CN110965610B - 一种基于mpc控制的双路调峰设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于MPC控制的双路调峰设备，包括进水管道和出水管道，所述进水管道和出水管道之间并联的调峰管路和叠压管路，所述进水管道上设有设备总进水流量计，所述出水管道上设有设备总出压力变送器和设备总出水流量计，还包括调峰控制系统，所述调峰控制系统通过收到的用户管网末梢的压力值找到用户管网末梢的最不利点，并利用用户管网末梢的最不利点的压力值对下一个周期的用水需求曲线进行校正，使得最不利末梢点压力与所需服务压力趋于一致，根据校正后的曲线对调峰管路和叠压管路上的执行器进行控制。本发明对市政供水起到削峰填谷，并使系统能耗降至最低。
Description
技术领域
本发明涉及二次加压供水技术领域，特别是涉及一种基于MPC控制的双路调峰设备。
背景技术
随着城市化的发展，城镇人口越来越多，城镇基础设施建设也在加快发展，特别是二次供水设备对供水行业的影响尤其突出。目前市场上的二供设备多为变频恒压供水，其供水方式为保持设备出口压力恒定的PID控制模式，这种控制模式可以保证全天出口压力的恒定，但这种模式由于用水量的变化，必将引起用户末梢压力的变化，无法保证用户末梢的最小服务压力恒定不变。图1为常规设备的典型居民用水全天压力变化曲线，101为常规设备出口压力P2曲线，压力基本恒定不变，102为常规设备最不利点末梢压力P3曲线，103为末梢用户所需服务压力P0曲线，可以看出，在用水低谷时末梢用户处存在较大的压力富余，这必将增加系统的运行能耗，同时也增加了管网背景漏失与爆管的风险。这种用水模式，设备无法对每个周期段实际用水量实现预测，沿途压力根据需水量的不同，中途用户端压力波动较大，用户体验较差。
常规二供箱式设备仅设置一套泵组，叠压供水与箱式供水切换都使用这套泵组，无法使叠压供水与箱式供水工况均达到泵组高效点运行，使得设备选型困难。使用时须满足箱式供水的参数，当叠压供水时机组必将偏离高效区，而大多数地方长时间均处于叠压供水模式下，使得整体机组效率减低，运行成本增加。
由于地区相同，用水规律也较相近，自来水全网用水高峰期随着每个加压泵站用水量的增加，水厂制水负荷增加，水厂的水质无法得到保证。同时，对于带蓄水设备的加压泵站，蓄水与泵站加压同时进行，蓄水设备液位变化很小，无法实现蓄水设备里的水体更新，蓄水设备里的水质无法得以保证，必将增加蓄水设备的清洗周期，加大维护成本投入。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于MPC控制的双路调峰设备，能够使系统能耗降至最低。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于MPC控制的双路调峰设备，包括进水管道和出水管道，所述进水管道和出水管道之间并联的调峰管路和叠压管路，所述进水管道上设有设备总进水流量计，所述出水管道上设有设备总出压力变送器和设备总出水流量计，还包括调峰控制系统，所述设备总进水流量计、总出压力变送器、设备总出水流量计、调峰管路和叠压管路上的传感器和执行器分别与调峰控制系统相连，所述调峰控制系统通过收到的用户管网末梢的压力值找到用户管网末梢的最不利点，并利用用户管网末梢的最不利点的压力值对下一个周期的用水需求曲线进行校正，使得最不利末梢点压力与所需服务压力趋于一致，根据校正后的曲线对调峰管路和叠压管路上的执行器进行控制。
所述调峰管路上的传感器和执行器包括依次设置的调峰测控仪、调峰水箱内的液位传感器、调峰泵组、调峰流量计和调峰出口压力变送器；所述叠压管路上的传感器和执行器包括依次设置的设备进水压力变送器、叠压泵组和叠压出口压力变送器。
