CN105068567A - 基于水箱的供水网络调蓄方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于水箱的供水网络调蓄方法，包括以下步骤：水箱调研步骤，确定水箱参数，以及水箱进水方式，并对水箱参数进行编码；数据采集步骤，采集进水流量数据和水箱液位数据；数据处理步骤，计算用户实时需水量数据，以及确定用水高峰时段和用水低谷时段；调蓄规划步骤，通过系统化的调蓄规划算法计算水箱的规划进水时间和规划进水流量；调蓄实施步骤，控制水箱的泵和阀门进行水箱水量调蓄。本发明的基于水箱的供水网络调蓄方法通过对水箱容积、调蓄体积、水箱进水方式等因素的综合考虑，使得基于水箱的供水调蓄方法更加精准有效，同时本发明通过改进水箱供水调蓄的系统结构和规划算法，使得水量调蓄更加稳定可靠。

Description

基于水箱的供水网络调蓄方法

技术领域

本发明涉及市政给水技术领域，尤其涉及一种基于水箱的供水网络调蓄方法。

背景技术

市政供水系统需要时刻满足用户的水量需求，用户需水量逐时、逐日、逐月、逐年均呈现强烈的动态变化。我国生活用水需水量日变化系数(最高日用水量/平均日用水量)约为1.3～1.6，时变化系数(最高日最高时用水量/最高日平均时用水量)约为1.8～3.0，供水日变化曲线呈现明显的“M”型特征。若不加以调节，低峰用水时，管网维持较高水压，能耗虚高，增加渗漏和爆管风险；高峰用水时，又可能水压不足，不能实现稳定的水量供应。如果加以调节，往往需要增设泵机组，采用变频调压技术，一方面，技术实施难度增加；另一方面，泵机组运行频率可能偏低，依然可能提高能耗；再者，泵机组变频调压仅能维持管网的总体压力，局部管网区域压力依然会根据局部拓扑结构和用户水量发生倒“M”型波动。总之，本质上，用户需水量的动态波动是造成市政供水系统水压不稳定、能耗虚高、调度和控制难度增大的根本原因；用户需水量的动态性未得到改善，不论采用何种运营控制策略，都会提高难度并降低稳定性。

通过水箱进行水量调节是公认的解决用户需水量波动性的最主要方法之一。通过开发和实施“削峰填谷”调蓄策略，可以大幅削除用户需水量的高峰，并填补用户需水量的低谷，这将大幅提升供水稳定性，降低能耗和运行控制难度。然而，水箱的“削峰填谷”调蓄仍然停留在理论和概念阶段，缺乏具体的实施方法和技术。且当前的“削峰填谷”理论概念并未考虑水箱的体积、进水方式对调蓄的影响，同时为了追求有效的调蓄效果，需要逐日预知整个调蓄区域的用水量数据，并依靠极为稳定可靠的变流量控制硬件和算法。这些条件与我国当前的给水设计和运营情况不符。

因此，如何根据我国目前的给水设计和运行现状，在尽量减少软硬件投资和改造成本前提下，最大程度地发挥既有水箱的调蓄能力，开发易于实施、稳定可靠的“削峰填谷”调蓄方法和实施技术成为优化供水网络的有效需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于水箱的供水网络调蓄方法，通过对不同水箱容积、不同进水方式等因素的综合考虑，使得基于水箱水量的供水网络调蓄更加稳定可靠、快速高效。

本发明的一种基于水箱的供水网络调蓄方法，其特征在于，包括以下步骤：

水箱调研步骤，通过对水箱进行调研确定水箱参数，以及确定水箱进水方式，并对水箱参数进行编码；

数据采集步骤，根据设置于水箱及附属管路中的进水流量计和液位计分别采集进水流量数据和水箱液位数据；

数据处理步骤，根据进水流量数据和水箱液位数据计算用户实时需水量数据，并将用户实时需水量数据记录进用户用水数据表中，以及根据用户用水数据表中的用户历史需水量数据，确定每日用户需水量的用水高峰时段和用水低谷时段；

调蓄规划步骤，根据水箱参数、水箱进水方式、进水流量数据、用水高峰时段和用水低谷时段的用户需水量数据，通过系统化的调蓄规划算法计算水箱的规划进水时间和规划进水流量；

