圩区泵闸群自动化调度控制策略研究

[摘 要]为了让圩区泵闸群实现信息化及自动化，文章对圩区泵站自动化控制系统进行设计，并以正交试验法为基础提出调度策略优化方案，通过9次正交试验，获得了各开机方案及运行规则的总能耗，随后通过对能耗排序获得了最佳调度方案。该方案不仅有效提高了圩区泵闸群自动化及信息化水平，还加强了调度控制，降低了总能耗。

[关键词]圩区泵闸群；自动化；调度控制

[中图分类号]TV66；TV675 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2024）06–0114–03

Research on Automatic Dispatching Control Strategy for Pump Sluice Group in Weiqu District

CHEN Wei

[Abstract]In order to achieve informatization and automation of the pump gate group in the polder area， this article designs the automation control system of the polder pump station and proposes an optimization plan for scheduling strategy based on the orthogonal experimental method. Through 9 orthogonal experiments， the total energy consumption of each startup plan and operating rule is obtained. Then， the optimal scheduling plan is obtained by sorting the energy consumption. This plan not only effectively improves the automation and informatization level of the pump gate group in the polder area， but also strengthens scheduling control and reduces total energy consumption.

[Keywords]pump gate group in polder area； automation； scheduling control

水利工程是社会发展及国民经济的基础，因此水利工程现代化需要水利信息化的支撑。泵闸自动化控制系统是水利工程信息化的重要组成部分，但目前水利工程中的泵闸系统由于功能单一，已经无法满足圩区排涝科学管理的需求。文章对圩区泵闸群自动化调度控制策略展开研究，以此来加强泵闸调控，降低能耗，促进水利工程发展。

1 圩区泵站自动化控制系统设计

基于以太网框架搭建的圩区自动化调控体系，整合了数据采集、图像传输、水闸及水位控制及泵闸的自动控制等多项功能，形成了一套综合性的系统[1]。上海新浜自动化监控系统结构示意如图1所示。这一控制系统采纳了分层级分散化的架构，实现了远程电动操作、现地电动操作及人工手动操作的3重操作模式；在权限管理的架构内，分为3级结构，即圩区控制中心、现地控制中心及手动操作层。在这3个级别中，现地控制柜的手动控制优先级最高。

1.1 现地控制单元

现地调控中心负责对分布于4个特定区域的全部水泵和阀门实施自主或人工操作[2]。该中心由编程逻辑控制器CPU、通讯网络、数字及模拟输入输出模块，以及阀门位置监管器、多功能电力参数显示装置、现地水位及闸位指示器、空气断路器、接触器等组件构成的综合系统来实现。

现地控制中心的可编程逻辑控制器（PLC）利用ModbusRTU总线实时地汇集了运行状况、故障及闸门位置的数据，同时还包括了水位波动及闸门流量的统计信息，这些数据一同被传送至现地的PLC系统中。在现场PLC通过TCP/IP通讯协议，能够将数据成功输送至圩区控制中心，并在同一时刻，现地的PLC能够实时接收调控中心的命令，从而触发操作设备，实现泵和闸门的操控及信息的采集。现地控制系统借助网络技术实现与指挥中心的数据同步，主动传输泵站及水闸的即时信息，同时接收重要的调节命令。

1.2 圩区控制中心

在圩区控制中心，文章构建了一套集成化的数据搜集服务器群、指令下达的客户端计算机系统、实时控制用的视频处理计算机及高容量数字视频资料的网络存储单元[3]。这些设施通过配置先进的环状以太网结构及基于TCP/IP协议的网络通讯方式，共同构筑了一个连通性强的计算机网络环境。通过建立一个专门的信息传递系统，圩区控制中心得以实时跟踪控制区域内外的水位变化、闸门运行情况及流量数据等核心指标，同时对关键设施的运行情况实施持续的管理与监督，确保水文参数在控制区域内得到精确的检测与维护。此外，该系统日后有望通过互联网或专用网络与上海市水利局的数字化防洪系统达成数据共享和交互。

圩区控制中心坐落于周界之内，得以收集现地指挥部门传输的相关信息，并将搜集到的相关信息即时传输到数据库当中，旨在刷新视听界面、实施操作调整、探究走势、保存及打印相关资讯，并深入分析事故成因，进而实时跟踪水泵与闸门的操作状况，并监测水位、闸门位置及过闸流量等核心参数，同时采集泵站与闸门站的图像资料；在自动模式的现地切换开关设定下，操作人员能够通过键盘、鼠标等外部输入装置实现对水泵与水闸的控制。通过融合水资源管理的高级优化调度策略及智能控制系统，形成了一个综合的水灾防治联动平台。

2 圩区调度控制策略优化

2.1 常规调度方案

在初期排水环节，借助排水系统的内建积水自调机制实现水的储存，大约只需要1 h便能完成最简短的储水过程[4]。并且随着排水管道中的水位逐渐逼近其容量极限，分布在各处的泵站便能够激活其半数设施以此来展开排水作业。在设备启动之后，只要观察到蓄水池内的水位停滞不前或呈现出减少的趋势，系统将维持当前状态直至所执行的任务结束；若水位迅速下降至停机阈值以下，必须立即中止动力系统的运行，直至水位恢复至所规定的最高水位线，方能重新开启设备；在进水池的水位不断攀升至预定预警阈值的情况下，工作人员应该激活全部发电设施，并且当降雨结束或水位上升至设定的停机上限时，系统会根据实际情况适时终止所有发电设备的运行，这使得工作人员在水位重新涨至既定安全高度之后，应重新启动机械装置，并且当外部水位下降至一定程度时，水闸会自动启动排放程序，与此同时，圩区内的各个水闸通常保持封闭状态。在降雨量超出常态的阈值后，常规的排涝调度手段通常因其较高的能源消耗效率而显得力不从心，难以迅速有效地完成排水任务。

