譚 成　蔣 戎

　　摘要：本文剖析了中山市供水調度系統(tǒng)的沿革，對照國內目前城市調度系統(tǒng)的現狀進行討論，提出存在的問題和看法，建議本行業(yè)盡快組織編寫中國城市調度規(guī)范、規(guī)程及有關技術文件，促進供水調度的發(fā)展。
　　關鍵詞：供水、調度、自動化、優(yōu)化、系統(tǒng)

　　引言

　　城市供水系統(tǒng)與供電、供氣、供熱等系統(tǒng)同屬城市重要基礎設施，其產、供、銷都具有連續(xù)性、廣域性、公用性、多樣性、重要性[2]、產品不可返修等共性。而城市供水又獨具特點：產品質量受二次污染和存放時間的影響，服務質量受管網布局和用戶地形標高的影響。水是人類每日不可缺少的物質，是保障城市安全最主要的滅火劑。這些共性和特性，決定了經濟合理保障滿足城市供水的高難度。在合理的城市水廠及輸配水設施建成后，如何處理好供求關系，關鍵是建立供水調度系統(tǒng)，進行優(yōu)化調度。我國城市供水調度80年代初開始起步，80年代中期微機及無線通訊在調度中產生實效[2]，至今已有很大的發(fā)展。但全國600多個城市發(fā)展極不平衡，已運行的城市供水調度系統(tǒng)達到優(yōu)化經濟調度的甚少[3]，總體水平與工業(yè)發(fā)達國家有很大的差距。由于供水調度不合理造成的能源浪費高達5%以上[7]。因此供水調度越來越受到行業(yè)的重視，近年來不少城市水司紛紛引進現代化設備，建立新的調度系統(tǒng)。中山市供水總公司從1988年開始建立供水調度系統(tǒng)，歷經十年建成了現代化的調度系統(tǒng)，其發(fā)展比較典型，值得分析探討。

　　1.中山市供水調度系統(tǒng)的沿革

　　中山市自1988年由縣級市升格為省轄地級市以來，供水事業(yè)隨市政建設高速發(fā)展，至1998年十年來，市日供水量從5萬噸猛增到66萬噸，增加12倍。為適應市場需要，1988年中山市自來水公司組建供水調度系統(tǒng)，至今十年來已有了很大的發(fā)展，經歷了低級、初級、中級、高級四個階段，各階段都取得了較好的社會效益和經濟效益，促進了中山市供水事業(yè)的發(fā)展，積累了寶貴的經驗和教訓。
　　1.1供水調度的起步
　　中山市1988年6月前日供水能力6萬噸，為解決嚴重缺水實行定時配水。6月初市第二間供水廠竣工投產，日供水能力增至12萬噸緩和了缺水的矛盾。由于新調度系統(tǒng)正在安裝，采取人工抄表、電話報數、現場手動操作的原始調度方法。收集信息數量少、處理慢、傳遞遲，調度處于低級階段，以保證不缺水和維持正常運行為主，談不上優(yōu)化調度。遇上爆漏或火災突發(fā)事故，反映遲鈍損失擴大。
　　1.2供水調度的初級階段
　　1989年元月，本公司引進的信息采集與監(jiān)控系統(tǒng)SCADA（Supervisory Control And Data Acguition）系統(tǒng)正式投入運行，結束了落后的調度狀況，經幾年的運行和更新換代，目前公司的SCADA系統(tǒng)（詳見圖1）由兩臺中調主機（一臺備用）、13個RTU終端機、多路分配器、5臺CRT 和大型動態(tài)模擬屏組成。通訊由數傳機（頻率227.5MHz）和話傳差轉機（頻率457.025MHz/467.025MHz）分別進行數傳和話傳。該系統(tǒng)具有遙測、遙信、遙控、遙調等實時功能、數據處理功能、管理功能、圖形功能、組態(tài)功能、命令識別功能。目前實際做到：

