基于物联网的城市供水系统节能降耗关键技术研究

摘要

随着我国城市化进程的推进，城市的供水行业得到了快速的发展，供水系统的服务范围和供水能力都有了极大地增加。相应地供水系统运行过程中的能耗也越来越高，在节能降耗的世界性主题下，如何通过合理的运行管理手段在保证用户需求的同时降低供水系统的运行能耗也成为亟待解决的问题。本研究采用先进的物联网技术，设计了城市供水系统节能降耗的物联网解决方案；通过建立供水系统的直接优化调度模型，提出了可行的优化调度方案。
　　本研究主要针对上述问题进行了以下几个方面的研究：
　　(1)实际的运营管理过程中，通过最高时的供水量和供水压力估算调度期内的系统能耗。估算过程中引入了供水能量变化系数，表征用户用水量时序变化引起的供水量变化过程。从供水能量变化系数的定义（平均时供水能量与最高时供水能量之比）出发，研究了供水能量变化系数的计算方法。
　　(2)供水系统调度运行过程中，采用用水模式系数表示不同用户的用水量特征。本研究中讨论了用户用水模式的测试方案，研究了根据用水量变化特征（用水模式）对用户进行分类的聚类分析方法。
　　(3)通过建立供水系统的动态水力模型可以实时了解管网的运行工况。研究了采用EPANET TOOLKIT中的水力分析函数进行水力模拟的基本过程。
　　(4)研究了物联网技术在城市供水系统优化调度中的应用。以水泵开关状态及调速泵运行转速比为决策变量，供水系统运行费用最低为目标函数，考虑管网、泵站和测压点的水力约束条件，建立了供水系统的直接优化调度模型。采用遗传算法求解了该模型，得到了优化调度的辅助决策方案。
　　研究取得了以下成果：
　　(1)以SZ市高新区供水量数据为例，计算了高新区供水能量的变化系数，为高新区的运行调度方案能耗评估提供参考。
　　(2)利用层次聚类方法对SZ市高新区用户的用水量数据进行分类，得到了高新区典型的7类用水模式曲线。
　　(3)基于Matlab平台，通过调用EPANET TOOLKIT水力分析函数，模拟了SZ市高新区供水系统运行工况，模型检验表明模拟精度较高，可用于优化调度研究。
　　(4)设计了城市供水系统优化调度的物联网解决方案。
　　(5)建立了SZ市高新区供水系统的直接优化调度模型，采用遗传算法求解该模型得到了高新区2013年11月28日的优化调度方案。

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第一章 绪论

1.1引言

1.2国内外供水系统调度理论研究进展

1.3研究目的和意义

1.4研究的主要内容与技术路线

1.5本章总结

第二章 供水能量变化系数研究与分析

2.1供水能量变化系数概述

2.2供水能量变化系数计算

2.3实例：SZ市高新区供水能量变化系数计算

2.4本章总结

第三章 供水系统用水模式分析与研究

3.1 用水模式数据采集方案

3.2 用水模式数据处理

3.3 实例：SZ市高新区用水模式分析

3.4本章总结

第四章 供水系统动态模拟和用水量预测

4.1用水量预测

4.2供水系统水力模型

4.3本章总结

第五章 基于物联网的城市供水系统优化调度与能耗分析

5.1城市供水系统优化调度的物联网方案

5.2供水系统优化调度模型

5.3模型求解算法

5.4实例：SZ市高新区供水系统优化调度研究

5.5本章总结

第六章 结论与建议

6.1研究工作总结

6.2研究展望和进一步的研究内容

6.3本章小结

参考文献

附录一: Matlab聚类分析程序

附录二: ARMA模型定阶程序源码

致谢

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