摘要：为满足灌区现代化管理和机组的经济运行的要求，本文对清水坝灌区梯级泵站实施联合控制和调度系统进行研究和探讨，阐述了自动化控制系统的网络结构、设备组成和各层的功能，采用动态规划法为梯级泵站进行合理优化调配水量，并建立了优化调度目标函数以及相应的约束条件。
关键词：梯级泵站 联合控制 优化调度
中图分类号：TP274.2文献标识码：A文章编号：1007-9416(2011)08-0094-02
1、引言
为了加快大中型灌区节水改造任务，改善灌区的水利条件，保证各类灌排工程安全正常运行，提高水资源利用率，节约用水，促进灌区农业及其它产业的可持续发展，江苏省淮安市盱眙县水利局于2008年完成了清水坝灌区续建配套与节水改造工程一期项目，二期项目也将进入项目设计阶段。为贯彻落实水利部关于水利信息化建设的工作部署，加快大型灌区信息化建设，因此，在项目的实施过程中对清水坝二级站进行了信息化改造，建立了自动化控制系统，实现了清水坝二级站远程自动控制功能，为实施联合控制和调度系统打下了基础，创造了技术条件。同时，为了清水坝梯级泵站的节能增效，对清水坝灌区提水三级泵站实施联合控制和联合优化调度运行进行研究和探索，为以后项目实施提供参考，提升清水坝灌区梯级泵站的信息化管理水平。
2、灌区概况
清水坝灌区位于江苏省淮安市盱眙县境内。灌区设计灌溉面积39.8万亩，现有效面积31.84万亩，农业用水主要靠清水坝一、二、三级泵站引提淮河供水和水库拦蓄本地径流。旱季可从淮河提水补给二级水库用于灌区灌溉。
清水坝一级站位于古桑乡石牛山边，开挖引河3.5km，自淮河引水提水上岗，经1.8km干渠，输送至二级站，该段干渠灌溉面积0.1万亩；清水坝二级站干渠长6.3km，灌溉面积5.71万亩；该干渠可与龙王山水库相连，龙王山水库枯水时可适时补库，向龙王山东西干渠供水，灌溉面积9.1万亩。
清水坝三级站干渠可分别与桂五、山洪、化农干渠相连，将三个水库的渠道串联起来，成为一个可以相互调节的灌溉系统，灌溉面积24.9万亩。
清水坝一、二级泵站各有9台单机容量475kW，单机流量1.4m3/s，设计扬程19.5m的离心泵，三级站7台，设计扬程18.6m。清水坝一、二级站总设计流量为12.6m3/s，三级站为9.8m3/s，能满足95％灌溉保证率灌区用水要求。
3、实施联合控制与调度系统
实施联合控制与调度就是运用优化技术对梯级泵站进行科学、合理的管理，寻求最优的调度策略，从而实现泵站的最优运行，降低生产成本，达到最大的经济效益和社会效益。目前，清水坝灌区梯级泵站仍采用传统方式调水，根据灌区需水量，按经验方法确定各级站开机台数，调水方法简单，没有对各级站间的泵站运行流量进行优化，无法保证机组在高效区运行。清水坝灌区梯级站调水扬程高、线路远，能耗高，通过加强运行管理，结合先进技术、新方法，建立合理完善的联合控制与调度系统，对梯级泵站进行现代化科学管理，有效的进行用水控制和提水调度，充分发挥清水坝灌区梯级泵站的最大工程效益。
清水坝灌区梯级泵站实施联合控制与调度的目的是实现梯级泵站的经济调度和实时自动经济运行。在清水坝梯级泵站中，各级泵站间的运行存在着密切的联系，每级泵站有多台机组运行，对整个梯级泵站调水进行统一的联合控制与调度，把清水坝梯级泵站看做一个优化单元，结合自动化控制系统，以各级泵站为单元进行分级控制。
因为梯级泵站的水泵工况不可调节，在调度时按开停机的台数进行流量分配和组合选择，从而达到优化调度运行。通过控制梯级泵站之间的进出水池水位，让水泵在高效区运行，达到一定的灌溉调水量，所消耗的总电量最少， 从而降低生产成本，产生最大的经济效益。
4、联合控制与调度系统结构
泵站自动控制系统为分层分布开放式结构，采用快速以太网拓朴结构，分为三级，即调度级、远控级与现地级。控制权分“调度、远方、现地”三级，可以进行无扰动切换。系统的控制权限越接近设备，控制权限越高。控制权限由高到低顺序为：现地、远方、调度级。
从清水坝一级站至二级站，二级站至三级站均敷设多模光缆，调度控制室设在二级站管理楼内，各站级控制室设在泵房的中控室内，构成一个星形光纤以太网系统,图1。
5、自动控制系统
清水坝二级站自动控制系统已经建成，实现对厂站的自动监视、控制与调节、视频监控运行，系统投入使用近1年，系统运行正常。
5.1 现地控制单元结构与功能
(1)现地控制单元（LCU）。现地控制单元（LCU）有PLC、电气设备、仪器仪表、通讯接口设备等组成。PLC系统是整个计算机控制系统的核心，包括数据采集、逻辑运算、控制输出、通讯、网络等。每三台机组共用一套现地控制单元，公用设备的控制放置在最后一套现地控制单元中。PLC系统选用法国施耐德M340产品。每套PLC最少需按照开关量输入128点、输出96点、模拟量输入12点、温度量输入16点配置。CPU带以太网、CAN接口、串口。PLC对主机的数据采集、控制功能与上面的PLC相同。
