CN117891206A - 一种融合管网模型智能算法的节能型泵组运行控制*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及压力供水设备技术领域，尤其为一种融合管网模型智能算法的节能型泵组运行控制***。本发明利用大数据分析住户的用水情况，根据用水情况预测住户未来的用水情况，为边缘计算模块提供供水基础数据，管网模型计算单元根据给水***运行机组的出口流量、出口压力、末端压力等参数实时迭代计算管网压力模型和管网流量模型，目标压力计算和波动过滤计算确定最不利点的压力均值和实时出口流量曲线后，将最不利点的压力均值和实时出口流量曲线代入管网压力模型和管网流量模型中，形成执行控制器的实时控制信息，执行控制器根据实时控制信息对给水***运行机组进行控制，满足住户用水的同时，实现二次供水增压泵组高效节能。
Description
技术领域
本发明涉及压力供水设备技术领域，具体为一种融合管网模型智能算法的节能型泵组运行控制***。
背景技术
城镇建设用地的局限性导致城镇建筑向高层建筑方向发展为主流，城镇供水***技术上难以保证高层建筑用水压力的需求，因此，城镇大量建筑供水需要通过二次加压来满足压力的需求。传统的“水泵+水箱”的供水方式存在水箱二次污染的风险，变频调速供水方式逐渐成为城镇二次加压供水的主流。但由于变频泵组设计选型是按最不利用水工况确定，难免出现小流量用水时泵组的效率降低的情况。二次供水变频泵组低效运行已成为行业的痛点和难点问题，也是双碳背景下急需解决的问题。如何通过技术的改进提升变频泵组的运行效率具有重要的意义。
以变频调速技术为基础的水泵出口压力恒定供水模式是目前建筑二次供水的主要方式。这种供水模式是按***所需最大计算流量和计算扬程为依据进行泵组选型，泵组出口压力按全过程最大用水工况所需压力确定，运行时全过程确保泵组出口压力恒定，控制***根据流量和扬程需求变化，选配投入运行的水泵或泵组，并通过改变其频率在运行中使供水设备出口压力保持恒定，满足供水要求。恒压供水***虽然在一定程度上考虑了用户用水需求，但未兼顾管路阻力变化。实际应用中的管网***大多表现出明显的时段性在用水高峰期，管网***用水流量增大，管路阻力较大；在用水低谷时，管网***流量减少，管路阻力损失也较小，使得末端水压偏高，造成能量冗余，同时增加了管网渗漏和故障率。因此，***控制和运行方式仍需进一步改进。
现阶段二次供水给水***中采用出口恒压控制技术降低***能耗是普遍方法，但不是提升***运行综合能效比的最优方法；
针对水泵出口压力恒定存在富余水头浪费的缺点，理论上可以采用管网末端压力恒定的控制方式，实时根据末端压力信号变频调整水泵转速来确保末端压力的稳定。研发一种能解决上述技术问题，确保管网末端恒压控制稳定运行，是实现二次增压供水泵组运行更加节能的关键，因此，针对上述问题提出一种融合管网模型智能算法的节能型泵组运行控制***。
发明内容
本发明的目的在于提供一种融合管网模型智能算法的节能型泵组运行控制***,以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种融合管网模型智能算法的节能型泵组运行控制***，包括：
数据采集模块：数据采集模块包括出口压力检测、出口流量检测、末端压力监测和水箱液位检测；出口压力检测对给水***运行机组出水端的水压进行检测；出口流量检测对给水***运行机组出水端的流量进行检测；末端压力监测检测供水区域中最不利点楼栋的所需监测点的末端压力数据；水箱液位检测采集楼栋的水箱液位；