调蓄实施步骤，根据规划进水时间和规划进水流量数据控制水箱的泵和阀门进行水箱水量调蓄。

优选的，水箱调研步骤中水箱参数包括水箱容积、调蓄体积、平均进水流量；水箱进水方式包括连续进水方式和间歇进水方式。

进一步优选的，水箱调研步骤中对水箱参数的编码分为：进行间歇进水方式时，按进水流量由大到小进行一级编码；以及按照水箱调蓄体积由大到小进行二级编码。

进一步优选的，调蓄规划步骤中调蓄规划算法，当水箱为连续进水方式时，采用如下算法计算水箱规划进水流量：

确定水箱调蓄体积，根据调蓄体积和用户历史需水量日变化数据来计算水箱调蓄后的调蓄流量值，最终通过用户历史需水量日变化数据和调蓄流量值计算规划进水流量。

进一步优选的，调蓄规划步骤中调蓄规划算法，当水箱为间歇进水方式时，采用如下算法计算水箱规划进水时间：

根据用户需水量的用水高峰时段和用水低谷时段，以及所述一级编码和二级编码来确定规划进水时间；

水箱规划进水时长按照不同的水箱进水流量从低水箱液位至最大水箱液位的时间分别确定。

优选的，数据处理步骤中用户实时需水量按照以下公式计算：

$Q_n=Q_m\×t_0-A_R\×\frac{\mathrm{\Δ}h}{t_0}$

其中，Q_n为用户实时需水量，Q_m为水箱进水流量数据，t₀为采样时长，A_R为水箱底面积，Δh为采样时长内水箱液位数据变化值。

本发明的基于水箱的供水网络调蓄方法通过对水箱容积、调蓄体积、水箱进水方式等因素的综合考虑，使得基于水箱的供水调蓄方法更加精准有效，同时本发明通过改进水箱供水调蓄的系统结构和规划算法，使得水量调蓄更加稳定可靠。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的基于水箱的供水网络调蓄方法的一个实施例的系统组成图。

图2是本发明的基于水箱的供水网络调蓄方法的一个实施例的流程图。

图3是本发明的基于水箱的供水网络调蓄方法的一个实施例的水箱实施连续进水方式供水流量调蓄的曲线图。

图4是本发明的基于水箱的供水网络调蓄方法的一个实施例的水箱实施间歇进水方式供水流量调蓄的曲线图。

图5是本发明的基于水箱的供水网络调蓄方法的一个实施例区域供水量调蓄效果的对比曲线图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明一个实施例的基于水箱的供水网络调蓄方法中，其系统组成包括：

管网系统：管网系统为所需进行供水调蓄的区域的城市供水管网系统，且该供水管网系统可为任意区域、任意拓扑结构。

输水管件：连接管网系统与水箱的输水管路和管件。

系统仪表：系统仪表包括用于采集进水流量数据的进水流量计和用于采集水箱液位数据的水箱液位计。

调蓄水箱：位于所需进行供水调蓄区域内的若干水箱，包括高位水箱和低位水箱。

调蓄控制器：采用PLC或变频器，用于进行控制供水调蓄的运行。

执行器：执行器包括阀门和变频泵，通过调蓄控制器控制阀门和变频泵进行供水调蓄的运行。

需水用户：需水用户包括管网系统直接供水用户和经水箱水量调蓄后的供水用户。

远程监控系统：远程监控系统中包括数据采集系统，通过系统仪表进行数据采集，并根据采集的数据进行供水调蓄规划，并将调蓄规划结果返回调蓄控制器进行该区域的供水调蓄。

如图2所示，本发明的一个实施例的一种基于水箱的供水网络调蓄方法，包括以下步骤：

水箱调研步骤101，通过对水箱进行调研确定水箱参数，以及确定水箱进水方式，并对水箱参数进行编码。

具体的，对需要进行供水调蓄的区域的水箱进行调研，调研的内容包括该区域内水箱的数量、各水箱的水箱参数以及水箱进水方式，并且按照水箱进水方式、进水流量和调蓄体积对水箱参数进行编码。

进一步的，水箱调研步骤101中水箱参数包括水箱容积、调蓄体积、平均进水量；水箱进水方式包括连续进水方式和间歇进水方式。

进一步的，对间歇进水方式的水箱按进水流量由大到小进行一级编码，以及对水箱调蓄体积由大到小进行二级编码。

数据采集步骤102，根据设置于水箱及附属管路中的进水流量计和液位计分别采集进水流量数据和水箱液位数据。

具体的，通过安装在水箱进水入口前附属管道上的进水流量计采集水箱的进水流量数据，通过安装在水箱内部的液位计采集水箱中的水箱液位数据。

进一步的，采集到的进水流量数据和水箱液位数据通过调蓄控制器发送至远程监控系统，并在远程监控系统中进行存储。

数据处理步骤103，根据进水流量数据和水箱液位数据计算用户实时需水量数据，并将用户实时需水量数据记录进用户用水数据表中，以及根据用户用水数据表中的用户历史需水量数据，确定每日用户需水量的用水高峰时段和用水低谷时段。

