圩區(qū)泵閘群自動(dòng)化調(diào)度控制策略研究

丁 偉，李 彬

（揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225000）

圩區(qū)泵閘群自動(dòng)化調(diào)度控制策略研究

丁 偉，李 彬

（揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225000）

為實(shí)現(xiàn)圩區(qū)泵閘群控制的自動(dòng)化、信息化，提出完整的自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。為降低泵閘群常規(guī)調(diào)度的能耗，提出一套基于正交試驗(yàn)法的調(diào)度策略優(yōu)化運(yùn)行方案，通過(guò) 9 次試驗(yàn)獲得不同開(kāi)機(jī)方案和運(yùn)行規(guī)則下的總能耗，再進(jìn)行排序和去劣，選出最優(yōu)調(diào)度方案。以上海市新浜鎮(zhèn)圩區(qū)為例，闡述優(yōu)化的完整計(jì)算過(guò)程，優(yōu)化后能夠比常規(guī)調(diào)度方案節(jié)約能源 6% 以上。提升圩區(qū)的自動(dòng)化水平和排澇效率，有效節(jié)約能源，同時(shí)方案的研究方法具有一定的實(shí)用和參考價(jià)值。

自動(dòng)化；泵閘群；控制策略；常規(guī)調(diào)度；優(yōu)化；正交試驗(yàn)

0 引言

水利是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)，水利的現(xiàn)代化，更離不開(kāi)水利信息化的支撐[1]，而泵閘自動(dòng)化控制系統(tǒng)的建設(shè)正是我國(guó)大力推進(jìn)水利信息化的重要組成部分。但是，功能單一的泵閘自動(dòng)化功能已經(jīng)不能滿足圩區(qū)排澇科學(xué)管理的要求，需要結(jié)合相關(guān)的優(yōu)化調(diào)度模型與自動(dòng)化控制調(diào)度系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行實(shí)現(xiàn)目的。

上海市新浜鎮(zhèn)共有西片圩、東片圩、林家埭圩、黃家埭圩等 4 個(gè)圩區(qū)，4 個(gè)圩區(qū)占地面積約為整個(gè)新浜鎮(zhèn)土地面積的 50%，其中涉及到 28 座水閘、23 臺(tái)水泵[1]，排澇總動(dòng)力為 3 835 kW，圩區(qū)排澇總流量為 70.40 m3/s，平均排澇模數(shù)為 1.69（m3·s-1）/km2。圩區(qū)的地表徑流由排水管網(wǎng)進(jìn)行收集，通過(guò)排澇泵站排入圩區(qū)內(nèi)河。圩區(qū)的除澇能力設(shè)計(jì)為二十年一遇，排水管網(wǎng)的排水能力設(shè)計(jì)為一年一遇，圩區(qū)內(nèi)平均地面高程為 5.0 m，防汛預(yù)警水位為 2.5 m，常水位為 2.8～3.2 m，最高控制水位為 4.5 m。每年防汛期間圩區(qū)的防汛排澇任務(wù)非常繁重，如何高效經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)圩區(qū)防汛排澇任務(wù)，節(jié)約人力與資源成本，是圩區(qū)管理單位的主要工作。針對(duì)圩區(qū)的防汛排澇基本任務(wù)與要求，設(shè)計(jì)了一套基于圩區(qū)自動(dòng)化控制系統(tǒng)和優(yōu)化調(diào)度策略的聯(lián)合調(diào)度運(yùn)行模式，改善了原來(lái)常規(guī)計(jì)算機(jī)自動(dòng)化單一控制效率低、可靠性差、勞動(dòng)強(qiáng)度大等缺陷。利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了監(jiān)視、操作控制、故障處理、運(yùn)行日志記錄的自動(dòng)化[2]。

正交試驗(yàn)法根據(jù)正交性從全面試驗(yàn)中挑選出部分有代表性的點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，是一種高效率、快速、經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法[3]?；谡辉囼?yàn)法的調(diào)度策略可減輕圩區(qū)的內(nèi)澇壓力，提高整個(gè)圩區(qū)的排澇效率，實(shí)現(xiàn)圩區(qū)排澇經(jīng)濟(jì)運(yùn)行與科學(xué)管理。