边缘计算模块：边缘计算模块包括管网模型计算单元、目标压力计算单元、波动过滤计算单元和数据储存及通讯单元；管网模型计算单元接收出口压力检测、出口流量检测、末端压力监测和水箱液位检测得到的数据后，按照时间轴线分别生成出口压力曲线、出口流量曲线和末端压力曲线，提取末端压力曲线中的压力数值从低到高进行排列，形成末端压力增长线，提取对应末端压力曲线中压力数值的出口压力数值，将出口压力数值并入末端压力增长线的压力数值中，建立管网压力模型，构建小区虚拟用水增长线，根据虚拟用水增长线中的用水数值计算出口流量数值，并将出口流量数值合并至虚拟用水增长线中对应的用水数值中，建立管网流量模型；目标压力计算单元接收用水量预测、泵组出口流量、出口压力及最不利点所需压力的指标数据后，结合管网压力模型和管网流量模型计算出当前所需的目标控制压力；波动过滤计算单元接收末端压力数据后，根据最不利点布设的不同楼层的压力数据进行加权平均，得出最不利点的压力均值，完成波动过滤计算；数据储存及通讯单元接收管网压力模型和管网流量模型、实时液位监控、出口压力数据、出口流量数据、最不利点压力监测数据和最不利点的压力均值进行储存，同时，将上述数据同步上传到运行监控平台；
运行监控平台：运行监控平台包括大数据模块、数据监控、状态预警和远程控制；
大数据模块包括大数据提取、数据整理单元、数据分析单元、变量数据同步和生产供水预测；大数据提取实时接收智能水表的监测数据，生成小区每天的用水数据，后按照给水***、用户信息和日期对小区用户每天的用水数据进行区域标记、小区用户标记和时间标记；数据整理单元接收小区用户每天的用水数据后，先调取智能水表的监测数据，以时间为轴线生成小区每天的用水曲线，以周为阶段汇总小区每周的用水曲线，生成小区的周用水曲线图谱，后计算每个月的总用水量，并以月为单位生成近一年的用水量曲线；数据分析单元接收用户的周用水曲线图谱和近一年的用水量曲线，提取周用水曲线图谱中每天的用水曲线，根据用水曲线标记的日期标记节假日和非节假日，将标记节假日的数个用水曲线和标记非节假日的数天用水曲线进行统计，计算标记节假日的平均用水曲线和标记非节假日平均用水曲线，以节假日的平均用水曲线和标记非节假日平均用水曲线为标准用水曲线，并根据标准用水曲线波峰分析用水习惯；变量数据同步实时接收来自智能水表提供的数据，提取对应的区域标记、用户标记后，确定用水时的日期，对应日期是否为节假日的判断，确定用水时间，对标记进行统计，生成实时数据包；
生成供水预测接收生成实时数据包，提取实时数据包中统计的小区信息，根据信息提取对应的标准用水曲线，提取节假日的平均用水曲线和标记非节假日平均用水曲线，以每10min为时间节点将节假日的平均用水曲线和标记非节假日平均用水曲线进行分区处理，计算实时数据包中每个时间节点的用水量，将每个时间节点的用水量进行汇总，生成供水预测曲线，制得小区用水量预测数据，同步到边缘计算模块；
数据监控同步接收管网压力模型和管网流量模型、小区用水量预测、实时液位监控、出口压力数据、出口流量数据、最不利点压力监测数据和最不利点的压力均值，对全部数据进行监控；状态预警实时接收监控数据，当监控数据的出现异常时，生成预警信息；
远程控制同步接收管网压力模型和管网流量模型、目标控制压力、最不利点的压力均值、小区用水量预测和实时液位监控后，按照以往数据生成模拟供水方案，同步到执行控制器；
执行控制器：执行控制器包括PLC、变频器和智能网关；PLC接收边缘计算模块中的管网压力模型和管网流量模型、用水量预测数据、目标控制压力、实时液位监控、出口压力数据、出口流量数据和最不利点的压力均值后，生成实时供水控制信息，PLC按照实时供水控制信息控制变频器调整给水***的供水压力。
作为一种优选方案，管网模型计算在最初使用时配置初始化管网压力模型和管网流量模型，在后续运行过程中持续采集动态值参数，不断迭代优化该管网压力模型和管网流量模型。
作为一种优选方案，数据储存及通讯存储12个月以上的小区用水及压力数据，当最不利点压力变送器故障、断电或网络不通畅等问题时，通过本地存储的历史数据进行特征分析，根据管网模型计算填补缺失时段的供水所需压力值，确保***持续稳定运行。