所述调峰控制系统根据校正后的曲线对调峰管路和叠压管路上的执行器进行控制的方式如下：当用水总需求量Q总小于或等于设备总进水流量Q入，且设备前进口压力大于预设值时，仅运行所述叠压泵组进行供水，两者之间的差值用于所述调峰水箱的蓄水；当用水总需求量Q总大于设备总进水流量Q入时，所述叠压泵组继续按预定的设备总进水流量Q入供水，此时启动所述调峰泵组来满足用水总需求量Q总，调峰管路的流量等于用水总需求量Q总与设备总进水流量Q入的差值。
所述调峰控制系统还通过调峰测控仪调节调峰水箱的蓄水量与蓄水时间，具体为：所述的调峰水箱容积满足两个高峰期的峰值用水量，当用水总需求量Q总大于设备总进水流量Q入时，调峰控制系统关闭所述调峰测控仪；当用水总需求量Q总小于设备总进水流量Q入时，根据调峰水箱的液位与时间段判断是否打开所述调峰测控仪向调峰水箱进行补水，使得每个周期的高峰期过后，调峰水箱内的液位达到最低值。
所述的叠压泵组与调峰泵组的机组扬程相差等于用户所需最小服务压力；所述的叠压泵组的运行流量满足日最高时的小时供水量的2/3，所述的调峰泵组的运行流量满足日最高时的小时供水量的1/3。
所述调峰控制系统还通过遗传算法对所述设备总进水流量Q入进行自动寻优。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明利用末端布置的若干无线数字压力表与调峰调度平台数据分析，寻求并控制最不利点末梢用户的压力。保证最不利点末梢用户的压力，按照各管网运行参数与需求，建立供水管网曲线，配合快速遗传算法与神经网络算法，生成周期用水预测曲线，设备按照MPC的控制模式运行，日用水预测曲线每日进行修正，对市政供水起到削峰填谷，设备达到谋定而后动，同时又可使调峰水箱中的水质保持常新的功能，使系统能耗降至最低。
附图说明
图1是现有技术中常规设备的典型居民用水全天压力变化曲线图；
图2是本发明的原理示意图；
图3是本发明实施方式中设备压力变化曲线与末梢最不利点压力变化曲线图；
图4是本发明实施方式中设备总进水流量与用户所需流量的变化曲线图；
图5是本发明实施方式中调峰泵组周期内的流量变化曲线图；
图6是本发明实施方式中调峰设备的调峰过程图；
图7是本发明实施方式中调峰水箱周期内的液位变化曲线图；
图8是本发明实施方式中设备总进水流量Q入的寻优流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种基于MPC控制的双路调峰设备，如图2所示，包括进水管道和出水管道，所述进水管道和出水管道之间并联的调峰管路和叠压管路，所述进水管道上设有设备总进水流量计1，所述出水管道上设有设备总出压力变送器11和设备总出水流量计12，所述调峰管路上包括依次设置的调峰测控仪2、调峰水箱3内的液位传感器4、调峰泵组5、调峰流量计6和调峰出口压力变送器7；所述叠压管路上包括依次设置的设备进水压力变送器15、叠压泵组14和叠压出口压力变送器13。调峰管路和叠压管路上的传感器和执行器分别与调峰控制系统相连，所述调峰控制系统通过收到的用户管网末梢的压力值找到用户管网末梢的最不利点，并利用用户管网末梢的最不利点的压力值对下一个周期的用水需求曲线进行校正，根据校正后的曲线对调峰管路和叠压管路上的执行器进行控制。
所述基于MPC控制的双路调峰设备的进水管道的进水口51接自来水管网，进水口51上安装设备总进水流量计1，分成两路，一路经过调峰测控仪2进入调峰水箱3，另一路经过叠压泵组14加压直接给用户供水。叠压泵组14前安装有设备进水压力变送器15与电接点压力表16，用于保护并测量自来水来流的压力。
