丁 偉，李 彬

（揚州大學(xué)水利與能源動力工程學(xué)院，江蘇 揚州 225000）

圩區(qū)泵閘群自動化調(diào)度控制策略研究

丁 偉，李 彬

（揚州大學(xué)水利與能源動力工程學(xué)院，江蘇 揚州 225000）

為實現(xiàn)圩區(qū)泵閘群控制的自動化、信息化，提出完整的自動化系統(tǒng)設(shè)計方案。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法的調(diào)度策略優(yōu)化運行方案，通過 9 次試驗獲得不同開機方案和運行規(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)化的完整計算過程，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)的自動化水平和排澇效率，有效節(jié)約能源，同時方案的研究方法具有一定的實用和參考價值。

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

0 引言

水利是國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的基礎(chǔ)，水利的現(xiàn)代化，更離不開水利信息化的支撐[1]，而泵閘自動化控制系統(tǒng)的建設(shè)正是我國大力推進(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)度模型與自動化控制調(diào)度系統(tǒng)聯(lián)合運行實現(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 個圩區(qū)，4 個圩區(qū)占地面積約為整個新浜鎮(zhèn)土地面積的 50%，其中涉及到 28 座水閘、23 臺水泵[1]，排澇總動力為 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，通過排澇泵站排入圩區(qū)內(nèi)河。圩區(qū)的除澇能力設(shè)計為二十年一遇，排水管網(wǎng)的排水能力設(shè)計為一年一遇，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)濟地實現(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。針對圩區(qū)的防汛排澇基本任務(wù)與要求，設(shè)計了一套基于圩區(qū)自動化控制系統(tǒng)和優(yōu)化調(diào)度策略的聯(lián)合調(diào)度運行模式，改善了原來常規(guī)計算機自動化單一控制效率低、可靠性差、勞動強度大等缺陷。利用計算機實現(xiàn)了監(jiān)視、操作控制、故障處理、運行日志記錄的自動化[2]。

正交試驗法根據(jù)正交性從全面試驗中挑選出部分有代表性的點進(jìn)行試驗，是一種高效率、快速、經(jīng)濟的實驗設(shè)計方法[3]。基于正交試驗法的調(diào)度策略可減輕圩區(qū)的內(nèi)澇壓力，提高整個圩區(qū)的排澇效率，實現(xiàn)圩區(qū)排澇經(jīng)濟運行與科學(xué)管理。

1 圩區(qū)泵站自動化控制系統(tǒng)設(shè)計

圩區(qū)自動化控制系統(tǒng)是基于以太網(wǎng)組成的集數(shù)據(jù)采集、圖像傳輸、閘位和水位測量、泵閘自動控制為一體的系統(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、現(xiàn)地自動、手動控制 3 種；控制權(quán)限分三級，即圩區(qū)控制中心、現(xiàn)地控制層與手動操作控制，其中現(xiàn)地控制柜的手動控制優(yōu)先級最高。

1.1 現(xiàn)地控制單元

現(xiàn)地控制單元分別實現(xiàn)對 4 個圩區(qū)內(nèi)所有泵、閘的現(xiàn)地自動（手動）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，以及閘門開度控制儀、多功能電參數(shù)數(shù)字表、現(xiàn)場閘位水位顯示模塊、空氣開關(guān)、接觸器等組成。

圖 1 上海新浜自動化監(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 Modbus RTU現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，將各種狀態(tài)、故障、閘位等信息，以及上下游水位、 過閘流量實時上傳至現(xiàn)地監(jiān)控PLC 主機，再由現(xiàn)場 PLC 將數(shù)據(jù)通過 TCP/IP 協(xié)議上傳至圩區(qū)控制中心；同時現(xiàn)地 PLC 實時接收控制中心控制命令，驅(qū)動執(zhí)行器件實現(xiàn)對泵、閘的控制及數(shù)據(jù)的采集?，F(xiàn)地監(jiān)控 PLC 主機通過網(wǎng)絡(luò)與控制中心進(jìn)行以太網(wǎng)連接，上傳泵、閘的實時數(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)器與控制客戶端計算機、視頻監(jiān)視計算機、數(shù)字視頻網(wǎng)絡(luò)存儲設(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，組成開放式計算機網(wǎng)絡(luò)。

