СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ВОДОСНАБЖЕНИЕМ Российский патент 2005 года по МПК G06F17/60 G05B19/18 

Изобретение относится к области коммунального хозяйства, а именно к области управления системой водоснабжения, и может быть использовано при диспетчерском контроле и управлении системами водоснабжения города или региона, характеризуемых наличием как крупных и малых предприятий промышленности и городского хозяйства, так и жилого сектора.

В последнее время широко применяют математические модели (программы) системы водоснабжения для решения различных задач по совершенствованию системы водоснабжения города или региона. В первую очередь с помощью модели отрабатывают задачи перспективного развития системы водоснабжения. Применение расчетов на модели позволяет выяснить распределение напоров на сети, построить пьезометры по различным участкам сети, выявить узкие места системы водоснабжения, обнаружить закрытые задвижки. С помощью модели отрабатывают задачи оптимального распределения нагрузки между насосными станциями.

Подобные математические модели системы водоснабжения имеют определенные недостатки, не позволяющие более широкое их применение. На подобных моделях отрабатывают задачи для отдельных конкретных режимов (минимальное, максимальное, среднее водопотребление), при этом они совершенно не приспособлены для работы в режиме реального времени. Далеко не всегда модель соответствует фактическим данным системы. Необходимо осуществление специальной процедуры для обеспечения верификации модели действующей системы водоснабжения.

Из уровня техники известна (US, патент 4387368) система дистанционного управления системой водоснабжения, основанная на идеализированной математической модели. Известная система содержит множество датчиков, размещенных во всех звеньях системы водоснабжения, причем информация, характеризующая состояние системы, от датчиков поступает на диспетчерский пункт в виде набора числовых данных. Недостатком известной системы является применимость ее только для малых систем, поскольку при наличии большого количества датчиков диспетчер физически не может проконтролировать состояние системы водоснабжения.

Развитием известной системы (US, патент 4090193) явилось введение информации от датчиков в программу, заложенную в персональный компьютер и визуализацию результатов на дисплее. Однако данная система по тем же причинам также применима только для малых объектов водоснабжения.

Наиболее близким аналогом настоящего технического решения можно признать способ управления водоснабжением (RU, патент 2087036), включающий размещение множества датчиков на объектах системы водоснабжения, соединенных с входами персонального компьютера диспетчерского пункта, на носителе информации которого записана программа управления водоснабжением, получение информации от указанных датчиков и выработку управляющего сигнала для исполнительных механизмов системы водоснабжения. Данная программа содержит алгоритм математической обработки поступившей информации с вынесением решения о включении/выключении отдельных элементов системы. При поступлении информации от датчиков программа вырабатывает управляющий сигнал, включающий или выключающий исполнительные механизмы системы водоснабжения. Однако указанная система не пригодна для сложных объектов водоснабжения, характеризуемых большим количеством факторов, поскольку не предусматривает учета реального водопотребления на объектах. Кроме того, в качестве исполнительных механизмов использованы только насосные агрегаты, что не обеспечивает возможность плавного регулирования системой водоснабжения.

Техническая задача, решаемая посредством предложенного технического решения, состоит в разработке способа автоматического управления водоснабжением, применимого для любых систем водоснабжения с обеспечением возможности оптимального распределения нагрузки между насосными станциями и плавного регулирования основных параметров работы системы водоснабжения.

Технический результат, получаемый при реализации предлагаемого способа, состоит в обеспечении устойчивого водоснабжения потребителей при минимизации затрат энергии на подачу и распределение воды за счет оптимального распределения нагрузки между насосными станциями в течение всего времени работы и минимизации избыточных напоров в сети, а также в облегчении условий труда персонала диспетчерских пунктов и машинистов насосных установок за счет реализации автоматического режима управления системой и обеспечении возможности диагностики повреждений сети, включая скрытые, диагностики самопроизвольно закрытых задвижек на сети, определения направлений потоков воды в сети, изменения качественных показателей воды по мере ее транспортировки по сети.

