城鄉(xiāng)供水一體化運行調(diào)度平臺建設(shè)的探索與實踐

董鴻波

(天津市自來水集團靜海水務(wù)有限公司，天津301600)

1 應(yīng)用背景

按照國家農(nóng)村飲水安全鞏固提升工程部署要求，實現(xiàn)中央提出的到2020年全面建成小康社會、確保貧困地區(qū)如期脫貧目標，在“十三五”期間，全國通過實施農(nóng)村飲水安全鞏固提升工程，切實解決了農(nóng)村飲水安全問題。尤其是在經(jīng)濟較發(fā)達地區(qū)，地方政府與城市大型水務(wù)企業(yè)共同出資，統(tǒng)一城鄉(xiāng)供水規(guī)劃，加快農(nóng)村地區(qū)供水廠網(wǎng)建設(shè)，基本形成城鄉(xiāng)供水“一張網(wǎng)”，歷史性地實現(xiàn)了農(nóng)村居民和城市居民在水質(zhì)、水壓和服務(wù)等關(guān)鍵供水指標方面的均等化。

然而，隨著城鄉(xiāng)供水一體化的推進，城市供水管網(wǎng)向農(nóng)村快速延伸，原先使用地下水的農(nóng)村集中供水站并入城市供水管網(wǎng)，使城市供水企業(yè)的加壓泵站調(diào)度和輸配水管網(wǎng)的運行面臨諸多挑戰(zhàn)。供水量直線上升導致原水非常緊張，在這一狀態(tài)下，如何更好地保證各加壓泵站合理調(diào)度調(diào)整水量、水壓，同時做好管網(wǎng)長距離輸配中的管網(wǎng)維護并降低漏損工作，是供水企業(yè)必須解決的問題。筆者介紹了天津市靜海區(qū)實現(xiàn)城鄉(xiāng)供水一體化后，靜海水務(wù)公司(以下簡稱公司)通過供水運行調(diào)度平臺建設(shè)解決前述問題的探索與實踐。

2 供水設(shè)施概況

2.1 設(shè)施現(xiàn)狀

靜海區(qū)供水區(qū)域總面積為1 482 km2，管網(wǎng)總長1 500 km，水源為市區(qū)凌莊水廠引入的3條輸水干線，有一級加壓泵站3座，每座加壓站的設(shè)計供水能力為(5～10)×104m3/d，清水池調(diào)蓄能力為(1～1.5)×104m3/d；二級加壓泵站3座，每座加壓站的設(shè)計供水能力為(3～5)×104m3/d，清水池調(diào)蓄能力為(0.6～0.9)×104m3/d；農(nóng)村小型供水加壓站30座，每座加壓站的設(shè)計供水能力為5 000 m3/d，清水池調(diào)蓄能力為100 m3。以上設(shè)施共服務(wù)鄉(xiāng)鎮(zhèn)18個、行政村300余個，涉及人口70余萬，企事業(yè)單位2000余家，日均供水量為12.8×104m3/d，詳見圖1。

圖1 靜海區(qū)供水管網(wǎng)和加壓泵站示意

2.2 運行模式

一級、二級泵站均配備了SCADA自控系統(tǒng)，能實現(xiàn)智能化自動控制，具備來水直供串聯(lián)加壓和來水進清水池低放加壓兩種運行模式，可以單獨運行或同時運行，水質(zhì)方面具備余氯檢測和投加次氯酸納消毒藥劑的功能，以保持出廠余氯能夠滿足不利點水質(zhì)達標為標準。出廠壓力為0.35～0.25 MPa，樓房用戶建筑引入管壓力不低于0.18 MPa。農(nóng)村小型加壓站為低放加壓模式，具備余氯在線檢測，未設(shè)置投加次氯酸納消毒藥劑功能。

2.3 管網(wǎng)布局

3條市區(qū)水源線為一級輸水管網(wǎng)，直接輸送至一級加壓站；一級加壓站出廠干管作為二級輸配管網(wǎng)，輻射周邊區(qū)域用戶的同時遠距離向二級泵站輸水，二級輸配管網(wǎng)之間實現(xiàn)互聯(lián)互通形成環(huán)網(wǎng)；二級加壓站出廠干管作為三級輸配管網(wǎng)，輻射周邊區(qū)域用戶的同時遠距離向農(nóng)村小型加壓站輸水，各三級輸配管網(wǎng)實現(xiàn)互聯(lián)互通形成環(huán)網(wǎng)。因此，通過管網(wǎng)的合理布局，保證了各一級泵站之間和各二級泵站之間均可以聯(lián)合調(diào)度、互相補充，避免出現(xiàn)因個別泵站和干管出現(xiàn)問題而造成大面積停水的情況，最大限度保證供水安全。

3 存在的問題

3.1 供水量和需水量之間平衡緊張

綜合市區(qū)水廠來水量與各終端用戶需水量數(shù)據(jù)測算，在高峰供水期間供需基本持平。需要調(diào)度人員隨時結(jié)合日間和夜間來水量變化，做好各泵站清水池調(diào)蓄和供水模式調(diào)整的工作，最大限度地使用來水并滿足各區(qū)域供水需求。由于供需之間的緊平衡狀態(tài)，一旦調(diào)度不及時準確，將會造成供水量區(qū)域性降低甚至停水的嚴重問題。

