基于管網(wǎng)水量分析的排水泵站智能調(diào)度方法

張燕劍

（上海市青浦區(qū)排水管理所）

1 引言

泵站在城市排水系統(tǒng)中起著相當(dāng)重要的作用，同時(shí)也需要消耗大量的能量。隨著泵站工程規(guī)模的擴(kuò)大和復(fù)雜程度的提高, 泵站的運(yùn)行調(diào)度管理顯得越來越重要。泵站的效益和能耗與水泵的效率、動(dòng)機(jī)效率等眾多因素有關(guān)，泵站運(yùn)行調(diào)度主要是在一定時(shí)期內(nèi)，通過泵站科學(xué)管理的優(yōu)化技術(shù)和調(diào)度決策, 按照一定的最優(yōu)準(zhǔn)則，在滿足相應(yīng)的約束條件的前提下, 使泵站運(yùn)行的目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最優(yōu)，這也說明泵站調(diào)度不是追求某一設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)最好，而是以整體配合的運(yùn)行狀態(tài)最優(yōu)為目標(biāo)。

目前泵站普遍使用的調(diào)度方法是根據(jù)進(jìn)水水位來決定水泵的啟停，所謂的“智能”，也僅僅是遠(yuǎn)程操作，這樣在來水快速上升時(shí)，易造成排水不暢，而來水緩慢下降時(shí)，則水泵頻繁啟停，導(dǎo)致許多泵站機(jī)組沒有在最優(yōu)工況下運(yùn)行, 造成大量電能損失, 或者泵站運(yùn)行調(diào)度不合理, 造成棄水量過多等。故提高泵站運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益, 優(yōu)化泵站運(yùn)行已成為一個(gè)重要問題。

隨著計(jì)算機(jī)智能算法的日益成熟，泵站的優(yōu)化調(diào)度也越來越多地結(jié)合計(jì)算機(jī)智能算法來求解，基于管網(wǎng)水量分析的排水泵站智能調(diào)度方法就是其中之一。本文對(duì)該方法進(jìn)行簡單敘述，并結(jié)合相應(yīng)案例進(jìn)行對(duì)比分析，為泵站優(yōu)化調(diào)度方法的發(fā)展提供相應(yīng)的理論支持。

2 基于管網(wǎng)水量分析的排水泵站智能調(diào)度實(shí)現(xiàn)水量均衡的方法

2.1 智能調(diào)度模型簡介

2.1.1 模型說明

泵站調(diào)度模型的泵站數(shù)學(xué)模型見式（1）[1]。

泵站的模型包括泵的模型和水池的模型見式（1）。

管網(wǎng)模型包括檢查井模型、管段模型和泵站模型。泵站按照哈夫曼編碼方式給每個(gè)泵站唯一編號(hào)。

管網(wǎng)模型中泵站與泵站之間關(guān)系數(shù)學(xué)模型見式（3）。

每個(gè)泵站通過管網(wǎng)與下一級(jí)中的其中之一泵站連接，且管網(wǎng)的排水量滿足以下兩條件至少之一：①大于或等于與其連接的上游一端的泵站的排水量與檢查井入水量之和；②大于或等于其上游所有泵站的總排量之和。

2.1.2 模型中包括的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及控制子系統(tǒng)

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括水力數(shù)據(jù)、水文數(shù)據(jù)、水質(zhì)數(shù)據(jù)、泵站的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；泵站的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括水泵數(shù)量、水泵基礎(chǔ)信息、泵站日流量、蓄水池?cái)?shù)據(jù)；水泵基礎(chǔ)信息包括流量、功率、轉(zhuǎn)速、效率；管網(wǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包括管網(wǎng)中的水位數(shù)據(jù)、流量數(shù)據(jù)、水質(zhì)數(shù)據(jù)、泵站的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；泵站的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包括泵站當(dāng)前水位、泵站當(dāng)前開泵量；內(nèi)置規(guī)則包括系統(tǒng)狀態(tài)的預(yù)設(shè)參數(shù)，系統(tǒng)的最大容忍限度，與時(shí)間相關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)；工作規(guī)則具有優(yōu)先級(jí)順序。

控制子系統(tǒng)能連接網(wǎng)絡(luò)獲取天氣預(yù)報(bào)以及降水量預(yù)報(bào)信息，并根據(jù)獲取到的天氣預(yù)報(bào)以及降水量預(yù)報(bào)信息預(yù)估出水位上漲量，提前控制調(diào)度子系統(tǒng)開泵預(yù)排水，這樣可以有效地防止因強(qiáng)降水時(shí)導(dǎo)致水位過高，影響系統(tǒng)整體的排水，甚至可有效防止因來不及排水而造成大量積水。

