長(zhǎng)距離調(diào)水管網(wǎng)在線調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳云鵬 青島研博電子有限公司

面對(duì)逐年增加的調(diào)度任務(wù)，傳統(tǒng)的調(diào)度系統(tǒng)雖然可以滿足日常的供水、調(diào)度需求，但是由于管道老化、控制結(jié)構(gòu)單一，系統(tǒng)固定等因素，不僅無(wú)法達(dá)到預(yù)期的處理效果，反而形成了不同的問(wèn)題和缺陷，嚴(yán)重的甚至?xí)?duì)管道造成危害，阻礙水資源日常的調(diào)度工作。因此，對(duì)長(zhǎng)距離調(diào)水管網(wǎng)在線調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)?？紤]到最終測(cè)試結(jié)果的穩(wěn)定性與可靠性，本文會(huì)選擇較為真實(shí)的調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行研究，以青島市的調(diào)水管網(wǎng)作為分析背景，結(jié)合實(shí)際的調(diào)度需求以及標(biāo)準(zhǔn)，從智能化、網(wǎng)絡(luò)化的角度，對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)調(diào)度模塊進(jìn)行階段性的調(diào)整，設(shè)定動(dòng)態(tài)的調(diào)度目標(biāo)，構(gòu)建更為靈活、多元化的水資源調(diào)度結(jié)構(gòu)，為區(qū)域性水資源調(diào)度工作提供更大的便利條件。

1.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 限幅電路

將初始的線路設(shè)定為單相接地，設(shè)定電壓為220V，額定電流為1600A。在電路的側(cè)向位置安裝一個(gè)定向的控制端口，與數(shù)據(jù)采集裝置相關(guān)聯(lián)，避免調(diào)水管網(wǎng)調(diào)度應(yīng)用過(guò)程中，受到?jīng)_擊電壓的威脅。在限制端口處接入一個(gè)互感器，標(biāo)定母線位置，并在終端加入一個(gè)限幅電源，適時(shí)過(guò)濾掉沖擊電壓，形成一個(gè)循環(huán)的閉合電路，具體如圖1所示。

根據(jù)圖1，可以完成對(duì)限幅電路的設(shè)計(jì)。為了增加系統(tǒng)的調(diào)度速度，可以在限幅電路內(nèi)側(cè)R1-R6之間增設(shè)三個(gè)二極管，調(diào)整電路的增幅頻率，此時(shí)，限幅電路的功率誤差約為0.05瓦，根據(jù)電路的運(yùn)行范圍，調(diào)節(jié)其中2個(gè)電阻的阻值，將互感器標(biāo)定的感應(yīng)電壓范圍提升至+5V～-5V，在線路正常運(yùn)行時(shí)增設(shè)一個(gè)監(jiān)測(cè)裝置，一旦電路發(fā)生故障，可以最大程度避免故障信息被濾掉，確保限幅電路的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖1 限幅電路圖示

1.2 嵌入式調(diào)度傳感器設(shè)計(jì)

電路邊緣端口接入S3C44B0X型號(hào)的ARM芯片，在限幅電路上安裝一個(gè)ARM微處理器，形成一個(gè)小型的微控制程序，綜合控制元件板上設(shè)定一個(gè)TAG調(diào)試接口，同時(shí)與LCD接口、鍵盤以及RS485端口相關(guān)聯(lián)，營(yíng)造嵌入式的控制環(huán)境。ARM芯片側(cè)上方需要接入一個(gè)同向調(diào)度的傳感器，與系統(tǒng)硬件中的各個(gè)調(diào)度監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)縱向連接。構(gòu)建感應(yīng)調(diào)度框架，具體如圖2所示。

根據(jù)圖2，可以完成對(duì)嵌入式傳感器感應(yīng)框架的設(shè)計(jì)。隨后，系統(tǒng)對(duì)于線上的調(diào)度目標(biāo)相對(duì)較多，需要有針對(duì)性地作出調(diào)整，以傳感器作為識(shí)別的引導(dǎo)，終端信號(hào)執(zhí)行。此時(shí)，調(diào)節(jié)不同位置上的電阻，分別是電阻2和電阻4，分化電路中的電流，緩解此時(shí)嵌入傳感器自身的壓力，在確定相關(guān)裝置的運(yùn)行趨于穩(wěn)定后，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的總電壓，控制ADC引腳的電壓在0～3.5V之間，電路中接入穩(wěn)壓二極管，營(yíng)造安全、穩(wěn)定的系統(tǒng)控制環(huán)境，與嵌入式調(diào)度傳感器形成串聯(lián)的關(guān)系，通過(guò)流量傳感器、壓力傳感器產(chǎn)生頻率信號(hào)，傳輸信號(hào)至調(diào)度傳感器之中，執(zhí)行預(yù)設(shè)的指令，再由于放大器擴(kuò)大信號(hào)的覆蓋范圍，確保傳感器的應(yīng)用效果，實(shí)現(xiàn)嵌入式調(diào)度傳感器的設(shè)計(jì)。

