基于SCADA的自来水管网调度监控系统的设计与实现

河北工业大学硕士学位论文基于SCADA的自来水管网调度监控系统的设计与实现姓名：耿光楠申请学位级别：硕士专业：模式识别与智能系统指导教师：耿恒山20070101河北工业大学硕士学位论文i基于SCADA的自来水管网调度监控系统的设计与实现摘要随着我国城市建设速度的加快，管网越来越庞大、分散，作为城市极为重要的基础设施，加强对供水管网调度的优化以及信息化建设都具有相当重要意义。自来水管网的优化调度，包括了计算机技术（Computer）、通讯技术（Communication）、控制技术（Control）和传感技术（Sensor），简称3C+S技术。配备智能化、优化的调度软件，对系统运行中数据和信息进行综合分析，制定实时、高效的调度决策方案。在管网运行状态集中，在全面、实时监控的基础上，充分运用现代信息技术手段，通过数据采集与监视控制系统（SupervisoryControlAndDataAcquisition，SCADA）对数据和实时状态的采集、处理以及突发事件的预测，对供水进行优化调度，实现管网的智能化控制。论文在SCADA系统的基础上，对实时采集到的数据、监控状态的收集进行计算处理，并且从数据库的历史中获得的经验，做出优化调度。整个调度监控系统采用二级网络、有线通讯与无线通讯的方式，在由远程检测系统、通讯系统、监控调度中心三个子系统构成的管网监控系统中提供动态图形与实时数据显示、报警管理、事故追忆、数据打印以及统计计算等多种功能。关键词：SCADA，优化调度，负荷预测，管网，监控基于SCADA的自来水管网调度监控系统的设计与实现iiDesignandImplementationofTapWaterPipeNetworkDetectionDispatcherSystemBasedonSCADAABSTRACTAlongwiththeconstructionspeedquicklyofourcity,thepipelinenetworkismorehugeanddispersion.Asanextremelyimportantinfrastructure,strengthentooptimizepipelinenetworkandtheinformation-basedconstructionisveryimportant.Optimizingwaterpipenetwork,includingComputer,Communication,ControlandSensor,iscalledthe3C+Stechnique.ProvidedwiththeintelligencedeviceandOptimizedschedulesoftware,therealtimedataandtheinformationinthesystemisanalyzedcomprehensively,thendrawuprealtimeandefficientdecision-makingscheme.Basedonfull-scaleandrealtimesupervisioninstatecollectionofpipelinenetworkperformance,makethemostofthemoderninformationtechniquetoSupervisoryControlandDataAcquisitionwithSCADA,thenforecastthethingsinthefuture.Bythiswecanoptimizewaterpipenetworkandmakeallincontrol.ThispaperisbasedontheSCADAsystem.Collectrealtimedataandsupervisedatatocalculateorprocess.Andthenacquireavailablecluefromthehistoryinthedatabaseofexperience,makeanexcellent,optimizeddecision.TheDetectionDispatcherSystemadoptstwogradenetworksandcommunicateswithwiredorwireless.Ithasthreesubsystem,longrangeexaminationsystem,communicationsystemandDetectionDispatchercenter.Itisprovidedmorefunctionsinthissystem,suchasdisplayofdynamicgraphandrealtimedata,alarm,circstrack,dataprinting,statisticsorcalculation.KEYWORDS:SCADA,OptimizedDispatch,LoadForecasting,PipeLineNetwork,Detection河北工业大学硕士学位论文1第一章绪论§1-1选题背景1-1-1国内外发展现状随着现代科学技术的进步，在世界范围内，计算机已经进入工业生产的各个环节，并取得了飞速的发展。在我国经济建设迅速发展的今天，以电子信息技术改造传统产业和大力倡导工业自动化，已成为不可逆转的趋势。面对城市建设的快速发展，供水行业已充分认识到：对城市自来水管网系统，必须采用现代化的管理手段，对其进行高效地管理，使管理由经验型管理向科学型管理转变，大力节约水资源，改善面向社会的服务水平。加强城市自来水系统综合自动化建设，通常包括以下四个方面内容：●企业生产过程的SCADA系统。●企业现代化管理MIS/DSS。●城市供配水管网系统数学模型建立、系统仿真与优化设计。●网络自动抄表（AMR）收费等系统。利用计算机及信息技术，以上述四大内容为基础，对城市自来水行业进行企业现代化改造，是保证企业实现信息化，并与国际接轨的重要举措[1~3]。