2.2 調(diào)度過程分析

通過計(jì)算可獲知排水系統(tǒng)運(yùn)行的最大能力，排水管道的實(shí)時(shí)運(yùn)行情況，泵站的同步狀態(tài)，污水廠的運(yùn)行，溢水口等排水系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)之間的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)關(guān)系，并且可找出其關(guān)系并建立系統(tǒng)最優(yōu)的調(diào)度方案，而且可對(duì)調(diào)度方案產(chǎn)生的影響和后果進(jìn)行模擬，并且是實(shí)時(shí)地進(jìn)行決策和可知結(jié)果的執(zhí)行。

2.2.1 日常調(diào)度的4個(gè)步驟

①在當(dāng)前水位hc高于開泵水位hoh時(shí)，控制調(diào)度子系統(tǒng)打開該泵站默認(rèn)啟動(dòng)的泵。

②檢測(cè)當(dāng)前泵站的當(dāng)前水位hc，在該泵站的泵未全部開啟時(shí)：若hc變大，控制調(diào)度子系統(tǒng)開啟該泵站剩余泵中流量最大的泵；

若hc變小，控制調(diào)度子系統(tǒng)維持該泵站當(dāng)前狀態(tài)；

若泵站的所有泵均開啟且當(dāng)前水位hc仍然繼續(xù)上漲，控制子系統(tǒng)控制報(bào)警子系統(tǒng)發(fā)送警報(bào)信息，并通知人工采取既定的緊急處理措施；還控制調(diào)度子系統(tǒng)關(guān)閉部分上級(jí)泵站的泵；

③當(dāng)前水位hc降低至開泵水位hoh時(shí)，控制子系統(tǒng)控制調(diào)度子系統(tǒng)關(guān)閉默認(rèn)啟動(dòng)的泵以外的其他泵；

④當(dāng)前水位hc低于停泵水位hsl時(shí)，控制子系統(tǒng)控制調(diào)度子系統(tǒng)停止該泵站的泵。

2.2.2 預(yù)排空的4個(gè)步驟

①根據(jù)預(yù)測(cè)到的降雨曲線以及降雨影響因子，結(jié)合匯水模型估算降雨過程中進(jìn)入泵站的雨水量V降雨；

②根據(jù)泵站開泵水位與當(dāng)前水位的差換算成可蓄水量V可蓄水，采用正失衡可行流對(duì)泵站進(jìn)行調(diào)度預(yù)排水，使V可蓄水≥V降雨；

③計(jì)算污水處理廠的剩余處理能力；

④根據(jù)污水處理廠的剩余處理能力進(jìn)行預(yù)排空調(diào)度。

2.2.3 在預(yù)排空步驟完成后，系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)入最佳排水調(diào)度的5個(gè)步驟

①控制子系統(tǒng)根據(jù)每一個(gè)泵站所服務(wù)的區(qū)域重要性設(shè)置調(diào)度優(yōu)先級(jí)；

②在泵站完全可調(diào)度的條件下，采用平衡可行流調(diào)度排水或正失衡可行流排水；

③在泵站部分可調(diào)度的條件下，根據(jù)允許的最大排放量排水量采用負(fù)失衡可行流調(diào)度排水；

④在泵站不可調(diào)度的條件下，維持原狀；

⑤當(dāng)有泵站的集水池中的水位超過緊急控制水位線時(shí)則需要對(duì)其進(jìn)行緊急控制調(diào)度。

在排水調(diào)度過程中，水位會(huì)不斷地變化。如果一直保持著同樣的調(diào)度優(yōu)先級(jí)，可能會(huì)影響到其他泵站的排水調(diào)度，因此，好的調(diào)度方法，控制子系統(tǒng)會(huì)根據(jù)泵站的實(shí)時(shí)水位更新泵站的調(diào)度優(yōu)先級(jí)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)最大地發(fā)揮管網(wǎng)的排水能力。在日常節(jié)能優(yōu)化調(diào)度中，控制子系統(tǒng)，在滿足日常排水的要求下，讓每臺(tái)泵工作在高效節(jié)能區(qū)域，以達(dá)到節(jié)能的效果，從長遠(yuǎn)來看，此種設(shè)計(jì)方式不僅可以有效地減少能耗，還能通過更換開啟的泵來實(shí)現(xiàn)泵的均衡利用。下工作t時(shí)間，則有式（4）～式（6）。

2.3 調(diào)度過程分析

①整個(gè)過程是對(duì)樹采用非遞歸的深度優(yōu)先遍歷（后序遍歷式），通過遍歷得到應(yīng)用于整個(gè)管網(wǎng)的能耗最小的調(diào)度方案。