圩區(qū)控制中心能通過自建網(wǎng)絡(luò)實時監(jiān)控圩區(qū)內(nèi)河和外河水位、閘門閘位、過閘流量、實時圖像等，實現(xiàn)系統(tǒng)區(qū)域內(nèi)各水文參數(shù)測量與設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)控等功能[4]，將來可以通過公網(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)，存入實時數(shù)據(jù)庫，用于畫面更新，控制調(diào)節(jié)，趨勢分析，記錄打印及事故分析；實時監(jiān)視泵、閘組的運行狀況，其他重要參數(shù)如水位、閘位、過閘流量，以及泵、閘站的圖像信息；當(dāng)現(xiàn)場轉(zhuǎn)換開關(guān)調(diào)至自動位置時，操作員可以通過鍵盤和鼠標(biāo)等對泵、閘進(jìn)行控制。同時，通過排澇優(yōu)化調(diào)度控制策略管理系統(tǒng)與自動化控制系統(tǒng)共同組成排澇優(yōu)化調(diào)度聯(lián)動系統(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，最短蓄水時間大約為 1 h，當(dāng)排水管網(wǎng)水位接近滿滯時，各泵站起動 1/2 機組進(jìn)行排水。當(dāng)機組啟動后，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)水位至停機位時，關(guān)閉運行機組，待水位重新達(dá)到設(shè)定限值水位時再開機；如果進(jìn)水池水位持續(xù)上升，直至預(yù)警水位，則立即啟動全部機組，當(dāng)降雨結(jié)束或者水位到達(dá)停機位時關(guān)閉所有機組，待水位再次到達(dá)設(shè)定限值水位時開機。當(dāng)外河水位較低時，可通過水閘進(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)到一定強度時，無法達(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 正交試驗的調(diào)度方案

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

2）試驗水平。每座排澇泵站配備多臺排澇泵，調(diào)度一般有機組全開、1/2 機組開啟、只開 1 臺機組等 3 種開機方式。結(jié)合圩區(qū)實際情況，對各組的水泵機組的開機方式及時間進(jìn)行設(shè)定，作為試驗水平，如表 1 所示。

表 1 圩區(qū) 4 組試驗因素的試驗水平

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

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

表 2 正交試驗結(jié)果

2.2.2 正交試驗的過程分析

2.2.2.1 正交試驗結(jié)果

對表 2 所示的試驗結(jié)果進(jìn)行極差分析，分析可得各試驗因素和水平對優(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 泵站組的試驗水平對試驗結(jié)果影響最大，將其所有的試驗水平都參與排列；第 2 泵站組可以取 3 和 2 這 2 種試驗水平參與排列；第 1 和 3 泵站組影響較小，選最優(yōu)的試驗水平進(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 正交試驗優(yōu)化方案序列

表 3 試驗因素和水平對試驗結(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，但是因為每一組開機方案不同，有可能會導(dǎo)致在實際運行時內(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 種組合方式的開機原則能夠使排澇能耗達(dá)到最?。? 936 kW·h）。然后校驗此種組合方式下的水位，可知在實際運行時，最高運行水位為 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)化方案實際運行情況

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，實際運行時能夠比現(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，對于一般排澇時期是可行的，而且具有節(jié)能環(huán)保意義。如果是特大暴雨或者非常時期，會損失其他排澇指標(biāo)。今后在研究這類問題時可以考慮多目標(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

在各泵站組實際運行的過程中，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行規(guī)則和開機方案下產(chǎn)生的能耗有所區(qū)別，同時泵站群的數(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。

區(qū)別于前人所研究的常規(guī)調(diào)度方案，采取正交試驗法，通過有限的試驗次數(shù)就能夠獲得不同開機方案和運行規(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題提供了切實可行而且準(zhǔn)確有效的方法，具有一定的實用價值。

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，能夠結(jié)合計算機自動化調(diào)度系統(tǒng)，實現(xiàn)真正的計算機調(diào)度優(yōu)化自動控制，是圩區(qū)泵站群調(diào)度未來的發(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)泵閘計算機監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)經(jīng)驗[J]. 科技資訊，2007 (18): 85-86.

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

[4] 朱培源. 關(guān)于自動化監(jiān)控系統(tǒng)在油田生產(chǎn)中的應(yīng)用[J]. 通訊世界，2016 (2): 150.

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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，江蘇東臺人，碩士研究生，從事水利工程自動化與信息化技術(shù)研究。