本实施方式中的调峰控制系统包括调峰控制柜8、调峰调度平台53和调峰服务器52。其中，调峰控制柜8内部设有变频器组9与调峰控制器10，所述的变频器组9根据调峰控制器10得到的预测的流量、压力值，来调节叠压泵组5和调峰泵组14上电机的转速；所述叠压泵组5和调峰泵组14通过电源输出与主信号线连接至所述调峰控制柜8。所述调峰控制柜8里的变频器组10为叠压泵组5和调峰泵组14中的每台水泵对应配置一台变频器，保证叠压泵组5与调峰泵组14单独运行水泵时能够处于高效区，同时也可保证两组泵组中运行台数的选择、控制，使两组泵组均运行在高效范围内。
所述调峰控制器10包括通信模块、存储模块、分析模块和显示模块。所述的调峰控制器10通过主信号线与线缆连接至所述调峰控制柜8，用于听取调峰调度平台53的指令、分析指令、按照预测逻辑顺序改变所述的变频器组9的启动、制动和变频动作。所述的调峰控制器10可布置在调峰控制柜8里，可通过无线网络连接调峰服务器52，也可通过有线局域网的方式连接。调峰服务器52实现调峰控制器10与调峰调度平台53的数据对接，对每天优化后的指令下发至调峰控制器10，由调峰控制器10来下发给调峰控制柜8动作指令。
所述的设备总进水流量计1、调峰流量计6、设备总出水流量计12、设备进口压力变送器15、调峰出口压力变送器7、叠压出口压力变送器13、设备总出口压力变送器11通过主信号线连接至调峰控制器10。
所述调峰控制器有三种控制模式，分别为自动、手动、常规恒压模式，对于无法界定用水规律的场合，前期可利用常规恒压模式进行供水，调峰调度平台53记录其运行数据，运行一定周期后，调峰调度平台53利用大数据(神经网络)对其数据进行处理，根据每日的用水规律，考虑的因素有季节变化、温度变化、周别变化，来修正用水曲线，保证每日设备均处于按需供水的用水模式，真正实现用多少，供多少的目的，最后将调峰控制器10调节至自动状态，系统即可按MPC控制模式运行。所述的调峰控制器10具有自动学习、自动优化的功能，同时预设有容错机制，当突发事件出现时，自动转化为常规恒压供水模式，保证安全可靠供水。
本实施方式的调峰系统可以采用两套泵组并行双路供水，两套泵组分别为叠压泵组与调峰泵组，其可分别满足不同用量时的增压、增流需求。所述的叠压泵组利用自来水管网压力，从自来水管网叠压供水，保证用水低谷时与高峰时的基本需求量，所述的调峰泵组由调峰水箱抽水，主要保证高峰时的峰值需求量。所述叠压泵组与调峰泵组的机组扬程相差20m(或等于用户所需最小服务压力)；所述的叠压泵组的运行流量可满足日最高时的小时供水量的2/3，所述的调峰泵组的运行流量可满足日最高时的小时供水量的1/3，所述的叠压泵组与调峰泵组均设有备用泵，保证供水安全可靠。
本实施方式的调峰系统采集用户管网末梢布置的若干无线数字压力计55，寻找管网末梢最不利点压力值，用于曲线校正与分析，无线数字压力计通过无线传输至调峰调度平台53，调峰调度平台53自动甄别数据，调峰调度平台53的数据通过调峰服务器52实现与调峰控制器10信息的交互。图3为本发明应用后的设备压力变化曲线与最不利点压力变化曲线图，其中201为本实施方式中设备的出口压力曲线，202为本实施方式中最不利末梢处压力变化曲线，由最不利末梢点压力与所需服务压力趋于一致，从而减少系统能耗与管网背景漏失。
所述调峰控制系统根据校正后的曲线对调峰管路和叠压管路上的执行器进行控制的方式如下：根据用水曲线，当用水总需求量Q总小于或等于设备总进水流量Q入，且设备前进口压力大于预设值时，仅运行所述叠压泵组进行供水，由叠压泵组来满足系统所需的流量与压力需求，两者之间的差值用于所述调峰水箱的蓄水；当用水总需求量Q总大于设备总进水流量Q入时，所述叠压泵组继续按预定的设备总进水流量Q入供水，此时启动所述调峰泵组来满足用水总需求量Q总，调峰管路的流量Q调等于用水总需求量Q总与设备总进水流量Q入的差值，如此保证系统所需的流量与压力，用水高峰时期两套泵组并行运行，形成双路供水，如此按规律周期循环供水。
