圩區泵閘群自動化調度控制策略研究

丁 偉，李 彬

（揚州大學水利與能源動力工程學院，江蘇 揚州 225000）

圩區泵閘群自動化調度控制策略研究

丁 偉，李 彬

（揚州大學水利與能源動力工程學院，江蘇 揚州 225000）

為實現圩區泵閘群控制的自動化、信息化，提出完整的自動化系統設計方案。為降低泵閘群常規調度的能耗，提出一套基于正交試驗法的調度策略優化運行方案，通過 9 次試驗獲得不同開機方案和運行規則下的總能耗，再進行排序和去劣，選出最優調度方案。以上海市新浜鎮圩區為例，闡述優化的完整計算過程，優化后能夠比常規調度方案節約能源 6% 以上。提升圩區的自動化水平和排澇效率，有效節約能源，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；常規調度；優化；正交試驗

0 引言

水利是國民經濟和社會發展的基礎，水利的現代化，更離不開水利信息化的支撐[1]，而泵閘自動化控制系統的建設正是我國大力推進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不能滿足圩區排澇科學管理的要求，需要結合相關的優化調度模型與自動化控制調度系統聯合運行實現目的。

上海市新浜鎮共有西片圩、東片圩、林家埭圩、黃家埭圩等 4 個圩區，4 個圩區占地面積約為整個新浜鎮土地面積的 50%，其中涉及到 28 座水閘、23 臺水泵[1]，排澇總動力為 3 835 kW，圩區排澇總流量為 70.40 m3/s，平均排澇模數為 1.69（m3·s-1）/km2。圩區的地表徑流由排水管網進行收集，通過排澇泵站排入圩區內河。圩區的除澇能力設計為二十年一遇，排水管網的排水能力設計為一年一遇，圩區內平均地面高程為 5.0 m，防汛預警水位為 2.5 m，常水位為 2.8～3.2 m，最高控制水位為 4.5 m。每年防汛期間圩區的防汛排澇任務非常繁重，如何高效經濟地實現圩區防汛排澇任務，節約人力與資源成本，是圩區管理單位的主要工作。針對圩區的防汛排澇基本任務與要求，設計了一套基于圩區自動化控制系統和優化調度策略的聯合調度運行模式，改善了原來常規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。利用計算機實現了監視、操作控制、故障處理、運行日志記錄的自動化[2]。

正交試驗法根據正交性從全面試驗中挑選出部分有代表性的點進行試驗，是一種高效率、快速、經濟的實驗設計方法[3]?；谡辉囼灧ǖ恼{度策略可減輕圩區的內澇壓力，提高整個圩區的排澇效率，實現圩區排澇經濟運行與科學管理。

1 圩區泵站自動化控制系統設計

圩區自動化控制系統是基于以太網組成的集數據采集、圖像傳輸、閘位和水位測量、泵閘自動控制為一體的系統，結構如圖 1 所示。

控制系統采用分層分布式結構，控制方式分為遠程自動、現地自動、手動控制 3 種；控制權限分三級，即圩區控制中心、現地控制層與手動操作控制，其中現地控制柜的手動控制優先級最高。

1.1 現地控制單元

現地控制單元分別實現對 4 個圩區內所有泵、閘的現地自動（手動）控制，由可編程控制器 CPU，總線通信、數字量輸入輸出、模擬量輸入等模塊，以及閘門開度控制儀、多功能電參數數字表、現場閘位水位顯示模塊、空氣開關、接觸器等組成。

圖 1 上海新浜自動化監控系統結構示意圖

可編程序控制器輸入輸出模塊通過 Modbus RTU現場總線網絡，將各種狀態、故障、閘位等信息，以及上下游水位、 過閘流量實時上傳至現地監控PLC 主機，再由現場 PLC 將數據通過 TCP/IP 協議上傳至圩區控制中心；同時現地 PLC 實時接收控制中心控制命令，驅動執行器件實現對泵、閘的控制及數據的采集?，F地監控 PLC 主機通過網絡與控制中心進行以太網連接，上傳泵、閘的實時數據并接收相關控制命令。

1.2 圩區控制中心

圩區控制中心設立數據采集服務器與控制客戶端計算機、視頻監視計算機、數字視頻網絡存儲設備，采用總線型綜合以太網技術，TCP/IP 網絡協議，組成開放式計算機網絡。

圩區控制中心能通過自建網絡實時監控圩區內河和外河水位、閘門閘位、過閘流量、實時圖像等，實現系統區域內各水文參數測量與設備運行狀態監控等功能[4]，將來可以通過公網或專網與上海市水務局信息化、防汛抗旱等系統聯網通信。

