供水管網(wǎng)閥門遠程調(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：針對管網(wǎng)閥門人工現(xiàn)場操作現(xiàn)狀，系統(tǒng)提出實現(xiàn)管網(wǎng)閥門遠程調(diào)控的技術(shù)解決方案。實施應(yīng)用情況說明該系統(tǒng)起到優(yōu)化管網(wǎng)運行、提高供水系統(tǒng)平安可靠行等重要作用。生產(chǎn)實踐驗證供水管網(wǎng)閥門遠程調(diào)控系統(tǒng)的研制具有推廣應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：管網(wǎng)閥門遠程調(diào)控RTU

SCADA系統(tǒng)管網(wǎng)優(yōu)化運行

科學(xué)調(diào)度的實質(zhì)是根據(jù)需要對系統(tǒng)資源進行優(yōu)化配置和實時調(diào)控。一個完整的供水系統(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)度管理對保證供水系統(tǒng)平安、高效運行至關(guān)重要。

控制理論指出：完善的控制系統(tǒng)應(yīng)能實現(xiàn)對系統(tǒng)各個組成局部實時調(diào)控。技術(shù)進步為實現(xiàn)“調(diào)度依據(jù)信息化、調(diào)度決策智能化、調(diào)度執(zhí)行自動化〞的“調(diào)度三化〞提供了技術(shù)手段和實施可能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)的建立能及時監(jiān)控供水設(shè)備運行和發(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)計理念等多方面原因，對管網(wǎng)調(diào)度管理和運行調(diào)控還限于人工操作。水壓遙測和事故信息獲取、采集與判斷已實現(xiàn)信息化和自動化，但閥門啟閉和調(diào)節(jié)還必須依靠操作工人到現(xiàn)場人工手動完成。這至少有以下幾點缺乏：

①供水管網(wǎng)工況瞬時萬變，實現(xiàn)管網(wǎng)實時優(yōu)化運行靠人現(xiàn)場調(diào)節(jié)幾乎不可能實現(xiàn)。

②為確保供水系統(tǒng)平安運行，在發(fā)生重大供水事故時，需對管網(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，會有1h左右的延時。這會造成事故損失擴大，引發(fā)相關(guān)問題媒體已有大量正反面報道。

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

2．管網(wǎng)閥門遠程調(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、改造的重要保證措施。管網(wǎng)閥門上述功能的及時實現(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，管網(wǎng)閥門如不能及時有效的調(diào)控將延誤處理事故時機，造成嚴重后果。

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

3．實現(xiàn)方案、供水系統(tǒng)實現(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。針對完全依靠人工操作調(diào)控閥門不能及時應(yīng)對突發(fā)事故處理、不利于供水管理和效勞的現(xiàn)狀。

通過對工程目標(biāo)、設(shè)備工作環(huán)境以及RTU、電動執(zhí)行機構(gòu)等因素和設(shè)備技術(shù)參數(shù)進行考察和分析研究-’提出利用現(xiàn)有管網(wǎng)測壓RTU設(shè)備對管網(wǎng)重要閥門進行遙測、遙控的技術(shù)方案，以及時應(yīng)對管網(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遠程通訊／控制終端選型

管網(wǎng)閥門遠程調(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上位機組態(tài)編程

在調(diào)度中心端上位機設(shè)定控制窗口和操作畫面，通過基于短波電臺的無線SCADA系統(tǒng)實時檢測閥門端運行參數(shù)，通過指令控制MOSCAD

RTU實現(xiàn)對閥門的遙測遙控功能。

③執(zhí)行機構(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?？刂瓶煽啃院驮O(shè)備平安，選用防護等級為IP68電動頭和高可靠性閥門配合作為執(zhí)行機構(gòu)，到達正常工作要求。

④電源

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

⑤附屬儀表

為及時掌握閥門調(diào)控情況和效果，在閥門下游安裝壓力傳感器。采集的壓力信號通過RTU傳輸?shù)絊CADA系統(tǒng)，平時作為測壓點使用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)計和工程實施采取的技術(shù)措施有：

①供電平安

由于工作場合特殊，電源箱設(shè)計有漏電保護器。電動頭電源僅在進行遠程調(diào)控操作時通過RTU控制接通，閥門井內(nèi)設(shè)備平時和市電隔離。

②閥門井及井蓋設(shè)計選型：

良好的外部環(huán)境是設(shè)備平安運行的重要因素。盡管設(shè)計選用設(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)計采用電信防水井蓋，防止雨水侵入閥門井。為執(zhí)行機構(gòu)提供良好的外部工作環(huán)境。

閥門井設(shè)計考慮對井室積水下滲處理，井室內(nèi)設(shè)計有滲水坑。

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

③操作時管網(wǎng)運行平安

閥門遠程操作采取“動一停一動〞的間歇運行模式進行控制，減少因閥門調(diào)控產(chǎn)生壓力波動對管網(wǎng)平安運行影響。該控制過程由“調(diào)度端上位機一現(xiàn)場RTU〞在程序控制下共同實現(xiàn)。