Для получения указанного технического результата предложено использовать способ автоматического управления системой водоснабжения города или региона, включающий размещение множества датчиков на объектах системы водоснабжения, соединенных с входами персонального компьютера диспетчерского пункта, на носителе информации которого записана программа управления системой водоснабжения, получение информации от указанных датчиков и выработку управляющего сигнала для исполнительных механизмов системы водоснабжения, причем указанное множество датчиков содержит, по меньшей мере, один датчик контроля напора в сети, по меньшей мере, один датчик контроля потребления воды жилыми массивами, по меньшей мере, один датчик контроля потребления воды промышленными предприятиями, по меньшей мере, два датчика контроля напора воды на выходах насосных станций, по меньшей мере, один датчик контроля напора воды в диктующей точке, при этом указанная программа управления системой водоснабжением выполнена с возможностью записи и учета информации, получаемой от указанных датчиков, и выработки сигнала управления исполнительными механизмами системы водоснабжения (насосами подачи воды, регулируемым приводом, запорнорегулирующей арматурой), причем указанная программа дополнительно содержит подпрограмму прогноза водопотребления, подпрограмму планирования работы насосов станций второго подъема, подпрограмму оптимизации подачи воды, подпрограмму верификации и подпрограмму коррекции управляющих воздействий, при этом подпрограмма прогноза водопотребления, подпрограмма планирования работы насосов станций второго подъема и подпрограмма оптимизации связаны между собой, последняя, в свою очередь, обратимо связана с подпрограммой верификации, а также с возможностью приема управляющего сигнала, вырабатываемого подпрограммой планирования работы насосов станций второго подъема, передачей управляющего сигнала на подпрограмму оптимизации, управляющий сигнал которой поступает в подпрограмму верификации, связанную с подпрограммой коррекции воздействия на исполнительные механизмы, при этом сигнал, вырабатываемый подпрограммой коррекции, представляет собой управляющий сигнал для включения/отключения насосов станций второго подъема и изменения степени открытия задвижек на выходе насосов станций второго подъема. При реализации способа могут дополнительно использовать датчики, характеризующие уровень воды в регулирующих резервуарах питьевой воды, датчики состояния работы насосов станций первого подъема, причем выходы дополнительных датчиков подключены к входам указанного персонального компьютера. В этом варианте реализации способа используемая программа может дополнительно содержать подпрограмму коррекции воздействия, выполненную с возможностью приема управляющего сигнала от подпрограмм оптимизации и верификации и выработки управляющего сигнала для изменения степени открытия запорной арматуры и включения/отключения насосов станции первого подъема, при этом на трубопроводах, подающих воду в регулирующие резервуары питьевой воды, могут дополнительно устанавливать средства регулирования степени открытия задвижек на трубопроводах.

При разработке предложенного способа на основании статистических материалов создано программное обеспечение (в дальнейшем, программа) водоснабжения нового класса. Основное отличие указанной программы от известных состоит в том, что используемая математическая модель выполнена с возможностью учета данных мониторинга основных параметров водопроводной сети, насосных станций и крупных, а также мелких потребителей. Это позволяет осуществить полное соответствие модели действующей системе водоснабжения, применить ее для решения задач оперативного управления, что позволяет резко повысить эффективность использования модели.

Принципиальная схема, применяемая для реализации предложенного способа в базовом варианте, приведена на чертеже, при этом использованы следующие обозначения: персональный компьютер 1 с программой управления водоснабжением, подпрограмма 2 прогноза, подпрограмма 3 планирования работы насосов станций второго подъема, подпрограмма 4 оптимизации, подпрограмма 5 верификации, подпрограмма 6 коррекции, датчики 7 на выходе насосов станций второго подъема, датчики 8 состояния насосов и задвижек, датчики 9 напоров в контрольных точках, датчик 10 напора в диктующей точке, датчики 11 расхода воды населением, датчики 12 расхода воды крупными потребителями, исполнительные механизмы 13, водопроводная сеть 14, потребители 15.

В предложенную программу постоянно поступают данные с различных объектов:

- с насосов станций второго подъема о подаче в сеть и напорах на выходе насосных станций первого и второго подъема, что характеризует состояние исполнительных механизмов;

- с водопроводной сети о напорах в контрольных и диктующих точках;

- с жилых массивов о потреблении воды населением;

- с крупных предприятий о расходах воды.

Кроме того, в репрограммируемую часть программы заложена информация, полученная в течение статистически достоверного промежутка времени, о напорах в контрольных и диктующих точках сети, о подаче воды в сеть, о подаче воды в регулирующие резервуары от источников водоснабжения, о потреблении воды различными потребителями, а также информация о состоянии насосов и запорно-регулирующей арматуры насосных станций первого и второго подъемов и напорах на выходе насосов станций второго подъема. В ходе реализации способа указанную информацию постоянно обновляют. При этом происходит изменение состояния носителя информации используемого персонального компьютера.