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：①集中对圩区排水泵站进行优化，力求在整个过程中能源消耗达到最低，通过对不同方案的深入分析与对比，实现执行策略的高级优化；②基于上下游水位限制条件，执行多目标劣质物的移除。

2.2.1 正交试验的调度方案

在对变量进行试验性分析的过程中，将23个泵站依据圩区特点划分至4个不同的类别，这些类别各自形成独立的试验模块，由此构建了4个试验模块。

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台机组的3种开机方式。基于圩区的具体情况，文章制订了不同水泵装置组的启动程序及其时间安排，将其作为试验的基准。圩区4组试验因素的试验水平见表1。

在实施全面的审查过程中，根据先前的试验参数及其设定，预计将开展81轮试验。然而，借助优化的试验设计表开展试验，可将试验次数减少至9轮。

通过对各个批次试验数据的深入分析可知，在圩区排水泵闸群中，当各个装置严格依照既定的操作规则进行协同运行时，能够实现相同水量排出的最小能源耗费。9轮正交试验结果见表2。

2.2.2 正交试验的过程分析

2.2.2.1 正交试验结果

深入分析表2中的数据，对比其差异性，从而掌握实验因子及其各个级别如何对优化目标产生影响，并依照其影响力大小，从高到低进行排列。通过数据分析发现，第4组泵站的相关试验参数对于试验成果的产出具有决定性的影响，因此，这些关键的实试验参数亟需被优先考虑并纳入优先级排序之中；在二级泵站装置中，试验级别3与试验级别2得以布署并进行序列化操作；在优化过程中，第一和第三泵站对整体影响几乎可忽略不计，通过精心筛选高质量的试验层级进行排序，从而成功提炼出理想的优化序列方案。

2.2.2.2 正交试验优化方案序列

多种优化方案的联合运用形式多样，从理论上讲，可以挑选出若干能量消耗效率较高的组合。在考虑到各项启动计划间的显著区别时，由此不难预见，在具体实施过程中，可能会出现水位在上下游河道间的不平衡，这种不平衡可能不满足堤坝的安全性要求，从而导致排灌系统的效率降低，并最终造成经济损失。因此针对这一情况，工作人员应该把防洪区域外的水位当作限制条件，并对改良方案进行周详的优化挑选，以此来排除那些效果较差的计划。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（9 935 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 作业流程优化

对圩区排灌系统的调控机制进行深度优化，目的在于提升排灌效率、降低能耗，并巩固系统的稳定性和可靠性。因此为了有效优化作业流程，工作人员需要对现行的圩区区域调度管理方针进行彻底的审阅和细致的估价，并对排水系统结构、设备、水位监测以及调控机制进行深入探讨，通过这种方式可以让工作人员全面了解现有流程的运行状况，并挖掘存在的问题，从而有针对性地采取相应措施，以此来确保系统能够有序进行，发挥出应有的作用和价值。

值得注意的是，提升工作效率的关键环节在于对流程进行优化和剔除那些非必要的环节。通过优化机械布局、调整水位观测节点、精化调控逻辑与方法，可消除冗余的技术复杂性，提高操纵的速率，使得排水设施能够迅速响应并高效运转，因此，为了更好地优化作业流程，工作人员应该大力整合前沿技术工具和数字化设备，并借助先进的信息技术和精密的数据分析方法，以此实现对污水管网的远程智能调控与监督。通过这种方式能够最大程度地提高整个系统的自动化程度与智能化水平，并有效优化排放水体的效率和管理水平，使系统能够有序运转。值得注意的是，在改进作业流程的过程中，还应该对工作人员展开培训，不断提高工作人员的专业水平，使其在日常工作当中能够精通优化流程和前沿技术，进而显著提升团队的执行效率和对环境变化的适应性。通过构建并优化绩效评估及奖励机制，以此来激发团队的工作热情与创新潜力，进而促进工作流程的不断进步与完善。

3 结束语

相较于常规调度方案而言，文章通过正交试验法对圩区泵闸群自动化调控展开设计，并借助有限的试验对各种开机方案及运行规则下的排涝总能耗进行排序，以此来得到最佳的调控方案，降低能耗。文章的研究不仅能够加强圩区泵闸群自动化水平，还可以更好地进行调控，降低能耗。

参考文献

[1] 徐兴安，韦余广，周舒燕，等.排涝泵站工程泵闸群自动化调度管理系统研究与实现[J].水利科技与经济，2023（11）：62-67.

[2] 吴海龙.强排自排一体化闸站控制调度研究与应用[D].扬州：扬州大学，2022.

[3] 李钊宝，胡正松，周国权，等.平湖市农村圩区自动化控制系统的应用[J].浙江水利科技，2020（2）：56-59，67.

[4] 钱峰，赵伟勇.水利智能化与圩区水质调节影响分析及研究[J].自动化应用，2019（2）：144-146.