潘仲良

(上海市供水調(diào)度監(jiān)測(cè)中心,上海 200080)

0 引 言

在經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中,供水規(guī)模日益增大,供水復(fù)雜性也隨之增大,如何保障供水系統(tǒng)的穩(wěn)定、高效運(yùn)行,成為供水管理部門(mén)亟待解決的問(wèn)題[1-3]。目前,城鎮(zhèn)在供水管理方面存在較大問(wèn)題,如用電能耗大、浪費(fèi)大等,給供水系統(tǒng)帶來(lái)較大的運(yùn)營(yíng)成本,表明供水部門(mén)的經(jīng)營(yíng)與管理模式已不能滿足經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展的需要。因此,通過(guò)對(duì)城市供水系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度分析,能夠有效減少用電費(fèi)用,提升企業(yè)的用水質(zhì)量,提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

在已有研究中,涉及供水系統(tǒng)優(yōu)化方面的探討存在一定的不足;涉及水源區(qū)域到水廠優(yōu)化的內(nèi)容不少,卻較少涉及對(duì)多水廠到用戶區(qū)的供水調(diào)度改進(jìn)分析。對(duì)城市供水優(yōu)化過(guò)程研究中,主要從微觀模型的角度開(kāi)展。如趙美玲等[4]為了實(shí)現(xiàn)有效調(diào)度供水管網(wǎng),根據(jù)在線模型,構(gòu)建相關(guān)調(diào)度系統(tǒng),該系統(tǒng)包含多個(gè)功能模塊,如調(diào)度控制模塊。結(jié)果顯示,構(gòu)建系統(tǒng)的應(yīng)用效果不錯(cuò),能夠有效降低供水電耗。

為此,本文從電能消耗成本優(yōu)化的角度,探究供水系統(tǒng)調(diào)度優(yōu)化問(wèn)題,根據(jù)管網(wǎng)宏觀模型,構(gòu)建供水系統(tǒng)調(diào)度模型,改進(jìn)以往的供水調(diào)度方法,以期能夠提高城市供水的效率。

1 考慮電能消耗成本的城市供水系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度方法

1.1 優(yōu)化調(diào)度案例及優(yōu)化方法分析

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加速和人民生活水平的不斷提高,對(duì)城市供水系統(tǒng)提出越來(lái)越高的要求。目前,我國(guó)城市供水系統(tǒng)仍以人工經(jīng)驗(yàn)為主,加之企業(yè)的管理能力相對(duì)滯后,以及城市供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不夠合理,導(dǎo)致供水時(shí)大量能源的浪費(fèi),給供水公司帶來(lái)較大的成本消耗。供水管網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度的目標(biāo)是在滿足用戶對(duì)供水壓力、流量、水質(zhì)要求的前提下,最大限度地降低企業(yè)的供水成本,對(duì)供水進(jìn)行優(yōu)化,使其具有最大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[5-7]。

本文以上海市某區(qū)的供水系統(tǒng)為研究對(duì)象,數(shù)據(jù)來(lái)源為A、B兩座水廠生產(chǎn)調(diào)度數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)所在時(shí)間為2021年9月。兩座水廠聯(lián)合起來(lái),共同為該地區(qū)供水。其中,A水廠處于第一水廠的位置。從該地區(qū)的用水情況可以看出,用水量逐年增加。從A、B兩座水廠供水區(qū)域看,前者供水的區(qū)域主要位于該區(qū)的中西部區(qū)域,后者供水的區(qū)域主要在該區(qū)的東部區(qū)域,兩者均配備水泵站,管網(wǎng)不存在中途加壓泵站。在A水廠中,接入原水,在虹吸濾池等作用下進(jìn)行處理,借助二級(jí)泵房作用,流入管網(wǎng)。而B(niǎo)水廠的相關(guān)流程與A水廠略有不同,該水廠修建了氣-水反沖洗濾池,來(lái)替代虹吸濾池,其余步驟與A水廠相同。

在管網(wǎng)測(cè)壓點(diǎn)選擇中,包含兩種類型的測(cè)壓點(diǎn):①位于管網(wǎng)末端最不利控制點(diǎn)周?chē)?②所在的位置為重要供水區(qū)域附近。前一種測(cè)壓點(diǎn)位置的最小服務(wù)水頭是20m,后一種測(cè)壓點(diǎn)位置附近壓力要求是24m,兩種測(cè)壓點(diǎn)的壓力下限分別為0.20和0.24MPa。兩水廠供水電能消耗系數(shù)情況見(jiàn)圖1。

圖1 供水電能消耗系數(shù)

由圖1可知,A水廠的供水電能消耗系數(shù)為0.002 5;B水廠的供水電能消耗系數(shù)為0.002 8,略大于A水廠。A、B兩座水廠的出水壓力上下限見(jiàn)圖2。