Программа содержит подпрограмму верификации, посредством которой осуществляют коррекцию гидравлических характеристик математической модели для обеспечения соответствия модели действующей системе водоснабжения. Функция подпрограммы верификации состоит в приведении в соответствие расчетных значений напоров в контрольных точках сети и фактических значений напоров в контрольных точках сети. Для реализации указанной функции подпрограммы верификации в нее поступают сигналы от множества датчиков, характеризующих величины напоров и водопотребления. На основе поступивших сигналов, а также заложенного алгоритма их обработки, подпрограмма вырабатывает корректирующие значения гидравлических коэффициентов, поступающих в персональный компьютер, содержащий программу управления водоснабжением. Для решения различных задач по управлению системой водоснабжения программа управления водоснабжением содержит в своем составе подпрограмму прогноза водопотребления и подпрограмму планирования работы насосов станций второго подъема. Функция подпрограммы прогноза водопотребления состоит в проведении на базе имеющейся предшествующей информации о потреблении воды различными категориями потребителей обработки данных, поступающих от датчиков, известными методами математической статистики временных рядов и расчета прогноза водопотребления на ближайшие сутки по каждой категории потребителей. Суммируя полученные прогнозы, подпрограмма составляет прогноз водопотребления по системе водоснабжения в целом. С учетом выбранного пользователем процента обеспеченности подпрограмма рассчитывает доверительные интервалы прогноза, позволяющие учесть возможные отклонения фактических расходов от прогноза водопотребления. Прогнозы перерассчитывают через каждые три часа, что позволяет ввести коррективы в случае существенных отклонений прогноза по какой-либо из категорий потребителей. Рассчитанные прогнозы водопотребления по системе водоснабжения в целом вместе с доверительными интервалами поступают в подпрограмму планирования работы насосов станций второго подъема. Подпрограмма планирования на основе заложенного в ней алгоритма составляет план работы насосов станций второго подъема. Планирование работы конкретных насосов осуществляют с учетом их мощности, кпд, а так же плана регламентных работ. В обязательном порядке планируют работу в течение всех 24 часов в сутки, по крайней мере, одного агрегата с регулируемым приводом. Планирование работы насосов станций второго подъема осуществляют с ориентированием на базовый прогноз с учетом, что расходы, предусмотренные доверительными интервалами, должны быть обеспечены за счет изменения производительности насосного агрегата с регулируемым приводом. Одновременно предусмотрена ситуация недостаточности регулирования привода в связи с увеличением или уменьшением расходов от базового уровня до доверительных интервалов. С учетом этого предусмотрена для любого промежутка времени возможность подключения резервного насоса или отключения одного из запланированных к отключению работающего насоса. Функция подпрограммы оптимизации нагрузки между насосными станциями состоит в оптимальном распределении нагрузки между насосными станциями с целью обеспечения наименьших затрат энергии на перекачку воды, что позволяет уменьшить расходы электроэнергии в процессе подачи воды потребителям. В качестве исходного сигнала, поступающего на подпрограмму оптимизации, используют информацию от подпрограммы планирования работы станций второго подъема. Основой для отработки оптимизационных решений является математическая модель системы водоснабжения. На данной модели с учетом принципа минимизации энергозатрат отрабатывают оптимальную комбинацию работающих станций второго подъема и подключаемых на них насосных агрегатов. Реализация принципа минимизации энергозатрат происходит за счет уменьшения транзитных потоков в сети и соответствующего снижения потерь напоров. С учетом произведенных расчетов подпрограммой оптимизации вводят коррективы в ранее рассчитанный план работы насосов станций второго подъема. Успешная работа подпрограммы оптимизации во многом зависит от калибровки математической модели системы водоснабжения и соответствия реальных данных системы расчетным. С этой целью предложенным способом предусмотрена подпрограмма верификации. Данные рассчитанных на математической модели подпрограммой оптимизации значений напоров воды в контрольных точках сети и откорректированный план работы станций второго подъема передают в подпрограмму верификации. Подпрограмма верификации сравнивает расчетные данные напоров в контрольных точках сети с фактическими напорами от датчиков напоров. В случае их различия подпрограмма верификации по предусмотренному алгоритму рассчитывает корректирующие значения гидравлических коэффициентов водопроводной сети для обеспечения соответствия математической модели реальной системе водоснабжения. Скорректированную математическую модель передают в программу автоматического управления водоснабжением и в подпрограмму оптимизации, где происходит новая итерация плана работы насосов станций второго подъема. После проверки скорректированной математической модели путем сравнения расчетных и фактических напоров в случае сходимости этих данных план работы станций второго подъема поступает в подпрограмму корректирующих воздействий на исполнительные механизмы. Подпрограмма корректирующих воздействий получает информацию с блока оптимизации о графиках работы станций второго подъема, а также информацию о напорах в контрольных точках водопроводной сети, о состоянии насосов станций второго подъема и о степени открытия запорно-регулирующей арматуры на выходе насосов станций второго подъема с центрального компьютера системы управления водоснабжением.