圖2 嵌入式傳感器感應(yīng)框架圖示

2.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 水錘風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控的軟件程序設(shè)計(jì)思路

在軟件設(shè)計(jì)中，當(dāng)輸入調(diào)度方案后，需要模擬調(diào)度過(guò)程，水錘態(tài)勢(shì)應(yīng)急監(jiān)測(cè)，是系統(tǒng)選取調(diào)度方案中，非常重要的約束條件。當(dāng)系統(tǒng)模擬調(diào)度原理的過(guò)程中，通過(guò)采集到的風(fēng)險(xiǎn)值、流量疏散能力與正常情況下能力值、流量值信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，判斷是否可能發(fā)生水錘事故，并進(jìn)行提前預(yù)警，提醒系統(tǒng)放棄該方案或者優(yōu)化該方案。

水錘事故的發(fā)生受到不確定因素影響，以風(fēng)險(xiǎn)最低、時(shí)間最短和容量最大為指標(biāo)，構(gòu)建調(diào)度方法中水錘風(fēng)險(xiǎn)判斷模型F（X），用f表示水錘風(fēng)險(xiǎn)R的目標(biāo)函數(shù)，f表示水流疏散時(shí)間T的目標(biāo)函數(shù)，f表示容量C的目標(biāo)函數(shù)，則F（X）如下所示：

用R表示調(diào)度方案e上的水錘風(fēng)險(xiǎn)值，x表示時(shí)刻t由任意地區(qū)加入e的風(fēng)險(xiǎn)約束條件，M表示總疏散條件值，水錘風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估條件函數(shù)為F（x），如下所示：

用v（t）表示調(diào)度方案影響下，時(shí)刻t調(diào)度方案e上的水流速度，則水流疏散時(shí)間最短模型F（x）如下所示：

用C（t）表示時(shí)刻t方案e的管道容量，C表示時(shí)刻t方案e最大通行容量，則疏散容量風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)模型F（x）如下所示：

通過(guò)對(duì)三個(gè)條件的判斷，可以評(píng)估出發(fā)生水錘的實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)，通過(guò)設(shè)定閾值，完成調(diào)度方案與水錘風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)系，對(duì)方案及時(shí)調(diào)整，避免水錘事故的發(fā)生。

2.2 充放水調(diào)度程序設(shè)計(jì)

在完成對(duì)水錘風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別模塊的設(shè)計(jì)之后，接下來(lái)，需要構(gòu)建充放水調(diào)度程序。通常情況下，調(diào)度系統(tǒng)對(duì)于水資源的調(diào)控，是需要指令和定向程序進(jìn)行引導(dǎo)的，調(diào)度范圍相對(duì)固定?？梢愿鶕?jù)日常模擬推演的調(diào)度方案，計(jì)算出充放水的單元調(diào)度流量，具體如下公式5所示：

公式（1）中：Q表示單元調(diào)度流量，C、C為正反方向的流量，X表示充水速度，α表示單元調(diào)度距離。通過(guò)上述計(jì)算，最終可以得出實(shí)際的單元調(diào)度流量。

通過(guò)充放水程序的控制，推演青島市不同區(qū)域調(diào)水管道的流量、壓力、管內(nèi)空氣等運(yùn)行狀態(tài)，以此來(lái)判斷時(shí)間、空氣閥狀態(tài)是否合理，完成充放水調(diào)度程序的設(shè)計(jì)。

2.3 GIS數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

在完成對(duì)充放水調(diào)度程序的設(shè)計(jì)之后，接下來(lái)，針對(duì)泵站的調(diào)度需求，定位調(diào)度區(qū)域，設(shè)計(jì)GIS數(shù)據(jù)庫(kù)。將功能模塊與充放水調(diào)度程序關(guān)聯(lián)，營(yíng)造穩(wěn)定的調(diào)度環(huán)境。設(shè)定切換指令，設(shè)定在數(shù)據(jù)庫(kù)之中，在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，先對(duì)供水用戶識(shí)別定位，根據(jù)供水需求，利用數(shù)據(jù)庫(kù)采集基礎(chǔ)調(diào)度數(shù)據(jù)，并構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)協(xié)調(diào)調(diào)度流程，具體如圖3所示。

根據(jù)圖3，可以完成對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)協(xié)調(diào)調(diào)度流程的構(gòu)建，配合系統(tǒng)的充放水程序，形成動(dòng)態(tài)多方向的調(diào)度數(shù)據(jù)庫(kù)，利用GIS定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)調(diào)度，完成對(duì)系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)。

圖3 數(shù)據(jù)庫(kù)協(xié)調(diào)調(diào)度流程圖示

3.系統(tǒng)測(cè)試

3.1 測(cè)試準(zhǔn)備

先依據(jù)水資源的調(diào)度要求，結(jié)合Agent協(xié)調(diào)機(jī)制，構(gòu)建系統(tǒng)初始調(diào)度邏輯，設(shè)定單元調(diào)度目標(biāo)。此時(shí)，計(jì)算出系統(tǒng)覆蓋范圍之內(nèi)，可供調(diào)控的水資源總量，如下公式6所示：