　　（1）、具有從取水、凈水、供水、輸配水信息到用電信息采集、發(fā)送、整理、統(tǒng)計、形成 報表、曲線的功能；
　?。?）、監(jiān)視凈水工藝過程及取水和供水的水質；
　?。?）、以管網中的水壓為目標，參考最高和最低水壓點，指揮水廠選擇合理的機泵搭配，達到控制目標水壓，保障供水；
　?。?）、按機泵選擇先高效后低效、先近后遠等原則，平衡各水廠供水量，在保證水質和壓力的前提下，力求降低能耗，實現相對經濟運行；
　?。?）、監(jiān)視全管網運行狀態(tài)，發(fā)現及時處理，遇爆漏協助搶修，遇火災加壓幫助滅火；
　?。?）、積累各種運行數據，為調度預測、管網改造提供參考數據；
　　然而，由于本系統(tǒng)以自動采集監(jiān)控信息為主，反映工藝流程、設備運行狀態(tài)的信息較少，對主要節(jié)點的流量分配、供水高低壓區(qū)、不同水廠供水分界線都難以了解，憑調度人員經驗調度因人而異，優(yōu)化經濟運行難以實現。由于水廠基礎設施未符合自動化要求，我們只做到遙測、遙信，未做到遙控、遙調。
　　1.3供水調度系統(tǒng)的中級階段
　　1994年10月，市第二間供水廠四期擴建工程投產，日供水能力增至46萬噸。該期工程引進了水廠自動化系統(tǒng)AGC（Automatic Gauge Controller）,主要有投礬自控系統(tǒng)、前后加氯自控系統(tǒng)、V型濾池自控系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)各自成閉環(huán)系統(tǒng)，可在現場操縱，也可在中控室操縱，同時引進了數據中心EDC（Engineering Data Center）,租用中山市電信局的DDN有線高速數字網絡，傳輸水廠大量的實時數據。該系統(tǒng)詳見圖2。

　　本系統(tǒng)的組成由2臺控制計算機、2臺前端機PLC、8臺現場機PLC、DDN網絡、數據庫計算機組成，2臺水廠前端機和2控制電腦都采取互為備用的形式，完成水廠現場PLC與監(jiān)控電腦及公司數據接收PLC之間的數據交換。8臺現場PLC安裝在各車間，對設備進行模擬量、數字量的采集與輸出及系統(tǒng)自控、通訊、故障處理等。本系統(tǒng)在SCADA系統(tǒng)的原有功能上增加了如下功能：
　?。?）、水廠工藝流程實現自動化，節(jié)約了勞動力，提高了凈水質量和生產效率以及調度反應速度，降低藥耗和能耗；
　?。?）、中心調度室可全面了解工藝流程中個階段的水質參數、流量參數及水廠工藝設備、取供水設備、配電設備的運行參數及狀態(tài)報警，增加了監(jiān)控范圍，豐富了依據。
　　（3）、工藝流程實現遙控、遙調功能。由于取、供水機泵及閥門自控設備尚未配套，備用設備都未處于熱備用狀態(tài)，開停機、泵、閥還未做到遙控、遙調。因全自動優(yōu)化經濟調度的條件尚未具備，本系統(tǒng)（SCADA+AGC/EDC系統(tǒng)）屬自動化供水調度中級階段。
　　1.4、供水調度的高級階段
　　1997年3月，市第三間供水廠竣工投產，市日供水能力增至66萬噸，大大改善了我市管網水源的布局。該廠取水、加藥、過濾、沉淀排泥實現全自動化，提高了供水素質。但因城市發(fā)展速度放慢，，1998年實際最高日供水量只有45萬噸，供水出現供大于求的局面，公司主要任務是改造、擴建輸配水管網，力求管網更合理，同時尋求擴大用戶，在保證目標水質、水壓的前提下，著手優(yōu)化經濟調度、節(jié)能降耗的工作。為此，1996年元月公司在國內首家引進美國8M供水綜合管理系統(tǒng)，1996年10月建成，1997年1季度調試完畢正式投入運行。8M系統(tǒng)是具有國際先進水平的靜態(tài)自動分析決策SA（ System Analysis）系統(tǒng)，詳見圖3。該系統(tǒng)由8M管理電腦、集線器、服務器、數字化儀、繪圖機、打印機、調制解調器及分布在各個部門的PC工作站組成，其軟件由8個系統(tǒng)組成（故稱8M系統(tǒng)），其中1M管網基礎數據、2M用戶基礎數據、3M城市地理信息基礎數據等三個基礎數據管理系統(tǒng)，及4M管網運行狀態(tài)分析系統(tǒng)、5M供水優(yōu)化調度系統(tǒng)、6M水質分析系統(tǒng)、7M緊急事故處理系統(tǒng)、8M管網改擴建系統(tǒng)等五個功能系統(tǒng)。

