泵站优化运行研究及展望

第27卷第3期黄河水利职业技术学院学报Vol.27 No.32015年7月Journal of Y ellow River Conservancy Technical InstituteJul.2015泵站优化运行研究及展望宋为威,周济人,周文书(扬州大学水利与能源动力工程学院,江苏扬州225009)摘要:随着泵站工程的不断发展,其优化运行也逐渐进入深层次的研究。对单级泵站及梯级泵站优化运行研究,用动态规划法、大系统动态规划法及大系统分解协调技术建立模型,较为全面的约束条件使得数学模型更为严谨。关键词:单级泵站;梯级泵站:优化运行;动态规划法;大系统动态规划法中图分类号:TV675文献标识码:A文章编号: 1008- 486X(2015 )03- -0010-040引言i台机组不投入运行,i=1,2,3... ,n),m2/s;H 为泵站中国有着广袤的平原、河网、圩区,分布着50多净扬程,m;η;为第i台水泵的运行效率。万座泵站抗御洪水干旱等自然灾害。随着泵站工程的规模扩大和复杂程度的提高，泵站运行管理也越同时，需满足以下约束:(1)Q.=Z0. (流量约来越重要。长期以来,泵站的现场运行多依据经验来束); (2)Qumin≤Q:≤Qwmax (单泵抽水能力约束);调节,因而泵站机组难以在效率最高的工况下运行，(3)N.H≤Nq.(功率约束);(4)H;=H+S,Q3(扬程约束)。从而造成了大量的电能损失。或者是,由于泵站运行其中,Nuu为水泵配套功率,kW;N;为水泵运行工况调度不合理,造成弃水量过多。泵站科学管理的优化点轴功 率,kW;N;为水泵运行扬程,m;S;为水泵流.技术是指,在一定的时间内,按照--定的最优准则,道阻力参数,s?/m';Qwmin、Qumax为水泵最小和最在满足各个约束条件下，泵站运行目标函数达到最大抽水流量,m2/s。大或最小。由于梯级泵站是一个复杂系统,在优化运该方程采用动态规划求解,即,确定机组号i为行过程中,还应充分考虑到环境资源、社会、经济等决策阶段,决策变量为机组的运行流量Q(第i台多方面因素1。笔者对单级泵站和梯级泵站优化运机组所分配流量),状态变量为机组编号顺序累计提行研究状况进行概述，对泵站优化运行的进一步研水流量,指标函数为机组能耗,目标函数为泵站各究具有重要意义。机组能耗总和。根据最优化原理，递推方程为公式单级泵站优化运行研究(2),状态转移方程为公式(3)。单级泵站的优化运行是指,在总的供水量- -定的W:(Y,)=min[r(Q)+W-r(y-Q;)];情况下,确定各个阶段最佳分配的供水流量,各个阶| W.(y)=T;(Q1);段开机的最佳组合及单泵最佳流量、运行工况。泵站| Qumin≤Q≤Qumax;(2)优化运行的原则有2:耗能最少机组效率最高、提水效益最大、提水量最大、泵站运行成本最小。其目标函0=20;数的求解方法有动态规划法和大系统规划法。Nu≤Neyr1.1单级泵站动态规划法y=Y_+Qi(3)1)汪安南P]提出以大型全调节轴流泵站运行费在动态规划的正向过程中，可得出机组最优运行用最小为优化目标,其目标函数如公式(1)所示。的曲线(Z=1,2,3,,n台)及在各种工况下机组的最佳组合。在逆序分析中,可确定工作机组各运行流量。W=min20.98 1Q.Hm.(1)根据水泵流量和扬程,可得到泵叶片运行角度。式中:Q为第i台水泵的运行流量(Q=0表示第2)程吉林等人4考虑峰谷电价和泵站下游水位中国煤化工收稿日期:2015-05-29MH.CNMHG作者简介:宋为威(1991-),男,江苏盐城人,硕士研究生,主要从事泵站工程及跨沉域调水专业时字习与研究工作。宋为威,等:泵站优化运行研究及展望变幅,以单机运行费用最少为优化目标,建立的目标Sm+1= -Sm,-Dmn(9)函数如公式(4)所示。决策变量为各时段水泵转速。式中:Smm+1.Sm。为m泵站在n时段末和时段初约束条件为抽水总量的单机组变速优化运行的动态待分配水量;Dmn为m泵站n时段的抽水量;n=规划,如公式(5)。1,2,3,.,N(N是研究时间被划分的时段数)。优化过程中，应满足以下两个约束条件:(1)状minf=Zf=iegQ.(n)H ATP(4)态约束。研究的在运行期内不改变运行期之前所确定开机的台数，开启或停止些水泵运行只可以在下， E Q.(n;)OT;≥w.(总水量约束)5)一个运行期,从而避免频繁启闭操作。(2)决策约束。N:(n)≤N。(功率约束)B↔.