供水管網(wǎng)閥門遠(yuǎn)程調(diào)控系統(tǒng)研制與應(yīng)用

鄭州市自來水總公司袁洪濤申元甲，施東文宋向陽

摘要：針對(duì)管網(wǎng)閥門人工現(xiàn)場操作現(xiàn)狀，系統(tǒng)提出實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)閥門遠(yuǎn)程調(diào)控的技術(shù)解決方案。實(shí)施應(yīng)用情況說明該系統(tǒng)起到優(yōu)化管網(wǎng)運(yùn)行、提高供水系統(tǒng)平安可靠行等重要作用。生產(chǎn)實(shí)踐驗(yàn)證供水管網(wǎng)閥門遠(yuǎn)程調(diào)控系統(tǒng)的研制具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：管網(wǎng)閥門遠(yuǎn)程調(diào)控RTU

SCADA系統(tǒng)管網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行

科學(xué)調(diào)度的實(shí)質(zhì)是根據(jù)需要對(duì)系統(tǒng)資源進(jìn)行優(yōu)化配置和實(shí)時(shí)調(diào)控。一個(gè)完整的供水系統(tǒng)是包括從水源、水處理構(gòu)筑物和供水管網(wǎng)以及到用戶終端的連續(xù)、密閉系統(tǒng)。全面科學(xué)的調(diào)度管理對(duì)保證供水系統(tǒng)平安、高效運(yùn)行至關(guān)重要。

控制理論指出：完善的控制系統(tǒng)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)各個(gè)組成局部實(shí)時(shí)調(diào)控。技術(shù)進(jìn)步為實(shí)現(xiàn)“調(diào)度依據(jù)信息化、調(diào)度決策智能化、調(diào)度執(zhí)行自動(dòng)化〞的“調(diào)度三化〞提供了技術(shù)手段和實(shí)施可能o

1．管網(wǎng)閥門調(diào)控模式現(xiàn)狀和缺乏

近年來，隨著技術(shù)進(jìn)步和改造資金投入，多數(shù)供水企業(yè)建立了供水?dāng)?shù)據(jù)監(jiān)測與控制系統(tǒng)(SCADA)，實(shí)現(xiàn)水源和原水輸水系統(tǒng)監(jiān)測、凈水構(gòu)筑物、工藝設(shè)備監(jiān)控以及供水管網(wǎng)測壓等功能。局部供水企業(yè)還建立“呼叫中心〞熱線

系統(tǒng)和管網(wǎng)地理信息系統(tǒng)(GIS)。上述系統(tǒng)的建立能及時(shí)監(jiān)控供水設(shè)備運(yùn)行和發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)事故，極大提升了供水效勞水平。一限于技術(shù)、設(shè)備和系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念等多方面原因，對(duì)管網(wǎng)調(diào)度管理和運(yùn)行調(diào)控還限于人工操作。水壓遙測和事故信息獲取、采集與判斷已實(shí)現(xiàn)信息化和自動(dòng)化，但閥門啟閉和調(diào)節(jié)還必須依靠操作工人到現(xiàn)場人工手動(dòng)完成。這至少有以下幾點(diǎn)缺乏：

①供水管網(wǎng)工況瞬時(shí)萬變，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)實(shí)時(shí)優(yōu)化運(yùn)行靠人現(xiàn)場調(diào)節(jié)幾乎不可能實(shí)現(xiàn)。

②為確保供水系統(tǒng)平安運(yùn)行，在發(fā)生重大供水事故時(shí)，需對(duì)管網(wǎng)中假設(shè)干重要閥門屢次反復(fù)調(diào)控，人工操作難以勝任o

③管網(wǎng)事故信息的獲取判斷到人工現(xiàn)場調(diào)控閥門，根據(jù)城市規(guī)模、搶修力量及交通路況情況，會(huì)有1h左右的延時(shí)。這會(huì)造成事故損失擴(kuò)大，引發(fā)相關(guān)問題媒體已有大量正反面報(bào)道。