具体的，根据数据采集步骤102采集到的进水流量数据和水箱液位数据来计算用户实时需水量数据，计算的公式为：

$Q_n=Q_m\×t_0-A_R\×\frac{\mathrm{\Δ}h}{t_0}$

其中，Q_n为用户实时需水量，Q_m为水箱进水流量数据，t₀为采样时长，A_R为水箱底面积，Δh为采样时长内水箱液位数据变化值。

将计算出的用户实时需水量记录在用户用水数据表中，并根据用户用水数据表中的用户历史需水量数据来确定每日中用户需水量的用水高峰时段和用水低谷时段。

调蓄规划步骤104，根据水箱参数、水箱进水方式、进水流量数据、用水高峰时段和用水低谷时段的用户需水量数据，通过系统化的调蓄规划算法计算水箱的规划进水时间和规划进水流量。

具体的，分别根据水箱调研步骤101、数据采集步骤102和数据处理步骤103中得到的水箱参数、水箱进水方式、进水流量数据、用水高峰时段和用水低谷时段的用户需水量数据，通过系统化的调蓄规划算法来计算水箱的规划进水时间和规划进水流量。

其中，调蓄规划算法中，如水箱进水方式为连续进水方式，则需要计算规划进水流量，具体的计算方法如下：

(1)确定水箱调蓄体积V_R；

(2)根据调蓄体积V_R和通过该水箱用户历史需水量确定的用户日变化历史需水量Q_d,h，计算经水箱调蓄后调蓄流量值Q_Aj；

(3)根据Q_Aj和Q_d,h来计算水箱的规划进水流量。

且，对于连续进水方式，计算规划进水流量需考虑水箱的进水流量设定值Q_in,set，其具体算法如下：

(1)确定水箱的底面积A_R和调蓄高度h_R，对于通过用户日变化历史需水量Q_dh来计算的经水箱调蓄后的调蓄流量值Q_Aj应满足如下条件：

$A_R\frac{dh}{dt}=Q_{Aj}-2Q_{d,h},$

st.

h_max＝max(h(t))≤h_R.

其中，h为水箱液位高度，h_max为水箱液位高度允许最大值，t为调蓄时间；

(2)通过采集到的用户日变化历史需水量Q_d,h，通过全局最优化算法来计算每日理想的调蓄流量值Q_Aj，以及水箱可接受的逐时进水量Q_m,h，并使其满足如下关系：

Q_m,h＝Q_Aj-Q_d,h

(3)如计算出的逐时进水量Q_m,h出现负值，则可将负值期间的累积流量平均分配到用水低谷时段，如将累积流量平均分配到0～6点，并得到最终的进水流量设定值Q_in,set。

另，如水箱进水方式为间歇进水方式，则需要计算规划进水时间，具体的计算方法如下：

(1)取用水箱调研步骤101中对水箱参数的一级编码和二级编码；

(2)取用数据处理步骤103中确定的每日用户需水量的用水高峰时段和用水低谷时段结合一级编码和二级编码，通过以下方法来布置规划进水时间：

“峰前大流量先进，峰后小流量先进；谷前小流量先进，谷后大流量先进；谷进流量大于峰进流量；所有峰进维持到峰来时；谷进批次进行”；

(3)而水箱规划进水时长则通过该水箱按其进水流量大小的一级编码的大小，依次对水箱由低液位补至满液位所需时间确定。

最终，将计算出的水箱连续进水方式的规划进水流量和间歇进水方式的规划进水时间和规划进水时长在远程监控系统中进行在线模拟校核，确定该区域中各水箱是否出现长时间水箱液位保护运行，如未出现长时间液位保护运行，则可确定方案可行，并将计算出的调蓄方案发送至调蓄控制器等待调蓄运行。