圖2 水廠出水壓力界限情況

由圖2可知,A、B兩座水廠的出水壓力上下限存在差異。其中,A水廠出水壓力上限為0.40MPa,比B水廠出水壓力上限小0.20 MPa;A水廠和B水廠的壓力下限分別為0.26和0.38MPa,前者比后者小0.12MPa。

為了實(shí)現(xiàn)城市供水系統(tǒng)優(yōu)化,研究選擇粒子群算法(Particle Swarm Optimization,PSO),由于該算法存在一些自身缺陷,需對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化處理[8]。在優(yōu)化流程中,首先對(duì)cmax、cmin等算法參數(shù)進(jìn)行初始化處理,隨機(jī)產(chǎn)生粒子初始速度v、初始x,將后者當(dāng)成個(gè)體歷史最優(yōu)位置,并存放在i粒子歷史最優(yōu)位置pi中;選擇初始位置中的最優(yōu)者,把其當(dāng)成群體歷史最優(yōu)位置,隨后存放在群體歷史最優(yōu)位置pg中。對(duì)粒子的適應(yīng)度函數(shù)值f進(jìn)行計(jì)算,尋找f的最大值fmax、最小值fmin。然后進(jìn)行w、c1、c2的更新。更新粒子,對(duì)其進(jìn)行邊界處理。當(dāng)粒子初始速度v大于初始最大速度vmax,v取vmax;當(dāng)v小于初始最小速度vmin,v取vmin。當(dāng)x大于x的最大值xmax,x取xmax;當(dāng)x小于x的最小值xmin,x取xmin。對(duì)f重新進(jìn)行計(jì)算,對(duì)pi、pg進(jìn)行更新,重新得到適應(yīng)度函數(shù)均值favg、fmin。判斷迭代運(yùn)行情況,當(dāng)停止迭代,進(jìn)行結(jié)果的輸出。反之,重新進(jìn)行空間粒子的f,直到輸出結(jié)果為止。選擇Matlab軟件,進(jìn)行改進(jìn)PSO算法參數(shù)初始化設(shè)置,該算法的群體個(gè)數(shù)為100,算法迭代數(shù)為100,改進(jìn)PSO算法的最大w、最小w分別為0.9、0.6,改進(jìn)PSO算法的cmax、cmin分別為2.8、1.4。

1.2 構(gòu)建供水系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度方法

根據(jù)上海市某區(qū)供水系統(tǒng)的實(shí)際情況,進(jìn)行城市供水系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度研究[9-11]。在城市供水系統(tǒng)中,受到不同水力關(guān)系的作用,管段內(nèi)的供水易產(chǎn)生較大變化,從而影響供水管網(wǎng)的正常運(yùn)行。為了避免復(fù)雜水力計(jì)算,縮短算法優(yōu)化時(shí)間,在供水調(diào)度中,進(jìn)行重要宏觀變量的選取,將其作為決策變量,而剩余影響因素不在考慮范圍內(nèi)[12-14]。在此基礎(chǔ)上,采用系統(tǒng)分析數(shù)學(xué)法,結(jié)合歷史記錄運(yùn)行數(shù)據(jù),獲得對(duì)應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)性數(shù)學(xué)表達(dá)式。值得注意的是,在城市供水管網(wǎng)宏觀模型構(gòu)建之前,管網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)滿足比例負(fù)荷。所研究的供水系統(tǒng)屬于多水源供水管網(wǎng)系統(tǒng),當(dāng)城市管網(wǎng)用水量不變時(shí),如何對(duì)各水廠供水進(jìn)行調(diào)控,既要滿足用水的需要,又要獲取最大經(jīng)濟(jì)效益,是需要解決的問(wèn)題。

在管網(wǎng)測(cè)壓點(diǎn)位置自由壓力中,影響其值的關(guān)鍵因素為水廠供水量。針對(duì)上述情況,構(gòu)建水廠宏觀模型和管網(wǎng)測(cè)壓點(diǎn)宏觀模型,相關(guān)數(shù)學(xué)表達(dá)式如下:

(1)

式中:Hi為水廠i出廠壓力,MPa;Qi、Qj分別為水廠i、水廠j單位時(shí)間供水量,m3;QS為城市管網(wǎng)總水量;α為水力系數(shù),取值范圍[1.85,2.0],本研究中α值為2.0;C(i,j)為待定系數(shù);D(j,i)為回歸系數(shù);n為管網(wǎng)的水廠數(shù)量,座;Np為管網(wǎng)中測(cè)壓點(diǎn)個(gè)數(shù);Hj為第j個(gè)測(cè)壓點(diǎn)自由壓力,MPa。

