泵站優(yōu)化運行研究及展望

第27卷第3期黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報Vol.27 No.32015年7月Journal of Y ellow River Conservancy Technical InstituteJul.2015泵站優(yōu)化運行研究及展望宋為威,周濟人,周文書(shū)(揚州大學(xué)水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院,江蘇揚州225009)摘要:隨著(zhù)泵站工程的不斷發(fā)展,其優(yōu)化運行也逐漸進(jìn)入深層次的研究。對單級泵站及梯級泵站優(yōu)化運行研究,用動(dòng)態(tài)規劃法、大系統動(dòng)態(tài)規劃法及大系統分解協(xié)調技術(shù)建立模型,較為全面的約束條件使得數學(xué)模型更為嚴謹。關(guān)鍵詞:單級泵站;梯級泵站:優(yōu)化運行;動(dòng)態(tài)規劃法;大系統動(dòng)態(tài)規劃法中圖分類(lèi)號:TV675文獻標識碼:A文章編號: 1008- 486X(2015 )03- -0010-040引言i臺機組不投入運行,i=1,2,3... ,n),m2/s;H 為泵站中國有著(zhù)廣袤的平原、河網(wǎng)、圩區,分布著(zhù)50多凈揚程,m;η;為第i臺水泵的運行效率。萬(wàn)座泵站抗御洪水干旱等自然災害。隨著(zhù)泵站工程的規模擴大和復雜程度的提高，泵站運行管理也越同時(shí)，需滿(mǎn)足以下約束:(1)Q.=Z0. (流量約來(lái)越重要。長(cháng)期以來(lái),泵站的現場(chǎng)運行多依據經(jīng)驗來(lái)束); (2)Qumin≤Q:≤Qwmax (單泵抽水能力約束);調節,因而泵站機組難以在效率最高的工況下運行，(3)N.H≤Nq.(功率約束);(4)H;=H+S,Q3(揚程約束)。從而造成了大量的電能損失?；蛘呤?由于泵站運行其中,Nuu為水泵配套功率,kW;N;為水泵運行工況調度不合理,造成棄水量過(guò)多。泵站科學(xué)管理的優(yōu)化點(diǎn)軸功 率,kW;N;為水泵運行揚程,m;S;為水泵流.技術(shù)是指,在一定的時(shí)間內,按照--定的最優(yōu)準則,道阻力參數,s?/m';Qwmin、Qumax為水泵最小和最在滿(mǎn)足各個(gè)約束條件下，泵站運行目標函數達到最大抽水流量,m2/s。大或最小。由于梯級泵站是一個(gè)復雜系統,在優(yōu)化運該方程采用動(dòng)態(tài)規劃求解,即,確定機組號i為行過(guò)程中,還應充分考慮到環(huán)境資源、社會(huì )、經(jīng)濟等決策階段,決策變量為機組的運行流量Q(第i臺多方面因素1。筆者對單級泵站和梯級泵站優(yōu)化運機組所分配流量),狀態(tài)變量為機組編號順序累計提行研究狀況進(jìn)行概述，對泵站優(yōu)化運行的進(jìn)一步研水流量,指標函數為機組能耗,目標函數為泵站各究具有重要意義。機組能耗總和。根據最優(yōu)化原理，遞推方程為公式單級泵站優(yōu)化運行研究(2),狀態(tài)轉移方程為公式(3)。單級泵站的優(yōu)化運行是指,在總的供水量- -定的W:(Y,)=min[r(Q)+W-r(y-Q;)];情況下,確定各個(gè)階段最佳分配的供水流量,各個(gè)階| W.(y)=T;(Q1);段開(kāi)機的最佳組合及單泵最佳流量、運行工況。泵站| Qumin≤Q≤Qumax;(2)優(yōu)化運行的原則有2:耗能最少機組效率最高、提水效益最大、提水量最大、泵站運行成本最小。其目標函0=20;數的求解方法有動(dòng)態(tài)規劃法和大系統規劃法。