中山市城市現(xiàn)代化供水調(diào)度系統(tǒng)的開發(fā)

1、城市現(xiàn)代化供水調(diào)度系統(tǒng)的開發(fā)譚 成蔣 戎· 簡介：本文剖析了中山市供水調(diào)度系統(tǒng)的沿革，對照國內(nèi)目前城市調(diào)度系統(tǒng)的現(xiàn)狀進行討論，提出存在的問題和看法，建議本行業(yè)盡快組織編寫中國城市調(diào)度標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程及有關(guān)技術(shù)文件，促進供水調(diào)度的發(fā)展。 · 關(guān)鍵字：供水調(diào)度，自動化，優(yōu)化  引言城市供水系統(tǒng)與供電、供氣、供熱等系統(tǒng)同屬城市重要基礎(chǔ)設(shè)施，其產(chǎn)、供、銷都具有連續(xù)性、廣域性、公用性、多樣性、重要性2、產(chǎn)品不可返修等共性。而城市供水又獨具特點：產(chǎn)品質(zhì)量受二次污染和存放時間的影響，服務(wù)質(zhì)量受管網(wǎng)布局和用戶地形標(biāo)高的影響。水是人類每日不可缺少的物質(zhì)，是保障城市安全最主要的滅火劑。這些

2、共性和特性，決定了經(jīng)濟合理保障滿足城市供水的高難度。在合理的城市水廠及輸配水設(shè)施建成后，如何處理好供求關(guān)系，關(guān)鍵是建立供水調(diào)度系統(tǒng)，進行優(yōu)化調(diào)度。我國城市供水調(diào)度80年代初開始起步，80年代中期微機及無線通訊在調(diào)度中產(chǎn)生實效2，至今已有很大的發(fā)展。但全國600多個城市發(fā)展極不平衡，已運行的城市供水調(diào)度系統(tǒng)到達優(yōu)化經(jīng)濟調(diào)度的甚少3，總體水平與工業(yè)發(fā)達國家有很大的差距。由于供水調(diào)度不合理造成的能源浪費高達5%以上7。因此供水調(diào)度越來越受到行業(yè)的重視，近年來不少城市水司紛紛引進現(xiàn)代化設(shè)備，建立新的調(diào)度系統(tǒng)。中山市供水總公司從1988年開始建立供水調(diào)度系統(tǒng)，歷經(jīng)十年建成了現(xiàn)代化的調(diào)度系統(tǒng)，其發(fā)展比較典

3、型，值得分析探討。1.中山市供水調(diào)度系統(tǒng)的沿革中山市自1988年由縣級市升格為省轄地級市以來，供水事業(yè)隨市政建設(shè)高速發(fā)展，至1998年十年來，市日供水量從5萬噸猛增到66萬噸，增加12倍。為適應(yīng)市場需要，1988年中山市自來水公司組建供水調(diào)度系統(tǒng)，至今十年來已有了很大的發(fā)展，經(jīng)歷了低級、初級、中級、高級四個階段，各階段都取得了較好的社會效益和經(jīng)濟效益，促進了中山市供水事業(yè)的發(fā)展，積累了珍貴的經(jīng)驗和教訓(xùn)。 1.1供水調(diào)度的起步 中山市1988年6月前日供水能力6萬噸，為解決嚴(yán)重缺水實行定時配水。6月初市第二間供水廠竣工投產(chǎn)，日供水能力增至12萬噸緩和了缺水的矛盾。由于新調(diào)度系統(tǒng)正在安裝，采取人工

