复杂引水系统智慧调度技术研究

刘 江 啸

（深圳市东深电子股份有限公司，广东 深圳 518057）

0 前 言

为解决区域缺水和水资源利用问题，近年来我国规划建设带多泵站群的远距离跨区域复杂引水系统，比以往由水库自流调引水，或单一水源地泵站取引水，或功能单一的终端供水等引水系统复杂得多。对于带有多泵站群、多台水泵机组、多供水终端（乡镇供水、农业灌溉、水厂及大型蓄水池等）以及复杂管网的引水系统的智慧优化调度及经济运行研究，是其建设及运行管理亟待解决的重要课题。

研究针对宁夏清水河流域复杂引水系统，实现对水源、泵站群组、蓄水池及水厂、主干管、用户管网等的全程的数学模拟分析、机组设备运行状态监测、全系统自动监控计量、优化调度及经济运行等［1］，采用智慧优化调度与敏捷构建技术以及数学模拟与现场监测相结合的方法［2］，在接收月用水申请并划分日计划供水量后，按确定的运行模式（紧急运行、经济运行、节能运行），通过全线数学模拟、运行状态及优化调度分析［3］，生成调度计划及生成调度指令，将调度指令下达给SCADA实现开停机操作及运行调节，同时SCADA 及时将运行情况反馈给调度中心，根据实际的运行监测数据复核，进一步调整调度指令，有效提升引水工程全线的供水保证率，实现安全、高效、经济运行［4］。

1 复杂引水工程的计算机模拟分析

通过对引水工程运行状态计算机模拟分析，包括水源、管网、全线各蓄水池、水厂和泵站群组的模拟分析，为全线的智能优化调度计算提供技术依据。

1.1 水源井分析

以水源井回水率、当前水位降深要求、运行台时为开机情况确定的主要依据，确定水源井开机序号、开机台数。水源井综合排序计算从每口井对应的回水率排行、当前水位降深排行、运行时长排行3个方面的进行排行。回水率的计算：

式中：h初为时段初实测水位，m；h末为时段末实测水位，m；h抽为时段内不考虑回水情况下，水源井抽水高度变化量，m；W抽为时段抽水总量，m³；W回为时段回水总量，m³；W末为监测的时段末累计抽水流量，m³；W初为监测的时段初累计抽水流量，m³；h回为时段内水源井回水高度，m；S为水源井底面积，m²；t查为查询计算时段，1～2 h；Ps为水源井时段回水率，m³∕s。

1.2 泵站运行状态分析

机组实时运行工况包括运行状态、有功功率、当前流量、机组扬程、前池液位、后池液位、机组频率、机组特性曲线、实时流量、实时扬程、实际频率、实时效率。通过长期运行获得扬程、频率、效率的三维数组库，展示机组三维性能曲面图。机组实际性能根据运行时间的目标流量、计算流量、实际流量的过程线和计算效率、实际效率过程线进行分析［5］。

泵站经济运行，对于流量的变化，其调节方法主要有以下几种：开机台数调节；变速调节（变频或变极）；变角调节；变阀调节。在调节过程中，确保水泵不同杨程下，既满足流量要求，又确保水泵运行在高效区。水泵工作点尽可能位于最高效率点［6］。由于变阀调节造成能源浪费，变角调节只适用于轴流泵，因此对于配有长管道、多用户和管网的复杂引水系统，一般采用变换开机台数和变频调节相结合的方式［7-9］。

开机台数的确定：

由水泵扬程静扬程加水泵出水管损失扬程之和，通过水泵Q-H性能曲线数据表确定水泵的工作流量Q工。目标流量Q目除以水泵工作流量Q工，取整数n，则泵站开机台数为N=n+1。

变频机组的确定：

当目标流量Q目除于水泵工作流量Q工，小数点后位小于0.3时，则n台机组按工频运行，1 台机组变频运行。变频机组流量为：

当目标流量Q目除于水泵工作流量Q工，小数点后位小于0.3大于0.6 时，则2 台机组变频调速，n-1 台机组按工频运行，变频机组流量为：

当目标流量Q目除于水泵工作流量Q工，小数点后位大于0.6时，则n-2 台机组工频运行，3 台机组变频调速，变频机组流量为：

变频转速的确定：

水泵变速调节中，当变频调节水泵的流量确定以后，调节转速M变由以下计算确定：

式中：Mp为水泵的额定转速；Qp为水泵的额定流量，m³∕s。

工频（软启）+变频机组，让目标流量与工频机组总流量之差落在变频机组总流量范围内，即变频范围内。

另外水泵变速调节的转速应不小于额定转速的65%，若小于水泵额定转速的65%，则其效率明显下降。故应满足以下条件：

式中：Q目为调度目标流量，m³∕s；Q工为工频机组流量，m³∕s；X为工频机组数，台；Q变为变频机组的流量变化范围；Y为变频机组数。

通过开机决策模型公式确定开机台数、计划输出流量（得出频率）后，进一步得出启动机组。

1.3 调蓄水池与水厂分析

泵站与水厂之间供水系统的优化调度过程中，为保障系统稳定，避免水泵机组的频繁开停机，充分利用调蓄水池的调蓄作用，使梯级泵站系统级间的水位和流量处于动态平衡状态。将恒液位调节变为范围调节，即设定设计水位和保证水位，水位在这个范围内波动则不需调整进水阀，进水池前进水阀是调度调节的边界，进水阀流量是由出厂流量反馈的。水厂进水调流阀往后处于自平衡状态，该调流阀归水厂自行调节。