作为一种优选方案，预警信息生成后，预警信息同步到执行控制器，PLC接收预警信息后，接入模拟供水方案，按照模拟供水方案控制给水***供水。
作为一种优选方案，PLC接收边缘计算模块中的管网压力模型和管网流量模型、用水量预测数据、目标控制压力、实时液位监控、出口压力数据、出口流量数据和最不利点的压力均值后，具体的，调取最不利点的压力均值和用水量预测数据，先提取用水量预测数据中的供水预测曲线，将供水预测曲线中各时间节点的供水量数值带入管网流量模型中，提取对应各供水量数值的供水出口流量数值后生成实时出口流量曲线，再根据最不利点的压力均值带入管网压力模型中，调取管网压力模型中与最不利点的压力均值最接近的末端压力数值，确定与最接近末端压力数值对应的出口压力数值确定为实时出口压力数值，根据实时出口压力数值和实时出口流量曲线控制给水***运行机组进行供水。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明提供的一种融合管网模型智能算法的节能型泵组运行控制***，有益效果是：
1、通过设置运行监管平台，利用大数据分析住户的用水情况，根据用水情况预测住户未来的用水情况，为边缘计算模块提供供水基础数据，边缘计算模块包括管网模型计算、目标压力计算和波动过滤计算，管网模型计算单元根据给水***运行机组的出口流量、出口压力、末端压力等参数实时迭代计算管网压力模型和管网流量模型，目标压力计算和波动过滤计算确定计算最不利点的压力均值和实时出口流量曲线后，将最不利点的压力均值和实时出口流量曲线后带入管网压力模型和管网流量模型中，形成执行控制器的实时控制信息，执行控制器根据实时控制信息对给水***运行机组进行控制，满足住户用水的同时，弥补了存在富余水头浪费的缺点，实现二次供水增压泵组高效节能；
2、末端恒压供水相较于水泵出口恒压供水，由于流量大小与管路水头损失大小成平方倍关系，因此流量大时管路水损较大，流量小时管路水损较小，因此可以使水泵根据不同流量调节出口压力，避免了恒压供水在流量小时产生能量浪费的情况。
附图说明
图1为本发明一种融合管网模型智能算法的节能型泵组运行控制***整体结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为了更好地理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
如图1所示，本发明实施例提供一种融合管网模型智能算法的节能型泵组运行控制***，包括数据采集模块、边缘计算模块、运行监控平台和执行控制器；
数据采集模块包括出口压力检测、出口流量检测、末端压力监测和水箱液位检测；
出口压力检测对给水***运行机组出水端的水压进行检测，检测数据每10s采集一次；
出口流量检测对给水***运行机组出水端的流量进行检测，检测数据每10s采集一次；
末端压力监测检测供水区域中最不利点楼栋的所需监测点的末端压力数据，检测数据每10s采集一次；
水箱液位检测采集楼栋的水箱液位，检测数据每10s采集一次；
出口压力检测、出口流量检测、末端压力监测和水箱液位检测在同一时间点进行同步采集。
边缘计算模块包括管网模型计算单元、目标压力计算单元、波动过滤计算单元和数据储存及通讯单元；
管网模型计算单元根据小区实际建筑情况：总户数、建筑楼层及高度、供水管径、供水长度等，计算拟合管网基础模型。***投入运行以后，根据采集末端压力变化自动迭代校正管网模型，确保管网模型能准确适应管网***的变化，确保末端供水压力的稳定。同时接收出口压力检测、出口流量检测、末端压力监测和水箱液位检测得到的数据后，按照时间轴线分别生成出口压力曲线、出口流量曲线和末端压力曲线，提取末端压力曲线中的压力数值从低到高进行排列，形成末端压力增长线，提取对应末端压力曲线中压力数值的出口压力数值，将出口压力数值并入末端压力增长线的压力数值中，建立管网压力模型，构建小区虚拟用水增长线，根据虚拟用水增长线中的用水数值计算出口流量数值，并将出口流量数值合并至虚拟用水增长线中对应的用水数值中，建立管网流量模型；