4、抄表、 報數(shù)、現(xiàn)場手動操作的原始調(diào)度方法。收集信息數(shù)量少、處理慢、傳遞遲，調(diào)度處于低級階段，以保證不缺水和維持正常運行為主，談不上優(yōu)化調(diào)度。遇上爆漏或火災(zāi)突發(fā)事故，反映遲鈍損失擴大。 1.2供水調(diào)度的初級階段 1989年元月，本公司引進的信息采集與監(jiān)控系統(tǒng)SCADASupervisory Control And Data Acguition系統(tǒng)正式投入運行，結(jié)束了落后的調(diào)度狀況，經(jīng)幾年的運行和更新?lián)Q代，目前公司的SCADA系統(tǒng)詳見圖1由兩臺中調(diào)主機一臺備用、13個RTU終端機、多路分配器、5臺CRT 和大型動態(tài)模擬屏組成。通訊由數(shù)傳機頻率227.5MHz和話傳差轉(zhuǎn)機頻率457.025MHz/4

5、67.025MHz分別進行數(shù)傳和話傳。該系統(tǒng)具有遙測、遙信、遙控、遙調(diào)等實時功能、數(shù)據(jù)處理功能、管理功能、圖形功能、組態(tài)功能、命令識別功能。目前實際做到：  1、具有從取水、凈水、供水、輸配水信息到用電信息采集、發(fā)送、整理、統(tǒng)計、形成 報表、曲線的功能； 2、監(jiān)視凈水工藝過程及取水和供水的水質(zhì)；3、以管網(wǎng)中的水壓為目標(biāo)，參考最高和最低水壓點，指揮水廠選擇合理的機泵搭配，到達控制目標(biāo)水壓，保障供水； 4、按機泵選擇先高效后低效、先近后遠等原則，平衡各水廠供水量，在保證水質(zhì)和壓力的前提下，力求降低能耗，實現(xiàn)相對經(jīng)濟運行； 5、監(jiān)視全管網(wǎng)運行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)及時處理，遇爆漏協(xié)助搶修，遇火災(zāi)加壓幫

6、助滅火； 6、積累各種運行數(shù)據(jù)，為調(diào)度預(yù)測、管網(wǎng)改造提供參考數(shù)據(jù)； 然而，由于本系統(tǒng)以自動采集監(jiān)控信息為主，反映工藝流程、設(shè)備運行狀態(tài)的信息較少，對主要節(jié)點的流量分配、供水高低壓區(qū)、不同水廠供水分界線都難以了解，憑調(diào)度人員經(jīng)驗調(diào)度因人而異，優(yōu)化經(jīng)濟運行難以實現(xiàn)。由于水廠基礎(chǔ)設(shè)施未符合自動化要求，我們只做到遙測、遙信，未做到遙控、遙調(diào)。 1.3供水調(diào)度系統(tǒng)的中級階段 1994年10月，市第二間供水廠四期擴建工程投產(chǎn)，日供水能力增至46萬噸。該期工程引進了水廠自動化系統(tǒng)AGCAutomatic Gauge Controller,主要有投礬自控系統(tǒng)、前后加氯自控系統(tǒng)、V型濾池自控系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)各自

7、成閉環(huán)系統(tǒng)，可在現(xiàn)場操縱，也可在中控室操縱，同時引進了數(shù)據(jù)中心EDCEngineering Data Center,租用中山市電信局的DDN有線高速數(shù)字網(wǎng)絡(luò)，傳輸水廠大量的實時數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)詳見圖2。 本系統(tǒng)的組成由2臺控制電腦、2臺前端機PLC、8臺現(xiàn)場機PLC、DDN網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫電腦組成，2臺水廠前端機和2控制電腦都采取互為備用的形式，完成水廠現(xiàn)場PLC與監(jiān)控電腦及公司數(shù)據(jù)接收PLC之間的數(shù)據(jù)交換。8臺現(xiàn)場PLC安裝在各車間，對設(shè)備進行模擬量、數(shù)字量的采集與輸出及系統(tǒng)自控、通訊、故障處理等。本系統(tǒng)在SCADA系統(tǒng)的原有功能上增加了如下功能： 1、水廠工藝流程實現(xiàn)自動化，節(jié)約了勞動力，提高了凈