当水厂需要调整进厂水流量大小时，向调度中心报备。调度中心根据具体每个水厂的实时进厂水流量调整值，结合蓄水池水位，判断蓄水池前调流阀开关及各级泵站和水源井的开关状态。通过不断积累经验，根据水厂历史用水数据并利用大数据算法建立水厂供水流量预测曲线。当前应急保障天数根据蓄水池当前水位、水位减去容积曲线和昨日出厂平均流量计算得到。保证水位根据最低应急保障天数、水位减去容积曲线和水厂昨日出厂平均流量进行计算。

流量的边界条件的基本原则为

式中：Q阀为进水阀流量，m³∕h；Q出为水厂出厂流量，m³∕h；Q泵为泵站收到水厂上报的调水目标流量，m³∕h。

2 智能优化调度的计算分析

主要分为3种运行模式：紧急运行、经济运行、节能运行，其中紧急运行又称为最大流量法［10］。优化调度模型包括流量优化和机组优化，流量优化是通过计算将水厂进水池前的进水阀的调节流量需水量转化为泵站调水目标流量，并以此调水目标流量对各个泵站开机决策模块进行调度优化［11］。

2.1 紧急运行模式

机组全开，快速满足当日目标供水量；不需要流量分配，每台机输出流量最大计算；按当前的扬程；满负荷运行，机组频率50 Hz。

2.2 经济运行模式

考虑峰谷电价时，使系统运行成本最低，需以泵站运行电费最低为目标。以峰谷电价为优化调度的前提，尽量在谷期抽满蓄水池，谷期泵站开机台数最大。

（1）目标函数：

目标函数转换：

约束条件：

式中：Fmin为最小电费，其他下标1，2，3，4分别代表一、二、三、四等泵站的时段电费，元；minFt为全线泵站基于峰谷电价经济运行模型最低电费，元；f（t）为4 个泵站时段总电费，元；E谷、E平、E峰分别表示谷、平、峰泵站的小时电量，kWh；J谷、J平、J峰为谷期、平期、峰期的电价，元；W1max、W2max、W3max、W4max为一、二、三、四泵站的时段内在谷期抽水最大值，W1b、W2b、W3b、W4b为一、二、三、四泵站的时段抽水量，m³；Q1谷、Q1平、Q1峰为一泵站在各期的每小时流量，m³∕h；Q2谷、Q2平、Q2峰为二泵站在各期的每小时流量，m³∕h；Q3谷、Q3平、Q3峰为三泵站在各期的每小时流量，m³∕h；Q4谷、Q4平、Q4峰为四泵站在各期的每小时流量，m³∕h；T1谷、T1平、T1峰为一泵站一个月内的谷、平、峰总时间，h。

（2）分区段计算泵站时段供水量。为方便计算泵站时段抽水量W1b、W2b、W3b、W4b，将全线站点分为多个区段，把泵站或蓄水池当做区段的水源点，需要满足一段时间内的总供水量。

（3）泵站计算过程。将W1b、W2b、W3b、W4b代入目标函数，经过计算得到各泵站在谷期、平期、峰期的流量，以及各期具体时长。以下是以一泵站为例进行说明，其他三级泵站均如此计算。目标函数：

约束条件：

2.3 节能运行模式

当不考虑峰谷电价时，则以能耗最低为目标。若通过中途停机的方式是无法达到更节能，因为需要保障的需水量不变，各时段电价一样，不管中间停机多久，要达到这个需水量的耗能始终不变。可通过机组调频的方式节能降耗，已知变频机组的频率和能耗存在一个关系，在完成同一抽水量时，可在抽水时降低机组频率，此时流量变小，抽水时长更长，此时能耗更低。

（1）已知机组频率与机组功率的关系。已知当频率改变时，水泵转速也会相应变化，则频率变化前后转速的比值等于频率的比值，流量Q与转速的一次方成正比，轴功率P与转速M的立方成正比，当流量减少，当水泵转速下降时，其轴功率则按转速的三次方下降，关系式为：

式中：f1为变频后水泵机组的电机频率，Hz；fe为额定工况下水泵机组的电机频率，Hz；M1为变频后水泵机组转速，r∕min；Me表示额定工况下水泵机组转速，r∕min；Q1为工况1 下水泵对应的流量，m3∕h；Qe为额定工况下水泵对应的流量，m3∕h；P1为工况1 下水泵对应的功率，kW；Pe为额定工况下下水泵对应的功率，kW。

（2）当供水量相同时，不同频率下的耗能对比：

式中：W为供水量，m³；t1、t2为工况1（降频前）、工况2（降频后）所需的供水时，h；P1、P2为降频前、降频后水泵对应的功率，kW；Q1s为降频前水泵的流量，m³∕h；Q2s为降频后水泵的流量，m³∕h；E1为降频前的耗电量，kWh；E2为降频后的耗电量，kWh。

