城市现代化供水调度系统的开发

关键词：调度 自动化 优化

　　引言

　　城市供水系统与供电、供气、供热等系统同属城市重要基础设施，其产、供、销都具有连续性、广域性、公用性、多样性、重要性[2]、产品不可返修等共性。而城市供水又独具特点：产品质量受二次污染和存放时间的影响，服务质量受管网布局和用户地形标高的影响。水是人类每日不可缺少的物质，是保障城市安全最主要的灭火剂。这些共性和特性，决定了经济合理保障满足城市供水的高难度。在合理的城市水厂及输配水设施建成后，如何处理好供求关系，关键是建立供水调度系统，进行优化调度。我国城市供水调度80年代初开始起步，80年代中期微机及无线通讯在调度中产生实效[2]，至今已有很大的发展。但全国600多个城市发展极不平衡，已运行的城市供水调度系统达到优化经济调度的甚少[3]，总体水平与工业发达国家有很大的差距。由于供水调度不合理造成的能源浪费高达5%以上[7]。因此供水调度越来越受到行业的重视，近年来不少城市水司纷纷引进现代化设备，建立新的调度系统。中山市供水总公司从1988年开始建立供水调度系统，历经十年建成了现代化的调度系统，其发展比较典型，值得分析探讨。

　　1.中山市供水调度系统的沿革

　　中山市自1988年由县级市升格为省辖地级市以来，供水事业随市政建设高速发展，至1998年十年来，市日供水量从5万吨猛增到66万吨，增加12倍。为适应市场需要，1988年中山市自来水公司组建供水调度系统，至今十年来已有了很大的发展，经历了低级、初级、中级、高级四个阶段，各阶段都取得了较好的社会效益和经济效益，促进了中山市供水事业的发展，积累了宝贵的经验和教训。
　　1.1供水调度的起步
　　中山市1988年6月前日供水能力6万吨，为解决严重缺水实行定时配水。6月初市第二间供水厂竣工投产，日供水能力增至12万吨缓和了缺水的矛盾。由于新调度系统正在安装，采取人工抄表、电话报数、现场手动操作的原始调度方法。收集信息数量少、处理慢、传递迟，调度处于低级阶段，以保证不缺水和维持正常运行为主，谈不上优化调度。遇上爆漏或火灾突发事故，反映迟钝损失扩大。
　　1.2供水调度的初级阶段
　　1989年元月，本公司引进的信息采集与监控系统SCADA（Supervisory Control And Data Acguition）系统正式投入运行，结束了落后的调度状况，经几年的运行和更新换代，目前公司的SCADA系统（详见图1）由两台中调主机（一台备用）、13个RTU终端机、多路分配器、5台CRT 和大型动态模拟屏组成。通讯由数传机（频率227.5MHz）和话传差转机（频率457.025MHz/467.025MHz）分别进行数传和话传。该系统具有遥测、遥信、遥控、遥调等实时功能、数据处理功能、管理功能、图形功能、组态功能、命令识别功能。目前实际做到：

　　（1）、具有从取水、净水、供水、输配水信息到用电信息采集、发送、整理、统计、形成 报表、曲线的功能；
　　（2）、监视净水工艺过程及取水和供水的水质；
　　（3）、以管网中的水压为目标，参考最高和最低水压点，指挥水厂选择合理的机泵搭配，达到控制目标水压，保障供水；
　　（4）、按机泵选择先高效后低效、先近后远等原则，平衡各水厂供水量，在保证水质和压力的前提下，力求降低能耗，实现相对经济运行；
　　（5）、监视全管网运行状态，发现及时处理，遇爆漏协助抢修，遇火灾加压帮助灭火；
　　（6）、积累各种运行数据，为调度预测、管网改造提供参考数据；
　　然而，由于本系统以自动采集监控信息为主，反映工艺流程、设备运行状态的信息较少，对主要节点的流量分配、供水高低压区、不同水厂供水分界线都难以了解，凭调度人员经验调度因人而异，优化经济运行难以实现。由于水厂基础设施未符合自动化要求，我们只做到遥测、遥信，未做到遥控、遥调。
　　1.3供水调度系统的中级阶段
　　1994年10月，市第二间供水厂四期扩建工程投产，日供水能力增至46万吨。该期工程引进了水厂自动化系统AGC（Automatic Gauge Controller）,主要有投矾自控系统、前后加氯自控系统、V型滤池自控系统等。这些系统各自成闭环系统，可在现场操纵，也可在中控室操纵，同时引进了数据中心EDC（Engineering Data Center）,租用中山市电信局的DDN有线高速数字网络，传输水厂大量的实时数据。该系统详见图2。