Предложенная система позволяет, кроме всего прочего, решить две кардинальных проблемы водоснабжения: управление напорами и управление запасами.

Управление запасами воды в резервуарах тесно связано с задачей по управлению насосами станции второго подъема. Подпрограмма планирования работы насосов станций второго подъема решает эту задачу на основе прогноза водопотребления. На основании указанных управляющих сигналов, поступающих от подпрограмм прогноза и оптимизации, а также с использованием заложенного в подпрограмму планирования алгоритма обработки указанных управляющих сигналов, указанная подпрограмма планирования работы вырабатывает управляющие сигналы для насосов станций второго подъема, которые проходят процедуру уточнения в подпрограммах оптимизации и верификации. Результаты плана работы насосов станций второго подъема являются основой для планирования работы насосов станции первого подъема соответствующей подпрограммой. В эту подпрограмму поступают в качестве управляющих сигналов данные о подаче воды насосов станцией первого подъема и данные о состоянии насосных агрегатов, а также данные об уровнях и запасах воды в резервуарах питьевой воды и данные о состоянии телеуправляемых задвижек перед входом в резервуары. На основании поступивших сигналов с учетом заложенного в подпрограмму алгоритма обработки поступившей информации подпрограмма планирования работы насосов станций второго подъема вырабатывает управляющий сигнал для пересчета плана работы насосов станций второго и первого подъемов, который поступает в качестве управляющего сигнала в подпрограмму оптимизации нагрузки. После обработки с использованием заложенного алгоритма в подпрограмме верификации выработанный на основе указанной обработки управляющий сигнал поступает в подпрограмму корректирующих воздействий, которая, в свою очередь, на основании заложенного в ней алгоритма обсчета поступившего сигнала, вырабатывает управляющие сигналы на включение/выключение насосных агрегатов или изменение степени открытия телеуправляемых задвижек.

Большую помощь в качественном решении этой задачи может оказать применение регулируемого привода насосов станций второго подъема. В первую очередь, важно выбрать базовую насосную станцию, оказывающую сильное влияние на водопроводную сеть, и найти для этой станции диктующую точку.

Понятие «базовая станция» означает крупную насосную станцию второго подъема, находящуюся в работе в течение 24 часов в сутки и оказывающую воздействие на распределение напоров в большей части водопроводной сети относительно воздействия других станций. Понятие «диктующая точка» означает ограниченный район городской или региональной сети, наиболее удаленный от источников подачи воды или расположенный на возвышенном районе местности и в первую очередь ощущающий недостаток напора в сети. Подключив регулируемый привод, установленный на самом мощном насосном агрегате этой насосной станции, к диктующей точке сети и используя сигнал, выработанный датчиком напора, установленным в диктующей точке, как управляющий сигнал для изменения числа оборотов регулируемого привода, получают систему автоматического регулирования напоров, работающую в режиме локальной автоматики. Однако ее возможности ограничены глубиной регулирования привода, и время от времени необходимо регулируемый привод этой системы переводить в рабочую зону путем включения/выключения насосного агрегата на любой из станций второго подъема и/или изменением положения задвижки в магистрали, отводящей воду от станций второго подъема.

Изобретение в г. Зеленограде реализовано следующим образом.

Датчики напора воды установлены на водопроводной сети микрорайонов города, причем большая часть из них размещена в районах 9-этажной застройки, обеспечиваемой водой непосредственно от водопроводной сети без подкачивающих насосов, по одному датчику напора установлено на выходах каждой из 11 насосных станций второго подъема, датчики водопотребления установлены в двух крупных жилых массивах города, а также на вводах четырех крупнейших потребителях воды (районных тепловых станциях). В качестве базовых насосных станций выбраны водопроводный регулирующий узел, оказывающий сильное влияние на старую часть города, и водопроводный регулирующий узел, оказывающий сильное влияние на новую часть города. Регулируемый привод первого водопроводного регулирующего узла подключен к датчику напора («диктующей точке»), установленного в районе 9-этажных домов старой части города, а регулируемый привод второго водопроводного регулирующего узла присоединен к датчику напора, установленного в одном из центральных тепловых пунктов новой части города. Предварительно в течение двух лет была накоплена статистика водопотребления населения и предприятий промышленности и городского хозяйства. На базе указанной статистики была создана математическая модель системы водоснабжения города программа автоматического управления водоснабжением города с подпрограммами прогноза водопотребления, планирования работы насосов второго подъема, оптимизации, верификации и коррекции воздействия на исполнительные механизмы, которая выполнена с возможностью учета информации, получаемой от указанных датчиков. Указанная программа записана на носитель информации персонального компьютера диспетчерского пункта и содержит все указанные подпрограммы. При отклонении на одном из указанных датчиков показаний от заданного уровня напора в диктующей точке сигнал от датчика напора в диктующей точки, обработанный вышеуказанным образом, поступает на управление регулируемым приводом базовой насосной станции и увеличивает или уменьшает подачу воды в магистраль. При необходимости подпрограмма коррекции воздействия вырабатывает управляющий сигнал, который включает или выключает насосы на остальных станциях второго подъема, а также регулирует степень открытия задвижек. Одновременно с вышеуказанными действиями программа автоматического управления с использованием подпрограммы планирования работы насосов первого подъема и подпрограммы коррекции воздействия решает задачу управления запасами воды в резервуарах.