8、水質(zhì)量和生產(chǎn)效率以及調(diào)度反應(yīng)速度，降低藥耗和能耗；2、中心調(diào)度室可全面了解工藝流程中個階段的水質(zhì)參數(shù)、流量參數(shù)及水廠工藝設(shè)備、取供水設(shè)備、配電設(shè)備的運行參數(shù)及狀態(tài)報警，增加了監(jiān)控范圍，豐富了依據(jù)。 3、工藝流程實現(xiàn)遙控、遙調(diào)功能。由于取、供水機泵及閥門自控設(shè)備尚未配套，備用設(shè)備都未處于熱備用狀態(tài)，開停機、泵、閥還未做到遙控、遙調(diào)。因全自動優(yōu)化經(jīng)濟調(diào)度的條件尚未具備，本系統(tǒng)SCADA+AGC/EDC系統(tǒng)屬自動化供水調(diào)度中級階段。 1.4、供水調(diào)度的高級階段 1997年3月，市第三間供水廠竣工投產(chǎn)，市日供水能力增至66萬噸，大大改善了我市管網(wǎng)水源的布局。該廠取水、加藥、過濾、沉淀排泥實現(xiàn)全自動化，

9、提高了供水素質(zhì)。但因城市發(fā)展速度放慢，1998年實際最高日供水量只有45萬噸，供水出現(xiàn)供大于求的局面，公司主要任務(wù)是改造、擴建輸配水管網(wǎng)，力求管網(wǎng)更合理，同時尋求擴大用戶，在保證目標(biāo)水質(zhì)、水壓的前提下，著手優(yōu)化經(jīng)濟調(diào)度、節(jié)能降耗的工作。為此，1996年元月公司在國內(nèi)首家引進美國8M供水綜合管理系統(tǒng)，1996年10月建成，1997年1季度調(diào)試完畢正式投入運行。8M系統(tǒng)是具有國際先進水平的靜態(tài)自動分析決策SA System Analysis系統(tǒng)，詳見圖3。該系統(tǒng)由8M管理電腦、集線器、服務(wù)器、數(shù)字化儀、繪圖機、打印機、調(diào)制解調(diào)器及分布在各個部門的PC工作站組成，其軟件由8個系統(tǒng)組成故稱8M系統(tǒng)，其

10、中1M管網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、2M用戶基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、3M城市地理信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)等三個基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，及4M管網(wǎng)運行狀態(tài)分析系統(tǒng)、5M供水優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)、6M水質(zhì)分析系統(tǒng)、7M緊急事故處理系統(tǒng)、8M管網(wǎng)改擴建系統(tǒng)等五個功能系統(tǒng)。  8M系統(tǒng)的工作原理是：根據(jù)13M基礎(chǔ)信息管理系統(tǒng)儲存的水廠、管網(wǎng)、用戶、城市地理信息等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，及應(yīng)用美國求解大型非線性方程組的新技術(shù)所建立的先進的管網(wǎng)結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型，和輸入SCADA系統(tǒng)采集的實時數(shù)據(jù)，進行優(yōu)化調(diào)度、管網(wǎng)運行分析、水質(zhì)分析、緊急事故處理、提供管網(wǎng)改擴建方案，同時根據(jù)實時參數(shù)對建立管模所取的管段摩阻系數(shù)、經(jīng)濟流速、節(jié)點流量分配進行自動校正，使系統(tǒng)更加完善，計算

11、精度不斷提高。 本公司引進8M系統(tǒng)的策略，首先是促進公司基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的盡快完善，然后逐步實現(xiàn)全自動化經(jīng)濟調(diào)度，目前仍需不斷地去摸索和完善。2. 中山自動供水綜合調(diào)度系統(tǒng)目前中山市供水總公司擁有持股水廠五間其中兩間未聯(lián)網(wǎng)，供水能力70萬噸，實際用水52萬噸，管徑DN80mm及以上輸水管道410公里，有管網(wǎng)加壓站1個，庫容18000m3的高位水池一個，負(fù)責(zé)向中心城區(qū)及4個區(qū)11個鎮(zhèn)供水，設(shè)總公司中心調(diào)度室和廠調(diào)度室，采取二級調(diào)度。1997年建成具備SCADA+AGC/EDC+SA功能的自動供水綜合調(diào)度系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有供水行業(yè)從設(shè)計、技術(shù)資料、調(diào)度、運行、質(zhì)量到搶修等產(chǎn)、供、銷、建等全部主要生產(chǎn)管理功能

