譚 成　蔣 戎

　　摘要：本文剖析了中山市供水調(diào)度系統(tǒng)的沿革，對照國內(nèi)目前城市調(diào)度系統(tǒng)的現(xiàn)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(diào)度規(guī)范、規(guī)程及有關技術文件，促進供水調(diào)度的發(fā)展。
　　關鍵詞：供水、調(diào)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(chǎn)、供、銷都具有連續(xù)性、廣域性、公用性、多樣性、重要性[2]、產(chǎn)品不可返修等共性。而城市供水又獨具特點：產(chǎn)品質(zhì)量受二次污染和存放時間的影響，服務質(zhì)量受管網(wǎng)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(zhì)，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(jīng)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(diào)度系統(tǒng)，進行優(yōu)化調(diào)度。我國城市供水調(diào)度80年代初開始起步，80年代中期微機及無線通訊在調(diào)度中產(chǎn)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(diào)度系統(tǒng)達到優(yōu)化經(jīng)濟調(diào)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(diào)度不合理造成的能源浪費高達5%以上[7]。因此供水調(diào)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(xiàn)代化設備，建立新的調(diào)度系統(tǒng)。中山市供水總公司從1988年開始建立供水調(diào)度系統(tǒng)，歷經(jīng)十年建成了現(xiàn)代化的調(diào)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(diào)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(diào)度系統(tǒng)，至今十年來已有了很大的發(fā)展，經(jīng)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(jīng)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(jīng)驗和教訓。
　　1.1供水調(diào)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(chǎn)，日供水能力增至12萬噸緩和了缺水的矛盾。由于新調(diào)度系統(tǒng)正在安裝，采取人工抄表、電話報數(shù)、現(xiàn)場手動操作的原始調(diào)度方法。收集信息數(shù)量少、處理慢、傳遞遲，調(diào)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(diào)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(diào)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(jié)束了落后的調(diào)度狀況，經(jīng)幾年的運行和更新?lián)Q代，目前公司的SCADA系統(tǒng)（詳見圖1）由兩臺中調(diào)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(shù)傳機（頻率227.5MHz）和話傳差轉(zhuǎn)機（頻率457.025MHz/467.025MHz）分別進行數(shù)傳和話傳。該系統(tǒng)具有遙測、遙信、遙控、遙調(diào)等實時功能、數(shù)據(jù)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：