Nu≤Neyr1.1單級泵站動(dòng)態(tài)規劃法y=Y_+Qi(3)1)汪安南P]提出以大型全調節軸流泵站運行費在動(dòng)態(tài)規劃的正向過(guò)程中，可得出機組最優(yōu)運行用最小為優(yōu)化目標,其目標函數如公式(1)所示。的曲線(xiàn)(Z=1,2,3,,n臺)及在各種工況下機組的最佳組合。在逆序分析中,可確定工作機組各運行流量。W=min20.98 1Q.Hm.(1)根據水泵流量和揚程,可得到泵葉片運行角度。式中:Q為第i臺水泵的運行流量(Q=0表示第2)程吉林等人4考慮峰谷電價(jià)和泵站下游水位中國煤化工收稿日期:2015-05-29MH.CNMHG作者簡(jiǎn)介:宋為威(1991-),男,江蘇鹽城人,碩士研究生,主要從事泵站工程及跨沉域調水專(zhuān)業(yè)時(shí)字習與研究工作。宋為威,等:泵站優(yōu)化運行研究及展望變幅,以單機運行費用最少為優(yōu)化目標,建立的目標Sm+1= -Sm,-Dmn(9)函數如公式(4)所示。決策變量為各時(shí)段水泵轉速。式中:Smm+1.Sm。為m泵站在n時(shí)段末和時(shí)段初約束條件為抽水總量的單機組變速優(yōu)化運行的動(dòng)態(tài)待分配水量;Dmn為m泵站n時(shí)段的抽水量;n=規劃,如公式(5)。1,2,3,.,N(N是研究時(shí)間被劃分的時(shí)段數)。優(yōu)化過(guò)程中，應滿(mǎn)足以下兩個(gè)約束條件:(1)狀minf=Zf=iegQ.(n)H ATP(4)態(tài)約束。研究的在運行期內不改變運行期之前所確定開(kāi)機的臺數，開(kāi)啟或停止些水泵運行只可以在下， E Q.(n;)OT;≥w.(總水量約束)5)一個(gè)運行期,從而避免頻繁啟閉操作。(2)決策約束。N:(n)≤N。(功率約束)B?.≤β,≤β式中:ff分別表示ld 、第i時(shí)段的運行電費;2梯級泵站優(yōu)化運行研究Q(n;)表示第i時(shí)段水泵流量;H;為第i時(shí)段時(shí)均揚梯級泵站的特點(diǎn)是:輸水線(xiàn)路長(cháng),沿線(xiàn)分水工況程;SN表示1d 分割的運行時(shí)段;OT;表示第i時(shí)段復雜,各站間流量、揚程緊密聯(lián)系,泵站的裝機功率劃分時(shí)間長(cháng);P表示第i時(shí)段分時(shí)電價(jià);W.表示下大、臺數多。梯級泵站優(yōu)化運行的研究主要有級間流達日提水量; nimu,n,m,n分別表示裝置效率、電量?jì)?yōu)化、水位優(yōu)化兩方面。機效率、傳動(dòng)效率、變頻效率。2.1梯級泵站動(dòng)態(tài)規劃法1.2單級泵站大系統動(dòng)態(tài)規劃法1)李繼珊等16根據多級泵站運行特點(diǎn),以各級馬文正、丘傳忻等15采用雙層動(dòng)態(tài)規劃的解法,泵站抽取單位水量消耗電能最少為目標，建立的目即大系統動(dòng)態(tài)規劃法確定調度的優(yōu)化決策。即,在未標函數如式( 10)和式(11)所示。來(lái)一段時(shí)間內,為達到運行費用最小,確定各類(lèi)水泵Fr-=minEF(n)= 2r .(1)(10)不同時(shí)間最優(yōu)葉片開(kāi)啟度及各泵站開(kāi)機的臺數。3600.Q.(n)1.2.1上層動(dòng)態(tài)規劃9.807Q.(n).H.(n)上層動(dòng)態(tài)規劃的目標函數為公式(6),其狀態(tài)轉P.(n)=-η,(n).n,(n).nm(n).no(n).η(n)移方程為公式(7)。9.807Q.(n).H,(n)(11)n,(n) .F=minf.(Sm,.)