泵站智能控制系统在城市生命线工程中的应用

于 健

1 概况

天长城市生命线工程是安徽省内第一个县域级生命线项目,以风险评估结果为主要建设依据。其中排水专项工程建设主要覆盖主城区及138.73 km排水管网、配套设施、河道断面、智能分流井、排涝泵站等开展安全监测,部署水质自动监测站、雨污水管网液位计、河道液位计、雨量计、管网流量计、泵站智能控制系统等相关数据信息采集设备和控制系统软件[1-3]。建成后将提升天长城市排水系统安全运行管理水平和服务水平,提高城市主动式安全保障能力,增加城市安全工程能级,有效保障天长城市安全运行^[4]。

2 智能控制系统架构

泵站智能控制系统首次部署集成到城市生命线管理大平台中,配合平台现有的排水系统水雨情工况,实现天长排水系统联合调度目的^[5]。该智能控

制系统主要由现地设备层、分散控制层、集中控制层、中心调度层4个部分组成。

现地设备层为分布于排涝站机组机房内、外的机电设备、采集传输设施等,主要包括泵房内的水泵机组、前池的格栅和清污机组、进水闸房内的闸门启闭机组和开度传感系统、出水闸房内闸门启闭机组和开度传感系统、防洪水闸房内闸门启闭机组和开度传感系统、泵站上下游的水位传感系统等^[6]。

分散控制层为分布于排涝泵站高低压室、控制室内的控制系统设备及状态显示设备。其主要包括控制系统核心单元PLC主站及从站、现地状态显示单元触摸屏以及用于部分机组设备启动的动力单元等。分散控制层平时主要是用于各个排涝泵站机房设备的本地调度运行、调试、维护和检修等[7-8]。

集中控制层主要由泵站集中控制中心操作员工作站、服务器、交换机、打印机设备等组成。操作

智能城市 INTELLIGENT CITY

员工作站部署上位机软件可以实现对集控中心分控的几个排涝泵站实现集中管理和控制,同时后台数据库可以对排涝站机组运行过程中的状态、操作情况及故障状态数据进行管理并形成报表,供相关管理单位随时调用。

中心调度层位于城市生命线监控中心,主要由监控中心工作站以及部署于政务云的后台服务器等设备组成[9-10]。中心管理人员可以通过城市排水管网监测数据以及降雨量等信息结合应用系统的预警模型及管理策略,实现远程监控和调度排涝泵站运行。

3 智能控制系统的联合调度策略

城市排水系统将城市内各个地区的降雨,通过市政管网汇流到排涝泵站的蓄水池前进行集中排放处理,因此蓄水前池的积水量预测十分重要。

本文将基于SWMM模型,结合中国气象预报的降雨量数据以及部署于市内几个重点降雨量观测点采集的数据,提前预测汇聚到排涝泵站的积水量,通过泵站机组提前降低蓄水前池水位以及排水管网

内的液位,降低突发暴雨溢流的情况。通过积水量的预测,对排水泵站的泵群以及泵站机组进行联合调度,以达到对排水系统实现智能控制的目的[11-12]。

在进行仿真预测前,SWMM模型需要先对预测区域内进行子汇水区域划分,设置水文参数及水文特性。构建模型时,需要输入选定的子汇水区域面积用于后续的流量演算,子汇水区域的面积主要由地图测算获取。

特征宽度是子汇水区域的面积与地表漫流最长径流长度相除得到的结果,如有多条长路径则取其平均值。

平均坡度是汇水的高度与水平距离之间的比值,同一子汇水区域内渗透地表与不渗透地表具有相同的平均坡度。

不渗透性是指子汇水面积中不渗透的地表所占百分比。一般情况下,不渗透性是子汇水面积水文特性中最为敏感的参数。未开发区域的不渗透性可取5%,高密度商业区可取95%。

SWMM模型参数配置如表1所示。

表1 SWMM模型参数配置

SWMM模型进行仿真计算积水量时,需要根据降雨量计算各个子汇水区域产生的地面径流,先通过坡面进行汇流,再通过市政管道汇流,最后将水排放回流至蓄水池。根据Horton下渗模式可得到超渗地面径流的公式为:

(3)

(4)(5)

式中:F——汇水区面积(m²);V——汇水区蓄水量(m³);h——汇水区蓄水深度(m);Q₁——坡面出流量(m³/s);h_p——汇水区的中低洼地积水水深(m);W——汇水区的特征宽度(m);S——汇水区坡度;n——曼宁系数。

(1)(2)

式中:r_s——地面径流率; f_p——地面下渗能力;i——降雨强度。

地面汇流后通过坡面形成雨洪,汇入河道的流量通过动力波法计算得出,其结果通过联立的圣维南方程组求解。

的泵站智能控制系统在城市排水系统联合调度应用上初显成效,但仍然需要进一步优化和完善。本次仅对重点区域内的三座排涝泵站部署了智能控制系统,接入了联合调度中心,后续根据远期规划需要对城市内其他的排涝泵站进行接入,统筹覆盖整个城市管辖范围,实现对完整的城市排水体系进行联合管理。现有排涝泵站机组设施部分比较老旧,不具备远程自动控制的条件,需要现场管理员配合联合调度启动机组运行。因此,在后期的规划中,需要进一步对老旧设施进行升级改造,以达到新系统的使用需求。

(6)(7)

式中:S_f——因摩擦损失引起的能量坡降。可由曼宁公式确定:

(8)

(9)

式中:H——静压水头(m);t——时间(s); g——重力加速度(m/s²);ν——平均流速(m/s); x——管段长度(m);S₀——管段坡度;Q₂——瞬时流量(m³/s);A——截面面积(m²);n——汇水区域曼宁系数。

结合式(6)、式(7),可得到动态波解出流量。因此,在SWMM模型中输入降雨量数据,即可计算得出对应的积水量Q。可以根据实际需求来提前调度排涝泵站,调节蓄水池容水量,提前做好预防溢流准备。