长距离调水管网在线调度系统设计

陈云鹏 青岛研博电子有限公司

面对逐年增加的调度任务，传统的调度系统虽然可以满足日常的供水、调度需求，但是由于管道老化、控制结构单一，系统固定等因素，不仅无法达到预期的处理效果，反而形成了不同的问题和缺陷，严重的甚至会对管道造成危害，阻碍水资源日常的调度工作。因此，对长距离调水管网在线调度系统进行设计。考虑到最终测试结果的稳定性与可靠性，本文会选择较为真实的调度系统进行研究，以青岛市的调水管网作为分析背景，结合实际的调度需求以及标准，从智能化、网络化的角度，对系统的各个调度模块进行阶段性的调整，设定动态的调度目标，构建更为灵活、多元化的水资源调度结构，为区域性水资源调度工作提供更大的便利条件。

1.系统硬件设计

1.1 限幅电路

将初始的线路设定为单相接地，设定电压为220V，额定电流为1600A。在电路的侧向位置安装一个定向的控制端口，与数据采集装置相关联，避免调水管网调度应用过程中，受到冲击电压的威胁。在限制端口处接入一个互感器，标定母线位置，并在终端加入一个限幅电源，适时过滤掉冲击电压，形成一个循环的闭合电路，具体如图1所示。

根据图1，可以完成对限幅电路的设计。为了增加系统的调度速度，可以在限幅电路内侧R1-R6之间增设三个二极管，调整电路的增幅频率，此时，限幅电路的功率误差约为0.05瓦，根据电路的运行范围，调节其中2个电阻的阻值，将互感器标定的感应电压范围提升至+5V～-5V，在线路正常运行时增设一个监测装置，一旦电路发生故障，可以最大程度避免故障信息被滤掉，确保限幅电路的稳定运行。

图1 限幅电路图示

1.2 嵌入式调度传感器设计

电路边缘端口接入S3C44B0X型号的ARM芯片，在限幅电路上安装一个ARM微处理器，形成一个小型的微控制程序，综合控制元件板上设定一个TAG调试接口，同时与LCD接口、键盘以及RS485端口相关联，营造嵌入式的控制环境。ARM芯片侧上方需要接入一个同向调度的传感器，与系统硬件中的各个调度监测节点纵向连接。构建感应调度框架，具体如图2所示。

根据图2，可以完成对嵌入式传感器感应框架的设计。随后，系统对于线上的调度目标相对较多，需要有针对性地作出调整，以传感器作为识别的引导，终端信号执行。此时，调节不同位置上的电阻，分别是电阻2和电阻4，分化电路中的电流，缓解此时嵌入传感器自身的压力，在确定相关装置的运行趋于稳定后，调节系统的总电压，控制ADC引脚的电压在0～3.5V之间，电路中接入稳压二极管，营造安全、稳定的系统控制环境，与嵌入式调度传感器形成串联的关系，通过流量传感器、压力传感器产生频率信号，传输信号至调度传感器之中，执行预设的指令，再由于放大器扩大信号的覆盖范围，确保传感器的应用效果，实现嵌入式调度传感器的设计。

图2 嵌入式传感器感应框架图示

2.系统软件设计

2.1 水锤风险监控的软件程序设计思路

在软件设计中，当输入调度方案后，需要模拟调度过程，水锤态势应急监测，是系统选取调度方案中，非常重要的约束条件。当系统模拟调度原理的过程中，通过采集到的风险值、流量疏散能力与正常情况下能力值、流量值信号进行对比，判断是否可能发生水锤事故，并进行提前预警，提醒系统放弃该方案或者优化该方案。

水锤事故的发生受到不确定因素影响，以风险最低、时间最短和容量最大为指标，构建调度方法中水锤风险判断模型F（X），用f表示水锤风险R的目标函数，f表示水流疏散时间T的目标函数，f表示容量C的目标函数，则F（X）如下所示：