≤β,≤β式中:ff分别表示ld 、第i时段的运行电费;2梯级泵站优化运行研究Q(n;)表示第i时段水泵流量;H;为第i时段时均扬梯级泵站的特点是:输水线路长,沿线分水工况程;SN表示1d 分割的运行时段;OT;表示第i时段复杂,各站间流量、扬程紧密联系,泵站的装机功率划分时间长;P表示第i时段分时电价;W.表示下大、台数多。梯级泵站优化运行的研究主要有级间流达日提水量; nimu,n,m,n分别表示装置效率、电量优化、水位优化两方面。机效率、传动效率、变频效率。2.1梯级泵站动态规划法1.2单级泵站大系统动态规划法1)李继珊等16根据多级泵站运行特点,以各级马文正、丘传忻等15采用双层动态规划的解法,泵站抽取单位水量消耗电能最少为目标，建立的目即大系统动态规划法确定调度的优化决策。即,在未标函数如式( 10)和式(11)所示。来一段时间内,为达到运行费用最小,确定各类水泵Fr-=minEF(n)= 2r .(1)(10)不同时间最优叶片开启度及各泵站开机的台数。3600.Q.(n)1.2.1上层动态规划9.807Q.(n).H.(n)上层动态规划的目标函数为公式(6),其状态转P.(n)=-η,(n).n,(n).nm(n).no(n).η(n)移方程为公式(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)分别为式中:F为泵站系统总运行成本:fm为m泵站各级泵站泵效率、电动机效率、传动效率、进水池效(m阶段)成本。率、管路效率;n(n)为泵站效率。SmI=S..-Dm7)状态变量H,(n)=({H",(n),H");(n) ,H),(n),-，式中:Sm为m泵站未分配抽水任务待分配水H";(n)}",决策变量q(n)={q'"(n),q"2(n),q")(n),量;Sm1为m泵站分担抽水任务，需由m-1,m-2,.. ,q",(n)}"。.,M泵站分配的抽水量,Dm也是m阶段以后待分系统方程为:H,(n+1)=T,[H,(n),q(n)]。其中，配的水量;Dm为m泵站分配的抽水量。(n)为n级干渠放水流量。同时,优化过程中,需要满足以下两种约束:(1)优化过程中,应满足以下约束条件:状态约束。先确定状态可行域,为避免对无效状态可(1)Q.(n)=F[H:(n+1)](渠首特性方程);行性检验。(2)决策约束。QS≤D≤Qm或D,n=0。其(2)Q(n )=f[Ho(n)](泵站性能方程);中,QSm指m站一台泵最小叶片角开度研究期内抽(3)F[H:(n+1)]=f[H,(n)](泵站出水流量等于过水量;Qm为m站所有水泵最大叶片开度工作研究期水渠首流量);内的总抽水量。(4)H.(n)=H:(n)-H,(n)(泵站净扬程等于进出1.2.2下层动态规划水池水位差);下层动态规划的目标函数为公式(8),其状态转(5)H,min(n)≤H,(n)≤H,max(n)(进水池水位移方程为公式(9)。约束);(6)Hxmin(n)≤H(n)≤Hxmax(n)(出水池水位Cm=min > rm,(Sm, ,β,)8)中国煤化工式中:rm,为n时段m站一台泵运行成本;B为(7)|q(n)ECHCNMHG约束)。其中，该时段水泵叶片开启角度。90(n)为各灌区谷时段而水沉量;H,max(n).H,min黄河水利职业技术学院学报2015年第3期(n)为n级泵站进水池最高和最低水位;Hmax(n)、Ang]。Hxmin(n)为n级泵站出水池最高和最低水位。式中:H*sT表示K级泵站净扬程;P,表示K级边界条件:H,(1)=Ho(1); q(N) =qo(N)泵站第j台泵管道特性条件;Cr,表示第K级泵站j递推方程:F"[H,(n)]=_ min. {Fgo(n),H,(n)}+台泵性能;Rn;表示第K级泵站第j台泵与其他泵并联情况;Angi表示表示泵站第1台泵叶片角。F"[H,(n-1)]2.2梯级泵站大系统动态规划法式中:{Fq(n),H,(n}是在状态H,(n)做出决策刘德祥等18]运用大系统优化理论对多级泵站优q(n)时消耗的提水费用;F"[H,(n)]表示采用最优决化运行进行分析，建立三层递阶结构的大系统分解策q"(n)时{F;q(n),H,(n)}的最小值。协调、分解聚合模型。2)朱满林等I7建立了级间无分水任务梯级泵站2.2.1 第一层子系统(站内)机组优化模型优化的动态规划模型，改善级间流量分配提高梯级该系统的系统方程为泵站效率、降低供水耗能。QZ(i,j ,h+1)=QZ(i,j ,k)+D(i,j,h) (14)他们以梯级泵站年耗能最少为目标建立的目标式中:QZ(i,j ,h:+1) QZ(i,j,k)表示前k及k-1函数为式(12)。