进一步，管网模型计算在最初使用时配置初始化管网压力模型和管网流量模型，在后续运行过程中持续采集动态值参数，不断迭代优化该管网压力模型和管网流量模型；
波动过滤计算单元接收末端压力数据后，根据最不利点布设的不同楼层的压力数据进行加权平均，得出最不利点的压力均值，完成波动过滤计算；
目标压力计算单元接收用水量预测、泵组出口流量、出口压力及最不利点所需压力的指标数据后，结合管网压力模型、管网流量模型计算出当前所需的目标控制压力；
数据储存及通讯单元接收管网压力模型和管网流量模型、实时液位监控、出口压力数据、出口流量数据、最不利点压力监测数据和最不利点的压力均值进行储存，同时，将上述数据同步上传到运行监控平台，具体的，数据储存及通讯存储12个月以上的小区用水及压力数据，当最不利点压力变送器故障、断电或网络不通畅等问题时，通过本地存储的历史数据进行特征分析，根据管网模型计算填补缺失时段的供水所需压力值，确保***持续稳定运行。
运行监控平台：运行监控平台包括大数据模块、数据监控、状态预警和远程控制；
大数据模块包括大数据提取、数据整理单元、数据分析单元、变量数据同步和生产供水预测；大数据提取实时接收智能水表的监测数据，生成小区每天的用水数据，后按照给水***、用户信息和日期对小区用户每天的用水数据进行区域标记、小区用户标记和时间标记；数据整理单元接收小区用户每天的用水数据后，先调取智能水表的监测数据，以时间为轴线生成小区每天的用水曲线，以周为阶段汇总小区每周的用水曲线，生成小区的周用水曲线图谱，后计算每个月的总用水量，并以月为单位生成近一年的用水量曲线；数据分析单元接收用户的周用水曲线图谱和近一年的用水量曲线，提取周用水曲线图谱中每天的用水曲线，根据用水曲线标记的日期标记节假日和非节假日，将标记节假日的数个用水曲线和标记非节假日的数天用水曲线进行统计，计算标记节假日的平均用水曲线和标记非节假日平均用水曲线，以节假日的平均用水曲线和标记非节假日平均用水曲线为标准用水曲线，并根据标准用水曲线波峰分析用水习惯；变量数据同步实时接收来自智能水表提供的数据，提取对应的区域标记、用户标记后，确定用水时的日期，对应日期是否为节假日的判断，确定用水时间，对标记进行统计，生成实时数据包；
生成供水预测接收生成实时数据包，提取实时数据包中统计的小区信息，根据信息提取对应的标准用水曲线，提取节假日的平均用水曲线和标记非节假日平均用水曲线，以每10min为时间节点将节假日的平均用水曲线和标记非节假日平均用水曲线进行分区处理，计算实时数据包中每个时间节点的用水量，将每个时间节点的用水量进行汇总，生成供水预测曲线，制得小区用水量预测数据，同步到边缘计算模块；
数据监控同步接收管网压力模型和管网流量模型、小区用水量预测、实时液位监控、出口压力数据、出口流量数据、最不利点压力监测数据和最不利点的压力均值，对全部数据进行监控；状态预警实时接收监控数据，当监控数据的出现异常时，生成预警信息；
远程控制同步接收管网压力模型和管网流量模型、目标控制压力、最不利点的压力均值、小区用水量预测和实时液位监控后，按照以往数据生成模拟供水方案，同步到执行控制器。
执行控制器包括PLC、变频器和智能网关；PLC接收边缘计算模块中的管网压力模型和管网流量模型、用水量预测数据、目标控制压力、实时液位监控、出口压力数据、出口流量数据和最不利点的压力均值后，生成实时供水控制信息，PLC按照实时供水控制信息控制变频器调整给水***的供水压力；