1 圩區(qū)泵站自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圩區(qū)自動(dòng)化控制系統(tǒng)是基于以太網(wǎng)組成的集數(shù)據(jù)采集、圖像傳輸、閘位和水位測(cè)量、泵閘自動(dòng)控制為一體的系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

控制系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，控制方式分為遠(yuǎn)程自動(dòng)、現(xiàn)地自動(dòng)、手動(dòng)控制 3 種；控制權(quán)限分三級(jí)，即圩區(qū)控制中心、現(xiàn)地控制層與手動(dòng)操作控制，其中現(xiàn)地控制柜的手動(dòng)控制優(yōu)先級(jí)最高。

1.1 現(xiàn)地控制單元

現(xiàn)地控制單元分別實(shí)現(xiàn)對(duì) 4 個(gè)圩區(qū)內(nèi)所有泵、閘的現(xiàn)地自動(dòng)（手動(dòng)）控制，由可編程控制器 CPU，總線通信、數(shù)字量輸入輸出、模擬量輸入等模塊，以及閘門開(kāi)度控制儀、多功能電參數(shù)數(shù)字表、現(xiàn)場(chǎng)閘位水位顯示模塊、空氣開(kāi)關(guān)、接觸器等組成。

圖 1 上海新浜自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

可編程序控制器輸入輸出模塊通過(guò) Modbus RTU現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)，將各種狀態(tài)、故障、閘位等信息，以及上下游水位、 過(guò)閘流量實(shí)時(shí)上傳至現(xiàn)地監(jiān)控PLC 主機(jī)，再由現(xiàn)場(chǎng) PLC 將數(shù)據(jù)通過(guò) TCP/IP 協(xié)議上傳至圩區(qū)控制中心；同時(shí)現(xiàn)地 PLC 實(shí)時(shí)接收控制中心控制命令，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器件實(shí)現(xiàn)對(duì)泵、閘的控制及數(shù)據(jù)的采集。現(xiàn)地監(jiān)控 PLC 主機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與控制中心進(jìn)行以太網(wǎng)連接，上傳泵、閘的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并接收相關(guān)控制命令。

1.2 圩區(qū)控制中心

圩區(qū)控制中心設(shè)立數(shù)據(jù)采集服務(wù)器與控制客戶端計(jì)算機(jī)、視頻監(jiān)視計(jì)算機(jī)、數(shù)字視頻網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)設(shè)備，采用總線型綜合以太網(wǎng)技術(shù)，TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，組成開(kāi)放式計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。

圩區(qū)控制中心能通過(guò)自建網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)控圩區(qū)內(nèi)河和外河水位、閘門閘位、過(guò)閘流量、實(shí)時(shí)圖像等，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)區(qū)域內(nèi)各水文參數(shù)測(cè)量與設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控等功能[4]，將來(lái)可以通過(guò)公網(wǎng)或?qū)＞W(wǎng)與上海市水務(wù)局信息化、防汛抗旱等系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)通信。

圩區(qū)控制中心可以接收現(xiàn)地控制單元發(fā)送的操作和事件數(shù)據(jù)，存入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，用于畫面更新，控制調(diào)節(jié)，趨勢(shì)分析，記錄打印及事故分析；實(shí)時(shí)監(jiān)視泵、閘組的運(yùn)行狀況，其他重要參數(shù)如水位、閘位、過(guò)閘流量，以及泵、閘站的圖像信息；當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)調(diào)至自動(dòng)位置時(shí)，操作員可以通過(guò)鍵盤和鼠標(biāo)等對(duì)泵、閘進(jìn)行控制。同時(shí)，通過(guò)排澇優(yōu)化調(diào)度控制策略管理系統(tǒng)與自動(dòng)化控制系統(tǒng)共同組成排澇優(yōu)化調(diào)度聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)。

