圩区泵闸群自动化调度控制策略研究

丁 伟，李 彬

（扬州大学水利与能源动力工程学院，江苏 扬州 225000）

圩区泵闸群自动化调度控制策略研究

丁 伟，李 彬

（扬州大学水利与能源动力工程学院，江苏 扬州 225000）

为实现圩区泵闸群控制的自动化、信息化，提出完整的自动化系统设计方案。为降低泵闸群常规调度的能耗，提出一套基于正交试验法的调度策略优化运行方案，通过 9 次试验获得不同开机方案和运行规则下的总能耗，再进行排序和去劣，选出最优调度方案。以上海市新浜镇圩区为例，阐述优化的完整计算过程，优化后能够比常规调度方案节约能源 6% 以上。提升圩区的自动化水平和排涝效率，有效节约能源，同时方案的研究方法具有一定的实用和参考价值。

自动化；泵闸群；控制策略；常规调度；优化；正交试验

0 引言

水利是国民经济和社会发展的基础，水利的现代化，更离不开水利信息化的支撑[1]，而泵闸自动化控制系统的建设正是我国大力推进水利信息化的重要组成部分。但是，功能单一的泵闸自动化功能已经不能满足圩区排涝科学管理的要求，需要结合相关的优化调度模型与自动化控制调度系统联合运行实现目的。

上海市新浜镇共有西片圩、东片圩、林家埭圩、黄家埭圩等 4 个圩区，4 个圩区占地面积约为整个新浜镇土地面积的 50%，其中涉及到 28 座水闸、23 台水泵[1]，排涝总动力为 3 835 kW，圩区排涝总流量为 70.40 m3/s，平均排涝模数为 1.69（m3·s-1）/km2。圩区的地表径流由排水管网进行收集，通过排涝泵站排入圩区内河。圩区的除涝能力设计为二十年一遇，排水管网的排水能力设计为一年一遇，圩区内平均地面高程为 5.0 m，防汛预警水位为 2.5 m，常水位为 2.8～3.2 m，最高控制水位为 4.5 m。每年防汛期间圩区的防汛排涝任务非常繁重，如何高效经济地实现圩区防汛排涝任务，节约人力与资源成本，是圩区管理单位的主要工作。针对圩区的防汛排涝基本任务与要求，设计了一套基于圩区自动化控制系统和优化调度策略的联合调度运行模式，改善了原来常规计算机自动化单一控制效率低、可靠性差、劳动强度大等缺陷。利用计算机实现了监视、操作控制、故障处理、运行日志记录的自动化[2]。

正交试验法根据正交性从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验，是一种高效率、快速、经济的实验设计方法[3]。基于正交试验法的调度策略可减轻圩区的内涝压力，提高整个圩区的排涝效率，实现圩区排涝经济运行与科学管理。

1 圩区泵站自动化控制系统设计

圩区自动化控制系统是基于以太网组成的集数据采集、图像传输、闸位和水位测量、泵闸自动控制为一体的系统，结构如图 1 所示。

控制系统采用分层分布式结构，控制方式分为远程自动、现地自动、手动控制 3 种；控制权限分三级，即圩区控制中心、现地控制层与手动操作控制，其中现地控制柜的手动控制优先级最高。

1.1 现地控制单元

现地控制单元分别实现对 4 个圩区内所有泵、闸的现地自动（手动）控制，由可编程控制器 CPU，总线通信、数字量输入输出、模拟量输入等模块，以及闸门开度控制仪、多功能电参数数字表、现场闸位水位显示模块、空气开关、接触器等组成。

图 1 上海新浜自动化监控系统结构示意图

可编程序控制器输入输出模块通过 Modbus RTU现场总线网络，将各种状态、故障、闸位等信息，以及上下游水位、 过闸流量实时上传至现地监控PLC 主机，再由现场 PLC 将数据通过 TCP/IP 协议上传至圩区控制中心；同时现地 PLC 实时接收控制中心控制命令，驱动执行器件实现对泵、闸的控制及数据的采集。现地监控 PLC 主机通过网络与控制中心进行以太网连接，上传泵、闸的实时数据并接收相关控制命令。

