大规模供水管网实时在线校验水力模型的构建与应用 4页

'万方数据大规模供水管网实时在线校验水力模型的构建与应用许刚1王建平1袁永钦1林浩添1程伟平2俞亭超2(1广州市自来水公司，广州510600；2浙江大学建筑工程学院，杭州310058)摘要供水管网水力模型是供水系统管理的重要手段。建立了广州市中心城区DN300以上供水管网水力模型，该模型能够直接连接SCADA系统，在无人值守的情况下，连续24h，每15min进行一次水力模拟校验，从而使得该模型运行精度高、稳定性好。在实时校验水力模型的基础上，开发了CWaterNet软件平台，它具有管网实时辅助调度模块，调度员可在线模拟水泵调整时的管网运行状态，充分发挥管网水力模型在管网实时运行调度中的指导作用。关键词供水管网水力模型调度实时在线校验0引言城市供水管网是城市发展的生命线工程。城市地下管线中，供水管网是一个复杂而又庞大的地下网络系统，占整个城市给水系统投资费用的60％～80％[1]，因此供水管网建设和运行是供水企业最关心的问题之一。目前国内外已有大量的离线式供水管网水力建模研究，其主要用于供水管网的规划设计、运行现状评估、辅助调度决策、工程管理和维护等有关工作，使得各项决策更加科学，在保质保量供水的前提下节约了运行费用。目前使用较多的是离线静态或动态模型[2]，但其难以满足实时在线运行调度决策的需求。随着地理信息系统(GIS)和供水调度数据采集与监视控制系统(S(㈣)的不断完善，实现实时在线管网水力仿真的条件越来越成熟。本文使用自行开发的a阮terNet软件平台建立了广州市中心城区DN300以上的实时在线管网水力模型，该平台每15111in收集1次SC’ADA数据，并对模型的节点流量进行校核，然后根据校核好的节点流量进行管网平差计算，确保了水力模型的实时准确，为广州市中心城区的供水调度提供决策支撑，目前已经进人日常业务流程，成为广州市智能供水系统的重要组成部分。1供水管网实时水力模拟平台研发思路与体系结构管网水力模型是供水系统日常运行科学调度决国家水体污染控制与治理科技重大专项(2009zx07423—004，2012zX07408—002)；国家高技术研究发展计划(863计划)(2012M062608)广州市水务局科技专项计划(2011)。116给水排水v01．39No．62013策，制定管网扩建、改造方案，处理突发事件的重要基础和依据。《城市供水行业2010年技术进步发展规划及2020年远景目标》[3]明确提出了管网建模，建立科学调度决策软件系统的重要性。21世纪先进的调度系统平台应包括GIS、SCADA、管网水力模型系统(Model)，3个系统可简称为GSM。为了推进供水管网模型在供水企业日常运行管理中的应用，本文认为新的供水管网实时水力模拟支持平台与传统管网建模的思路有以下一些不同点：(1)传统的管网建模软件强调如何建立管网模型，以建模为中心。新的供水管网实时水力模拟系统更加强调调度人员对管网模型的应用，以日常运行服务为中心。(2)传统的管网建模软件是由技术人员针对特定工况进行分析，而新的供水管网实时水力模拟系统应建立1个平台，实现24h不间断地对管网状态模拟与监控，提供实时的决策支持。(3)传统的管网建模软件需要受过专业训练的技术人员来应用，操作复杂，经常需要人工对模型进行修正。新的供水管网实时水力模拟系统开发目标是面向普通的调度员，全自动连接SCADA系统和模型数据同化，全自动模型校验，实现无人值守，工作人员只需在客户端监控管网运行状态。建立新的供水管网模拟支持平台，可从3个层次实现在线实时模拟与决策支持：(1)数据信息接口：主要是与GIS和SCADA 万方数据进行数据交换。(2)后台服务模块：该层次主要实现SCADA系统与管网模型的数据融合，提供可靠的管网水力模型进行实时仿真。(3)客户端应用层：该层次主要在水力模型的基础上提供各种决策层应用支持。其中后台服务模块的管网系统与监测资料的数据融合是整个系统的核心，也是长期以来管网模型在供水系统应用中的瓶颈问题之一。基于以上3个层次，本文开发的CWaterNet支持平台系统结构如图1所示。图1CWaterNet系统结构2大规模供水管网实时在线水力模型的构建2．1广州市中心城区水力模型简介广州市自来水公司是中国最大供水企业之一，主要面向中心城区供水，供水能力达440万m3／d。目前日均供水量接近400万m3。DN75以上供水管网总长接近6oookm，有6座水厂，最大的2座水厂日供水量为100万m3左右，20多个大型加压泵站。本文建立了中心城区管径DN300及以上的实时供水调度模型，采用广州市GIS系统的管网数据作为基础，首先应用自行开发的平台简化功能形成管网模型，并对联通性进行校验，在此基础上进行人工数据检查，保证模型的准确性。所形成的管网模型对DN300管道覆盖率达95％以上，对于重要的DN200联通管也有保留，如图2所示。2．2管网模型的校正管网模型的误差主要来自两个方面：一是管网中设备的参数、状态、拓扑关系是否正确；二是管网的节点流量是否正确。本文采用的供水管网模型的校正与传统的管网模型校验有一定的差别，分为离图2广州市供水管网图现状线水力校正和在线水力校正两个阶段。第一阶段主要是进行初步分析，检查管网的拓扑结构和管网的阀门状态是否正确。