2 圩區(qū)調(diào)度控制策略優(yōu)化

2.1 常規(guī)調(diào)度方案

排澇初期利用排水系統(tǒng)自身的滯澇能力進(jìn)行蓄水，最短蓄水時(shí)間大約為 1 h，當(dāng)排水管網(wǎng)水位接近滿滯時(shí)，各泵站起動(dòng) 1/2 機(jī)組進(jìn)行排水。當(dāng)機(jī)組啟動(dòng)后，如果進(jìn)水池水位保持穩(wěn)定或者緩慢下降，則保持當(dāng)前狀態(tài)至調(diào)度結(jié)束；如果進(jìn)水池水位下降迅速，當(dāng)水位至停機(jī)位時(shí)，關(guān)閉運(yùn)行機(jī)組，待水位重新達(dá)到設(shè)定限值水位時(shí)再開(kāi)機(jī)；如果進(jìn)水池水位持續(xù)上升，直至預(yù)警水位，則立即啟動(dòng)全部機(jī)組，當(dāng)降雨結(jié)束或者水位到達(dá)停機(jī)位時(shí)關(guān)閉所有機(jī)組，待水位再次到達(dá)設(shè)定限值水位時(shí)開(kāi)機(jī)。當(dāng)外河水位較低時(shí)，可通過(guò)水閘進(jìn)行自排，正常情況下，圩區(qū)內(nèi)所有水閘處于關(guān)閉狀態(tài)。

常規(guī)調(diào)度方案能耗較大，當(dāng)降雨量達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，無(wú)法達(dá)到迅速除澇的目的。

2.2 調(diào)度方案優(yōu)化

圩區(qū)泵閘群的調(diào)度方案優(yōu)化可分為 2 個(gè)階段：第 1 階段是以圩區(qū)排澇泵站的總能耗最低為目標(biāo)進(jìn)行方案選優(yōu)；第 2 階段是根據(jù)內(nèi)、外河水位限制進(jìn)行多目標(biāo)去劣。

2.2.1 正交試驗(yàn)的調(diào)度方案

1）試驗(yàn)因素。將 23 座泵站按圩區(qū)不同分成4 組，每個(gè)泵站組為 1 個(gè)試驗(yàn)因素，共有 4 個(gè)試驗(yàn)因素。

2）試驗(yàn)水平。每座排澇泵站配備多臺(tái)排澇泵，調(diào)度一般有機(jī)組全開(kāi)、1/2 機(jī)組開(kāi)啟、只開(kāi) 1 臺(tái)機(jī)組等 3 種開(kāi)機(jī)方式。結(jié)合圩區(qū)實(shí)際情況，對(duì)各組的水泵機(jī)組的開(kāi)機(jī)方式及時(shí)間進(jìn)行設(shè)定，作為試驗(yàn)水平，如表 1 所示。

表 1 圩區(qū) 4 組試驗(yàn)因素的試驗(yàn)水平

3）試驗(yàn)方案。如果進(jìn)行全面試驗(yàn)，根據(jù)上述試驗(yàn)因素和水平，需進(jìn)行 81 次試驗(yàn)，按照正交表[5]進(jìn)行試驗(yàn)，僅需進(jìn)行 9 次試驗(yàn)。

4）試驗(yàn)結(jié)果。每一組的試驗(yàn)結(jié)果是圩區(qū)排澇泵站群的各個(gè)機(jī)組在特定的運(yùn)行規(guī)則組合下排除等量澇水所需要的最小能耗。9 次正交試驗(yàn)的結(jié)果如表 2所示。

表 2 正交試驗(yàn)結(jié)果

2.2.2 正交試驗(yàn)的過(guò)程分析

2.2.2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)表 2 所示的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，分析可得各試驗(yàn)因素和水平對(duì)優(yōu)化目標(biāo)的影響，將影響程度從大到小進(jìn)行排列，排列結(jié)果如表 3 所示。由表 3可知，第 4 泵站組的試驗(yàn)水平對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響最大，將其所有的試驗(yàn)水平都參與排列；第 2 泵站組可以取 3 和 2 這 2 種試驗(yàn)水平參與排列；第 1 和 3 泵站組影響較小，選最優(yōu)的試驗(yàn)水平進(jìn)行排列，由此得到的優(yōu)化方案序列如表 4 所示。

