基于管网水量分析的排水泵站智能调度方法

张燕剑

（上海市青浦区排水管理所）

1 引言

泵站在城市排水系统中起着相当重要的作用，同时也需要消耗大量的能量。随着泵站工程规模的扩大和复杂程度的提高, 泵站的运行调度管理显得越来越重要。泵站的效益和能耗与水泵的效率、动机效率等众多因素有关，泵站运行调度主要是在一定时期内，通过泵站科学管理的优化技术和调度决策, 按照一定的最优准则，在满足相应的约束条件的前提下, 使泵站运行的目标函数达到最优，这也说明泵站调度不是追求某一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。

目前泵站普遍使用的调度方法是根据进水水位来决定水泵的启停，所谓的“智能”，也仅仅是远程操作，这样在来水快速上升时，易造成排水不畅，而来水缓慢下降时，则水泵频繁启停，导致许多泵站机组没有在最优工况下运行, 造成大量电能损失, 或者泵站运行调度不合理, 造成弃水量过多等。故提高泵站运行的经济效益和社会效益, 优化泵站运行已成为一个重要问题。

随着计算机智能算法的日益成熟，泵站的优化调度也越来越多地结合计算机智能算法来求解，基于管网水量分析的排水泵站智能调度方法就是其中之一。本文对该方法进行简单叙述，并结合相应案例进行对比分析，为泵站优化调度方法的发展提供相应的理论支持。

2 基于管网水量分析的排水泵站智能调度实现水量均衡的方法

2.1 智能调度模型简介

2.1.1 模型说明

泵站调度模型的泵站数学模型见式（1）[1]。

泵站的模型包括泵的模型和水池的模型见式（1）。

管网模型包括检查井模型、管段模型和泵站模型。泵站按照哈夫曼编码方式给每个泵站唯一编号。

管网模型中泵站与泵站之间关系数学模型见式（3）。

每个泵站通过管网与下一级中的其中之一泵站连接，且管网的排水量满足以下两条件至少之一：①大于或等于与其连接的上游一端的泵站的排水量与检查井入水量之和；②大于或等于其上游所有泵站的总排量之和。

2.1.2 模型中包括的基础数据及控制子系统

基础数据包括水力数据、水文数据、水质数据、泵站的基础数据；泵站的基础数据包括水泵数量、水泵基础信息、泵站日流量、蓄水池数据；水泵基础信息包括流量、功率、转速、效率；管网的实时数据包括管网中的水位数据、流量数据、水质数据、泵站的实时数据；泵站的实时数据包括泵站当前水位、泵站当前开泵量；内置规则包括系统状态的预设参数，系统的最大容忍限度，与时间相关联的系统运行数据；工作规则具有优先级顺序。

控制子系统能连接网络获取天气预报以及降水量预报信息，并根据获取到的天气预报以及降水量预报信息预估出水位上涨量，提前控制调度子系统开泵预排水，这样可以有效地防止因强降水时导致水位过高，影响系统整体的排水，甚至可有效防止因来不及排水而造成大量积水。

2.2 调度过程分析

通过计算可获知排水系统运行的最大能力，排水管道的实时运行情况，泵站的同步状态，污水厂的运行，溢水口等排水系统各个环节之间的动态关联关系，并且可找出其关系并建立系统最优的调度方案，而且可对调度方案产生的影响和后果进行模拟，并且是实时地进行决策和可知结果的执行。