(6)式中:n,(n)、mm(n) η(n)、n:(n)、η6(n)分別為式中:F為泵站系統總運行成本:fm為m泵站各級泵站泵效率、電動(dòng)機效率、傳動(dòng)效率、進(jìn)水池效(m階段)成本。率、管路效率;n(n)為泵站效率。SmI=S..-Dm7)狀態(tài)變量H,(n)=({H",(n),H");(n) ,H),(n),-，式中:Sm為m泵站未分配抽水任務(wù)待分配水H";(n)}",決策變量q(n)={q'"(n),q"2(n),q")(n),量;Sm1為m泵站分擔抽水任務(wù)，需由m-1,m-2,.. ,q",(n)}"。.,M泵站分配的抽水量,Dm也是m階段以后待分系統方程為:H,(n+1)=T,[H,(n),q(n)]。其中，配的水量;Dm為m泵站分配的抽水量。(n)為n級干渠放水流量。同時(shí),優(yōu)化過(guò)程中,需要滿(mǎn)足以下兩種約束:(1)優(yōu)化過(guò)程中,應滿(mǎn)足以下約束條件:狀態(tài)約束。先確定狀態(tài)可行域,為避免對無(wú)效狀態(tài)可(1)Q.(n)=F[H:(n+1)](渠首特性方程);行性檢驗。(2)決策約束。QS≤D≤Qm或D,n=0。其(2)Q(n )=f[Ho(n)](泵站性能方程);中,QSm指m站一臺泵最小葉片角開(kāi)度研究期內抽(3)F[H:(n+1)]=f[H,(n)](泵站出水流量等于過(guò)水量;Qm為m站所有水泵最大葉片開(kāi)度工作研究期水渠首流量);內的總抽水量。(4)H.(n)=H:(n)-H,(n)(泵站凈揚程等于進(jìn)出1.2.2下層動(dòng)態(tài)規劃水池水位差);下層動(dòng)態(tài)規劃的目標函數為公式(8),其狀態(tài)轉(5)H,min(n)≤H,(n)≤H,max(n)(進(jìn)水池水位移方程為公式(9)。約束);(6)Hxmin(n)≤H(n)≤Hxmax(n)(出水池水位Cm=min > rm,(Sm, ,β,)8)中國煤化工式中:rm,為n時(shí)段m站一臺泵運行成本;B為(7)|q(n)ECHCNMHG約束)。其中，該時(shí)段水泵葉片開(kāi)啟角度。90(n)為各灌區谷時(shí)段而水沉量;H,max(n).H,min黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報2015年第3期(n)為n級泵站進(jìn)水池最高和最低水位;Hmax(n)、Ang]。Hxmin(n)為n級泵站出水池最高和最低水位。式中:H*sT表示K級泵站凈揚程;P,表示K級邊界條件:H,(1)=Ho(1); q(N) =qo(N)泵站第j臺泵管道特性條件;Cr,表示第K級泵站j遞推方程:F"[H,(n)]=_ min. {Fgo(n),H,(n)}+臺泵性能;Rn;表示第K級泵站第j臺泵與其他泵并聯(lián)情況;Angi表示表示泵站第1臺泵葉片角。F"[H,(n-1)]2.2梯級泵站大系統動(dòng)態(tài)規劃法式中:{Fq(n),H,(n}是在狀態(tài)H,(n)做出決策劉德祥等18]運用大系統優(yōu)化理論對多級泵站優(yōu)q(n)時(shí)消耗的提水費用;F"[H,(n)]表示采用最優(yōu)決化運行進(jìn)行分析，建立三層遞階結構的大系統分解策q"(n)時(shí){F;q(n),H,(n)}的最小值。協(xié)調、分解聚合模型。2)朱滿(mǎn)林等I7建立了級間無(wú)分水任務(wù)梯級泵站2.2.1 第一層子系統(站內)機組優(yōu)化模型優(yōu)化的動(dòng)態(tài)規劃模型，改善級間流量分配提高梯級該系統的系統方程為泵站效率、降低供水耗能。QZ(i,j ,h+1)=QZ(i,j ,k)+D(i,j,h) (14)他們以梯級泵站年耗能最少為目標建立的目標式中:QZ(i,j ,h:+1) QZ(i,j,k)表示前k及k-1函數為式(12)。