匡海鷹 曹麗華 張淑敏(上海城投原水有限公司,上海 200135)
水資源的優(yōu)化配置和高效利用支撐經(jīng)濟(jì)社會持續(xù)健康發(fā)展,而水資源的優(yōu)化配置和高效利用需要系統(tǒng)的、科學(xué)的統(tǒng)籌全局域的取用水,物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算的快速發(fā)展,為水資源的智慧化運營提供了理論和技術(shù)支撐,現(xiàn)階段原水供應(yīng)的調(diào)度方式以人工經(jīng)驗方法進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)度管理,導(dǎo)致運行效率低,運營成本高,能耗不精簡,另外,預(yù)警監(jiān)測都是由人工完成的,對異常情況反應(yīng)力極低,極大影響生產(chǎn),通過開發(fā)一套集預(yù)測、預(yù)警、調(diào)度于一體的智能化調(diào)度系統(tǒng)[1,2],實現(xiàn)精準(zhǔn)高效敏捷的調(diào)度模式。
整個軟件系統(tǒng)的框架采用B/S 的架構(gòu)設(shè)計,開發(fā)平臺采用JAVA 平臺,服務(wù)器端為Web Server 和相應(yīng)的中間件,后端應(yīng)用大型關(guān)系數(shù)據(jù)庫。水量預(yù)測、原水預(yù)警和泵組尋優(yōu)的模型訓(xùn)練和算法開發(fā)通過R 和Python 實現(xiàn)。前端采用HTML5 進(jìn)行開發(fā),可兼容各種瀏覽器,同時使用WebSocket 技術(shù),實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實時展示,方案推送,警報提醒,客戶端只需瀏覽器即可訪問。所有的系統(tǒng)維護(hù)和管理工作通過服務(wù)器端進(jìn)行,客戶端實現(xiàn)零維護(hù)。
原水智能調(diào)度系統(tǒng)整個算法流程(如圖1 所示)。
在原水智能調(diào)度系統(tǒng)的每個環(huán)節(jié)都有監(jiān)控機(jī)制,全面保障原水調(diào)度支線的安全性。
采用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對城市用水量進(jìn)行預(yù)測,對2019 年11 月1 日到2019 年11 月30 日的預(yù)測值和實際值進(jìn)行對比分析,平均誤差為3.88%,為降低城市用水量的短期波動偏離長期靜態(tài)模型的程度,引進(jìn)誤差校正算法對BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測值進(jìn)行修正,經(jīng)過修正后平均預(yù)測誤差為2.86%,預(yù)測誤差降低了1.02%。
原水需水量預(yù)測根據(jù)運籌學(xué)庫存論的原理,由城市用水量預(yù)測值反向推導(dǎo)水廠原水需水量,結(jié)合水廠的制水工藝,在保障自來水水廠的清水庫庫存安全的條件下,開發(fā)一套可以預(yù)測24 小時原水需水量的算法。同時輔助一套獨立運行原水水量調(diào)節(jié)程序,當(dāng)水廠清水水庫達(dá)到設(shè)置限值時,會立即觸發(fā)原水水量調(diào)節(jié)程序,確保水廠安全生產(chǎn)。
因自來水廠原水需水量為分階段恒定不變數(shù)據(jù),故原水需水量算法只需預(yù)測需要調(diào)整需水量的時間節(jié)點和水量,需水量預(yù)測結(jié)果,如表1 所示。
原水預(yù)警技術(shù)路線圖,如圖2 所示。
圖1 原水智能調(diào)度算法流程圖
表1 原水需水量預(yù)測結(jié)果
圖2 原水預(yù)警技術(shù)路線圖
原水預(yù)警通過實時監(jiān)測原水異常信息,及時反饋到原水需水量預(yù)測算法中,并及時調(diào)整原水需水量,維持供需平衡和降低管網(wǎng)運行負(fù)荷。
2.4.1 泵組間流量分配
原水泵站有4 臺水泵負(fù)責(zé)金海川沙支線的原水供應(yīng),合理的安排單泵流量,是降低水泵負(fù)荷,降低整體能耗的關(guān)鍵。
泵組尋優(yōu)算法從單臺泵運行的健康性和高效性出發(fā),避免水泵高負(fù)載運行和過度的開停泵。從管線的層面出發(fā),分析原水輸送損耗和泵站運行機(jī)理,在泵站向水廠傳輸數(shù)據(jù)時,必然會由于管線過長等原因?qū)е聜鬏敃r水量損耗,故在流量分配時,加入管損因素。最后,在使整個系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的前提下,運用非線性規(guī)劃模型求取最佳的單泵流量。
2.4.2 確定單泵轉(zhuǎn)速
變頻泵是通過轉(zhuǎn)速控制,已知泵需要輸出的流量,不能直接控制泵。通過擬合新的水泵特性曲線和管路特性曲線,確定變頻泵的高效區(qū)間,最終把泵需要輸出的流量代入水泵的高效區(qū)間內(nèi),求出泵的轉(zhuǎn)速。
最后由機(jī)泵尋優(yōu)算法計算出原水泵站泵組的開停和調(diào)速信息,并由PLC 監(jiān)控和微調(diào)機(jī)泵尋優(yōu)算法調(diào)速的精確度。
原水智能調(diào)度系統(tǒng)首頁匯總?cè)恐匾K,通過首頁可以總覽需水量預(yù)測值、預(yù)測方案執(zhí)行情況、原水預(yù)警信息及各支線實時的流量壓力參數(shù)等信息。
原水需水量在實際需水量變動后30 分鐘頁面展示下次需水量變化時間和水量,并每隔30 分鐘更新預(yù)測方案。
系統(tǒng)時間到了預(yù)測時間時,立即彈窗推送需水量調(diào)度方案,調(diào)度員可以根據(jù)實際情況接收、修改、拒絕系統(tǒng)推送的需水量調(diào)度方案。
調(diào)度員同意系統(tǒng)推送的需水量方案后,立即彈框推送機(jī)泵尋優(yōu)方案,確認(rèn)后指令直接下發(fā),直接對機(jī)泵進(jìn)行調(diào)速和開停操作。
原水智能調(diào)度系統(tǒng)的建設(shè)與應(yīng)用,促進(jìn)原水調(diào)度領(lǐng)域進(jìn)行智慧化運營,切實提高原水調(diào)度的智能化水平,同時,改革現(xiàn)有的人工經(jīng)驗調(diào)度的方法,用科學(xué)的高精度模型精準(zhǔn)調(diào)度,并在原水智能調(diào)度的各個環(huán)節(jié)加入保障機(jī)制程序,確保原水管網(wǎng)安全、穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)的運行。