　?。?）、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(zhì)；
　?。?）、以管網(wǎng)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(zhì)和壓力的前提下，力求降低能耗，實現(xiàn)相對經(jīng)濟運行；
　?。?）、監(jiān)視全管網(wǎng)運行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)及時處理，遇爆漏協(xié)助搶修，遇火災加壓幫助滅火；
　　（6）、積累各種運行數(shù)據(jù)，為調(diào)度預測、管網(wǎng)改造提供參考數(shù)據(jù)；
　　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(diào)度人員經(jīng)驗調(diào)度因人而異，優(yōu)化經(jīng)濟運行難以實現(xiàn)。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(diào)。
　　1.3供水調(diào)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(chǎn)，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(xiàn)場操縱，也可在中控室操縱，同時引進了數(shù)據(jù)中心EDC（Engineering Data Center）,租用中山市電信局的DDN有線高速數(shù)字網(wǎng)絡，傳輸水廠大量的實時數(shù)據(jù)。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(xiàn)場機PLC、DDN網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)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(xiàn)場PLC與監(jiān)控電腦及公司數(shù)據(jù)接收PLC之間的數(shù)據(jù)交換。8臺現(xiàn)場PLC安裝在各車間，對設備進行模擬量、數(shù)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(xiàn)自動化，節(jié)約了勞動力，提高了凈水質(zhì)量和生產(chǎn)效率以及調(diào)度反應速度，降低藥耗和能耗；
　?。?）、中心調(diào)度室可全面了解工藝流程中個階段的水質(zhì)參數(shù)、流量參數(shù)及水廠工藝設備、取供水設備、配電設備的運行參數(shù)及狀態(tài)報警，增加了監(jiān)控范圍，豐富了依據(jù)。
　?。?）、工藝流程實現(xiàn)遙控、遙調(diào)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(diào)。因全自動優(yōu)化經(jīng)濟調(diào)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(diào)度中級階段。
　　1.4、供水調(diào)度的高級階段
　　1997年3月，市第三間供水廠竣工投產(chǎn)，市日供水能力增至66萬噸，大大改善了我市管網(wǎng)水源的布局。該廠取水、加藥、過濾、沉淀排泥實現(xiàn)全自動化，提高了供水素質(zhì)。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(xiàn)供大于求的局面，公司主要任務是改造、擴建輸配水管網(wǎng)，力求管網(wǎng)更合理，同時尋求擴大用戶，在保證目標水質(zhì)、水壓的前提下，著手優(yōu)化經(jīng)濟調(diào)度、節(jié)能降耗的工作。為此，1996年元月公司在國內(nèi)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(diào)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(shù)字化儀、繪圖機、打印機、調(diào)制解調(diào)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(wǎng)基礎數(shù)據(jù)、2M用戶基礎數(shù)據(jù)、3M城市地理信息基礎數(shù)據(jù)等三個基礎數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，及4M管網(wǎng)運行狀態(tài)分析系統(tǒng)、5M供水優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)、6M水質(zhì)分析系統(tǒng)、7M緊急事故處理系統(tǒng)、8M管網(wǎng)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(jù)1～3M基礎信息管理系統(tǒng)儲存的水廠、管網(wǎng)、用戶、城市地理信息等基礎數(shù)據(jù)，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(wǎng)結(jié)構數(shù)學模型，和輸入SCADA系統(tǒng)采集的實時數(shù)據(jù)，進行優(yōu)化調(diào)度、管網(wǎng)運行分析、水質(zhì)分析、緊急事故處理、提供管網(wǎng)改擴建方案，同時根據(jù)實時參數(shù)對建立管模所取的管段摩阻系數(shù)、經(jīng)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(shù)據(jù)的盡快完善，然后逐步實現(xiàn)全自動化經(jīng)濟調(diào)度，目前仍需不斷地去摸索和完善。

　　2. 中山自動供水綜合調(diào)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(lián)網(wǎng)），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(wǎng)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(diào)度室和廠調(diào)度室，采取二級調(diào)度。1997年建成具備SCADA+AGC/EDC+SA功能的自動供水綜合調(diào)度系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有供水行業(yè)從設計、技術資料、調(diào)度、運行、質(zhì)量到搶修等產(chǎn)、供、銷、建等全部主要生產(chǎn)管理功能，目前在國內(nèi)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(shù)據(jù)中心、RTU終端機和無線數(shù)傳機、無線話傳差轉(zhuǎn)機及DDN有線網(wǎng)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(shù)據(jù)，而SCADA系統(tǒng)通過兩個渠道采集這些數(shù)據(jù)。其一：通過無線數(shù)傳機從管網(wǎng)各RTU終端站點采集輸配水、高位水池、加壓泵站的運行參數(shù)。其二：通過DDN網(wǎng)絡從水廠PLC采集取水、凈水、供水過程的水質(zhì)、水量參數(shù)及配電、工藝、取供水設備的運行參數(shù)，SA系統(tǒng)根據(jù)這些實時數(shù)據(jù)及已建立的管模，實現(xiàn)供水調(diào)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(xiàn)水廠、管網(wǎng)、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(xiàn)圖形、管網(wǎng)、運行數(shù)據(jù)交叉互訪。
　　（2）、以直觀界面表達實時供水狀態(tài)，顯示經(jīng)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。
　　（3）、根據(jù)實時數(shù)據(jù)、公司的調(diào)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(jīng)濟調(diào)度方案，顯示其效果。
　?。?）采用多變量管網(wǎng)水質(zhì)模型技術，結(jié)合現(xiàn)場采集的實時數(shù)據(jù)進行效驗，可逐步實現(xiàn)管網(wǎng)水質(zhì)精確分析。
　?。?）、可在出現(xiàn)管段爆漏時，根據(jù)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。
　?。?）、根據(jù)改擴建需要實現(xiàn)快速平差，在短時間內(nèi)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(xiàn)了SCADA+AGC/EDC+SA的大部分功能，即實現(xiàn)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(diào)，通過自動監(jiān)控與人工判斷相結(jié)合進行調(diào)度，而自動優(yōu)化經(jīng)濟調(diào)度尚未實現(xiàn)。目前我們正進行全面管網(wǎng)普查，解決老城區(qū)管網(wǎng)資料不齊、不準確的老問題，同時計劃進行管段摩阻系數(shù)、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(xiàn)全自動化優(yōu)化經(jīng)濟調(diào)度的目標。