　　8M系統(tǒng)的工作原理是：根據1～3M基礎信息管理系統(tǒng)儲存的水廠、管網、用戶、城市地理信息等基礎數據，及應用美國求解大型非線性方程組的新技術所建立的先進的管網結構數學模型，和輸入SCADA系統(tǒng)采集的實時數據，進行優(yōu)化調度、管網運行分析、水質分析、緊急事故處理、提供管網改擴建方案，同時根據實時參數對建立管模所取的管段摩阻系數、經濟流速、節(jié)點流量分配進行自動校正，使系統(tǒng)更加完善，計算精度不斷提高。
　　本公司引進8M系統(tǒng)的策略，首先是促進公司基礎數據的盡快完善，然后逐步實現全自動化經濟調度，目前仍需不斷地去摸索和完善。

　　2. 中山自動供水綜合調度系統(tǒng)

　　目前中山市供水總公司擁有持股水廠五間（其中兩間未聯網），供水能力70萬噸，實際用水52萬噸，管徑DN80mm及以上輸水管道410公里，有管網加壓站1個，庫容18000m3的高位水池一個，負責向中心城區(qū)及4個區(qū)11個鎮(zhèn)供水，設總公司中心調度室和廠調度室，采取二級調度。1997年建成具備SCADA+AGC/EDC+SA功能的自動供水綜合調度系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有供水行業(yè)從設計、技術資料、調度、運行、質量到搶修等產、供、銷、建等全部主要生產管理功能，目前在國內外都屬于較先進的系統(tǒng)。
　　2.1、系統(tǒng)的組成及工作原理
　　該系統(tǒng)（詳見圖4）的組成：由SA靜態(tài)分析決策系統(tǒng)、SCADA信息采集與監(jiān)控系統(tǒng)、AGC水廠自控系統(tǒng)、EDC數據中心、RTU終端機和無線數傳機、無線話傳差轉機及DDN有線網絡構成。

　　該系統(tǒng)的工作原理：系統(tǒng)的決策中心是SA系統(tǒng)，由SCADA系統(tǒng)向它輸送全部供水實時數據，而SCADA系統(tǒng)通過兩個渠道采集這些數據。其一：通過無線數傳機從管網各RTU終端站點采集輸配水、高位水池、加壓泵站的運行參數。其二：通過DDN網絡從水廠PLC采集取水、凈水、供水過程的水質、水量參數及配電、工藝、取供水設備的運行參數，SA系統(tǒng)根據這些實時數據及已建立的管模，實現供水調度綜合管理功能。
　　2.2本系統(tǒng)的主要功能
　　本系統(tǒng)除具備SCADA+AGC/EDC的全部功能之外還具備如下功能：
　?。?）、可實現水廠、管網、用戶、城市地理信息綜合管理，隨時備查，其檢索、刪改、增加、圖形放大、對接、分層疊加、開窗都簡單快捷，可以實現圖形、管網、運行數據交叉互訪。
　?。?）、以直觀界面表達實時供水狀態(tài)，顯示經濟負荷、欠負荷、超負荷管段，供水廠水流方向、分界線及供水低壓區(qū)、高壓區(qū)、合格水壓區(qū)，進行運行分析管理。
　?。?）、根據實時數據、公司的調度原則及已建立的管模，進行快速實時平差計算，自動給出各種條件下的優(yōu)化經濟調度方案，顯示其效果。
　?。?）采用多變量管網水質模型技術，結合現場采集的實時數據進行效驗，可逐步實現管網水質精確分析。
　?。?）、可在出現管段爆漏時，根據爆漏位置迅速查出圖紙位置、自動繪出要關閥門栓點圖并打印出清單同時打印停水用戶名單。
　　（6）、根據改擴建需要實現快速平差，在短時間內提出各種方案，進行各種方案效果顯示，供擇優(yōu)決策。
　　2.3本系統(tǒng)目前運行狀況及改進
　　本系統(tǒng)建立之后，運行正常，實現了SCADA+AGC/EDC+SA的大部分功能，即實現水廠取水、投礬、加氯、過濾、反沖洗、排泥自動化，高位水池的遙控、遙調，通過自動監(jiān)控與人工判斷相結合進行調度，而自動優(yōu)化經濟調度尚未實現。目前我們正進行全面管網普查，解決老城區(qū)管網資料不齊、不準確的老問題，同時計劃進行管段摩阻系數、負荷分布、負荷曲線、節(jié)點流量分配、等效機泵曲線的效驗，最終效驗管模，進行機、泵、閥自控系統(tǒng)的完善工作，力爭早日實現全自動化優(yōu)化經濟調度的目標。