具体的，PLC接收边缘计算模块中的管网压力模型和管网流量模型、用水量预测数据、目标控制压力、实时液位监控、出口压力数据、出口流量数据和最不利点的压力均值后，具体的，调取最不利点的压力均值和用水量预测数据，先提取用水量预测数据中的供水预测曲线，将供水预测曲线中各时间节点的供水量数值带入管网流量模型中，提取对应各供水量数值的供水出口流量数值后生成实时出口流量曲线，再根据最不利点的压力均值带入管网压力模型中，调取管网压力模型中与最不利点的压力均值最接近的末端压力数值，确定与最接近末端压力数值对应的出口压力数值确定为实时出口压力数值，根据实时出口压力数值和实时出口流量曲线控制给水***运行机组进行供水；
进一步，PLC先控制给水***运行机组将给水***运行机组的出口压力升高至实时出口压力数值，后根据实时出口流量曲线的出口流量进行供水。
本实施例中，给水***运行机组包括单台小泵和数个大泵，给水***运行机组的变频控制流程包括以下步骤：
S1、初始化时，泵组处于停机保压状态；
S2、当出水压力小于设置压力时，单台小泵运行，当出水流量持续减低时，泵组恢复到停机保压状态；
S3、当小泵全频运行时仍无法满足供水需求时，计算实时所需目标压力，当目标压力超过单台小泵的供给的压力值时，启动单台大泵运行，单台小泵停止运行；
S4、当单台大泵全频运行仍无法满足供水需求时，再次计算实时所需目标压力，当目标压力满足两台大泵的驱动条件时，启动两台大泵运行，当目标压力不足两台大泵的启动条件时，启动一大一小两个泵运行，一大一小两个泵运行仍无法满足供水需求时，启动两台大泵运行；
S5、按照时间间歇性计算实时所需目标压力，根据目标压力重新进行S4操作。
本实施例中，PLC在对给水***运行机组控制过程中，实时接收末端压力数据，且与最不利点的压力均值对比，当末端压力数据高过最不利点的压力均值时，降低给水***运行机组的供给功率，当末端压力数据低于最不利点的压力均值时，升高给水***运行机组的供给功率。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (5)
1.一种融合管网模型智能算法的节能型泵组运行控制***，其特征在于：包括：
数据采集模块：所述数据采集模块包括出口压力检测、出口流量检测、末端压力监测和水箱液位检测；所述出口压力检测对给水***运行机组出水端的水压进行检测；所述出口流量检测对给水***运行机组出水端的流量进行检测；所述末端压力监测检测供水区域中最不利点楼栋的所需监测点的末端压力数据；所述水箱液位检测采集楼栋的水箱液位；
边缘计算模块：所述边缘计算模块包括管网模型计算单元、目标压力计算单元、波动过滤计算单元和数据储存及通讯单元；所述管网模型计算单元接收出口压力检测、出口流量检测、末端压力监测和水箱液位检测得到的数据后，按照时间轴线分别生成出口压力曲线、出口流量曲线和末端压力曲线，提取末端压力曲线中的压力数值从低到高进行排列，形成末端压力增长线，提取对应末端压力曲线中压力数值的出口压力数值，将出口压力数值并入末端压力增长线的压力数值中，建立管网压力模型，构建小区虚拟用水增长线，根据虚拟用水增长线中的用水数值计算出口流量数值，并将出口流量数值合并至虚拟用水增长线中对应的用水数值中，建立管网流量模型；所述目标压力计算单元接收用水量预测、泵组出口流量、出口压力及最不利点所需压力的指标数据后，结合管网压力模型和管网流量模型计算出当前所需的目标控制压力；所述波动过滤计算单元接收末端压力数据后，根据最不利点布设的不同楼层的压力数据进行加权平均，得出最不利点的压力均值，完成波动过滤计算；所述数据储存及通讯单元接收管网压力模型和管网流量模型、实时液位监控、出口压力数据、出口流量数据、最不利点压力监测数据和最不利点的压力均值进行储存，同时，将上述数据同步上传到运行监控平台；
运行监控平台：所述运行监控平台包括大数据模块、数据监控、状态预警和远程控制；