　　3. 討論

　　供水調(diào)度是采集信息、分析決策、指揮運行、實現(xiàn)調(diào)度目標的行為，而優(yōu)化調(diào)度則是以最省的投入，力求達到最佳的調(diào)度目標。調(diào)度目標是安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟、可靠供水，調(diào)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(jīng)濟調(diào)度是發(fā)展的方向。
　　國內(nèi)600多個城市，由于水源、地形不同，供水方式、管網(wǎng)布局也不同，而且供水滿足、缺乏和過剩情況不同，對調(diào)度的要求也有所不同，加之歷史等各種原因目前調(diào)度系統(tǒng)的開發(fā)很不平衡，據(jù)了解中山市供水調(diào)度系統(tǒng)開發(fā)的四個階段，目前在國內(nèi)不同的城市同時存在，保守的估計半數(shù)城市建立了SCADA系統(tǒng)，實現(xiàn)了信息采集、處理、控制的自動化，采用經(jīng)驗調(diào)度，達到安全供水，部分遙控遙調(diào)的目的。幾十個城市建立了AGC/EDC系統(tǒng)，實現(xiàn)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(jīng)驗調(diào)度和運行管理。但尚未看到全自動優(yōu)化經(jīng)濟調(diào)度的實例。全自動經(jīng)濟優(yōu)化調(diào)度處于實驗開發(fā)之中，國內(nèi)已建的調(diào)度系統(tǒng)，多數(shù)還不能充分發(fā)揮系統(tǒng)的全部功能，實現(xiàn)較理想的經(jīng)濟調(diào)度，主要原因有：
　　（1）、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(wǎng)、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(wǎng)布局及供水方式不合理，需平差后進行改造和擴建；
　?。?）、管理和技術力量不足，調(diào)度室只起監(jiān)視作用，沒有在現(xiàn)有條件下努力實現(xiàn)相對經(jīng)濟調(diào)度；
　?。?）、沒有全國供水行業(yè)調(diào)度自動化規(guī)程、規(guī)范，使產(chǎn)品開發(fā)和用戶選型驗收都沒有依據(jù)，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(jié)論

　　通過中山供水調(diào)度系統(tǒng)的開發(fā)，對照國內(nèi)行業(yè)現(xiàn)狀，筆者有如下看法：
　?。?）、供水調(diào)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(jīng)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。
　　（2）、一個好的SCADA系統(tǒng)能夠達到自動采集監(jiān)控工藝、水質(zhì)、水壓、取、供、輸、配水、供電狀況等信息和部分遙控遙調(diào)功能，實現(xiàn)保證水質(zhì)、水壓指標和相對經(jīng)濟的調(diào)度目標。若增加AGC/EDC系統(tǒng)，可實現(xiàn)水廠自動化，大大提高運行水平、生產(chǎn)效率和調(diào)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(diào)度系統(tǒng)，才易實現(xiàn)保證水質(zhì)、水壓要求的經(jīng)濟調(diào)度，為此：應具備合理的供水系統(tǒng)和管網(wǎng)，符合自動化要求的水廠和泵站基礎設施，同時要求管網(wǎng)資料、用戶資料齊全正確，管段摩阻系數(shù)、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(jīng)濟調(diào)度的目標。目前國內(nèi)應在具備條件的少數(shù)中小城市或大城市局部分區(qū)進行試點，總結(jié)經(jīng)驗，才能大力推廣。
　?。?）、建議全國供水行業(yè)主管部門，組織編寫有關供水調(diào)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(diào)度系統(tǒng)進行分類，以利提高行業(yè)水平，促進供水調(diào)度自動化健康發(fā)展。

　　謝辭：中山供水綜合調(diào)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(jié)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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