自来水管网调度监控系统以城市供配水管网地理信息系统（GIS）为背景进行开发，其主要任务有：对现行的城市供配水管网各功能子系统进行调查研究，并进行系统需求分析；以地理信息系统（GIS）为工具，建立城市供配水管网系统数学模型，并针对该供配水管网系统数学模型，进行系统仿真与优化设计；建立新系统的日常运行机制，颁布新系统的管理与维护法规；通过SCADA系统，采集实时数据、实时状态，对水资源的配给做出优化调度。国外如美国、日本等经济发达国家从八十年代就开始采用计算机技术对水厂进行控制，随着计算机技术的进一步完善，它的自动控制和管理达到了较高水平。我国各地方的自来水厂的设备大多比较陈旧，自动化程度较低，对供水管网采用人工巡检的方式。由于有的水厂、检测点、小井地处偏远且相距较远，职工的劳动强度很大。在管理上不能及时处理出现的情况，不能及时对爆管、泄露等问题及时做出反应，容易造成供水不足及冒漾，造成服务质量下降和水资源的浪费。天津有水源厂、新开河水厂、芥园水厂、凌庄水厂、杨柳青水厂五个主要的水厂，但是各自有自己的系统，而没有统一的管理。而且管网的检测、维护以及供水情况都依靠人的巡查，不能对各种突发基于SCADA的自来水管网调度监控系统的设计与实现2事件做出反应，这对于水资源严重缺乏的天津来说是一个急待解决的问题。自来水管网调度监控系统就是在这样的需求下来设计，实现对天津水资源和管网的智能控制，达到节约、高效的目标。1-1-2选题的意义人们的生活离不开自来水，而供水管网承担着将自来水从水厂输送到千家万户的重任，把供水管网称作“城市的生命线”一点也不为过。目前，天津市区内所有供水管网都已连成蜘蛛状的环状管网，遍布在城区各个角落，环环相通的供水管网，不仅均衡了地区服务压力，而且使市区的所有水厂缩小了供水半径，可以有效的实施对置互补供水。面对着如此庞大而复杂的供水管网，自来水集团始终在围绕“节”字做文章，在管网的管理、养护、维修、监控、以及优化调度方面采取了一系列行之有效的措施，不断提高供水管网运行的安全保障度。进一步探索管网的分区域管理模式、加强对管网区域漏失控制的研究，实现对全市供水管网科学化、规范化的动态管理，努力降低管网漏损率。所谓区域，对于现行的整个天津水源的调度管理，每个水厂、一次水井就是一个区域；对于全国的水资源管理，天津就是一个独立的区域。自来水管网调度监控系统目标是对天津的管网的监控、用水量的预测以及对水源做出优化调度。而本课题的意义是对全国的水资源优化配给、调度提供实践经验，为建设资源节约型、环境友好型社会做出应有贡献。§1-2论文主要内容1-2-1论文内容本课题的内容主要是中心调度室计算机系统集成组建及其与水源厂、新开河水厂、芥园水厂、凌庄水厂、杨柳青水厂、管网所二级调度以及二十五个（预留至四十个）管网检测站的数据采集与通讯。所涉及的监控参数如表1.1所示。表1.1监控参数Table1.1DetectionParameters项目内容模拟量监测点开关量监测点水源厂8865新开河水厂5978芥园水厂5061凌庄水厂5158杨柳青水厂4127管网压力站点250总计：314289论文主要内容包括：河北工业大学硕士学位论文3首先，对SCADA系统模型化，根据水利模型的特点对SCADA系统模型做出改进，并且以三层模型（如图1.1所示）以及多个子系统或模块来设计监控系统，实现对各个管网节点的数据采集、各个水厂之间水资源的优化调度。图1.1监控调度系统三层模型Fig.1.1ThreeLayerModelofDetectionDispatcherSystem其次，SCADA可以实时采集现场数据,对工业现场进行本地或远程的自动控制,对工艺流程进行全面、实时的监视,并为生产、调度和管理提供必要的数据。主要针对优化调度，对各种方法如线形方法、人工神经网络的各种方法的综合，重要的是将各种方法的模型实例化。调度的优化很大程度上依赖于历史的数据、实时的数据，以及对于各种数据的预测。通过原始数据的处理、随机事件及干扰因素、突发事件因素的量化处理来提高预测的精度，对水的配给追求最优的调度。1-2-2工作安排本课题来源天津自来水集团公司对现行管理系统的功能改进，通过二级网络、主从站的方式，将多个水厂统一调度，通过对历史数据库、实时数据，用各种预测方法，对水量做出长期、中期、短期以及整体和局部的预测，将供水调度寻求最优化的结果。远程控制终端（RTU）通过通讯网络，采用两种通讯方式：无线数据传输与DDN数据传送，将数据传送到调度中心系统，调度中心系统从数据库获得“经验”，对未来境况做出预测，根据预测结果做出决策，做出最优的配给。25个管网检测站、杨柳青水厂通过无线方式与公司调度中心进行通讯。水源厂、芥园水厂、凌庄水厂、新开河水厂及管网所二级调度通过DDN专线与调度中心进行通讯。DDN专线接入，具有专线专用，速度快，安全性、保密性、可靠性较高的特点。论文的结构安排：第一章概述论文的选题背景、科技发展现状。调度监控中心系统通讯网络系统远程控制终端系统基于SCADA的自来水管网调度监控系统的设计与实现4在第二章，经过对天津自来水厂的实际情况的调研，仔细地分析技术、设备的实际问题，为管网调度系统做出整体的设计构想。此外还对SCADA原理作了简单介绍。第三章对监控调度系统的各种优化调度的各种方法进行了分析，并且模拟各种方法并把结果进行比较。由于好的决策系统是建立在尽量正确、精确的预测基础上的，所以对于高负荷的精确预测的探究是必不可少的部分。第四章，运用SCADA系统原理，对现场数据进行采集，监控现场的状态。对系统需求进行详细分析，实地调研，绘制网络拓扑图、系统功能图，将目标监控调度系统分成三个层次，同时在每个层次中增添多个子系统。最后总结所做的工作，分析不足，并为系统的改进、未来的研究的方向提出几点建议。河北工业大学硕士学位论文5第二章系统方案构想§2-1系统整体框架2-1-1软件系统框图保证人们生活、生产和消防等方面安全可靠地用水，满足用户对