圩區控制中心可以接收現地控制單元發送的操作和事件數據，存入實時數據庫，用于畫面更新，控制調節，趨勢分析，記錄打印及事故分析；實時監視泵、閘組的運行狀況，其他重要參數如水位、閘位、過閘流量，以及泵、閘站的圖像信息；當現場轉換開關調至自動位置時，操作員可以通過鍵盤和鼠標等對泵、閘進行控制。同時，通過排澇優化調度控制策略管理系統與自動化控制系統共同組成排澇優化調度聯動系統。

2 圩區調度控制策略優化

2.1 常規調度方案

排澇初期利用排水系統自身的滯澇能力進行蓄水，最短蓄水時間大約為 1 h，當排水管網水位接近滿滯時，各泵站起動 1/2 機組進行排水。當機組啟動后，如果進水池水位保持穩定或者緩慢下降，則保持當前狀態至調度結束；如果進水池水位下降迅速，當水位至停機位時，關閉運行機組，待水位重新達到設定限值水位時再開機；如果進水池水位持續上升，直至預警水位，則立即啟動全部機組，當降雨結束或者水位到達停機位時關閉所有機組，待水位再次到達設定限值水位時開機。當外河水位較低時，可通過水閘進行自排，正常情況下，圩區內所有水閘處于關閉狀態。

常規調度方案能耗較大，當降雨量達到一定強度時，無法達到迅速除澇的目的。

2.2 調度方案優化

圩區泵閘群的調度方案優化可分為 2 個階段：第 1 階段是以圩區排澇泵站的總能耗最低為目標進行方案選優；第 2 階段是根據內、外河水位限制進行多目標去劣。

2.2.1 正交試驗的調度方案

1）試驗因素。將 23 座泵站按圩區不同分成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。結合圩區實際情況，對各組的水泵機組的開機方式及時間進行設定，作為試驗水平，如表 1 所示。

表 1 圩區 4 組試驗因素的試驗水平

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

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

表 2 正交試驗結果

2.2.2 正交試驗的過程分析

2.2.2.1 正交試驗結果

對表 2 所示的試驗結果進行極差分析，分析可得各試驗因素和水平對優化目標的影響，將影響程度從大到小進行排列，排列結果如表 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，選最優的試驗水平進行排列，由此得到的優化方案序列如表 4 所示。

2.2.2.2 正交試驗優化方案序列

表 3 試驗因素和水平對試驗結果影響排序

表 4 優化方案序列

從表 4 看出，優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，有可能會導致在實際運行時內、外河的水位不滿足河堤的安全要求，導致排澇失敗，造成損失，因此需要以圩區外河水位為限制條件對優化方案再進行選優去劣。在僅以排澇能耗最小為優化目標的前提下，第 1 種組合方式的開機原則能夠使排澇能耗達到最?。? 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，滿足圩區外河水位限制條件。

2.3 優化方案實際運行情況

綜合調度方法的比較結果，可以得出第 1 種組合方式為最優方案。與現行的調度方案進行比較，在排水條件相同的情況下，圩區排澇的總能耗大約為 10 586 kW·h，而采取優化方案后，實際運行時能夠比現行調度方案節約能源 6% 以上。

另一方面，按照此方案以能耗最小為目標進行優化，對于一般排澇時期是可行的，而且具有節能環保意義。如果是特大暴雨或者非常時期，會損失其他排澇指標。今后在研究這類問題時可以考慮多目標優化取代能耗最小的單目標優化方案，達到更好的效果。

3 結語

在各泵站組實際運行的過程中，由于設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則和開機方案下產生的能耗有所區別，同時泵站群的數量比較多，導致各泵站組的排列組合數量相應增長。

區別于前人所研究的常規調度方案，采取正交試驗法，通過有限的試驗次數就能夠獲得不同開機方案和運行規則下影響排澇總能耗的排序，獲得最優方案。在理論上為今后研究這類問題提供了切實可行而且準確有效的方法，具有一定的實用價值。

平原地區圩區泵站群的優化調度研究，由于不同地區的水文氣象條件差異性較大，雖然眾多的優化方法具有一定的參考價值，但是還要結合具體情況進行具體優化與完善。同時，能夠結合計算機自動化調度系統，實現真正的計算機調度優化自動控制，是圩區泵站群調度未來的發展方向。

[1] 王占華. 水利信息化資源整合共享頂層設計助推智慧水利發展[J]. 治淮，2017 (2): 32-33.

[2] 劉靜森，陳健，何偉. 上海市新浜鎮圩區泵閘計算機監控系統的建設經驗[J]. 科技資訊，2007 (18): 85-86.

[3] 王玄靜. 正交試驗設計的應用及分析[J]. 蘭州文理學院學報（自然科學版），2016 (1): 17-22.

[4] 朱培源. 關于自動化監控系統在油田生產中的應用[J]. 通訊世界，2016 (2): 150.

[5] XIA Shixiang, LIN Rui, CUI Xin, etal. Theapplication of orthogonal test method in the parameters optimization of PEMFC under steady working condition[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2016, 41 (26): 11380-11390.

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研究。