1.2 圩区控制中心

圩区控制中心设立数据采集服务器与控制客户端计算机、视频监视计算机、数字视频网络存储设备，采用总线型综合以太网技术，TCP/IP 网络协议，组成开放式计算机网络。

圩区控制中心能通过自建网络实时监控圩区内河和外河水位、闸门闸位、过闸流量、实时图像等，实现系统区域内各水文参数测量与设备运行状态监控等功能[4]，将来可以通过公网或专网与上海市水务局信息化、防汛抗旱等系统联网通信。

圩区控制中心可以接收现地控制单元发送的操作和事件数据，存入实时数据库，用于画面更新，控制调节，趋势分析，记录打印及事故分析；实时监视泵、闸组的运行状况，其他重要参数如水位、闸位、过闸流量，以及泵、闸站的图像信息；当现场转换开关调至自动位置时，操作员可以通过键盘和鼠标等对泵、闸进行控制。同时，通过排涝优化调度控制策略管理系统与自动化控制系统共同组成排涝优化调度联动系统。

2 圩区调度控制策略优化

2.1 常规调度方案

排涝初期利用排水系统自身的滞涝能力进行蓄水，最短蓄水时间大约为 1 h，当排水管网水位接近满滞时，各泵站起动 1/2 机组进行排水。当机组启动后，如果进水池水位保持稳定或者缓慢下降，则保持当前状态至调度结束；如果进水池水位下降迅速，当水位至停机位时，关闭运行机组，待水位重新达到设定限值水位时再开机；如果进水池水位持续上升，直至预警水位，则立即启动全部机组，当降雨结束或者水位到达停机位时关闭所有机组，待水位再次到达设定限值水位时开机。当外河水位较低时，可通过水闸进行自排，正常情况下，圩区内所有水闸处于关闭状态。

常规调度方案能耗较大，当降雨量达到一定强度时，无法达到迅速除涝的目的。

2.2 调度方案优化

圩区泵闸群的调度方案优化可分为 2 个阶段：第 1 阶段是以圩区排涝泵站的总能耗最低为目标进行方案选优；第 2 阶段是根据内、外河水位限制进行多目标去劣。

2.2.1 正交试验的调度方案

1）试验因素。将 23 座泵站按圩区不同分成4 组，每个泵站组为 1 个试验因素，共有 4 个试验因素。

2）试验水平。每座排涝泵站配备多台排涝泵，调度一般有机组全开、1/2 机组开启、只开 1 台机组等 3 种开机方式。结合圩区实际情况，对各组的水泵机组的开机方式及时间进行设定，作为试验水平，如表 1 所示。

表 1 圩区 4 组试验因素的试验水平

3）试验方案。如果进行全面试验，根据上述试验因素和水平，需进行 81 次试验，按照正交表[5]进行试验，仅需进行 9 次试验。

4）试验结果。每一组的试验结果是圩区排涝泵站群的各个机组在特定的运行规则组合下排除等量涝水所需要的最小能耗。9 次正交试验的结果如表 2所示。

表 2 正交试验结果

2.2.2 正交试验的过程分析

2.2.2.1 正交试验结果

对表 2 所示的试验结果进行极差分析，分析可得各试验因素和水平对优化目标的影响，将影响程度从大到小进行排列，排列结果如表 3 所示。由表 3可知，第 4 泵站组的试验水平对试验结果影响最大，将其所有的试验水平都参与排列；第 2 泵站组可以取 3 和 2 这 2 种试验水平参与排列；第 1 和 3 泵站组影响较小，选最优的试验水平进行排列，由此得到的优化方案序列如表 4 所示。