所述大数据模块包括大数据提取、数据整理单元、数据分析单元、变量数据同步和生产供水预测；大数据提取实时接收智能水表的检测数据，生成用户每天的用水数据，后按照给水***、用户信息和日期对用户每天的用水数据进行区域标记、用户标记和时间标记；所述数据整理单元接收用户每天的用水数据后，先调取住户智能水表的检测数据，以时间为轴线生成用户每天的用水曲线，以周为阶段汇总用户每周的用水曲线，生成用户的周用水曲线图谱，后计算每个月的总用水量，并以月为单位生成近一年的用水量曲线；所述数据分析单元接收用户的周用水曲线图谱和近一年的用水量曲线，提取周用水曲线图谱中用户每天的用水曲线，根据用水曲线标记的日期标记节假日和非节假日，将标记节假日的数个用水曲线和标记非节假日的数天用水曲线进行统计，计算标记节假日的平均用水曲线和标记非节假日平均用水曲线，以节假日的平均用水曲线和标记非节假日平均用水曲线为标准用水曲线，并根据标准用水曲线波峰分析住户用水***均用水曲线和标记非节假日平均用水曲线，以每10min为时间节点将节假日的平均用水曲线和标记非节假日平均用水曲线进行分区处理，计算实时数据包中每个时间节点的用水量，将每个时间节点的用水量进行汇总，生成供水预测曲线，制得小区用水量预测数据，同步到边缘计算模块；
所述数据监控同步接收管网压力模型和管网流量模型、小区用水量预测、实时液位监控、出口压力数据、出口流量数据、最不利点压力监测数据和最不利点的压力均值，对全部数据进行监控；所述状态预警实时接收监控数据，当监控数据的出现异常时，生成预警信息；
所述远程控制同步接收管网压力模型和管网流量模型、目标控制压力、最不利点的压力均值、小区用水量预测和实时液位监控后，按照以往数据生成模拟供水方案，同步到执行控制器；
执行控制器：所述执行控制器包括PLC、变频器和智能网关；所述PLC接收边缘计算模块中的管网压力模型和管网流量模型、用水量预测数据、目标控制压力、实时液位监控、出口压力数据、出口流量数据和最不利点的压力均值后，生成实时供水控制信息，PLC按照实时供水控制信息控制变频器调整给水***的供水压力。
2.根据权利要求1所述的一种融合管网模型智能算法的节能型泵组运行控制***，其特征在于：所述管网模型计算在最初使用时配置初始化管网压力模型和管网流量模型，在后续运行过程中持续采集动态值参数，不断迭代优化该管网压力模型和管网流量模型。
3.根据权利要求1所述的一种融合管网模型智能算法的节能型泵组运行控制***，其特征在于：数据储存及通讯存储12个月以上的小区用水及压力数据，当最不利点压力变送器故障、断电或网络不通畅等问题时，通过本地存储的历史数据进行特征分析，根据管网模型计算填补缺失时段的供水所需压力值，确保***持续稳定运行。
4.根据权利要求1所述的一种融合管网模型智能算法的节能型泵组运行控制***，其特征在于：所述预警信息生成后，预警信息同步到执行控制器，PLC接收预警信息后，接入模拟供水方案，按照模拟供水方案控制给水***供水。
5.根据权利要求1所述的一种融合管网模型智能算法的节能型泵组运行控制***，其特征在于：所述PLC接收边缘计算模块中的管网压力模型和管网流量模型、用水量预测数据、目标控制压力、实时液位监控、出口压力数据、出口流量数据和最不利点的压力均值后，具体的，调取最不利点的压力均值和用水量预测数据，先提取用水量预测数据中的供水预测曲线，将供水预测曲线中各时间节点的供水量数值带入管网流量模型中，提取对应各供水量数值的供水出口流量数值后生成实时出口流量曲线，再根据最不利点的压力均值带入管网压力模型中，调取管网压力模型中与最不利点的压力均值最接近的末端压力数值，确定与最接近末端压力数值对应的出口压力数值确定为实时出口压力数值，根据实时出口压力数值和实时出口流量曲线控制给水***运行机组进行供水。
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