通常错误的拓扑结构经过简单的水力计算之后即可发现。本文采用自行开发的CWaterNet平台连接广州市SCADA监测数据对管网水力状态进行全自动校正，摆脱了人工节点流量、糙率调整的繁琐工作。整个离线校正的过程如图3所示。幽3曾测模型禹线板骏流槿第二阶段是管网模型的在线水力校正，与传统的模型校正不同的是，本文建立的水力模型是1个在线式系统，水力模拟与水力校正同步进行，保证了模型与管网工作状态一致。该系统无人值守自动运行，每15rnin从S(：m～系统提取1次管网监控的水泵、阀门、清水池等重要设施的运行状态和管网中实测的压力和流量，根据这些信息进行模型节点流量校验，再进行水力模拟，整个分析计算过程小于5111in。计算结果显示主要控制点压力、重要输水管线流量以及水厂供水量等模拟数据与实际结果比较吻合。管网中主要控制点经统计90％以上的计算结果误差都在1．5m以下，95％以上都在2m以下。重要输水管线流量的平均误差小于1000～2000m3／h，误差为5％左右，计算结果也能比较准确地反映重要加压泵站调度后的输水量突变和用户给水排水V01．39No．62013117 万方数据用水量的渐变特征，可以通过这套模型在线分析泵站调度对供水系统的影响。3实时水力模型的在线决策支持管网水力模型的重要目的之一是能够指导供水系统的运行调度。本文在CWaterNet系统中建立了辅助调度模块，提供了水力模型在线决策支持功能。在实际运行过程中，每时每刻的运行状态都在发生变化，调度员可以根据管网中实时监控到的信息进行相应的水泵状态调整。与传统水力模型的离线式分析不同，在本文的实时管网辅助调度模块中，调度员可以在实时校验好的模型上进行水泵的启闭，水泵的转速、阀门状态的调整，实时计算分析，实现了水力模型现场指导调度决策。该模块也可作为训练调度员的重要工具之一。图4是水厂压力调控敏度分析图，显示了调整西村水厂的供水压力之后，西村水厂和其他各水厂供水水量、管网各压力监测点压力的变化，调度员可以非常直观地了解不同水厂出厂压力情况，各水厂的供水流量状态，实现管网各水厂的供水量平衡与合理压力控制。图4水J压力调控敏度分析不意图5a是泵组开停调度分析功能图，可以实现水厂或加压站水泵开停以及转速的调控。西村水厂增加启动1台水泵，系统在10s内分析出水泵启动后西村水厂增加流量1059m3／h，同时引起石门水厂、南洲水厂分别减少479m3／h和300m3／h的流量，见图5b。管网中心区的压力普遍增加o．5～o．7mH20。通过这个模块，调度员可以直接了解水泵启闭后的管网运行状态，避免了靠经验决策的不确定性。4结论供水管网是一个非常复杂的系统，如何利用供118给水排水Vd．39N仉62013爹鎏蒸餮爹萋琴雾蒸霎雾爹。器一蓑爹j{鬟，宴罨攀l黧；}誊誊差羞|||_i篓i篓萋雾i鋈参；。二。一一二薹l熬囊l水管网模型有效控制管网的运行一直是困扰供排水研究人员的一个难题，尤其是大规模管网目前主要还是依赖经验调度。本文介绍了广州市供水管网的实时在线校验水力模型的构建，自行开发了CWa—terNet平台，并在此基础上建立了在线辅助调度系统，并成功地应用到管网运行管理、规划建设中。目前实时在线校验水力模型的应用刚刚起步，还有较大的研究探索空间。广州市中心城区供水管网是全国乃至世界上最大供水管网系统之一，该实时在线校验水力模型的建立对供水管网科学运行管理有很好的借鉴作用。参考文献1王晓昕．供水电耗的影响因素及控制对策．水资源与水工程学，2008，19(5)：123～1262陶建科，刘遂庆．建立给水管网微观动态水力模型标准方法研究．给水排水，2000，26(5)：4～83中国城镇供水协会．城市供水行业2010年技术进步发展规划及2020年远景目标．北京：中国建筑工业出版社，2005舍通讯处：510600广州市自来水公司E-mail：46502388@qq．com收稿日期：2012一lo一10修回日期：2013一02—22 大规模供水管网实时在线校验水力模型的构建与应用作者：许刚，王建平，袁永钦，林浩添，程伟平，俞亭超作者单位：许刚,王建平,袁永钦,林浩添(广州市自来水公司,广州,510600)，程伟平,俞亭超(浙江大学建筑工程学院,杭州,310058)刊名：给水排水英文刊名：Water&WastewaterEngineering年，卷(期)：2013,39(6)参考文献(3条)1.王晓昕供水电耗的影响因素及控制对策[期刊论文]-水资源与水工程学报2008(5)2.陶建科,刘遂庆建立给水管网微观动态水力模型标准方法研究[期刊论文]-给水排水2000(5)3.中国城镇供水协会城市供水行业2010年技术进步发展规划及2020年远景目标2005引证文献(3条)1.赵华,罗海,张朝辉检漏技术在自来水管网中的应用[期刊论文]-城市建设理论研究（电子版）2015(18)2.许刚,朱子朋,吴卓祯,程伟平大规模供水管网水量调度案例分析[期刊论文]-给水排水2013(12)3.王力,刘光尧,曾佩佩基于SVM的机场供水管网泄漏辨识定位系统研究[期刊论文]-水资源与水工程学报2014(01)引用本文格式：许刚.王建平.袁永钦.林浩添.程伟平.俞亭超大规模供水管网实时在线校验水力模型的构建与应用[期刊论文]-给水排水2013(6)'