3.2 供水區(qū)域水壓不利點布局分散

由于管網(wǎng)運行模式為輸配水功能兼具，在下游需水量增加時會造成配水管網(wǎng)的壓力下降，尤其是農(nóng)村集中供水站入口瞬時水量較大，一般在150 m3/h以上。若多個集中供水站同時加水，需水量在短時間內(nèi)大幅變化，二級加壓站僅靠SCADA系統(tǒng)難以保證出廠壓力平衡，需要人工及時調(diào)整泵組運行模式和工況，對調(diào)度人員及時了解管網(wǎng)流量和壓力數(shù)據(jù)提出了更高要求。

3.3 遠距離輸水漏損控制難度加大

農(nóng)村集中供水站分布在距離一、二級泵站較遠的農(nóng)村，輸配水管網(wǎng)從一、二級加壓站至農(nóng)村集中供水站的距離超過幾十公里，沿途多為國道、省道或鄉(xiāng)村公路的綠地和邊溝，遠離城鎮(zhèn)、鄉(xiāng)村，存在跑冒滴漏、工程施工損壞甚至不法分子通過放氣閥偷盜水等不易發(fā)現(xiàn)的問題。

4 基于城鄉(xiāng)供水一體化的遠程運行調(diào)度平臺建設(shè)

公司組建了供水管理專業(yè)部門，依靠運行調(diào)度平臺全天24 h對泵站和管網(wǎng)進行統(tǒng)一的遠程運行調(diào)度管理，平臺建設(shè)涉及5個方面的內(nèi)容，拓撲結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

4.1 廣域網(wǎng)絡(luò)的搭建

公司中心機房與各泵站租用網(wǎng)絡(luò)運營商千兆光纖連接，保證調(diào)度中心與各泵站數(shù)據(jù)交換通暢。同時，中心機房租用10M帶寬移動數(shù)據(jù)專線，實現(xiàn)移動端或遠端物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)交換。機房主交換機采用劃分VLAN模式，保證各系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)隔離。

4.2 感知層設(shè)備新裝選型和改造

為保證遠程監(jiān)測和控制，需要對感知層設(shè)備在新建環(huán)節(jié)提前選型設(shè)計，并對已經(jīng)運行但達不到標準和要求的設(shè)備進行更換和改造。設(shè)備主要涉及兩個方面：一是泵站相關(guān)的感知設(shè)備，包括泵站內(nèi)的閥門，水質(zhì)、水壓、流量、次氯酸納加藥罐液位、清水池液位等的監(jiān)測儀表和傳感器，送水泵組、加氯泵組，此類設(shè)備由現(xiàn)場的PLC和下位端的SCADA系統(tǒng)進行控制管理，同時開發(fā)系統(tǒng)接口通過光纖與調(diào)度中心對接，可以實現(xiàn)調(diào)度平臺對遠端各類感知層設(shè)備的遠程監(jiān)測報警和實時控制。二是與管網(wǎng)相關(guān)的感知設(shè)備，包括區(qū)域計量流量計、小區(qū)入口考核流量計、大用戶貿(mào)易結(jié)算流量計、壓力監(jiān)測點、管網(wǎng)末稍水水質(zhì)在線監(jiān)測點，這類設(shè)備主要采用電池供電模式，通過GPRS或NB上傳至調(diào)度中心遠程數(shù)據(jù)平臺。

4.3 平臺軟件系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用

對應(yīng)廣闊的區(qū)域面積和龐大的管網(wǎng)設(shè)施，公司建立了準確可靠的地理信息系統(tǒng)(GIS)，在基于1 ∶2 000覆蓋全域面積的基礎(chǔ)地形圖上建立GIS，地理信息數(shù)據(jù)包括管網(wǎng)、閥門、表具、井室等全部管網(wǎng)數(shù)據(jù)。主要應(yīng)用包括管網(wǎng)的可視化管理和統(tǒng)計分析，移動端的應(yīng)用程序為現(xiàn)場人員定位查詢管網(wǎng)輔助搶修，與泵站SCADA及無線遠程監(jiān)測點數(shù)據(jù)平臺建立接口，實時查詢相關(guān)數(shù)據(jù)。

對應(yīng)分散的泵站布局和輸配一體的管網(wǎng)運行模式，建設(shè)公司統(tǒng)一的SCADA系統(tǒng)，新系統(tǒng)集成了各個泵站本地的SCADA系統(tǒng)，實現(xiàn)公司調(diào)度人員對各泵站設(shè)備及儀表的遠程監(jiān)測、報警和實時控制，使各泵站運行實現(xiàn)了有人值班、無人值守的水平。在此基礎(chǔ)上，公司調(diào)度人員還能利用GIS的管網(wǎng)數(shù)據(jù)，以及無線遠程監(jiān)測點數(shù)據(jù)平臺的流量、壓力和水質(zhì)的實時數(shù)據(jù)，對泵站運行模式、泵組運行狀態(tài)和出廠壓力進行調(diào)整，保證各泵站和輸配水管網(wǎng)的水力平衡。