3 复杂管网智慧调度系统的构成及其实现

依据上述优化调度理论及方法，结合宁夏清水河流域城乡供水工程的建设，建成智慧调度平台及调度系统并顺利投入运行，成功应用于工程实践，成功实现引水系统的优化调度和智慧运行，有效提升供水保证率，实现安全、高效、经济运行。

宁夏清水河流域城乡供水工程沿线途经中卫市、吴忠市、固原市等3 市6 县、区。以中卫市黄河右岸浅层地下水为水源，新建辐射井群取水，沿清水河向南布设输水管线供水，解决沿线135.75 万城乡群众生活用水、规模化养殖和工业产业发展用水需求，改善和保护区域水环境，保障区域城乡供水安全。工程建设内容由取水工程、输水管道、调蓄工程、净水工程等组成，包括辐射井群20组、泵站4座、调蓄水池9座，输供水主管道215 km，净水厂9 座，工程总投资23 亿元，是国家150 重大水利工程项目。如图1所示。

图1 宁夏清水河供水工程平面布置图Fig.1 Layout plan of Qingshui River Basin Project

3.1 智慧调度系统的构成

智能调度系统的总体框架如图2所示。调度中心接收月用水申请划分日计划供水量，通全线运行态势分析，结合优化调度计算边界条件进行计算。通过泵站开机决策进行流量、机组的优化后，在优化调度图表分析模块展示优化前后的流量、耗电情况，通过优化调度计算生成日调度计划表，将调度指令下发给SCADA。SCADA将前期用水情况直接反馈给调度中心，来进一步调整调度指令。原水水源井取水选取原则如图3所示。

图2 智能调度系统框架图Fig.2 Frame diagram of intelligent dispatching system

图3 原水水源井选取原则Fig.3 Selection principle of raw water source well

图4 调度系统分析框架图Fig.4 Analysis frame diagram of dispatching system

将调度系统的边界条件输入后，系统进行水泵机组运行特性分析及全线运行分析，确定各级泵站群的流量，如图4所示。

机组实时运行工况包括运行状态、有功功率、当前流量、机组扬程、前池液位、后池液位、机组频率、机组特性曲线、实时流量、实时扬程、实际频率、实时效率。

输水优化调度模型计算包括流量优化和机组优化，流量优化是通过计算将水厂进水池前的进水阀的调节流量需水量转化为泵站调水目标流量，并以此调水目标流量为条件联动后面的单个泵站开机决策模块进行机组优化。

图5 全线优化调度计算流程图Fig.5 Flow chart of optimal dispatching calculation for the whole line

3.2 智慧优化调度的实现

实时调度实现整个系统的流量平衡，是优化调度的基础。

根据各个水厂计划用水量制定年度制水任务。水厂根据经验将年度任务分配到每个月，并向调度中心按月上报需水量。水厂是通过出厂水流量的变化，确定进水池前进水阀的流量变化，并向调度中心上报需水流量变化［12，13］。

水源井群与一泵站实现动态的流量平衡，使一泵站前池水位相对恒定，保障一泵站安全稳定运行。

在保证供水安全和质量的前提下，充分的利用水资源，提高经济效益，充分利用蓄水池的调蓄作用，减少开停机次数及启∕闭闸门的次数，减少能耗，以保持系统运行的稳定性［14］。

水厂未启动（初始化程序）：根据水厂每日计划需水量，并进一步计算出泵站调水目标流量，然后进行优化调度计。水厂已运行：当水厂需要调整进场水流量大小时，需要向调度中心报备。调度中心再根据具体每个水厂的实时进厂水流量调整值，结合蓄水池水位，判断蓄水池前进水阀开关及各级泵站和水源井的开关状态；实现自动化和信息化后可直接根据历史日供水量来预测水厂今日及未来需水量，不需水厂上报。

调度将需调节的进水阀流量值下发至PLC，根据PID 算法得到开度值。根据进水阀需要调节的流量，得到泵站调水目标流量，再结合进其他边界条件进行开机决策，根据进水阀开度值和泵站开机决策结果开启水厂前池进水阀进行蓄水，当进水池水位达到一定程度且水位稳定不变，即进出水厂流量一致，达到流量平衡，则保持此时系统状态运行。

4 结 语

结合复杂引水系统中多泵站群、多水泵机组、多供水终端以及复杂管网的特点，通过复杂引水系统智慧调度关键技术的研究，在保证供水安全和质量的前提下，通过智能分析和优化调度计算，敏捷获取最优运行方案，然后采取数学模拟与现场监测相结合的方法［1，15，16］，实现全线各站点的智能分析、智能诊断、经济运行及调度决策［7］，提高系统整体运行经济性和操作效率，同时结合工程实际，研发了复杂引水系统的优化调度和经济运行的智慧平台，成功实现引水系统的优化调度和智慧运行，有效提升供水保证率，实现安全、高效、经济运行。实践证明，系统运行稳定，灵敏可靠，节能增效经济效益显著，可在同类大型复杂引水系统中广泛推广应用。