12、，目前在國內(nèi)外都屬于較先進的系統(tǒng)。 2.1、系統(tǒng)的組成及工作原理 該系統(tǒng)詳見圖4的組成：由SA靜態(tài)分析決策系統(tǒng)、SCADA信息采集與監(jiān)控系統(tǒng)、AGC水廠自控系統(tǒng)、EDC數(shù)據(jù)中心、RTU終端機和無線數(shù)傳機、無線話傳差轉(zhuǎn)機及DDN有線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。  該系統(tǒng)的工作原理：系統(tǒng)的決策中心是SA系統(tǒng)，由SCADA系統(tǒng)向它輸送全部供水實時數(shù)據(jù)，而SCADA系統(tǒng)通過兩個渠道采集這些數(shù)據(jù)。其一：通過無線數(shù)傳機從管網(wǎng)各RTU終端站點采集輸配水、高位水池、加壓泵站的運行參數(shù)。其二：通過DDN網(wǎng)絡(luò)從水廠PLC采集取水、凈水、供水過程的水質(zhì)、水量參數(shù)及配電、工藝、取供水設(shè)備的運行參數(shù)，SA系統(tǒng)根據(jù)這些實時數(shù)據(jù)及

13、已建立的管模，實現(xiàn)供水調(diào)度綜合管理功能。2.2本系統(tǒng)的主要功能 本系統(tǒng)除具備SCADA+AGC/EDC的全部功能之外還具備如下功能： 1、可實現(xiàn)水廠、管網(wǎng)、用戶、城市地理信息綜合管理，隨時備查，其檢索、刪改、增加、圖形放大、對接、分層疊加、開窗都簡單快捷，可以實現(xiàn)圖形、管網(wǎng)、運行數(shù)據(jù)交叉互訪。 2、以直觀界面表達實時供水狀態(tài)，顯示經(jīng)濟負(fù)荷、欠負(fù)荷、超負(fù)荷管段，供水廠水流方向、分界線及供水低壓區(qū)、高壓區(qū)、合格水壓區(qū)，進行運行分析管理。 3、根據(jù)實時數(shù)據(jù)、公司的調(diào)度原則及已建立的管模，進行快速實時平差計算，自動給出各種條件下的優(yōu)化經(jīng)濟調(diào)度方案，顯示其效果。 4采用多變量管網(wǎng)水質(zhì)模型技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)場采

14、集的實時數(shù)據(jù)進行效驗，可逐步實現(xiàn)管網(wǎng)水質(zhì)精確分析。 5、可在出現(xiàn)管段爆漏時，根據(jù)爆漏位置迅速查出圖紙位置、自動繪出要關(guān)閥門栓點圖并打印出清單同時打印停水用戶名單。 6、根據(jù)改擴建需要實現(xiàn)快速平差，在短時間內(nèi)提出各種方案，進行各種方案效果顯示，供擇優(yōu)決策。 2.3本系統(tǒng)目前運行狀況及改進 本系統(tǒng)建立之后，運行正常，實現(xiàn)了SCADA+AGC/EDC+SA的大部分功能，即實現(xiàn)水廠取水、投礬、加氯、過濾、反沖洗、排泥自動化，高位水池的遙控、遙調(diào)，通過自動監(jiān)控與人工判斷相結(jié)合進行調(diào)度，而自動優(yōu)化經(jīng)濟調(diào)度尚未實現(xiàn)。目前我們正進行全面管網(wǎng)普查，解決老城區(qū)管網(wǎng)資料不齊、不準(zhǔn)確的老問題，同時計劃進行管段摩阻系數(shù)

