建立大规模给水系统分级控制和优化调度软硬件模式研究
日期：2008-8-3 18:03:14 来源：中国自动化网
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摘要： 阐述了给水系统操作控制基本原理、大规模给水系统优化调度软硬件模块及典型的分级控制结构，建立了大规模给水系统分级控制和优化调度软硬件模式。
关键词： 大规模给水系统 分级控制 优化调度 软硬件模式 基本原理 模块 实例
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0 前言
随着工业自动化控制技术和现代科技的高速发展，通讯技术、电子技术和计算机技术的有机结合，出现了高性能的PLC系统和SCADA系统，使工业过程控制程序化、模块化、智能化、集成化、网络化，控制过程更加可视化和远程化。给水系统优化控制是工业过程自动化控制的一个部分，本文提出的大规模给水系统分级控制和优化调度软硬件模式，构筑了给水系统优化控制基本框架。
1 给水系统操作控制基本原理
1.1 控制目标
给水系统操作控制目标可以是单一的，也可以是多个的，对于取水工程，一般是BOD、DO 指标上下限、水库的水位上下限等；对于整个给水系统，控制目标是满足服务供应及系统约束前提条件下，总费用最小；大规模给水系统操作控制是一个多目标复杂约束条件下的混合离散型动态规划问题。
1.2 控制原理
控制机理：依据上一时段或本时段系统返回的值或对下一时段不确定因素的预测值，满足控制目标及约束条件下，生成相应的决策，对系统进行控制。在配水系统中不确定因素一般有：用户用水量、管道C值，阀门开度。
基本控制方式［１］：规则控制(Rules control)和反复控制(Repetitive control )。前一种控制方式决策形成是直接依据前一时段系统返回的量测值或信号进行控制，指令设计为"如果…那么"的形式，该种控制方式在水厂制水过程中被广泛采用，是经验控制模式的典型方式。反复控制机理见图1,U为控制函数，X为状态向量，T为控制周期，Z为系统外部干扰函数，在时间t0与tf之间，系统当前状态X(t0)及预测干扰值Z(t0，t0＋T)反馈到控制模型，产生U(t0，t0＋T)，对系统进行控制，每次以T为周期完成控制过程，当t＞tf时，在tf的基础上，又以T为周期完成循环控制，预测值Z在给水系统中为不确定因素。
图1 反复控制机理
完成规则控制的过程比完成反复控制的过程快得多。
1.3 大规模给水系统的分解-协调[2>
大规模复杂给水系统操作控制问题非常复杂，大量的控制变量应该在规定的时间段内得出，并完成控制；控制目标函数含有大量定速泵、变速泵及控制阀门组成的多目标离散型非线性控制问题，数学上很难解决，计算时间不能满足实时控制要求；分解-协调算法技术有利于求解大规模给水系统的操作控制问题，因此大规模给水系统采用分解-协调技术完成。大规模复杂给水系统控制问题可在时间轴和空间上进行分解，以满足在线实时控制的要求，时间轴上分解要满足水库动态的要求，空间上分解可减少问题决策变量的维数，由于子问题之间存在相互关联，子问题之间用协调变量进行协调，这样一来，通过分解-协调方法可减少大规模复杂给水系统控制问题的复杂性。给水系统分解-协调控制(含两子系统)见图 2。当子系统1和子系统2之间存在利益冲突时，由协调者(上一级)进行协调。
图2 含两子系统的分解-协调操作控制示意
2 大规模给水系统分级控制和优化调度软硬件模块
2.1 大规模给水系统分级控制和优化调度硬件模块
大规模给水系统分级控制与优化调度硬件模块分三层：远动系统、本地控制室和协调决策层[1>。远动系统：在现场通过传感设备采集数据，发送，经交际单元传入计算机，或计算机经交际单元将信息发送传输至电动设备进行动作的过程；本地控制室的计算机间的信息是通过局域网来传输，对于大规模给水系统，协调决策层与本地控制室之间的信息传递是通过广域网完成，见图3。
图3 大规模给水系统分级控制和优化调度硬件结构数据的传输方式有三种：电话线(或ISTN或PSTN)、无线电波及电缆。用电话线传输数据很昂贵，如采用电话线传输数据，常将基地数据储存在本地，将它打包，在电话费较便宜时，传入中心计算机；配水系统中测点的信息常采用无线电波的形式发送，其安装和传输费用较低；电缆常用于近距离数据传输，其数据传输的安全性较高。
RTU(Remote Terminal Unit)和PLC单元里含有许多智能控制器，装备有信号处理器和计算机内存，能收集和存储信息，通过运行自身程序模块可执行由决策层送来的命令，它们也备有大量I/O端口(I/O卡)，可进行A/D和D/A转换，数字信号和模拟信号可脉冲输入和步进电动输出等功能，具有现场仪器的数字信号和模拟信号输入输出界面。
SCADA系统和PLC与RTU的交际方式有两种：点对点，一点对多点；PLC与RTU彼此间可进行串并联连接，常用端口为：RS232，RS422，RS449。
2.2 大规模给水系统分级控制和优化调度软件模块
给水系统计算机控制和优化调度软件模块有：规划和资源管理软件包(如GIS系统)，通讯和远动系统软件包(如SCADA软件)、决策支持系统软件包。
规划和资源管理软件主要用于供水系统规划设计和管网维护部门，GIS系统是该类软件的典型代表，它记录了供水系统中所有的供水设施信息，用图形数据和属性数据存储，为决策支持系统提供供水系统静态基础资料。
通信和远动系统软件用于采集供水系统中实时数据，并将来自主站的命令传输至各站点，实现自动化控制，SCADA系统是该类软件的典型代表。
决策支持系统软件包是给水系统自动化控制和优化调度系统的智力组成部分，它形成原始的操作指令，是以供水系统优化运行(费用最小化)为目标；决策形成过程有两种方法：宏观模型优化调度和微观模型优化调度，前一种方法要求的基础资料较少，受宏观模型的局限性限制，在先进的水司里应用较少，后一种方法考虑了管网微观结构，随着供水调度基础水平的不断提高，微观模型优化调度是发展方向。
大规模给水系统优化调度软件框架见图4、图5。
图4 宏观模型优化调度软件框架
图5 微观模型优化调度软件框架
3 大规模给水系统典型的分级控制结构
大规模给水系统中包含许多供水区域、水厂、中途泵站或水塔，每个水厂或供水区域内有本地控制室，各本地控制室在整个供水系统决策层(中心调度室)的协调下，保证整个供水系统供水费用最小。
大规模给水系统典型的分级控制结构有两种：见图6和图7。图6中，供水区域内可含有中途泵站或水塔；图7中，供水区域内可含有水厂或中途泵站或水塔。
图6 大规模给水系统典型的分级控制结构[1>
图7 大规模给水系统典型的分级控制结构
4 工程实例
原上海市自来水公司给水系统中包括16座净水厂、48座中途泵站，于1999年底相继完成了 3个世行贷款项目，初步建立了分级控制与优化调度模式。