④目前管網(wǎng)調(diào)度模式對(duì)用戶端不能實(shí)現(xiàn)及時(shí)合理的調(diào)節(jié)和控制。

2．管網(wǎng)閥門遠(yuǎn)程調(diào)控的意義

管網(wǎng)閥門是供水系統(tǒng)中的重要設(shè)施，起到輸送、關(guān)斷、調(diào)節(jié)供水流量、壓力和改變流向等管網(wǎng)調(diào)控作用，是供水系統(tǒng)暢通輸配和管網(wǎng)搶修、維護(hù)、改造的重要保證措施。管網(wǎng)閥門上述功能的及時(shí)實(shí)現(xiàn)直接影響供水平安和供水行業(yè)的效勞質(zhì)量。重要的是，當(dāng)供水系統(tǒng)發(fā)生重大故障以及處理大的爆管事故時(shí)，管網(wǎng)閥門如不能及時(shí)有效的調(diào)控將延誤處理事故時(shí)機(jī)，造成嚴(yán)重后果。

供水管網(wǎng)科學(xué)調(diào)度與實(shí)時(shí)調(diào)控首先要解決閥門遠(yuǎn)程調(diào)控問題，管網(wǎng)中假設(shè)干重要閥門和關(guān)鍵閥門如能實(shí)現(xiàn)及時(shí)有效的調(diào)控直接影響供水平安，在調(diào)度中心直接實(shí)現(xiàn)對(duì)管網(wǎng)重要閥門遠(yuǎn)程調(diào)控操作對(duì)保證供水系統(tǒng)平安正常運(yùn)行具有重要意義o

3．實(shí)現(xiàn)方案、供水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)科學(xué)調(diào)度的關(guān)鍵是增加控制手段和工作模式與管理制度的創(chuàng)新。針對(duì)完全依靠人工操作調(diào)控閥門不能及時(shí)應(yīng)對(duì)突發(fā)事故處理、不利于供水管理和效勞的現(xiàn)狀。

通過對(duì)工程目標(biāo)、設(shè)備工作環(huán)境以及RTU、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)等因素和設(shè)備技術(shù)參數(shù)進(jìn)行考察和分析研究-’提出利用現(xiàn)有管網(wǎng)測壓RTU設(shè)備對(duì)管網(wǎng)重要閥門進(jìn)行遙測、遙控的技術(shù)方案，以及時(shí)應(yīng)對(duì)管網(wǎng)事故和適應(yīng)工況變化，提高供水管理和效勞水平o

3．1

7技術(shù)方案

①遠(yuǎn)程通訊／控制終端選型

管網(wǎng)閥門遠(yuǎn)程調(diào)控系統(tǒng)和現(xiàn)有SCADA系統(tǒng)兼容，充分利用現(xiàn)有的設(shè)備、無線頻譜等資源o

RTU選用我公司現(xiàn)有SCADA系統(tǒng)中采用的MOSCAD

RTU，根據(jù)控制目標(biāo)重新編寫相．應(yīng)控制程序o

②上位機(jī)組態(tài)編程

在調(diào)度中心端上位機(jī)設(shè)定控制窗口和操作畫面，通過基于短波電臺(tái)的無線SCADA系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測閥門端運(yùn)行參數(shù)，通過指令控制MOSCAD

RTU實(shí)現(xiàn)對(duì)閥門的遙測遙控功能。

③執(zhí)行機(jī)構(gòu)選型

管網(wǎng)閥門安裝在潮濕環(huán)境下的閥門井里，工作環(huán)境惡劣。為確保控制可靠性和設(shè)備平安，選用防護(hù)等級(jí)為IP68電動(dòng)頭和高可靠性閥門配合作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，到達(dá)正常工作要求。