臺機組提水流量的累積;D(i,j,k)表示第k臺機組提水流量。minJ=E J,，J=9.8r290.Hs(12).年Zn:}Z'kj以單位提水量能耗最小為優(yōu)化目標的目標函數式中:人表示K級泵站年耗電;ZuQx.Hj表為示K級泵站第J臺泵效率、流量、揚程;Z'j表示KF(i;j)=min| 2 NZ(i,j,k)>ED(i,j,h)) (15)級泵站第J臺泵電機效率;T表示總運行時(shí)間。系統方程為NZ(i,j ,k)=9.81D(i,j ,k)(H(ij)+Qun=Q+QS_r,+QW-(13)S(i,j,h)D(i,j,k))/(nwnonw) (16)式中:QS表示第K級和第K-1級泵站間的式中:S(ij,h)表示機組管路阻力系數;H(ij)水量損失,主要包含渠道蒸發(fā)和滲漏;QWu-表示第表示泵站凈揚程;NZ(i,j,k)表示輸入功率;Mη心、K-1級泵站產(chǎn)生的棄水量。η;表示k臺機組水泵效率、傳動(dòng)效率、電機效率。遞推方程為優(yōu)化過(guò)程中,應滿(mǎn)足以下約束條件:fs(Q"8,D"?)=Js(Q"8,D"8),(1) ZS(ij)=ZG(QW(i,j))(出水池水 位與流f-(Q("-x)D"2-=)=min[J-(Q"1-,D2)_1)+量約束);fe(Q°%,D")],D°)∈. M_,D°2∈M;(2)QW(;j)= 2 D(i,j,k)(泵站總流量約束)。f(Q"),D")=min[J(Q"),D")+f2(Q"2,D"2)], .D°l∈M,D°2∈M22.2.2第二 層分系統(多級泵站與概化泵站)優(yōu)化模(1)QQ.≤QQ°l≤QN:(h=8, 7,--,1)式中:QQ= min [J*):Q°l≥QR;];QW(i,j+1)=QW(i,j)na(i,j)-DF(ij) (17)式中:na(i,j)表示第i分系統第j級干渠水利用QN={Q2):J")=min [J°λ≥QR]}(可選方案的約系數。以經(jīng)濟效益最大化=供水效益-供水成本為優(yōu)束條件);化目標建立的目標函數為QRs表示第K級泵站應供給的流量;X6表示第FD(i)=max5 ((i,j)L(ij)-C.nNZZ(i.j))K級泵站開(kāi)機方案。QW(i,j)(18)(2)Qk= 2 Qu;(流量約束)。式中:ce(i,j)表示單位供水經(jīng)濟利益;Cu表示電(3)Qu-≥Q+QS-+,(K-8,2)(流量連續性費單價(jià);NZZ(i,j)表示第j級泵站單位時(shí)間總耗能,約束)。(4)H.j=h[H'sr,Puj,Ci.,R.J,Qu.=q[Hsr,P,Cj,N2Z(.j)=2中國煤化工JYHCNMHGR: ;];H,;=hz[H's,P.,G1s,Ang],QIj=qz[Hsr,Ps,Gus,優(yōu)化過(guò)程中,應兩足以卜約束條件:宋為威,等;泵站優(yōu)化運行研究及展望(1)QS(i,j)≤QW (ij)≤QSm(i,j),QW(i,j)≤作為水資源系統的重要環(huán)節，對泵站優(yōu)化運行研究QW(i,j-1)(狀態(tài)約束);更應該從水資源大系統全面考慮。梯級泵站優(yōu)化運(2)DF(i,j)≥DG(i,j)或DF(i ,j)=0,DF(i,j)≤.行研究將隨著(zhù)我國跨流域和跨區域調水的運行而具DF(i,j)(決策約束);有更重要的意義。(3)Z(i,j)≤ZZ(i,j)≤Zm(i,j)(干渠水位約束);(4)QW (i,1)=W (i),QW (i,M+1)=0(邊界約參考文獻:[1] 賈仁甫,金明宇,王紅,等.國內泵站優(yōu)化調度研究的發(fā)展2.2.3第三 層(泵站群)優(yōu)化大系統協(xié)調模型現狀[J].