2.2.2.2 正交试验优化方案序列

表 3 试验因素和水平对试验结果影响排序

表 4 优化方案序列

从表 4 看出，优化方案的组合有很多种，在理论上，可以选择能耗较低的前几种组合方案，但是因为每一组开机方案不同，有可能会导致在实际运行时内、外河的水位不满足河堤的安全要求，导致排涝失败，造成损失，因此需要以圩区外河水位为限制条件对优化方案再进行选优去劣。在仅以排涝能耗最小为优化目标的前提下，第 1 种组合方式的开机原则能够使排涝能耗达到最小（9 936 kW·h）。然后校验此种组合方式下的水位，可知在实际运行时，最高运行水位为 3.9 m，低于最高控制水位 4.5 m，满足圩区外河水位限制条件。

2.3 优化方案实际运行情况

综合调度方法的比较结果，可以得出第 1 种组合方式为最优方案。与现行的调度方案进行比较，在排水条件相同的情况下，圩区排涝的总能耗大约为 10 586 kW·h，而采取优化方案后，实际运行时能够比现行调度方案节约能源 6% 以上。

另一方面，按照此方案以能耗最小为目标进行优化，对于一般排涝时期是可行的，而且具有节能环保意义。如果是特大暴雨或者非常时期，会损失其他排涝指标。今后在研究这类问题时可以考虑多目标优化取代能耗最小的单目标优化方案，达到更好的效果。

3 结语

在各泵站组实际运行的过程中，由于设备的检修操作和汇水能力等各种自然条件的限制，使得泵站组在不同运行规则和开机方案下产生的能耗有所区别，同时泵站群的数量比较多，导致各泵站组的排列组合数量相应增长。

区别于前人所研究的常规调度方案，采取正交试验法，通过有限的试验次数就能够获得不同开机方案和运行规则下影响排涝总能耗的排序，获得最优方案。在理论上为今后研究这类问题提供了切实可行而且准确有效的方法，具有一定的实用价值。

平原地区圩区泵站群的优化调度研究，由于不同地区的水文气象条件差异性较大，虽然众多的优化方法具有一定的参考价值，但是还要结合具体情况进行具体优化与完善。同时，能够结合计算机自动化调度系统，实现真正的计算机调度优化自动控制，是圩区泵站群调度未来的发展方向。

[1] 王占华. 水利信息化资源整合共享顶层设计助推智慧水利发展[J]. 治淮，2017 (2): 32-33.

[2] 刘静森，陈健，何伟. 上海市新浜镇圩区泵闸计算机监控系统的建设经验[J]. 科技资讯，2007 (18): 85-86.

[3] 王玄静. 正交试验设计的应用及分析[J]. 兰州文理学院学报（自然科学版），2016 (1): 17-22.

[4] 朱培源. 关于自动化监控系统在油田生产中的应用[J]. 通讯世界，2016 (2): 150.

[5] XIA Shixiang, LIN Rui, CUI Xin, etal. Theapplication of orthogonal test method in the parameters optimization of PEMFC under steady working condition[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2016, 41 (26): 11380-11390.

Research onautomatic scheduling control strategy of pumpand gate groups in polderarea

DING Wei, LI Bin
(College of Hydraulicand Energy Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225000, China)

A integrated design scheme of integratedautomation system is put forward in order to realizeautomationand information of pumpand water gate groups’ control mode in the close waterarea. A scheduling strategy is proposed based on orthogonal test to reduce the energy consumption of conventional scheduling. The total energy consumptionsare obtained under different start-up schemesand operating rules by nine experiments, then through sortingand removing, the optimal scheduling scheme is selected. Taking the close waterarea of Xinbang town, in Shanghai cityasa study case, the complete calculation process of optimization is expatiated, it can save more than 6% energy than conventional scheduling schemeafter optimization. It enhances the level ofautomationand efficiency of drainage in polderarea, can save energy effectively. The research method has certain practicaland reference value.

automatic; pumpand water gate groups; control strategy; conventional scheduling; optimization; orthogonal test

TV675

A

1674-9405(2017)02-0012-04

10.19364/j.1674-9405.2017.02.003

2016-12-04

丁 伟（1992-），男，江苏东台人，硕士研究生，从事水利工程自动化与信息化技术研究。