Использование системы позволяет обеспечить устойчивое водоснабжение потребителей при уменьшении затрат энергии на подачу и распределении воды за счет оптимального распределения нагрузки между насосными станциями в течение всего времени работы. Одновременно происходит уменьшение потерь воды в масштабе г. Зеленограда на 19,2% при уменьшении затрат электроэнергии на 7,8%. При этом происходит облегчение условий труда персонала диспетчерской службы и машинистов насосных установок за счет реализации автоматического режима управления системой водоснабжения. Персонал диспетчерского пункта участвует в работе системы только в случае форс-мажорных обстоятельств.

Изобретение относится к области коммунального хозяйства, а именно к области управления системой водоснабжения, и может быть использовано при диспетчерском контроле и управлении системами водоснабжения города или региона, характеризуемых наличием как крупных и малых предприятий промышленности и городского хозяйства, так и жилого сектора. Технический результат - обеспечение устойчивого водоснабжения потребителей при минимизации затрат энергии на подачу и распределение воды. Результат достигается за счет оптимального распределения нагрузки между насосными станциями в течение всего времени работы и минимизации избыточных напоров в сети. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ автоматического управления системой водоснабжения города или региона, включающий размещение на объектах системы водоснабжения множества датчиков, передачу информации от них в персональный компьютер диспетчерского пункта, на носителе информации которого записана программа управления системой водоснабжения, для выработки управляющего сигнала для исполнительных механизмов системы водоснабжения, отличающийся тем, что указанное множество датчиков содержит, по меньшей мере, один датчик напора воды в контрольной точке, по меньшей мере, один датчик контроля потребления воды жилыми массивами, по меньшей мере, один датчик контроля потребления воды промышленными предприятиями, по меньшей мере, два датчика контроля напора воды на выходах насосных станций, по меньшей мере, один датчик контроля напора воды в диктующей точке, а указанная программа дополнительно содержит подпрограмму планирования работы насосов станций второго подъема, подпрограмму прогноза водопотребления и подпрограмму оптимизации распределения нагрузки между насосными станциями второго подъема, причем подпрограмма прогноза водопотребления предназначена для обработки на базе имеющейся предшествующей информации о потреблении воды различными категориями потребителей данных, поступающих от датчиков, известными методами математической статистики временных рядов и расчета прогноза водопотребления на ближайшие сутки по каждой категории потребителей, расчета прогноза водопотребления по системе водоснабжения в целом и передачи его в подпрограмму планирования работы насосов станций второго подъема, выполненную с возможностью составления плана работы конкретных насосов станций второго подъема, при этом подпрограмма оптимизации распределения нагрузки между насосными станциями второго подъема выполнена с возможностью приема информации от подпрограммы и введения корректив в упомянутый план работы конкретных насосов станций второго подъема, при этом упомянутый управляющий сигнал, вырабатываемый программой, представляет собой сигнал для включения/отключения насосов станций второго подъема и изменения степени открытия задвижек на выходе насосов станций второго подъема.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что передачу информации от упомянутых датчиков к интерфейсу компьютера осуществляют посредством кабельных сетей и/или радиосвязи.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что программа управления системой водоснабжения дополнительно содержит подпрограмму управления запасами воды, обеспечивающую выработку управляющего сигнала для средств управления подачи воды в регулирующие резервуары питьевой воды системы водоснабжения.4. Способ п.1, отличающийся тем, что программа управления системой водоснабжения дополнительно содержит подпрограмму планирования работы насосов станций первого подъема.