所述叠压泵组充分优化了设备总进水流量Q入，即可保证低谷时的用水量，又可保证调峰水箱在特定的时间内蓄水完成，还可保证不对自来水管网入网压力恒定，更可使叠压所产生的能耗将至最低。
图4中的301曲线为本实施方式中一个周期内的用户需求预测流量的运行曲线，302为设备一个周期内的总进水流量的预测流量运行曲线，图5中的303曲线为本实施方式中调峰泵组14一个周期内的预测流量运行曲线。
图6为本实施方式的基于MPC控制的双路调峰设备的调峰过程图，用户将管网、设备信息与历史用水信息录入至调峰调度平台，调峰调度平台根据预设的逻辑运算预测日用水需求曲线，并下发调峰服务器，调峰服务器转化日用水需求曲线为机器语言，将命令下发给调峰控制器，调峰控制器将动作逻辑让调峰控制柜来完成，调峰控制柜控制调峰测控仪、叠压泵组、调峰泵组动作。调峰测控仪的开度、叠压泵组的台数与频率、调峰泵组的台数与频率反馈至调峰控制器，同时压力、流量、液位等计量设备计量的信息、阀门的开度信息反馈数据给调峰控制器，调峰控制器记录一个周期的运行数据，在一个周期运行结束后上发给调峰服务器，调峰服务器将数据做为历史用水数据反馈给调峰调度平台做为下一个调峰周期的历史数据，同时修正下一个日用水需求曲线，使用水量按预设的规律运行，为全局规律调度做好基础。
所述调峰水箱3上安装有液位变送器4，通过主信号线与调峰控制器10相连接，用来测量液位的变化数值。图7中的304为本实施方式中调峰水箱周期内的液位变化曲线，用户现场的调峰水箱根据液位变化曲线，来调节调峰测控仪2的开度。
所述的调峰系统通过调峰测控仪2调节调峰水箱3的蓄水量与蓄水时间，所述调峰水箱3容积满足两个高峰期的峰值用水量，当总需求量Q总高于设备总进水流量Q入时，关闭所述调峰测控仪，调峰水箱3不进水，保证自来水管网整体流量与压力均衡、平稳；当总需求量Q总低于设备总进水流量Q入时，根据调峰水箱液位与时间段判断，打开所述调峰测控仪，向调峰水箱里进行补水。根据用水预测曲线，调节所述调峰测控仪的开度，保持自来水管网来流稳定，实现高峰不抢水，低谷来蓄水。通过不断修正用水曲线，使得每个周期高峰过后，调峰水箱3的液位达到最低值0.2m左右，即保证调峰水箱内的水被完全利用，又保证每天水质常新，保证供水水质安全。保证自来水管网的供给水量平稳，实现了对管网流量“削峰填谷”。如果系统管网中每套设备均采用这种模式，可实现全网供水平衡。所述的调峰设备可参与到地区全局调峰控制。
所述设备总进水流量计用于计量设备总进水流量Q入，本实施方式中设备总进水流量既可以保持恒定，也可根据实际运行数据与调峰水箱的容积按预测的规律变化供水。所述的调峰流量计用于测量调峰水箱的使用流量，即调峰管路的流量Q调，所述设备总出水流量计用于测量用水总需求量Q总，叠压泵组增压的流量可通过二个流量计做简单的计算求得，也可直接通过安装流量计的方式测出。三个流量均反馈至调峰控制器10，并将数据传输至调峰调度平台53，利用云计算的遗传算法与神经网络，来修正日用水曲线，同时所述的三种流量计计量所用的流量用于系统的能耗分析、能耗优化。