15、、負(fù)荷分布、負(fù)荷曲線、節(jié)點流量分配、等效機泵曲線的效驗，最終效驗管模，進行機、泵、閥自控系統(tǒng)的完善工作，力爭早日實現(xiàn)全自動化優(yōu)化經(jīng)濟調(diào)度的目標(biāo)。 3. 討論供水調(diào)度是采集信息、分析決策、指揮運行、實現(xiàn)調(diào)度目標(biāo)的行為，而優(yōu)化調(diào)度則是以最省的投入，力求到達最正確的調(diào)度目標(biāo)。調(diào)度目標(biāo)是安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟、可靠供水，調(diào)度手段從人工到全自動化，手段不同效果也不同，全自動化優(yōu)化經(jīng)濟調(diào)度是發(fā)展的方向。 國內(nèi)600多個城市，由于水源、地形不同，供水方式、管網(wǎng)布局也不同，而且供水滿足、缺乏和過剩情況不同，對調(diào)度的要求也有所不同，加之歷史等各種原因目前調(diào)度系統(tǒng)的開發(fā)很不平衡，據(jù)了解中山市供水調(diào)度系統(tǒng)開發(fā)的四個階段，

16、目前在國內(nèi)不同的城市同時存在，保守的估計半數(shù)城市建立了SCADA系統(tǒng)，實現(xiàn)了信息采集、處理、控制的自動化，采用經(jīng)驗調(diào)度，到達安全供水，部分遙控遙調(diào)的目的。幾十個城市建立了AGC/EDC系統(tǒng)，實現(xiàn)部分和大部分水廠自動化。不足十個城市建立了SA系統(tǒng)，大大改善了經(jīng)驗調(diào)度和運行管理。但尚未看到全自動優(yōu)化經(jīng)濟調(diào)度的實例。全自動經(jīng)濟優(yōu)化調(diào)度處于實驗開發(fā)之中，國內(nèi)已建的調(diào)度系統(tǒng)，多數(shù)還不能充分發(fā)揮系統(tǒng)的全部功能，實現(xiàn)較理想的經(jīng)濟調(diào)度，主要原因有：1、信息采集控制系統(tǒng)硬件不配套，信息收集不全，通訊及遠動基礎(chǔ)差，測量精度不夠，可靠性低，機閥泵等設(shè)備尚未滿足自動化要求； 2、管網(wǎng)、用戶等基礎(chǔ)資料不全，或者不準(zhǔn)確，

17、無法建立管模； 3、已建供水設(shè)施、管網(wǎng)布局及供水方式不合理，需平差后進行改造和擴建； 4、管理和技術(shù)力量不足，調(diào)度室只起監(jiān)視作用，沒有在現(xiàn)有條件下努力實現(xiàn)相對經(jīng)濟調(diào)度； 5、沒有全國供水行業(yè)調(diào)度自動化規(guī)程、標(biāo)準(zhǔn)，使產(chǎn)品開發(fā)和用戶選型驗收都沒有依據(jù)，影響行業(yè)的健康發(fā)展，造成目前部分投入使用的效果較差，或盲目立項。 4. 結(jié)論通過中山供水調(diào)度系統(tǒng)的開發(fā)，對照國內(nèi)行業(yè)現(xiàn)狀，筆者有如下看法： 1、供水調(diào)度系統(tǒng)應(yīng)大力開發(fā)，但這是一項技術(shù)高、射擊面廣、影響因素多、周期長、投資大的系統(tǒng)工程，應(yīng)按本單位的經(jīng)濟實力、技術(shù)力量、發(fā)展水平和供水實際，進行總體規(guī)劃，分階段，講實效，力求以最少的投入、最快見效去進行，切忌盲目上馬，邊想邊干。 2、一個好的SCADA系統(tǒng)能夠到達自動采集監(jiān)控工藝、水質(zhì)、水壓、取、供、輸、配水、供電狀況等信息和部分遙控遙調(diào)功能，實現(xiàn)保證水質(zhì)、水壓指標(biāo)和相對經(jīng)