②求解操作子過程，當(dāng)對(duì)某個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行問題求解操作時(shí)，首先需要獲取其所有直接子節(jié)點(diǎn)的可行解集，將該可行解集作為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)進(jìn)行目標(biāo)函數(shù)求解時(shí)的輸入值的候選集。最終實(shí)現(xiàn)在應(yīng)急狀態(tài)下時(shí)，啟用應(yīng)急調(diào)度子模型，該應(yīng)急調(diào)度子模型據(jù)泵站分布走向圖將管網(wǎng)表示為樹[2]。

2.4 調(diào)度步驟

2.2.4 耗能最優(yōu)工作流量點(diǎn)的求解

調(diào)度步驟如下：

①在當(dāng)前水位hc高于開泵水位hoh時(shí)，控制調(diào)度子系統(tǒng)打開該泵站默認(rèn)啟動(dòng)的泵；

②檢測(cè)當(dāng)前泵站的當(dāng)前水位hc，在該泵站的泵未全部開啟時(shí)：若hc變大，控制調(diào)度子系統(tǒng)開啟該泵站剩余泵中流量最大的泵；

③若hc變小，控制調(diào)度子系統(tǒng)維持該泵站當(dāng)前狀態(tài)；

④若泵站的所有泵均開啟且當(dāng)前水位hc仍然繼續(xù)上漲，控制子系統(tǒng)控制報(bào)警子系統(tǒng)發(fā)送警報(bào)信息，并通知人工采取既定的緊急處理措施；控制調(diào)度子系統(tǒng)關(guān)閉部分上級(jí)泵站的泵；

⑤當(dāng)前水位hc降低至開泵水位hoh時(shí)，控制子系統(tǒng)控制調(diào)度子系統(tǒng)關(guān)閉默認(rèn)啟動(dòng)的泵以外的其他泵；

⑥當(dāng)前水位hc低于停泵水位hsl時(shí)，控制子系統(tǒng)控制調(diào)度子系統(tǒng)停止該泵站的泵。

3 應(yīng)用案例

浙江某水務(wù)集團(tuán)對(duì)本市3座污水廠進(jìn)行管理，日處理能力36×104t，擁有污水泵站300座； 配套污水管網(wǎng)為合流制，其中部分泵站的出水段管道是壓力式管道； 泵站所配備的泵的揚(yáng)程普遍較大。目前泵站的控制，采用自動(dòng)控制模式為主，手動(dòng)控制模式為輔的方式，每臺(tái)泵依據(jù)已設(shè)定的開關(guān)液位線，進(jìn)行啟停，工作人員全年24h值班監(jiān)控。簡單地、孤立地、靜態(tài)地泵站獨(dú)立自動(dòng)控制，沒有實(shí)現(xiàn)泵群系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)控制，泵群運(yùn)行的節(jié)能降耗降低成本的空間未挖掘和提升，為此，對(duì)泵站調(diào)度采用文中所述算法進(jìn)行了優(yōu)化，通過智能的聯(lián)合動(dòng)態(tài)調(diào)度實(shí)現(xiàn)了泵群的聯(lián)合調(diào)度，智能動(dòng)態(tài)地開關(guān)泵，統(tǒng)一調(diào)度，泵站調(diào)度科學(xué)、規(guī)范、一致，泵群運(yùn)行在高效區(qū)。改造后，以其中某泵站為例，進(jìn)行了原中控方案與智能調(diào)度方案的運(yùn)行比較，與原中控方案系統(tǒng)相比，泵站前池水位變化更為平緩，水泵啟停次數(shù)大大減少，有效提高了設(shè)備壽命及系統(tǒng)安全性。如表1所示為泵站能耗對(duì)比表。

以該泵站所在的排水系統(tǒng)為例，2018年全年總用電量999.02×104kW·h，按節(jié)能 7.36%計(jì)算， 年 節(jié) 約 用 電 73.52×104kW·h，智能調(diào)度算法經(jīng)濟(jì)效益突出。

4 結(jié)語

綜上所述，根據(jù)當(dāng)前水量計(jì)算出需要排出的水量，能實(shí)現(xiàn)并自動(dòng)控制相應(yīng)排水量的泵開泵或停泵，實(shí)現(xiàn)對(duì)泵的調(diào)度；能結(jié)合天氣預(yù)報(bào)和降雨預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)未來時(shí)間內(nèi)可能的降雨量，提前進(jìn)行預(yù)排水，防止因未能及時(shí)排水引發(fā)水浸；能對(duì)泵群進(jìn)行精確調(diào)度，實(shí)現(xiàn)泵站無人值守；能使排水系統(tǒng)的按照調(diào)度需求均衡的向目標(biāo)輸送，并最大地發(fā)揮泵站效率。

表1 泵站能耗對(duì)比表