公式2中：H表示水資源總量，m表示標(biāo)定水量，e表示水源調(diào)度距離，v表示調(diào)度時(shí)限差異。通過(guò)上述計(jì)算，最終可以得出實(shí)際的水資源總量。需要注意的是，系統(tǒng)必須完成對(duì)92%水資源的監(jiān)控。

隨后，針對(duì)于區(qū)域內(nèi)用戶水壓、水量、供水方向等設(shè)定，預(yù)設(shè)系統(tǒng)的標(biāo)定指標(biāo)參數(shù)。根據(jù)調(diào)水管網(wǎng)的分布區(qū)域，布設(shè)對(duì)應(yīng)數(shù)量的調(diào)度監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)。每一個(gè)節(jié)點(diǎn)均是獨(dú)立的，且在實(shí)際應(yīng)用時(shí)可以關(guān)聯(lián)使用，獲取數(shù)據(jù)。以此為基礎(chǔ)，在基礎(chǔ)的調(diào)度系統(tǒng)之中，接入SCADA分流調(diào)度程序，以指令引導(dǎo)的方式對(duì)各個(gè)區(qū)域的水流量監(jiān)控，形成對(duì)應(yīng)的調(diào)度關(guān)系。核定測(cè)試的設(shè)置以及裝備是否處于穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，并確保不存在影響最終測(cè)試結(jié)果的外部因素，核定無(wú)誤后，開(kāi)始具體測(cè)定。

3.2 測(cè)試過(guò)程及結(jié)果分析

在上述搭建的測(cè)試環(huán)境之中，結(jié)合長(zhǎng)距離調(diào)水管網(wǎng)的應(yīng)用需求以及標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行測(cè)試。首先，利用IT和OT技術(shù)根據(jù)實(shí)時(shí)工況與調(diào)度需求，構(gòu)建初始的水力調(diào)度模型。系統(tǒng)中設(shè)定調(diào)度周期，一般為7天一個(gè)周期，共設(shè)定20個(gè)周期。關(guān)聯(lián)各個(gè)調(diào)度檢測(cè)節(jié)點(diǎn)，獲取調(diào)水管網(wǎng)的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)信息，根據(jù)日常的調(diào)度需求，建立動(dòng)態(tài)的調(diào)度環(huán)節(jié)。具體如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)度環(huán)節(jié)圖示

根據(jù)圖4，可以完成對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)度環(huán)節(jié)的構(gòu)建與調(diào)整。隨后，在青島市的調(diào)水管網(wǎng)中，針對(duì)于5條不同的管道，測(cè)定其調(diào)度速度。利用指令編制平臺(tái)，將測(cè)定的目標(biāo)編制成對(duì)應(yīng)的指令，采用BIM+GIS+IOT技術(shù)，測(cè)定水域中的水錘對(duì)調(diào)度工作的大范圍影響概率，確保其在15%以下，即不影響測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確度。在系統(tǒng)中加入調(diào)度指令，將100名用戶劃分為三個(gè)小組，分別是20人、30人以及50人，分區(qū)域?qū)Ω鱾€(gè)位置的用戶進(jìn)行水資源的調(diào)度，測(cè)定系統(tǒng)對(duì)不同測(cè)試小組的調(diào)度時(shí)間，具體如表1所示。

表1 測(cè)試結(jié)果分析表

根據(jù)表2，可以完成對(duì)測(cè)試結(jié)果的分析與研究：通過(guò)三個(gè)小組的測(cè)試，可以得知本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，針對(duì)于多用戶的水資源調(diào)度時(shí)間相對(duì)較短，能夠更為精準(zhǔn)地定位、描述出水錘現(xiàn)象的延伸位置，降低調(diào)度誤差，對(duì)泵站水資源進(jìn)行更為高效的調(diào)度處理，具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。

4.結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，便是對(duì)長(zhǎng)距離調(diào)水管網(wǎng)在線調(diào)度系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及應(yīng)用分析。對(duì)比于初始的調(diào)度系統(tǒng)，本文所設(shè)計(jì)的多方向、多目標(biāo)的線上調(diào)度系統(tǒng)更為靈活、多變，在復(fù)雜的水資源調(diào)度環(huán)境之中，可以同時(shí)對(duì)多條管線進(jìn)行控制和調(diào)度，以指令引導(dǎo)的方式，增加調(diào)度系統(tǒng)的應(yīng)用效率以及質(zhì)量，從根源上降低日常調(diào)度工作出現(xiàn)的誤差，以此來(lái)達(dá)到大范圍引水的目的，增強(qiáng)長(zhǎng)距離調(diào)水管網(wǎng)在線調(diào)度系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果和能力。