　　本系统的组成由2台控制计算机、2台前端机PLC、8台现场机PLC、DDN网络、数据库计算机组成，2台水厂前端机和2控制电脑都采取互为备用的形式，完成水厂现场PLC与监控电脑及公司数据接收PLC之间的数据交换。8台现场PLC安装在各车间，对设备进行模拟量、数字量的采集与输出及系统自控、通讯、故障处理等。本系统在SCADA系统的原有功能上增加了如下功能：
　　（1）、水厂工艺流程实现自动化，节约了劳动力，提高了净水质量和生产效率以及调度反应速度，降低药耗和能耗；
　　（2）、中心调度室可全面了解工艺流程中个阶段的水质参数、流量参数及水厂工艺设备、取供水设备、配电设备的运行参数及状态报警，增加了监控范围，丰富了依据。
　　（3）、工艺流程实现遥控、遥调功能。由于取、供水机泵及阀门自控设备尚未配套，备用设备都未处于热备用状态，开停机、泵、阀还未做到遥控、遥调。因全自动优化经济调度的条件尚未具备，本系统（SCADA+AGC/EDC系统）属自动化供水调度中级阶段。
　　1.4、供水调度的高级阶段
　　1997年3月，市第三间供水厂竣工投产，市日供水能力增至66万吨，大大改善了我市管网水源的布局。该厂取水、加药、过滤、沉淀排泥实现全自动化，提高了供水素质。但因城市发展速度放慢，，1998年实际最高日供水量只有45万吨，供水出现供大于求的局面，公司主要任务是改造、扩建输配水管网，力求管网更合理，同时寻求扩大用户，在保证目标水质、水压的前提下，着手优化经济调度、节能降耗的工作。为此，1996年元月公司在国内首家引进美国8M供水综合管理系统，1996年10月建成，1997年1季度调试完毕正式投入运行。8M系统是具有国际先进水平的静态自动分析决策SA（ System Analysis）系统，详见图3。该系统由8M管理电脑、集线器、服务器、数字化仪、绘图机、打印机、调制解调器及分布在各个部门的PC工作站组成，其软件由8个系统组成（故称8M系统），其中1M管网基础数据、2M用户基础数据、3M城市地理信息基础数据等三个基础数据管理系统，及4M管网运行状态分析系统、5M供水优化调度系统、6M水质分析系统、7M紧急事故处理系统、8M管网改扩建系统等五个功能系统。

　　8M系统的工作原理是：根据1～3M基础信息管理系统储存的水厂、管网、用户、城市地理信息等基础数据，及应用美国求解大型非线性方程组的新技术所建立的先进的管网结构数学模型，和输入SCADA系统采集的实时数据，进行优化调度、管网运行分析、水质分析、紧急事故处理、提供管网改扩建方案，同时根据实时参数对建立管模所取的管段摩阻系数、经济流速、节点流量分配进行自动校正，使系统更加完善，计算精度不断提高。
　　本公司引进8M系统的策略，首先是促进公司基础数据的尽快完善，然后逐步实现全自动化经济调度，目前仍需不断地去摸索和完善。

　　2. 中山自动供水综合调度系统

　　目前中山市供水总公司拥有持股水厂五间（其中两间未联网），供水能力70万吨，实际用水52万吨，管径DN80mm及以上输水管道410公里，有管网加压站1个，库容18000m3的高位水池一个，负责向中心城区及4个区11个镇供水，设总公司中心调度室和厂调度室，采取二级调度。1997年建成具备SCADA+AGC/EDC+SA功能的自动供水综合调度系统。该系统具有供水行业从设计、技术资料、调度、运行、质量到抢修等产、供、销、建等全部主要生产管理功能，目前在国内外都属于较先进的系统。
　　2.1、系统的组成及工作原理
　　该系统（详见图4）的组成：由SA静态分析决策系统、SCADA信息采集与监控系统、AGC水厂自控系统、EDC数据中心、RTU终端机和无线数传机、无线话传差转机及DDN有线网络构成。

　　该系统的工作原理：系统的决策中心是SA系统，由SCADA系统向它输送全部供水实时数据，而SCADA系统通过两个渠道采集这些数据。其一：通过无线数传机从管网各RTU终端站点采集输配水、高位水池、加压泵站的运行参数。其二：通过DDN网络从水厂PLC采集取水、净水、供水过程的水质、水量参数及配电、工艺、取供水设备的运行参数，SA系统根据这些实时数据及已建立的管模，实现供水调度综合管理功能。
　　2.2本系统的主要功能
　　本系统除具备SCADA+AGC/EDC的全部功能之外还具备如下功能：
　　（1）、可实现水厂、管网、用户、城市地理信息综合管理，随时备查，其检索、删改、增加、图形放大、对接、分层叠加、开窗都简单快捷，可以实现图形、管网、运行数据交叉互访。
　　（2）、以直观界面表达实时供水状态，显示经济负荷、欠负荷、超负荷管段，供水厂水流方向、分界线及供水低压区、高压区、合格水压区，进行运行分析管理。
　　（3）、根据实时数据、公司的调度原则及已建立的管模，进行快速实时平差计算，自动给出各种条件下的优化经济调度方案，显示其效果。
　　（4）采用多变量管网水质模型技术，结合现场采集的实时数据进行效验，可逐步实现管网水质精确分析。
　　（5）、可在出现管段爆漏时，根据爆漏位置迅速查出图纸位置、自动绘出要关阀门栓点图并打印出清单同时打印停水用户名单。
　　（6）、根据改扩建需要实现快速平差，在短时间内提出各种方案，进行各种方案效果显示，供择优决策。
　　2.3本系统目前运行状况及改进
　　本系统建立之后，运行正常，实现了SCADA+AGC/EDC+SA的大部分功能，即实现水厂取水、投矾、加氯、过滤、反冲洗、排泥自动化，高位水池的遥控、遥调，通过自动监控与人工判断相结合进行调度，而自动优化经济调度尚未实现。目前我们正进行全面管网普查，解决老城区管网资料不齐、不准确的老问题，同时计划进行管段摩阻系数、负荷分布、负荷曲线、节点流量分配、等效机泵曲线的效验，最终效验管模，进行机、泵、阀自控系统的完善工作，力争早日实现全自动化优化经济调度的目标。

