При водоснабжении городов остро стоит задача экономии электроэнергии и воды. В значительной степени расход этих ресурсов зависит от давления, поддерживаемого в системе водоснабжения. С одной стороны, это давление должно быть достаточным для того, чтобы бесперебойно доставлять воду всем потребителям. С другой стороны, оно должно поддерживаться на как можно более низком уровне, поскольку расход электроэнергии пропорционален (при прочих равных условиях) первой степени давления, а потери воды, обусловленные неизбежными утечками, пропорциональны второй степени давления.

Обычно давление поддерживается по так называемым нормативным суточным графикам. Эти графики, разработанные для каждой конкретной зоны водоснабжения, предписывают, какое давление воды должно поддерживаться в определенное время суток. Это давление назначается, исходя из среднестатистических показателей, и не учитывает конкретную ситуацию, сложившуюся в данном месте в данный момент времени. Для того чтобы уменьшить давление ниже нормативного уровня, необходим алгоритм, учитывающий реальную ситуацию в реальном времени. Такой алгоритм и соответствующая ему измерительная инфраструктура были предложены и реализованы компанией ИндаСофт в одном из крупных российских мегаполисов.

Новый подход

Системы водоснабжения многих крупных городов разделены на зоны, каждая из которых снабжается водой от своей насосной станции. Давление воды в такой зоне определяется давлением воды на выходе насосной станции. Вот почему для экономии электроэнергии и воды необходимо поддерживать давление на выходе насосной станции на как можно более низком уровне.

Эта задача является весьма трудной, так как невозможно построить точную модель водопроводной сети сколько-нибудь крупной зоны водоснабжения. Из-за отсутствия модели невозможно просчитать, как надо изменить давление на насосной станции таким образом, чтобы, с одной стороны, минимизировать расход электроэнергии и утечки воды, и, с другой стороны, не нарушить водоснабжение ни одного дома в заданной зоне водоснабжения.

Был предложен новый подход к задаче управления насосными станциями зон водоснабжения крупных городов. Данный метод заключается в том, чтобы непрерывно в реальном времени поддерживать динамически изменяемую модель водопроводной сети в зоне водоснабжения.

Для этого на зону водоснабжения «накладывается» сеть контрольных точек, в которых размещены датчики давлений и расходов. Для всех контрольных точек задаются минимально (и максимально) допустимые в этих точках давления. Для каждой точки строится своя динамически изменяемая линейная модель зависимости давления в этой точке от давления на насосной станции.

Поскольку невозможно вести управление насосной станцией, ориентируясь сразу на все контрольные точки, среди этих точек в динамическом режиме выделяется одна «критическая» точка. Это такая точка, которая по данным модели подвержена наибольшей опасности нарушения водоснабжения при снижении давления на насосной станции. По этой точке и ведется управление насосной станцией. А именно: для контроллера регулятора станции задается такая уставка давления, которая обеспечивает минимально допустимый уровень давления в критической точке (разумеется, с некоторым запасом).

Модель пересчитывается каждые 15 минут. Соответственно каждые 15 минут может изменяться критическая точка.

Практика показала, что обычно критическими попеременно являются 2-3 контрольные точки. Но при изменении конфигурации сети (прокладке новых труб, открытии и закрытии задвижек, подключении новых потребителей) критическими могут стать другие точки. Такое происходит сравнительно нечасто, в среднем один раз в 2 - 3 суток. Причем происходит это автоматически, без специального анализа изменений сети.

Экономия ресурсов

Рис. 1.

Данный подход был реализован на Водоканале одного из российских мегаполисов в зоне водоснабжения, которая включает около 700 домов. Зона снабжается водой от повысительной насосной станции (ПНС). В зоне водоснабжения на вводах в дома были установлены 44 контрольные точки. Выбор конкретных мест установки контрольных точек был осуществлен по специальному алгоритму, учитывавшему рельеф местности, этажность и расположение домов, а также конфигурацию сети. В итоге, контрольные точки оказались распределены примерно равномерно по зоне водоснабжения. В контрольных точках измеряются давления и расходы, и эти данные с помощью контроллеров Motorola собираются и отправляются на сервер системы управления, работающий под управлением SCADA системы iFIX 4.5. Сервер при помощи описанного выше алгоритма вырабатывает уставку для частотного регулятора насосов на ПНС (см. рис. 1). В технические требования на алгоритм входило условие, чтобы алгоритм перестраивал уставку контроллера сравнительно редко (в среднем не чаще, чем 1 раз в час) и ступенчатым образом. Поэтому выдаваемое алгоритмом значение уставки не подается непосредственно на контроллер насосной станции, а предварительно подвергается специальной медианной фильтрации, которая обеспечивает ступенчатое и сравнительно редкое изменение уставки, отвечающее техническим требованиям.

До введения в строй данной системы управления (в марте 2009 г.) управление насосами станции осуществлялось по нормативному суточному графику и иногда корректировалось диспетчерами по давлениям в трех диктующих точках зоны. После запуска системы 19 марта 2009 г. и по настоящее время система работает полностью в автоматическом режиме. На рис. 2 приводится график давления на выходе УПНС в течение 48-часового периода с 27 по 29 апреля 2009 г. Для сравнения на этот график наложен график нормативного давления, которое поддерживалось бы на выходе станции при обычном способе управления.

Рис. 2.

Из приведенных графиков видно, что под управлением данного алгоритма давление на насосной станции практически всегда держится ниже нормативного значения, по которому станция управлялась ранее. На графиках также видно, что днем нормативное давление назначается так, чтобы обеспечивалось нужное давление в самые пиковые часы этого периода (утро и вечер). Но при этом не учитывается возможность опустить давление в середине дня, когда люди в основном уходят на работу и водопотребление снижается. Ночное значение нормативного давления выбирается так, чтобы обеспечить давление поздно вечером и рано утром. Но при этом тоже не учитывается возможность опустить давление в середине ночи. Назначаемое алгоритмом давление учитывает все эти подробности. Оно вовремя изменяется в утренний и вечерний периоды и правильно отслеживает провалы в водопотреблении в середине дня и середине ночи, а также изменение водопотребления в периоды массовых мероприятий. Например, в Пасхальную ночь алгоритм понизил давление примерно в 4 часа утра.

В это время большинство людей перестали смотреть телевидение, пошли спать и водопотребление снизилось. В обычные дни такое уменьшение давления происходит примерно в 23:30-0:30.

Среднее снижение давления по сравнению с нормативным давлением за период испытаний составило примерно 1-1,5 м.в.ст. Это дает 2-3% экономии электроэнергии и снижение потерь воды на 4-5%.