④操作權(quán)限及系統(tǒng)管理。

關(guān)鍵閥門是影響供水運行的重要設(shè)備，為防止誤操作，調(diào)度中心上位機設(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：對閥門遠程調(diào)控系統(tǒng)操作實行操作票制度、定期對閥門進行啟閉操作防止設(shè)備銹蝕、根據(jù)季節(jié)定時遠控接通電動頭內(nèi)置防潮除濕電熱裝置等。

3．3調(diào)度中心上位機操作畫面截圖見下列圖o

4．實際應(yīng)用情況和運行效果：

根據(jù)技術(shù)方案和實施方案，對省紡機DN800管網(wǎng)關(guān)鍵閥門進行改造施工o

2005年10月系統(tǒng)調(diào)試完畢投人運行，近一年生產(chǎn)運行情況說明系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，到達預(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)度方案隨時對該閥門進行調(diào)控操作，到達優(yōu)化生產(chǎn)目的o

‘

4．2應(yīng)對供水重大事故應(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)，所有測壓點均低壓報警。電網(wǎng)正常供水系統(tǒng)逐步恢復(fù)時．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)度中心對省紡機遙控閥門遠程操作，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)得以在短時間恢復(fù)。

3應(yīng)對管網(wǎng)重大事故皿用

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

根據(jù)應(yīng)急預(yù)案，調(diào)度中心屢次對省紡機遙控閥門進行遠程操作，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擴大應(yīng)用

對管網(wǎng)重要部位和關(guān)鍵環(huán)節(jié)閥門實現(xiàn)遠程調(diào)控，是優(yōu)化供水系統(tǒng)運行、提高供水平安可靠行的重要技術(shù)保證，同時也是對目前管網(wǎng)運行調(diào)度模式的創(chuàng)新。

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

5．應(yīng)用展望：

試驗方案選用的RTU、電動頭的設(shè)備組合模式具有可靠性高、功能強大等特點。規(guī)模應(yīng)用可考慮進一步改良的可能性：

5．1

降低系統(tǒng)費用．

試驗應(yīng)用時遠程通訊／遙控裝置選用基于短波通訊的RTUo雖然功能強大，但單站設(shè)備造價高?？梢試L試選型具有數(shù)據(jù)采集和遠程控制功能、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，適宜的動力／照明市電電源不一定能得到。在關(guān)鍵閥門需要遠程調(diào)控而又不能解決市電電源時，可以選用直流供電、高輸出扭矩、低轉(zhuǎn)速的電動頭，電源采用鉛酸電池。

選用電動車常用的48V14AH鉛酸電池組，以一個月為輪換充電周期，經(jīng)計算，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。通過加強電瓶充電維護管理，沒有市電電源情況下可以實現(xiàn)閥門遠程調(diào)控o

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

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

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

如，對干管相關(guān)的某供水區(qū)域設(shè)定不同時段所需的優(yōu)化壓力，通過遠控閥門系統(tǒng)閉環(huán)自動動態(tài)調(diào)節(jié)開啟度來實現(xiàn)管網(wǎng)壓力動態(tài)優(yōu)化。其技術(shù)要點是：

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

·定時執(zhí)行不同的開度或壓力指令o

·該時間列表可以在上位機上任意設(shè)定和修改

根據(jù)需要還可以通過該供水區(qū)域主控測壓點數(shù)據(jù)來自動動態(tài)調(diào)節(jié)閥門開度，實現(xiàn)對管網(wǎng)的精細化管理和供水壓力自動優(yōu)化運行。其技術(shù)要點是：

·遠端主控測壓點RTU、閥門遠控系統(tǒng)RTU、調(diào)度中心上位機構(gòu)成一個閉環(huán)的調(diào)節(jié)機構(gòu)o

·為防止遠控閥門頻繁動作，遠端壓力設(shè)定為一個壓力區(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)等單進水主管且日夜需求偏差大的區(qū)域型“大戶〞。

管網(wǎng)閥門遠程調(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。目前我們在“壓力管理〞科研課題中正嘗試該方面生產(chǎn)應(yīng)用的研究。

5．4對內(nèi)部有大容量清水池用戶定時調(diào)控

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

結(jié)語：

應(yīng)用實踐說明：實現(xiàn)管網(wǎng)閥門遠程調(diào)控，能及時應(yīng)對事故和提高供水管理效勞水平；對關(guān)鍵和重要閥門規(guī)模應(yīng)用可以實現(xiàn)管網(wǎng)實時優(yōu)化運行，降低制供水本錢。是實現(xiàn)“調(diào)度執(zhí)行自動化〞的重要技術(shù)手段和舉措，也是對現(xiàn)有運行調(diào)度模式的突破和創(chuàng)新。