對應(yīng)復(fù)雜的管網(wǎng)布局、分布不均勻的區(qū)域用水和大量分散的用戶，建立無線遠程監(jiān)測點數(shù)據(jù)采集平臺，對實時上傳數(shù)據(jù)的200余臺流量計、100余臺壓力監(jiān)測點和30余臺水壓監(jiān)測點進行管理，為區(qū)域計量、管網(wǎng)壓力平衡、水質(zhì)檢驗提供支持。各遠端設(shè)備的數(shù)據(jù)上傳頻次按照管理需要已分別達到5，10和30 min/次，形成了對管網(wǎng)水運行狀態(tài)的靈敏感知。平臺應(yīng)用軟件功能如圖3所示。

圖3 平臺應(yīng)用軟件功能示意

4.4 網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)安全和安防系統(tǒng)的搭建

自來水的供應(yīng)是保障生產(chǎn)、生活的基礎(chǔ)，具有不可替代性，任何的停水、壓力低、水質(zhì)問題都會嚴重影響用戶，對遠程運行調(diào)度平臺的安全穩(wěn)定運行提出了很高的要求。為此，公司對機房和網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)設(shè)備進行升級，使其達到三級等保要求，并建設(shè)了異地災(zāi)備機房。在安全生產(chǎn)的技術(shù)層面，公司利用專業(yè)的安防系統(tǒng)平臺軟件，實現(xiàn)了對所有泵站的無死角視頻監(jiān)控，在高低壓配電室安裝溫度、煙感、幕簾等傳感設(shè)備，超出限定值則向公司調(diào)度室安防平臺實時報警。在中控室設(shè)置遠程可視對講和門禁，保證調(diào)度人員第一時間了解現(xiàn)場情況，從而應(yīng)急指揮值班人員在現(xiàn)場處置。各類設(shè)備的穩(wěn)定性已達到泵站無人值守(有人值班)的標準。

5 運行效果與展望

平臺建設(shè)歷經(jīng)5年，全面投入運行至今已超過1年，取得了顯著的應(yīng)用效果。

5.1 泵站運行更加科學

調(diào)度人員能夠結(jié)合原水管線的來水量、清水池蓄水量、各區(qū)域用水量，實時調(diào)整泵組運行模式和出廠壓力，在供需非常緊張的情況下最大限度地增加來水量，保證各區(qū)域管網(wǎng)的水力平衡，避免出現(xiàn)低壓片[1]。同時充分利用來水壓力，適時調(diào)整各泵站的串聯(lián)加壓模式、清水池低放模式和兩種混合模式，實現(xiàn)了泵站的節(jié)能降耗。平臺正式運行以來，公司從未出現(xiàn)因調(diào)度原因造成的較大面積降壓停水的情況。

5.2 漏水控制更加有效

通過流量計的合理布局，形成三級計量分區(qū)，調(diào)度人員對各計量區(qū)進行日核算，同時對各考核流量計的上傳流量進行對比分析，能夠?qū)Ξ惓Ｇ闆r在短時間(2～24 h)內(nèi)做出反應(yīng)，指導巡查人員現(xiàn)場處置，報告準確率接近100%，能及時發(fā)現(xiàn)工程漏水、自然漏水和偷盜水的情況。運行1年多來，雖然管網(wǎng)長度和供水面積大幅增加，但公司的管網(wǎng)漏損率始終保持在8%以下，同比沒有增加。

5.3 為智慧水務(wù)的搭建提供了必要和基礎(chǔ)條件

目前，公司運行調(diào)度平臺雖然在保證城鄉(xiāng)供水一體化供水安全上發(fā)揮著重要作用，但仍然存在不足之處：

① 泵站之間的運行數(shù)據(jù)沒有在平臺統(tǒng)一整合后進行智能分析計算，無法實現(xiàn)統(tǒng)一的自動控制，仍然需要平臺調(diào)度人員實時查看各泵站數(shù)據(jù)并進行人工調(diào)整。

② 管網(wǎng)端感知層流量、壓力、水質(zhì)等儀表上傳數(shù)據(jù)分散，沒有開發(fā)數(shù)據(jù)分析處理軟件，只能通過人工核算檢驗才能發(fā)現(xiàn)問題并形成區(qū)域水量成果，耗時費力，時效性低。

③ 泵站設(shè)備運行、管網(wǎng)設(shè)施檔案、遠程在線儀表等數(shù)據(jù)資源未能有效整合，無法互相校驗，影響運行和決策效率。

以上問題的解決，需要公司盡快搭建智慧水務(wù)平臺，用大數(shù)據(jù)、水力模型計算、智能控制等新技術(shù)整合現(xiàn)有各個系統(tǒng)、各類資源，在運行調(diào)度平臺的基礎(chǔ)上構(gòu)建智慧水務(wù)綜合應(yīng)用系統(tǒng)，使供水真正實現(xiàn)智能化、自動化，為城鄉(xiāng)供水一體化安全穩(wěn)定運行提供堅強的科技支撐。