二期工程配套水厂蓄水池。在石狮引水二期调度系统中需要结合以上特性进行优化调度，通过调整运行方案，在满足水量、水压、水质要求的前提下，尽量使系统总运行费用达到最低。优化调度主要是研究输送管网的科学管理的优化技术和调度决策，即在一定时期内，按照一定的最优准则，在满足各种约束条件的前提下，使泵站运行的目标函数达到最大或最小。泵站运行调度不是追求某一种设备的运行状态最好，而是以整体配合的运行状态最优为目标。通过计算模型的建立解决泵组间最优流量分配，根据各机组的实际运行特性求出各泵组应担负的流量。对于相同型号机组可采取等流量分配的方法，即认为他们的运行特性相同。对于不同型号的机组或实测性能资料的同种型号的机组，应根据各自的性能特点进行合理的流量分配。多台水泵的泵站的泵机运行的优化组合，对应某一扬程和流量的运行工况，不同的运行泵组、运行泵组台数可以有若干种不同的组合，对于泵站总能耗也不同，但其中必有一组经济的运行组合，以这一组合运行，可提高泵站的运行效率。 泵站泵机运行的最优工况，当泵站装置不同型号的泵组时，同一扬程下，泵组组合不同，水泵的流量、功率、效率等参数亦不同。当泵站中泵组型号相同时，由于长时间运行也会造成泵组在实际运行时性能产生不同的改变，因此应根据实际测试资料对泵机运行工况进行分析处理，找出相应能耗最小或者泵站效率最高的运行方案所对应的工况。泵站优化的初步数学模型1) 泵站作为管网中的一个节点，根据管网计算出该节点所需的压力H和流量Q的基础数据，以此流量和压力为目标，对泵站进行参数优化。2) 泵站参数（即开启泵的台数、型号或泵的转速），应满足目标函数时流量和压力的要求。3) 实际中的水泵站以定速水泵组成，此种水泵站可优先改造为定速和调速水泵组成的混合泵站，完全的调速泵站很少。因此，根据泵站内泵的组成分为定速水泵和调速水泵两种情况分析。定速泵和调速泵组成的泵站优化调度，设泵站由m台定速泵 和b台调速泵组成。水泵调速前基本参数：额定转速n、流量Q、扬程H、轴功率N。调速后参数为：、.调速前后参数关系