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1 给水系统操作控制基本原理
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1.1 控制目标
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给水系统操作控制目标可以是单一的，也可以是多个的，对于取水工程，一般是BOD、DO 指标上下限、水库的水位上下限等；对于整个给水系统，控制目标是满足服务供应及系统约束前提条件下，总费用最小；大规模给水系统操作控制是一个多目标复杂约束条件下的混合离散型动态规划问题。
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1.2 控制原理
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控制机理：依据上一时段或本时段系统返回的值或对下一时段不确定因素的预测值，满足控制目标及约束条件下，生成相应的决策，对系统进行控制。在配水系统中不确定因素一般有：用户用水量、管道C值，阀门开度。
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基本控制方式［１］：规则控制(Rules control)和反复控制(Repetitive control )。前一种控制方式决策形成是直接依据前一时段系统返回的量测值或信号进行控制，指令设计为"如果…那么"的形式，该种控制方式在水厂制水过程中被广泛采用，是经验控制模式的典型方式。反复控制机理见图1,U为控制函数，X为状态向量，T为控制周期，Z为系统外部干扰函数，在时间t0与tf之间，系统当前状态X(t0)及预测干扰值Z(t0，t0＋T)反馈到控制模型，产生U(t0，t0＋T)，对系统进行控制，每次以T为周期完成控制过程，当t＞tf时，在tf的基础上，又以T为周期完成循环控制，预测值Z在给水系统中为不确定因素。
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图1 反复控制机理
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完成规则控制的过程比完成反复控制的过程快得多。
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1.3 大规模给水系统的分解-协调[2>
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大规模复杂给水系统操作控制问题非常复杂，大量的控制变量应该在规定的时间段内得出，并完成控制；控制目标函数含有大量定速泵、变速泵及控制阀门组成的多目标离散型非线性控制问题，数学上很难解决，计算时间不能满足实时控制要求；分解-协调算法技术有利于求解大规模给水系统的操作控制问题，因此大规模给水系统采用分解-协调技术完成。大规模复杂给水系统控制问题可在时间轴和空间上进行分解，以满足在线实时控制的要求，时间轴上分解要满足水库动态的要求，空间上分解可减少问题决策变量的维数，由于子问题之间存在相互关联，子问题之间用协调变量进行协调，这样一来，通过分解-协调方法可减少大规模复杂给水系统控制问题的复杂性。给水系统分解-协调控制(含两子系统)见图 2。当子系统1和子系统2之间存在利益冲突时，由协调者(上一级)进行协调。
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图2 含两子系统的分解-协调操作控制示意
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大规模给水系统分级控制与优化调度硬件模块分三层：远动系统、本地控制室和协调决策层[1>。远动系统：在现场通过传感设备采集数据，发送，经交际单元传入计算机，或计算机经交际单元将信息发送传输至电动设备进行动作的过程；本地控制室的计算机间的信息是通过局域网来传输，对于大规模给水系统，协调决策层与本地控制室之间的信息传递是通过广域网完成，见图3。
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图3 大规模给水系统分级控制和优化调度硬件结构数据的传输方式有三种：电话线(或ISTN或PSTN)、无线电波及电缆。用电话线传输数据很昂贵，如采用电话线传输数据，常将基地数据储存在本地，将它打包，在电话费较便宜时，传入中心计算机；配水系统中测点的信息常采用无线电波的形式发送，其安装和传输费用较低；电缆常用于近距离数据传输，其数据传输的安全性较高。
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SCADA系统和PLC与RTU的交际方式有两种：点对点，一点对多点；PLC与RTU彼此间可进行串并联连接，常用端口为：RS232，RS422，RS449。
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大规模给水系统优化调度软件框架见图4、图5。
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图4 宏观模型优化调度软件框架
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大规模给水系统中包含许多供水区域、水厂、中途泵站或水塔，每个水厂或供水区域内有本地控制室，各本地控制室在整个供水系统决策层(中心调度室)的协调下，保证整个供水系统供水费用最小。
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大规模给水系统典型的分级控制结构有两种：见图6和图7。图6中，供水区域内可含有中途泵站或水塔；图7中，供水区域内可含有水厂或中途泵站或水塔。
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图6 大规模给水系统典型的分级控制结构[1>
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图7 大规模给水系统典型的分级控制结构
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原上海市自来水公司给水系统中包括16座净水厂、48座中途泵站，于1999年底相继完成了 3个世行贷款项目，初步建立了分级控制与优化调度模式。
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