④電源

在被控閥門點(diǎn)附近單位尋找適宜的動(dòng)力／照明電源作為被控閥門系統(tǒng)的工作電源。根據(jù)電源情況選擇電動(dòng)頭的驅(qū)動(dòng)電源方式。條件許可情況下，盡可能選用動(dòng)力電源作為工作電源o

⑤附屬儀表

為及時(shí)掌握閥門調(diào)控情況和效果，在閥門下游安裝壓力傳感器。采集的壓力信號(hào)通過RTU傳輸?shù)絊CADA系統(tǒng)，平時(shí)作為測壓點(diǎn)使用o

3．2

系統(tǒng)平安措施、為保證設(shè)備平安和人身平安，方案設(shè)計(jì)和工程實(shí)施采取的技術(shù)措施有：

①供電平安

由于工作場合特殊，電源箱設(shè)計(jì)有漏電保護(hù)器。電動(dòng)頭電源僅在進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)控操作時(shí)通過RTU控制接通，閥門井內(nèi)設(shè)備平時(shí)和市電隔離。

②閥門井及井蓋設(shè)計(jì)選型：

良好的外部環(huán)境是設(shè)備平安運(yùn)行的重要因素。盡管設(shè)計(jì)選用設(shè)備能滿足“浸水環(huán)境〞工作，為提高系統(tǒng)可靠性，閥門井設(shè)計(jì)采用電信防水井蓋，防止雨水侵入閥門井。為執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供良好的外部工作環(huán)境。

閥門井設(shè)計(jì)考慮對(duì)井室積水下滲處理，井室內(nèi)設(shè)計(jì)有滲水坑。

井室內(nèi)設(shè)定位置設(shè)計(jì)安裝干簧管水位開關(guān)，某種原因閥門井進(jìn)杉滲水，水位到達(dá)設(shè)定高度時(shí)RTU發(fā)送水位報(bào)警信息提示檢修。

③操作時(shí)管網(wǎng)運(yùn)行平安

閥門遠(yuǎn)程操作采取“動(dòng)一停一動(dòng)〞的間歇運(yùn)行模式進(jìn)行控制，減少因閥門調(diào)控產(chǎn)生壓力波動(dòng)對(duì)管網(wǎng)平安運(yùn)行影響。該控制過程由“調(diào)度端上位機(jī)一現(xiàn)場RTU〞在程序控制下共同實(shí)現(xiàn)。

④操作權(quán)限及系統(tǒng)管理。

關(guān)鍵閥門是影響供水運(yùn)行的重要設(shè)備，為防止誤操作，調(diào)度中心上位機(jī)設(shè)有登陸密碼和管理權(quán)限(見操作畫面截圖)。制定相應(yīng)的管理操作規(guī)程，如：對(duì)閥門遠(yuǎn)程調(diào)控系統(tǒng)操作實(shí)行操作票制度、定期對(duì)閥門進(jìn)行啟閉操作防止設(shè)備銹蝕、根據(jù)季節(jié)定時(shí)遠(yuǎn)控接通電動(dòng)頭內(nèi)置防潮除濕電熱裝置等。

3．3調(diào)度中心上位機(jī)操作畫面截圖見下列圖o

4．實(shí)際應(yīng)用情況和運(yùn)行效果：

根據(jù)技術(shù)方案和實(shí)施方案，對(duì)省紡機(jī)DN800管網(wǎng)關(guān)鍵閥門進(jìn)行改造施工o

2005年10月系統(tǒng)調(diào)試完畢投人運(yùn)行，近一年生產(chǎn)運(yùn)行情況說明系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，到達(dá)預(yù)期目的：

4．1

生產(chǎn)調(diào)度調(diào)控應(yīng)用

該閥門是我公司管網(wǎng)中重要調(diào)控閥門，起到調(diào)整柿園水廠、石佛水廠主力水廠供水區(qū)域和調(diào)節(jié)西區(qū)局部管網(wǎng)壓力作用。閥門遠(yuǎn)程調(diào)控系統(tǒng)投入使用后，調(diào)度中心根據(jù)生產(chǎn)需要和優(yōu)化調(diào)度方案隨時(shí)對(duì)該閥門進(jìn)行調(diào)控操作，到達(dá)優(yōu)化生產(chǎn)目的o