调蓄实施步骤105，根据规划进水时间和规划进水流量数据控制水箱的泵和阀门进行水箱水量调蓄。

具体的，根据调蓄规划步骤104确定的规划进水流量和规划进水时间，由调蓄控制器控制执行器：安装于输水管件中的泵和阀门来对水箱水量进行调蓄。

本发明的一个实施例将本发明的基于水箱的供水网络调蓄方法运用于某区域，对该区域中的水箱进行调蓄，具体情况如下：

在该区域中需进行调蓄的水箱共有11个，其中，各水箱的水箱容积、平均进水流量和保险进水时长如表1中所示：

表1

本实施例中，调蓄控制器采用PLC进行控制；

执行器由阀门与泵组成，且阀门安装于水箱进水入口处，泵与阀门连接，用于控制阀门进行控制水箱进水；

系统仪表中进水流量计安装于阀门与水箱进水入口之间，水箱液位计安装于水箱内部，且进水流量计与水箱液位计分别与调蓄控制器的PLC连接，用于传输系统仪表采集的数据；

远程监控系统中包括系统化调蓄规划算法、全局最优化算法、在线模拟校核以及存储器。

通过以下公式计算用户实时需水量：

$Q_n=Q_m\×t_0-A_R\×\frac{\mathrm{\Δ}h}{t_0}$

其中，Q_n为用户实时需水量，Q_m为水箱进水流量数据，t₀为采样时长，A_R为水箱底面积，Δh为采样时长内水箱液位数据变化值。且采样时长t₀推荐取0.5～1.0min，本实施例中选取1.0min。

根据用户历史需水量确定的确定的每日用户需水量的用水高峰时段和用水低谷时段为：用水高峰时段为5:30～9:00和19:00～23:00，用水低谷时间点为3：00和14:00。

本实施例中编号为11的水箱安装有进水流量调节阀门，因此，既可对该水箱实施闭环连续进水流量控制，也可对其实施开环间歇进水流量控制。当采用连续进水流量进水方式时，调蓄控制器接收远程监控系统通过调蓄规划算法与全局最优化算法计算出的规划进水流量设定值，通过规划进水流量设定值与系统仪表实时采集到的进水流量数据的差值进行PI控制，得出阀门的开度调节量，并实时控制阀门根据开度调节量进行开度控制，最终水箱11通过调蓄控制运行一个周期后的调蓄运行曲线图如图3所示。

在本实施例中，除编号为11的水箱可采用连续进水方式控制外，剩余水箱全部采用间歇进水方式运行。例如，本实施例中编号为6的水箱在进行间歇进水方式时，通过远程监控系统中调蓄规划算法计算规划进水时间和规划进水时长，并通过计算出的规划进水时间和规划进水时长由调蓄控制器控制阀门进行水箱调蓄，最终水箱6通过调蓄控制运行一个周期后的调蓄运行曲线图如图4所示。

其中，根据得到的用户用水高峰时段和用水低谷时段来计算“晚高峰后到次日凌晨低谷前”、“凌晨低谷到早高峰前”、“早高峰后到白天低谷前”、“白天低谷到晚高峰前”四个时段来计算区域中各水箱的规划进水时间，在进行初步确定时，需考虑各水箱进水有交叉时间，并能进到一半容积以上，“晚高峰后到次日凌晨低谷前”和“早高峰后到白天低谷前”进水时间不低于表1中保险进水时长的一半时间长度，为了控制实施方便，一般进行舍入取整数时长；“凌晨低谷到早高峰前”和“早高峰后到白天低谷前”则宜设定为表1中保险进水时长，为了控制实施方便，一般进行舍零取整数时长。

进一步的，按照“峰前大流量先进，峰后小流量先进；谷前小流量先进，谷后大流量先进；谷进流量大于峰进流量；所有峰进维持到峰来时；谷进批次进行”的原则，设置液位保护控制机制对所有水箱进行规划进水流量控制，本实施例中通过规划进水流量来进行水箱调蓄控制的结果如表2所示。

如表2中所示，本实施例中编号为6的水箱主要入流时间为0.80～1.80、3.325～4.875、11.50～12.50、15.50～17.00(均由时:分:秒格式换算至小时格式)，而其它时刻则处于液位保护运行状态，即液位在低位运行和高位运行时，液位均不得低于及高于某一设定值。可以看到，在调蓄规划的运行模式下，本实施例中编号为6的水箱在高峰用水期间并未进水，而主要在低峰用水的设定时间段内进水，这很好的实现了水箱调蓄的“削峰”和“填谷”。