根據(jù)供水電能消耗費(fèi)用,構(gòu)建優(yōu)化目標(biāo)函數(shù),自變量選取供水壓力、供水量,得到供水費(fèi)用函數(shù)。引入式(1)中的宏觀模型,從而得到最終的目標(biāo)函數(shù)F,其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下:

(2)

式中:F為單位時(shí)間內(nèi)供水電耗費(fèi)用;Zt為供水廠出廠壓力標(biāo)高和清水池水位之間的差值,m;r為供水電耗系數(shù),元;QS為在模型約束條件下小時(shí)段內(nèi)各水廠供水量;Q(min)i、Q(max)i分別為Qi的最小值和最大值,且Q(min)i≤Qi≤Q(max)i;H(min)i、H(max)i分別為Hi的最小值和最大值,Hi的取值在H(min)i～H(max)i的范圍內(nèi),i=1,2…,n;H(min)j、H(max)j分別為Hj的最小值和最大值,且H(min)j≤Hj≤H(max)j。

引入罰項(xiàng),將其與F結(jié)合,得到無(wú)約束型罰函數(shù)。對(duì)其極值進(jìn)行求解,等同于對(duì)原函數(shù)極值進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)改進(jìn)PSO算法,獲取最小F中的水廠間流量分配。在此基礎(chǔ)上,即可得到水廠供水壓力。根據(jù)相關(guān)約束條件,得到對(duì)應(yīng)的罰項(xiàng),將其與F結(jié)合,得到新的罰函數(shù),其數(shù)學(xué)表達(dá)式下:

r×max[((Q(min)i-Qi),0)]2+r×max[((Hi-H(max)i),0)]2+

r×max[((H(min)i-Hi),0)]2+r×max[((Hj-H(max)j),0)]2+

r×max[((H(min)j-Hj),0)]2

(3)

式中:r為罰因子。

綜上所述,城市供水系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型構(gòu)建流程見(jiàn)圖3。完成模型構(gòu)建后,進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度應(yīng)用分析。選擇上海市某區(qū)的供水系統(tǒng),在一個(gè)工作日中,其小時(shí)數(shù)為24h,將其分為6個(gè)時(shí)間段,分別為0:00-4:00(時(shí)段1)、4:00-7:00(時(shí)段2)、7:00-10:00(時(shí)段3)、10:00-15:00(時(shí)段4)、15:00-17:00(時(shí)段5)、17:00-0:00(時(shí)段6)。根據(jù)不同的時(shí)段,進(jìn)行對(duì)應(yīng)管網(wǎng)宏觀模型的構(gòu)建,并得到對(duì)應(yīng)的優(yōu)化調(diào)度模型。根據(jù)上海市某區(qū)供水系統(tǒng)的實(shí)際情況,通過(guò)該調(diào)度方法,對(duì)A水廠和B水廠的供水情況進(jìn)行調(diào)度,分析不同時(shí)段的供水費(fèi)用變化情況。

2 基于電能消耗成本的城市供水系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度結(jié)果分析

為了驗(yàn)證構(gòu)建的城市供水系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度方法的效果,研究選擇64位的Windows10操作系統(tǒng),選擇Matlab軟件,根據(jù)2021年9月25日A、B兩座水廠生產(chǎn)調(diào)度數(shù)據(jù),進(jìn)行供水系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度方法的設(shè)計(jì),分析不同時(shí)段、優(yōu)化調(diào)度前后的兩水廠供水流情況。具體結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 兩水廠的供水流量變化情況

由圖4(a)可知,在時(shí)段1下,實(shí)測(cè)流量和優(yōu)化流量分別為1 128.79和1 243.04m3/h,前者比后者小114.25 m3/h;在時(shí)段3下,優(yōu)化流量為3 166.25m3/h,比實(shí)測(cè)流量大668.35m3/h;在時(shí)段4下,優(yōu)化調(diào)度前的實(shí)測(cè)流量為2 272.30m3/h,比優(yōu)化流量小813.50m3/h,后者為3 085.80m3/h;在時(shí)段6下,實(shí)測(cè)流量和優(yōu)化流量分別為1 851.05和2 700.96m3/h,前者比后者小849.91m3/h。

由圖4(b)可知,在時(shí)段1下,實(shí)測(cè)流量和優(yōu)化流量均最小,對(duì)應(yīng)流量值分別為1 515.83和1 401.57m3/h,后者比前者小;在時(shí)段3下,優(yōu)化流量為4 982.91m3/h,實(shí)測(cè)流量為5 651.19m3/h,前者比后者小668.28m3/h;在時(shí)段5下,優(yōu)化流量為4 218.59 m3/h,比實(shí)測(cè)流量小727.73m3/h,后者為4 946.32m3/h;在時(shí)段6下,優(yōu)化流量為2 912.46m3/h,實(shí)測(cè)流量為3 762.38m3/h。