　　3. 討論

　　供水調度是采集信息、分析決策、指揮運行、實現調度目標的行為，而優(yōu)化調度則是以最省的投入，力求達到最佳的調度目標。調度目標是安全、優(yōu)質、經濟、可靠供水，調度手段從人工到全自動化，手段不同效果也不同，全自動化優(yōu)化經濟調度是發(fā)展的方向。
　　國內600多個城市，由于水源、地形不同，供水方式、管網布局也不同，而且供水滿足、缺乏和過剩情況不同，對調度的要求也有所不同，加之歷史等各種原因目前調度系統(tǒng)的開發(fā)很不平衡，據了解中山市供水調度系統(tǒng)開發(fā)的四個階段，目前在國內不同的城市同時存在，保守的估計半數城市建立了SCADA系統(tǒng)，實現了信息采集、處理、控制的自動化，采用經驗調度，達到安全供水，部分遙控遙調的目的。幾十個城市建立了AGC/EDC系統(tǒng)，實現部分和大部分水廠自動化。不足十個城市建立了SA系統(tǒng)，大大改善了經驗調度和運行管理。但尚未看到全自動優(yōu)化經濟調度的實例。全自動經濟優(yōu)化調度處于實驗開發(fā)之中，國內已建的調度系統(tǒng)，多數還不能充分發(fā)揮系統(tǒng)的全部功能，實現較理想的經濟調度，主要原因有：
　?。?）、信息采集控制系統(tǒng)硬件不配套，信息收集不全，通訊及遠動基礎差，測量精度不夠，可靠性低，機閥泵等設備尚未滿足自動化要求；
　?。?）、管網、用戶等基礎資料不全，或者不準確，無法建立管模；
　　（3）、已建供水設施、管網布局及供水方式不合理，需平差后進行改造和擴建；
　　（4）、管理和技術力量不足，調度室只起監(jiān)視作用，沒有在現有條件下努力實現相對經濟調度；
　?。?）、沒有全國供水行業(yè)調度自動化規(guī)程、規(guī)范，使產品開發(fā)和用戶選型驗收都沒有依據，影響行業(yè)的健康發(fā)展，造成目前部分投入使用的效果較差，或盲目立項。

　　4. 結論

　　通過中山供水調度系統(tǒng)的開發(fā)，對照國內行業(yè)現狀，筆者有如下看法：
　?。?）、供水調度系統(tǒng)應大力開發(fā)，但這是一項技術高、射擊面廣、影響因素多、周期長、投資大的系統(tǒng)工程，應按本單位的經濟實力、技術力量、發(fā)展水平和供水實際，進行總體規(guī)劃，分階段，講實效，力求以最少的投入、最快見效去進行，切忌盲目上馬，邊想邊干。
　?。?）、一個好的SCADA系統(tǒng)能夠達到自動采集監(jiān)控工藝、水質、水壓、取、供、輸、配水、供電狀況等信息和部分遙控遙調功能，實現保證水質、水壓指標和相對經濟的調度目標。若增加AGC/EDC系統(tǒng)，可實現水廠自動化，大大提高運行水平、生產效率和調度反應速度，應大力開發(fā)充分利用設備的全部功能。
　?。?）、建立SCADA+AGC/EDC+SA全自動供水調度系統(tǒng)，才易實現保證水質、水壓要求的經濟調度，為此：應具備合理的供水系統(tǒng)和管網，符合自動化要求的水廠和泵站基礎設施，同時要求管網資料、用戶資料齊全正確，管段摩阻系數、節(jié)點流量分配、負荷曲線接近實際情況，建立正確的管模，否則仍難達到優(yōu)化經濟調度的目標。目前國內應在具備條件的少數中小城市或大城市局部分區(qū)進行試點，總結經驗，才能大力推廣。
　　（4）、建議全國供水行業(yè)主管部門，組織編寫有關供水調度自動化的設計、技術、設備、施工、驗收、管理規(guī)程、規(guī)范、細則，對供水調度系統(tǒng)進行分類，以利提高行業(yè)水平，促進供水調度自動化健康發(fā)展。

　　謝辭：中山供水綜合調度系統(tǒng)是本公司獲市和省建設系統(tǒng)科技進步獎的項目，開發(fā)歷時十年，包含著領導決策、引進和各專業(yè)大量科技人員的辛勤勞動，是集體智慧的結晶。筆者在選寫本文時獲得本公司及兄弟水司同行提供大量資料，并得到編寫供水2000年技術規(guī)劃的專家賜教，在此向他們致謝。

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