另，本实施例中所计算出的规划进水流量和规划进水时间、规划进水时长在传送至调蓄控制器进行水箱调蓄前，需在远程监控系统中进行在线模拟校核，以确定所计算出的规划进水流量和规划进水时间、规划进水时长是否满足水箱调蓄的要求。

如图5所示，为本发明的基于水箱的供水网络调蓄方法的一个实施例的区域供水量调蓄前后，调蓄效果的对比曲线图。

在本实施例中需水用户最高日需水总量为7264m³，而水箱的可调蓄容积约为235m³，约占日用水量的3.3％，与“间歇无序进水流量”相比，“间歇进水流量区域水箱联合调蓄”运行的“削峰”能力最高约达到高峰用水量的20％；“填谷”能力最高约达到低峰用水量的50％。亦即，仅将区域内水箱按本发明基于水箱的供水网络调蓄方法，就能以占日用水总量不到5％的水箱调蓄体积，如本实施例中实际仅3.3％，实现针对日用水总量最高20％的“削峰”能力和最高50％的“填谷”能力。而其硬件成本几乎为0，即无需进行特定的装置、设备等的采购和安装即可实现，但运行本发明需要建立一套物联网与互联网相结合的远程监管系统，以实现区域内水箱的联合调蓄。

本发明的基于水箱的供水网络调蓄方法通过对水箱容积、调蓄体积、水箱进水方式等因素的综合考虑，使得基于水箱的供水调蓄方法更加精准有效，同时本发明通过改进水箱供水调蓄的系统结构和规划算法，使得水量调蓄更加稳定可靠。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种基于水箱的供水网络调蓄方法，其特征在于，包括以下步骤：

水箱调研步骤，通过对水箱进行调研确定水箱参数，以及确定水箱进水方式，并对水箱参数进行编码；

数据采集步骤，根据设置于水箱及附属管路中的进水流量计和液位计分别采集进水流量数据和水箱液位数据；

数据处理步骤，根据进水流量数据和水箱液位数据计算用户实时需水量数据，并将用户实时需水量数据记录进用户用水数据表中，以及根据所述用户用水数据表中的用户历史需水量数据，确定每日用户需水量的用水高峰时段和用水低谷时段；

调蓄规划步骤，根据水箱参数、水箱进水方式、进水流量数据、用水高峰时段和用水低谷时段的用户需水量数据，通过系统化的调蓄规划算法计算水箱的规划进水时间和规划进水流量；

调蓄实施步骤，根据规划进水时间和规划进水流量数据控制水箱的泵和阀门进行水箱水量调蓄。

2.根据权利要求1所述的基于水箱的供水网络调蓄方法，其特征在于，所述水箱调研步骤中水箱参数包括水箱容积、调蓄体积、平均进水流量；

所述水箱进水方式包括连续进水方式和间歇进水方式。

3.根据权利要求2所述的基于水箱的供水网络调蓄方法，其特征在于，所述水箱调研步骤中对水箱参数的编码分为：

进行间歇进水方式时，按进水流量由大到小进行一级编码；以及

按照水箱调蓄体积由大到小进行二级编码。

4.根据权利要求3所述的基于水箱的供水网络调蓄方法，其特征在于，所述调蓄规划步骤中调蓄规划算法，当水箱为连续进水方式时，采用如下算法计算水箱规划进水流量：

确定水箱调蓄体积，根据调蓄体积和用户历史需水量日变化数据来计算水箱调蓄后的调蓄流量值，最终通过用户历史需水量日变化数据和调蓄流量值计算规划进水流量。

5.根据权利要求3所述的基于水箱的供水网络调蓄方法，其特征在于，所述调蓄规划步骤中调蓄规划算法，当水箱为间歇进水方式时，采用如下算法计算水箱规划进水时间：

根据用户需水量的用水高峰时段和用水低谷时段，以及所述一级编码和二级编码来确定规划进水时间；

水箱规划进水时长按照不同的水箱进水流量从低水箱液位至最大水箱液位的时间分别确定。

6.根据权利要求1所述的基于水箱的供水网络调蓄方法，其特征在于，所述数据处理步骤中用户实时需水量按照以下公式计算：

$Q_n=Q_m\×t_0-A_R\×\frac{\mathrm{\Δ}h}{t_0}$

其中，Q_n为用户实时需水量，Q_m为水箱进水流量数据，t₀为采样时长，A_R为水箱底面积，Δh为采样时长内水箱液位数据变化值。