對(duì)研究構(gòu)建的優(yōu)化調(diào)度方案進(jìn)行分析,研究?jī)?yōu)化前后A、B兩座水廠供水壓力變化情況,具體見(jiàn)圖5。由圖5可知,時(shí)段不同,對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)壓力和優(yōu)化壓力不同;在時(shí)段3和時(shí)段5中,兩水廠的供水壓力出現(xiàn)高峰;在B水廠中,相較于實(shí)測(cè)壓力,優(yōu)化壓力均有一定程度減小。

由圖5(a)可知,對(duì)于A水廠而言,在時(shí)段2下,優(yōu)化壓力、實(shí)測(cè)壓力分別為32.24、26.43m,前者比后者大5.81m;在時(shí)段3下,優(yōu)化壓力、實(shí)測(cè)壓力均最大,其對(duì)應(yīng)的值分別為35.99、37.02m,優(yōu)化壓力降低1.03m;在時(shí)段5下,優(yōu)化壓力、實(shí)測(cè)壓力為36.71m,比優(yōu)化壓力大0.86m,后者為35.85m;在時(shí)段6下,優(yōu)化壓力為45.24m,而實(shí)測(cè)壓力略高,其值為47.44m,前者比后者小2.20m。

由圖5(b)可知,相較于圖5(a),B水廠的供水壓力更大;相同水廠下,優(yōu)化壓力與實(shí)測(cè)壓力之間的差距較小。B水廠中,在時(shí)段3下,優(yōu)化壓力為54.27m,實(shí)測(cè)壓力為56.05m;在時(shí)段4下,優(yōu)化壓力為42.27m,比實(shí)測(cè)壓力小為2.28m,后者為44.55m;在時(shí)段6下,實(shí)測(cè)壓力、優(yōu)化壓力分別為47.46、45.25m,前者比后者大2.21m。

分析優(yōu)化調(diào)度前后供水費(fèi)用情況,具體見(jiàn)圖6。

圖6 優(yōu)化前后供水費(fèi)用

由圖6可知,總體上,經(jīng)過(guò)優(yōu)化調(diào)度后,不同時(shí)段的供水費(fèi)用均有所降低;相較于其他時(shí)段,時(shí)段3的供水費(fèi)用最高,其次為時(shí)段4,而時(shí)段1的供水費(fèi)用最低。在時(shí)段1中,優(yōu)化后供水費(fèi)用為249.49元,比優(yōu)化前少14.91元,優(yōu)化前供水費(fèi)用為264.40元;在時(shí)段3中,優(yōu)化前后供水費(fèi)用分別為1 242.00和1 156.49元,前者比后者多85.51元;在時(shí)段5中,優(yōu)化前供水費(fèi)用為992.05元,優(yōu)化后供水費(fèi)用為929.41元;在時(shí)段6中,優(yōu)化后供水費(fèi)用為720.60元,相較于優(yōu)化前,減少44.89元。

在不同時(shí)段供水費(fèi)對(duì)比中,優(yōu)化調(diào)度前,時(shí)段3的供水費(fèi)為1 242.00元,比時(shí)段2多580.72元,后者為661.28元;優(yōu)化調(diào)度后,時(shí)段4的供水費(fèi)為1 051.67元,比時(shí)段5多122.26元。根據(jù)不同時(shí)段優(yōu)化調(diào)度前后供水費(fèi)用變化情況可知,時(shí)段3平均節(jié)約供水費(fèi)用最多。整體上,兩座水廠平均節(jié)約供水費(fèi)用率為5.80%。由此可見(jiàn),研究方法能有效地對(duì)城市供水系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度,節(jié)約了供水費(fèi)用。

3 結(jié) 論

針對(duì)城市供水系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度問(wèn)題,本文以上海市某區(qū)的供水系統(tǒng)為例,在介紹A、B兩座水廠相關(guān)情況的基礎(chǔ)上,考慮電能消耗成本,建立目標(biāo)函數(shù),引入供水管網(wǎng)等宏觀模型以及罰函數(shù)等方法,得到城市供水系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度方法。結(jié)果顯示,研究方法能夠有效調(diào)度供水系統(tǒng),減小供水壓力,節(jié)約供水費(fèi)用。在B水廠中,優(yōu)化調(diào)度后,其供水壓力有所減小。時(shí)段5下,優(yōu)化流量減小727.73m3/h;時(shí)段6下,優(yōu)化流量為2 912.46 m3/h,實(shí)測(cè)流量為3 762.38m3/h;在時(shí)段3中,供水費(fèi)用節(jié)約85.51元,表明研究方法的應(yīng)用效果較好。