2.2.2.2 正交試驗(yàn)優(yōu)化方案序列

表 3 試驗(yàn)因素和水平對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響排序

表 4 優(yōu)化方案序列

從表 4 看出，優(yōu)化方案的組合有很多種，在理論上，可以選擇能耗較低的前幾種組合方案，但是因?yàn)槊恳唤M開(kāi)機(jī)方案不同，有可能會(huì)導(dǎo)致在實(shí)際運(yùn)行時(shí)內(nèi)、外河的水位不滿足河堤的安全要求，導(dǎo)致排澇失敗，造成損失，因此需要以圩區(qū)外河水位為限制條件對(duì)優(yōu)化方案再進(jìn)行選優(yōu)去劣。在僅以排澇能耗最小為優(yōu)化目標(biāo)的前提下，第 1 種組合方式的開(kāi)機(jī)原則能夠使排澇能耗達(dá)到最?。? 936 kW·h）。然后校驗(yàn)此種組合方式下的水位，可知在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，最高運(yùn)行水位為 3.9 m，低于最高控制水位 4.5 m，滿足圩區(qū)外河水位限制條件。

2.3 優(yōu)化方案實(shí)際運(yùn)行情況

綜合調(diào)度方法的比較結(jié)果，可以得出第 1 種組合方式為最優(yōu)方案。與現(xiàn)行的調(diào)度方案進(jìn)行比較，在排水條件相同的情況下，圩區(qū)排澇的總能耗大約為 10 586 kW·h，而采取優(yōu)化方案后，實(shí)際運(yùn)行時(shí)能夠比現(xiàn)行調(diào)度方案節(jié)約能源 6% 以上。

另一方面，按照此方案以能耗最小為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)于一般排澇時(shí)期是可行的，而且具有節(jié)能環(huán)保意義。如果是特大暴雨或者非常時(shí)期，會(huì)損失其他排澇指標(biāo)。今后在研究這類問(wèn)題時(shí)可以考慮多目標(biāo)優(yōu)化取代能耗最小的單目標(biāo)優(yōu)化方案，達(dá)到更好的效果。

3 結(jié)語(yǔ)

在各泵站組實(shí)際運(yùn)行的過(guò)程中，由于設(shè)備的檢修操作和匯水能力等各種自然條件的限制，使得泵站組在不同運(yùn)行規(guī)則和開(kāi)機(jī)方案下產(chǎn)生的能耗有所區(qū)別，同時(shí)泵站群的數(shù)量比較多，導(dǎo)致各泵站組的排列組合數(shù)量相應(yīng)增長(zhǎng)。

區(qū)別于前人所研究的常規(guī)調(diào)度方案，采取正交試驗(yàn)法，通過(guò)有限的試驗(yàn)次數(shù)就能夠獲得不同開(kāi)機(jī)方案和運(yùn)行規(guī)則下影響排澇總能耗的排序，獲得最優(yōu)方案。在理論上為今后研究這類問(wèn)題提供了切實(shí)可行而且準(zhǔn)確有效的方法，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

平原地區(qū)圩區(qū)泵站群的優(yōu)化調(diào)度研究，由于不同地區(qū)的水文氣象條件差異性較大，雖然眾多的優(yōu)化方法具有一定的參考價(jià)值，但是還要結(jié)合具體情況進(jìn)行具體優(yōu)化與完善。同時(shí)，能夠結(jié)合計(jì)算機(jī)自動(dòng)化調(diào)度系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)真正的計(jì)算機(jī)調(diào)度優(yōu)化自動(dòng)控制，是圩區(qū)泵站群調(diào)度未來(lái)的發(fā)展方向。

[1] 王占華. 水利信息化資源整合共享頂層設(shè)計(jì)助推智慧水利發(fā)展[J]. 治淮，2017 (2): 32-33.

[2] 劉靜森，陳健，何偉. 上海市新浜鎮(zhèn)圩區(qū)泵閘計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)[J]. 科技資訊，2007 (18): 85-86.

[3] 王玄靜. 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的應(yīng)用及分析[J]. 蘭州文理學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016 (1): 17-22.

[4] 朱培源. 關(guān)于自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)在油田生產(chǎn)中的應(yīng)用[J]. 通訊世界，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 偉（1992-），男，江蘇東臺(tái)人，碩士研究生，從事水利工程自動(dòng)化與信息化技術(shù)研究。