用R表示调度方案e上的水锤风险值，x表示时刻t由任意地区加入e的风险约束条件，M表示总疏散条件值，水锤风险的评估条件函数为F（x），如下所示：

用v（t）表示调度方案影响下，时刻t调度方案e上的水流速度，则水流疏散时间最短模型F（x）如下所示：

用C（t）表示时刻t方案e的管道容量，C表示时刻t方案e最大通行容量，则疏散容量风险估计模型F（x）如下所示：

通过对三个条件的判断，可以评估出发生水锤的实际风险，通过设定阈值，完成调度方案与水锤风险的关系，对方案及时调整，避免水锤事故的发生。

2.2 充放水调度程序设计

在完成对水锤风险识别模块的设计之后，接下来，需要构建充放水调度程序。通常情况下，调度系统对于水资源的调控，是需要指令和定向程序进行引导的，调度范围相对固定。可以根据日常模拟推演的调度方案，计算出充放水的单元调度流量，具体如下公式5所示：

公式（1）中：Q表示单元调度流量，C、C为正反方向的流量，X表示充水速度，α表示单元调度距离。通过上述计算，最终可以得出实际的单元调度流量。

通过充放水程序的控制，推演青岛市不同区域调水管道的流量、压力、管内空气等运行状态，以此来判断时间、空气阀状态是否合理，完成充放水调度程序的设计。

2.3 GIS数据库设计

在完成对充放水调度程序的设计之后，接下来，针对泵站的调度需求，定位调度区域，设计GIS数据库。将功能模块与充放水调度程序关联，营造稳定的调度环境。设定切换指令，设定在数据库之中，在实际应用的过程中，先对供水用户识别定位，根据供水需求，利用数据库采集基础调度数据，并构建数据库协调调度流程，具体如图3所示。

根据图3，可以完成对数据库协调调度流程的构建，配合系统的充放水程序，形成动态多方向的调度数据库，利用GIS定位技术，实现在线实时调度，完成对系统软件的设计。

图3 数据库协调调度流程图示

3.系统测试

3.1 测试准备

先依据水资源的调度要求，结合Agent协调机制，构建系统初始调度逻辑，设定单元调度目标。此时，计算出系统覆盖范围之内，可供调控的水资源总量，如下公式6所示：

公式2中：H表示水资源总量，m表示标定水量，e表示水源调度距离，v表示调度时限差异。通过上述计算，最终可以得出实际的水资源总量。需要注意的是，系统必须完成对92%水资源的监控。

随后，针对于区域内用户水压、水量、供水方向等设定，预设系统的标定指标参数。根据调水管网的分布区域，布设对应数量的调度监测节点。每一个节点均是独立的，且在实际应用时可以关联使用，获取数据。以此为基础，在基础的调度系统之中，接入SCADA分流调度程序，以指令引导的方式对各个区域的水流量监控，形成对应的调度关系。核定测试的设置以及装备是否处于稳定的运行状态，并确保不存在影响最终测试结果的外部因素，核定无误后，开始具体测定。

3.2 测试过程及结果分析

在上述搭建的测试环境之中，结合长距离调水管网的应用需求以及标准，进行测试。首先，利用IT和OT技术根据实时工况与调度需求，构建初始的水力调度模型。系统中设定调度周期，一般为7天一个周期，共设定20个周期。关联各个调度检测节点，获取调水管网的基础性数据信息，根据日常的调度需求，建立动态的调度环节。具体如图4所示。

图4 系统动态调度环节图示

根据图4，可以完成对系统动态调度环节的构建与调整。随后，在青岛市的调水管网中，针对于5条不同的管道，测定其调度速度。利用指令编制平台，将测定的目标编制成对应的指令，采用BIM+GIS+IOT技术，测定水域中的水锤对调度工作的大范围影响概率，确保其在15%以下，即不影响测定结果的准确度。在系统中加入调度指令，将100名用户划分为三个小组，分别是20人、30人以及50人，分区域对各个位置的用户进行水资源的调度，测定系统对不同测试小组的调度时间，具体如表1所示。

表1 测试结果分析表

根据表2，可以完成对测试结果的分析与研究：通过三个小组的测试，可以得知本文所设计的系统，针对于多用户的水资源调度时间相对较短，能够更为精准地定位、描述出水锤现象的延伸位置，降低调度误差，对泵站水资源进行更为高效的调度处理，具有实际的应用价值。

4.结束语

综上所述，便是对长距离调水管网在线调度系统的设计以及应用分析。对比于初始的调度系统，本文所设计的多方向、多目标的线上调度系统更为灵活、多变，在复杂的水资源调度环境之中，可以同时对多条管线进行控制和调度，以指令引导的方式，增加调度系统的应用效率以及质量，从根源上降低日常调度工作出现的误差，以此来达到大范围引水的目的，增强长距离调水管网在线调度系统的实际应用效果和能力。