2.2.1 日常调度的4个步骤

①在当前水位hc高于开泵水位hoh时，控制调度子系统打开该泵站默认启动的泵。

②检测当前泵站的当前水位hc，在该泵站的泵未全部开启时：若hc变大，控制调度子系统开启该泵站剩余泵中流量最大的泵；

若hc变小，控制调度子系统维持该泵站当前状态；

若泵站的所有泵均开启且当前水位hc仍然继续上涨，控制子系统控制报警子系统发送警报信息，并通知人工采取既定的紧急处理措施；还控制调度子系统关闭部分上级泵站的泵；

③当前水位hc降低至开泵水位hoh时，控制子系统控制调度子系统关闭默认启动的泵以外的其他泵；

④当前水位hc低于停泵水位hsl时，控制子系统控制调度子系统停止该泵站的泵。

2.2.2 预排空的4个步骤

①根据预测到的降雨曲线以及降雨影响因子，结合汇水模型估算降雨过程中进入泵站的雨水量V降雨；

②根据泵站开泵水位与当前水位的差换算成可蓄水量V可蓄水，采用正失衡可行流对泵站进行调度预排水，使V可蓄水≥V降雨；

③计算污水处理厂的剩余处理能力；

④根据污水处理厂的剩余处理能力进行预排空调度。

2.2.3 在预排空步骤完成后，系统自动转入最佳排水调度的5个步骤

①控制子系统根据每一个泵站所服务的区域重要性设置调度优先级；

②在泵站完全可调度的条件下，采用平衡可行流调度排水或正失衡可行流排水；

③在泵站部分可调度的条件下，根据允许的最大排放量排水量采用负失衡可行流调度排水；

④在泵站不可调度的条件下，维持原状；

⑤当有泵站的集水池中的水位超过紧急控制水位线时则需要对其进行紧急控制调度。

在排水调度过程中，水位会不断地变化。如果一直保持着同样的调度优先级，可能会影响到其他泵站的排水调度，因此，好的调度方法，控制子系统会根据泵站的实时水位更新泵站的调度优先级，进而实现最大地发挥管网的排水能力。在日常节能优化调度中，控制子系统，在满足日常排水的要求下，让每台泵工作在高效节能区域，以达到节能的效果，从长远来看，此种设计方式不仅可以有效地减少能耗，还能通过更换开启的泵来实现泵的均衡利用。下工作t时间，则有式（4）～式（6）。

2.3 调度过程分析

①整个过程是对树采用非递归的深度优先遍历（后序遍历式），通过遍历得到应用于整个管网的能耗最小的调度方案。

②求解操作子过程，当对某个节点进行问题求解操作时，首先需要获取其所有直接子节点的可行解集，将该可行解集作为当前节点进行目标函数求解时的输入值的候选集。最终实现在应急状态下时，启用应急调度子模型，该应急调度子模型据泵站分布走向图将管网表示为树[2]。

2.4 调度步骤

2.2.4 耗能最优工作流量点的求解

调度步骤如下：

①在当前水位hc高于开泵水位hoh时，控制调度子系统打开该泵站默认启动的泵；

②检测当前泵站的当前水位hc，在该泵站的泵未全部开启时：若hc变大，控制调度子系统开启该泵站剩余泵中流量最大的泵；

③若hc变小，控制调度子系统维持该泵站当前状态；

④若泵站的所有泵均开启且当前水位hc仍然继续上涨，控制子系统控制报警子系统发送警报信息，并通知人工采取既定的紧急处理措施；控制调度子系统关闭部分上级泵站的泵；

⑤当前水位hc降低至开泵水位hoh时，控制子系统控制调度子系统关闭默认启动的泵以外的其他泵；

⑥当前水位hc低于停泵水位hsl时，控制子系统控制调度子系统停止该泵站的泵。

3 应用案例

浙江某水务集团对本市3座污水厂进行管理，日处理能力36×104t，拥有污水泵站300座； 配套污水管网为合流制，其中部分泵站的出水段管道是压力式管道； 泵站所配备的泵的扬程普遍较大。目前泵站的控制，采用自动控制模式为主，手动控制模式为辅的方式，每台泵依据已设定的开关液位线，进行启停，工作人员全年24h值班监控。简单地、孤立地、静态地泵站独立自动控制，没有实现泵群系统联动控制，泵群运行的节能降耗降低成本的空间未挖掘和提升，为此，对泵站调度采用文中所述算法进行了优化，通过智能的联合动态调度实现了泵群的联合调度，智能动态地开关泵，统一调度，泵站调度科学、规范、一致，泵群运行在高效区。改造后，以其中某泵站为例，进行了原中控方案与智能调度方案的运行比较，与原中控方案系统相比，泵站前池水位变化更为平缓，水泵启停次数大大减少，有效提高了设备寿命及系统安全性。如表1所示为泵站能耗对比表。

以该泵站所在的排水系统为例，2018年全年总用电量999.02×104kW·h，按节能 7.36%计算， 年 节 约 用 电 73.52×104kW·h，智能调度算法经济效益突出。

4 结语

综上所述，根据当前水量计算出需要排出的水量，能实现并自动控制相应排水量的泵开泵或停泵，实现对泵的调度；能结合天气预报和降雨预报预测未来时间内可能的降雨量，提前进行预排水，防止因未能及时排水引发水浸；能对泵群进行精确调度，实现泵站无人值守；能使排水系统的按照调度需求均衡的向目标输送，并最大地发挥泵站效率。

表1 泵站能耗对比表