‘

4．2應(yīng)對(duì)供水重大事故應(yīng)用．

2006年7月1日晚20：58分，受河南省電網(wǎng)出現(xiàn)震蕩重大故障影響，我公司柿園、石

佛、東周、井水廠等水廠全部停產(chǎn)，所有測壓點(diǎn)均低壓報(bào)警。電網(wǎng)正常供水系統(tǒng)逐步恢復(fù)時(shí)．由于管網(wǎng)大面積停水，管道內(nèi)積有氣體，管道壓力低。在此情況下為平安起見，調(diào)度中心對(duì)省紡機(jī)遙控閥門遠(yuǎn)程操作，配合京廣路等閥門人工調(diào)整，根據(jù)壓力變化調(diào)度水廠依次開車，使供水系統(tǒng)得以在短時(shí)間恢復(fù)。

3應(yīng)對(duì)管網(wǎng)重大事故皿用

2006年6月19日14時(shí)10分，中法供水廠DNl200原水管道在黃河橋收費(fèi)站附近爆管，該水廠不能維持正常供水。

根據(jù)應(yīng)急預(yù)案，調(diào)度中心屢次對(duì)省紡機(jī)遙控閥門進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，配合中原路等閥門人工調(diào)整，改變柿園、石佛兩水廠供水區(qū)域，補(bǔ)給市區(qū)中部、北部供水缺乏，保持市區(qū)管網(wǎng)正常的壓力。上述措施使市區(qū)供水根本沒有受到影響，管網(wǎng)供水壓力均衡o

4．3擴(kuò)大應(yīng)用

對(duì)管網(wǎng)重要部位和關(guān)鍵環(huán)節(jié)閥門實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)控，是優(yōu)化供水系統(tǒng)運(yùn)行、提高供水平安可靠行的重要技術(shù)保證，同時(shí)也是對(duì)目前管網(wǎng)運(yùn)行調(diào)度模式的創(chuàng)新。

由于管網(wǎng)閥門遠(yuǎn)程調(diào)控系統(tǒng)在上述應(yīng)用中起到關(guān)鍵作用，公司決定對(duì)航海路DNl000、華山路DNl200、農(nóng)業(yè)路DN800等6個(gè)管網(wǎng)中關(guān)鍵閥門全部進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)控系統(tǒng)改造，目前正在實(shí)施過程中。

5．應(yīng)用展望：

試驗(yàn)方案選用的RTU、電動(dòng)頭的設(shè)備組合模式具有可靠性高、功能強(qiáng)大等特點(diǎn)。規(guī)模應(yīng)用可考慮進(jìn)一步改良的可能性：

5．1

降低系統(tǒng)費(fèi)用．

試驗(yàn)應(yīng)用時(shí)遠(yuǎn)程通訊／遙控裝置選用基于短波通訊的RTUo雖然功能強(qiáng)大，但單站設(shè)備造價(jià)高。可以嘗試選型具有數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程控制功能、基于無線數(shù)字公網(wǎng)的功能模塊，如GPRS—RTU、CDMA—RTU等，以降低單站建設(shè)費(fèi)用o。

5．2

電源是瓶頸問題

管網(wǎng)閥門安裝在市政道路地下，適宜的動(dòng)力／照明市電電源不一定能得到。在關(guān)鍵閥門需要遠(yuǎn)程調(diào)控而又不能解決市電電源時(shí)，可以選用直流供電、高輸出扭矩、低轉(zhuǎn)速的電動(dòng)頭，電源采用鉛酸電池。