所述调峰控制系统还通过遗传算法对所述设备总进水流量Q入进行自动寻优，具体过程如图8所示。首先进行步骤501参数输入，参数包括自来水管网直径、自来水管网供给压力、调峰水箱容积、用户所需总的流量，叠压泵组的参数(流量、扬程、最佳工况点)、调峰泵组的参数(流量、扬程、最佳工况点)，设备出口压力，末梢最不利点压力；再步骤502创建初始种群，对以上数据进行预处理，建立可识别的数据染色体，进行步骤503初步计算其适应性，进行步骤504进行判定，如果可以达到判定条件，直接进行步骤508输出最优Q入，其中判定条件为预设的末梢用户服务压力的方差与水箱的日变化量。其中未梢用户服务压力的方差描述的是未梢用户服务压力的离散程度，也就是未梢用户服务压力值离其期望值的距离。如果判定达不到最优Q入条件，进行步骤505选择、交叉、变异、计算，根据各个参数的适应度，按照各个参数之间的关系，从这一代中选择优良的参数遗传到下一代中进行选择计算，将各个参数随机搭配成对，对每一对参数，以交叉概率交换，同时将以上各个参数利用变异概率改变某一参数或某几个参数的基因求得Q入的最优值；进行步骤506计算其适应性，最后进行步骤504进行判定，如果达到判定条件，进行步骤508输出最优Q入，如果判定达不到最优Q入条件，再循环以上步骤，进行反复计算，直到得到满意的解为止。本实施方式的寻优解法运用开源的Geatpy2程序，过程更快、更简、更优。
Claims (6)
1.一种基于MPC控制的双路调峰设备，包括进水管道和出水管道，所述进水管道和出水管道之间并联的调峰管路和叠压管路，所述进水管道上设有设备总进水流量计，所述出水管道上设有设备总出压力变送器和设备总出水流量计，其特征在于，还包括调峰控制系统，所述设备总进水流量计、总出压力变送器、设备总出水流量计、调峰管路和叠压管路上的传感器和执行器分别与调峰控制系统相连，所述调峰控制系统通过收到的用户管网末梢的压力值找到用户管网末梢的最不利点，并利用用户管网末梢的最不利点的压力值对下一个周期的用水需求曲线进行校正，使得最不利末梢点压力与所需服务压力趋于一致，根据校正后的曲线对调峰管路和叠压管路上的执行器进行控制。
2.根据权利要求1所述的基于MPC控制的双路调峰设备，其特征在于，所述调峰管路上的传感器和执行器包括依次设置的调峰测控仪、调峰水箱内的液位传感器、调峰泵组、调峰流量计和调峰出口压力变送器；所述叠压管路上的传感器和执行器包括依次设置的设备进水压力变送器、叠压泵组和叠压出口压力变送器。
3.根据权利要求2所述的基于MPC控制的双路调峰设备，其特征在于，所述调峰控制系统根据校正后的曲线对调峰管路和叠压管路上的执行器进行控制的方式如下：当用水总需求量Q总小于或等于设备总进水流量Q入，且设备前进口压力大于预设值时，仅运行所述叠压泵组进行供水，两者之间的差值用于所述调峰水箱的蓄水；当用水总需求量Q总大于设备总进水流量Q入时，所述叠压泵组继续按预定的设备总进水流量Q入供水，此时启动所述调峰泵组来满足用水总需求量Q总，调峰管路的流量等于用水总需求量Q总与设备总进水流量Q入的差值。
4.根据权利要求2所述的基于MPC控制的双路调峰设备，其特征在于，所述调峰控制系统还通过调峰测控仪调节调峰水箱的蓄水量与蓄水时间，具体为：所述的调峰水箱容积满足两个高峰期的峰值用水量，当用水总需求量Q总大于设备总进水流量Q入时，调峰控制系统关闭所述调峰测控仪；当用水总需求量Q总小于设备总进水流量Q入时，根据调峰水箱的液位与时间段判断是否打开所述调峰测控仪向调峰水箱进行补水，使得每个周期的高峰期过后，调峰水箱内的液位达到最低值。
5.根据权利要求2所述的基于MPC控制的双路调峰设备，其特征在于，所述的叠压泵组与调峰泵组的机组扬程相差等于用户所需最小服务压力；所述的叠压泵组的运行流量满足日最高时的小时供水量的2/3，所述的调峰泵组的运行流量满足日最高时的小时供水量的1/3。
6.根据权利要求3所述的基于MPC控制的双路调峰设备，其特征在于，所述调峰控制系统还通过遗传算法对所述设备总进水流量Q入进行自动寻优。
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