　供水调度是采集信息、分析决策、指挥运行、实现调度目标的行为，而优化调度则是以最省的投入，力求达到最佳的调度目标。调度目标是安全、优质、经济、可靠供水，调度手段从人工到全自动化，手段不同效果也不同，全自动化优化经济调度是发展的方向。
　　国内600多个城市，由于水源、地形不同，供水方式、管网布局也不同，而且供水满足、缺乏和过剩情况不同，对调度的要求也有所不同，加之历史等各种原因目前调度系统的开发很不平衡，据了解中山市供水调度系统开发的四个阶段，目前在国内不同的城市同时存在，保守的估计半数城市建立了SCADA系统，实现了信息采集、处理、控制的自动化，采用经验调度，达到安全供水，部分遥控遥调的目的。几十个城市建立了AGC/EDC系统，实现部分和大部分水厂自动化。不足十个城市建立了SA系统，大大改善了经验调度和运行管理。但尚未看到全自动优化经济调度的实例。全自动经济优化调度处于实验开发之中，国内已建的调度系统，多数还不能充分发挥系统的全部功能，实现较理想的经济调度，主要原因有：
　　（1）、信息采集控制系统硬件不配套，信息收集不全，通讯及远动基础差，测量精度不够，可靠性低，机阀泵等设备尚未满足自动化要求；
　　（2）、管网、用户等基础资料不全，或者不准确，无法建立管模；
　　（3）、已建供水设施、管网布局及供水方式不合理，需平差后进行改造和扩建；
　　（4）、管理和技术力量不足，调度室只起监视作用，没有在现有条件下努力实现相对经济调度；
　　（5）、没有全国供水行业调度自动化规程、规范，使产品开发和用户选型验收都没有依据，影响行业的健康发展，造成目前部分投入使用的效果较差，或盲目立项。

　　4. 结论

　　通过中山供水调度系统的开发，对照国内行业现状，笔者有如下看法：
　　（1）、供水调度系统应大力开发，但这是一项技术高、射击面广、影响因素多、周期长、投资大的系统工程，应按本单位的经济实力、技术力量、发展水平和供水实际，进行总体规划，分阶段，讲实效，力求以最少的投入、最快见效去进行，切忌盲目上马，边想边干。
　　（2）、一个好的SCADA系统能够达到自动采集监控工艺、水质、水压、取、供、输、配水、供电状况等信息和部分遥控遥调功能，实现保证水质、水压指标和相对经济的调度目标。若增加AGC/EDC系统，可实现水厂自动化，大大提高运行水平、生产效率和调度反应速度，应大力开发充分利用设备的全部功能。
　　（3）、建立SCADA+AGC/EDC+SA全自动供水调度系统，才易实现保证水质、水压要求的经济调度，为此：应具备合理的供水系统和管网，符合自动化要求的水厂和泵站基础设施，同时要求管网资料、用户资料齐全正确，管段摩阻系数、节点流量分配、负荷曲线接近实际情况，建立正确的管模，否则仍难达到优化经济调度的目标。目前国内应在具备条件的少数中小城市或大城市局部分区进行试点，总结经验，才能大力推广。
　　（4）、建议全国供水行业主管部门，组织编写有关供水调度自动化的设计、技术、设备、施工、验收、管理规程、规范、细则，对供水调度系统进行分类，以利提高行业水平，促进供水调度自动化健康发展。

参考文献：
[1]、城市供水行业2000年技术进步发展规划 主编：汪光焘
[2]、不同条件水司的调度设备和技术要求 杨树歆 周力尤
[3]、加强经济调度工作 冯竟瑜、火正红、袁志清
[4]、供水系统可靠性分析 蒋难先
[5]、水厂巡检的基本要求 杨树歆 周力尤
[6]、衡量供水企业能耗合理性的指标 赵新民 张忠祯
[7]、我国城市自来水企业调度自动化工作浅议 李志勇