選用電動(dòng)車常用的48V14AH鉛酸電池組，以一個(gè)月為輪換充電周期，經(jīng)計(jì)算，在充電輪換周期內(nèi)可以完成50次以上的全開一全閉閥門操作，滿足功能要求。通過加強(qiáng)電瓶充電維護(hù)管理，沒有市電電源情況下可以實(shí)現(xiàn)閥門遠(yuǎn)程調(diào)控o

5．3在管網(wǎng)壓力自動(dòng)優(yōu)化運(yùn)行與壓力管理中的應(yīng)用展望：

目前，管網(wǎng)閥門遠(yuǎn)程調(diào)控系統(tǒng)應(yīng)用于遠(yuǎn)程閥門調(diào)控操作，屬于有人參與的遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)。

而控制漏失率對(duì)供水行業(yè)而言是一個(gè)重要課題，但目前對(duì)背景滲漏等水量漏失卻無法通過強(qiáng)化檢漏和管道修復(fù)等常規(guī)手段來解決。其根本解決方法是對(duì)供水壓力采取優(yōu)化自動(dòng)控制方案：

如，對(duì)干管相關(guān)的某供水區(qū)域設(shè)定不同時(shí)段所需的優(yōu)化壓力，通過遠(yuǎn)控閥門系統(tǒng)閉環(huán)自動(dòng)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)開啟度來實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)壓力動(dòng)態(tài)優(yōu)化。其技術(shù)要點(diǎn)是：

·SCADA系統(tǒng)RTU設(shè)定“壓力一時(shí)間〞數(shù)列表o

·定時(shí)執(zhí)行不同的開度或壓力指令o

·該時(shí)間列表可以在上位機(jī)上任意設(shè)定和修改

根據(jù)需要還可以通過該供水區(qū)域主控測壓點(diǎn)數(shù)據(jù)來自動(dòng)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)閥門開度，實(shí)現(xiàn)對(duì)管網(wǎng)的精細(xì)化管理和供水壓力自動(dòng)優(yōu)化運(yùn)行。其技術(shù)要點(diǎn)是：

·遠(yuǎn)端主控測壓點(diǎn)RTU、閥門遠(yuǎn)控系統(tǒng)RTU、調(diào)度中心上位機(jī)構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)o

·為防止遠(yuǎn)控閥門頻繁動(dòng)作，遠(yuǎn)端壓力設(shè)定為一個(gè)壓力區(qū)間。

·這種壓力優(yōu)化控制方式更適合在枝狀管網(wǎng)：如供應(yīng)類似大學(xué)城、新區(qū)、大型工業(yè)園區(qū)等單進(jìn)水主管且日夜需求偏差大的區(qū)域型“大戶〞。

管網(wǎng)閥門遠(yuǎn)程調(diào)控系統(tǒng)應(yīng)用于“壓力管理〞除能降低背景滲漏的水量損失外，還能有效減少管道事故的發(fā)生頻率。目前我們?cè)凇皦毫芾悫暱蒲姓n題中正嘗試該方面生產(chǎn)應(yīng)用的研究。

5．4對(duì)內(nèi)部有大容量清水池用戶定時(shí)調(diào)控

可嘗試根據(jù)管網(wǎng)工況對(duì)其進(jìn)行定時(shí)遙控供水，以充分利用用戶清水池對(duì)管網(wǎng)的“調(diào)峰〞功能。

結(jié)語：

應(yīng)用實(shí)踐說明：實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)閥門遠(yuǎn)程調(diào)控，能及時(shí)應(yīng)對(duì)事故和提高供水管理效勞水平；對(duì)關(guān)鍵和重要閥門規(guī)模應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)實(shí)時(shí)優(yōu)化運(yùn)行，降低制供水本錢。是實(shí)現(xiàn)“調(diào)度執(zhí)行自動(dòng)化〞的重要技術(shù)手段和舉措，也是對(duì)現(xiàn)有運(yùn)行調(diào)度模式的突破和創(chuàng)新。