(2)主要完成的功能有：1)数据的采集及处理功能：采集机组、辅机、线路的各种模拟量，有上下游水位、管道压力、直流屏电压、电流、机组的温度、电压、电流、有功、无功等；累计机组、线路的有功电量和无功电量；采集主机、辅机、管道阀门等设备的开关状态，继电保护动作等；2)控制与调节：管道抽真空控制，机组正常顺序开/停机控制，管道阀门控制，线路刀闸控制，排水泵控制等；3)安全与监视：机组温度、电流、功率因数、上下游水位等参数的越复线检查，开停机过程监视，对于重要参数及数据还进行越限后作故障提示，对于一些重要参数趋势报警；4)通信：通过以太网定时向主控计算机发送机组、公用设备的相关信息，接收主控级的控制、调度指令。利用PLC的CAN接口完成与保护设备的通讯；5)数据交换功能：PLC与PLC之间进行数据交换，包括采集的线路电流、电压、真空压力、水位、各开关状态等；6)设备自诊断：检测开关电源、PLC的CPU、I/O模块、电池、系统内存、采样通道等的运行状态，并将相关信息传送给主控计算机；
5.2 站级控制层
站级控制层是泵站的主要控制层级，设于梯级泵站的中控室内，通过监控网络与现地级、远方调度级建立通信。保留常规控制，采用冗余技术，提高系统的可靠性。通过工作站的监测监控界面，采集机组主要设备的各种参数、状态等，并在监控界面显示，同时下发控制命令，完成对运行设备的联合监控。具有自动越限报警、趋势分析、事故追忆、时间顺序记录、故障原因分析、语音报警、报表生成与打印、监督现地监控单元对监测监控命令的执行等功能，还能根据各种调度方式实现泵站的最优运行。
6、调度系统
建立梯级泵站调度特点的数学目标函数是取得最优调度方案的基础和关键。
在系统的进、出水位、提水流量已定的情况下，系统的总能耗与各级站之间的扬程组合有关，其中必定有一组合使系统经济运行[1]。梯级泵站优化调度经常使用动态规划法进行级间流量、扬程、调蓄水位（一级站出水位及二级站、三级站进出水池水位）的合理调配。清水坝两级泵站的优化调度目标是给定日平均流量的条件下能耗最小，使水泵处于在高效工作段，以二级站、三级站的调水流量确定合理的开机台数，并向一级和二级站进行反馈。
6.1 优化调度数学模型
式中： E为梯级泵站总能耗，Qji为第j级泵站第i台机组流量；Hji为第j级泵站第i台机组扬程；η为机组的装置效率；T为抽水时段，小时计。
6.2 约束条件
根据机组特性，流量、进水池水位、开机台数、机组功率都将受到一定的约束。
6.2.1 流量约束
每级泵站的总流量等于单台机组的流量之和： (5)
由于后一级泵站输水渠道的用水及水量损失，前一级泵站流量大于或等于后一级泵站流量，约束条件为： (6)
6.2.2 进水池水位约束。 (7)
6.2.3 开机台数约束。 (8)
6.2.4 单泵功率约束。 (9)
式中：Qj为第j级泵站的抽水流量，Qji为单台水泵流量，SWin min为进水池最低水位，SWin为进水池水位，N为开机台数，Njmax为最大开机台数，Pi为单台机组功率，Pimax单台机组最大功率。
清水坝梯级泵站调度各时段采用相等的时间间隔，各时段流量、机组运行台数和能耗等参数均由动态规划计算，在联合监控与调度系统的实施过程中可以根据以上调度函数以及约束条件，分3个梯级泵站作为阶段变量、以每级泵站至最后一级的累计扬程作为状态变量、每级泵站的实际扬程作为决策变量进行优化调度求解，并通过计算机软件来实现。
7、结语
在项目前期进行实施联合监控和优化调度系统的研究和探讨，有助于以后系统集成，减少项目投资。特别是梯级泵站监控系统设计标准、设备选型统一，软件开发、数据传输格式、数据库表结构一致，将为以后集成提供方便。
随着清水坝三级泵站都将进行改造，在改造完成前，进行实施联合监控和调度系统的研究和探讨是十分必要的。灌区提水的成本主要是电费，按照其它泵站进行优化调度的效益来看，参见文献[1]，节约4%至8%的电量完全能实现，由此，清水坝灌区梯级泵站进行优化调度的经济效益将会十分明显。
参考文献
[1]刘正祥,蒋丽娟等.动态规划、模拟技术在多级泵站优化调度中的应用.灌溉排水,2000,2:62-65.
[2]刘超.泵站经济运行[M].水利电力出版社,1995.
[3]肖佳华.江尖水利枢纽计算机监控系统设计.水电自动化与大坝监测,2007,2:79-82.
[4]徐维晖,刘清欣等.用“动态规划法”优化调度梯级泵站机组.陕西工学院学报,2004,20(3):83-87.
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文