河南科技大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2005 ,26(6): .以系統經(jīng)濟效益最大為優(yōu)化目標建立的目標函[2] 袁堯,劉超.蟻群算法在泵站單機組優(yōu)化運行中的應用[].數為.水力發(fā)電學(xué)報,2013,32(1):263.FS=min > FD(i)W(i)t(19)[3]汪安南,伍杰.大型軸流泵站最優(yōu)運行方式探討[J].農田水利與小水電,1993(11);:36-38.式中:t表示一次灌溉時(shí)間。[4]程吉林,張禮華,張仁田,等.泵站單機組變速運行優(yōu)化方優(yōu)化過(guò)程中,應滿(mǎn)足以下約束條件:法研究[]農業(yè)機械學(xué)報,2010,41(3):72-73.(1)W(i)≤QW(i)(最大提水能力約束);[5] 馬文正,丘傳忻,賀貴明.泵站運行的優(yōu)化調度[].水利學(xué)(2)W(i)≤QD(i ,SW(i))(引水渠過(guò)水能力約報, 1993(11):35-37.束);[6] 李繼珊,劉光臨,潘為平.多級泵站的優(yōu)化調度及經(jīng)濟運行研究[].水利學(xué)報，1992(12):18-23.(3)SW (3)=ZZ4 (SW (4),W (4)) ,SW (2) =ZZs(SW(3), W(3)),SW(1)=ZZ2(SW(2),W(2)),(取水[7] 朱滿(mǎn)林,楊曉東,張言禾.梯級泵站優(yōu)化調度研究[]西安理工大學(xué)學(xué)報1999, 15(1):67-70.口耦合約束);[8] 劉德祥,何忠人,鄭玉春,等.大崗坡一石臺寺多級泵站群(4)W(i)≥0(決策變量非負約束)。優(yōu)化調度模型研究[].水電能源科學(xué),1995, 13(4):236-3結語(yǔ)239.隨著(zhù)最優(yōu)化理論和方法的完善,遺傳算法、神經(jīng).[責任編輯楊明慶]網(wǎng)絡(luò )等計算方法將運用于泵站的優(yōu)化運行中。泵站Research and Outlook on Pumping Station Optimal OperationSONG Wei-wei, ZHOU Ji-ren, ZHOU Wen-shu(Yangzhou University, Y angzhou 225009, Jiangsu, China)Abstract: With the development of pumping station engineering, the optimal operation research has reacheda new level. The optimal operation of single-stage and multi-step pumping station are studied. The modelis built by using dynamic programming method, large -scale system dynamic programming method andlarge -scale system decompose -coordinate technology. The more comprehensive constraint condition makesthe mathematic model more preciseness.Key Words: Single -stage pumping station; multi - -step pumping station; optimal operation; dynamicprogramming method; large- -scale system dynamic programming method中國煤化工MYHCNMH G13