台机组提水流量的累积;D(i,j,k)表示第k台机组提水流量。minJ=E J,，J=9.8r290.Hs(12).年Zn:}Z'kj以单位提水量能耗最小为优化目标的目标函数式中:人表示K级泵站年耗电;ZuQx.Hj表为示K级泵站第J台泵效率、流量、扬程;Z'j表示KF(i;j)=min| 2 NZ(i,j,k)>ED(i,j,h)) (15)级泵站第J台泵电机效率;T表示总运行时间。系统方程为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级和第K-1级泵站间的式中:S(ij,h)表示机组管路阻力系数;H(ij)水量损失,主要包含渠道蒸发和渗漏;QWu-表示第表示泵站净扬程;NZ(i,j,k)表示输入功率;Mη心、K-1级泵站产生的弃水量。η;表示k台机组水泵效率、传动效率、电机效率。递推方程为优化过程中,应满足以下约束条件:fs(Q"8,D"?)=Js(Q"8,D"8),(1) ZS(ij)=ZG(QW(i,j))(出水池水 位与流f-(Q("-x)D"2-=)=min[J-(Q"1-,D2)_1)+量约束);fe(Q°%,D")],D°)∈. M_,D°2∈M;(2)QW(;j)= 2 D(i,j,k)(泵站总流量约束)。f(Q"),D")=min[J(Q"),D")+f2(Q"2,D"2)], .D°l∈M,D°2∈M22.2.2第二 层分系统(多级泵站与概化泵站)优化模(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分系统第j级干渠水利用QN={Q2):J")=min [J°λ≥QR]}(可选方案的约系数。以经济效益最大化=供水效益-供水成本为优束条件);化目标建立的目标函数为QRs表示第K级泵站应供给的流量;X6表示第FD(i)=max5 ((i,j)L(ij)-C.nNZZ(i.j))K级泵站开机方案。QW(i,j)(18)(2)Qk= 2 Qu;(流量约束)。式中:ce(i,j)表示单位供水经济利益;Cu表示电(3)Qu-≥Q+QS-+,(K-8,2)(流量连续性费单价;NZZ(i,j)表示第j级泵站单位时间总耗能,约束)。(4)H.j=h[H'sr,Puj,Ci.,R.J,Qu.=q[Hsr,P,Cj,N2Z(.j)=2中国煤化工JYHCNMHGR: ;];H,;=hz[H's,P.,G1s,Ang],QIj=qz[Hsr,Ps,Gus,优化过程中,应两足以卜约束条件:宋为威,等;泵站优化运行研究及展望(1)QS(i,j)≤QW (ij)≤QSm(i,j),QW(i,j)≤作为水资源系统的重要环节，对泵站优化运行研究QW(i,j-1)(状态约束);更应该从水资源大系统全面考虑。梯级泵站优化运(2)DF(i,j)≥DG(i,j)或DF(i ,j)=0,DF(i,j)≤.行研究将随着我国跨流域和跨区域调水的运行而具DF(i,j)(决策约束);有更重要的意义。(3)Z(i,j)≤ZZ(i,j)≤Zm(i,j)(干渠水位约束);(4)QW (i,1)=W (i),QW (i,M+1)=0(边界约参考文献:[1] 贾仁甫,金明宇,王红,等.国内泵站优化调度研究的发展2.2.3第三 层(泵站群)优化大系统协调模型现状[J].河南科技大学学报:自然科学版,2005 ,26(6): .以系统经济效益最大为优化目标建立的目标函[2] 袁尧,刘超.蚁群算法在泵站单机组优化运行中的应用[].数为.水力发电学报,2013,32(1):263.FS=min > FD(i)W(i)t(19)[3]汪安南,伍杰.大型轴流泵站最优运行方式探讨[J].农田水利与小水电,1993(11);:36-38.式中:t表示一次灌溉时间。[4]程吉林,张礼华,张仁田,等.泵站单机组变速运行优化方优化过程中,应满足以下约束条件:法研究[]农业机械学报,2010,41(3):72-73.(1)W(i)≤QW(i)(最大提水能力约束);[5] 马文正,丘传忻,贺贵明.泵站运行的优化调度[].水利学(2)W(i)≤QD(i ,SW(i))(引水渠过水能力约报, 1993(11):35-37.束);[6] 李继珊,刘光临,潘为平.多级泵站的优化调度及经济运行研究[].水利学报，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] 朱满林,杨晓东,张言禾.梯级泵站优化调度研究[]西安理工大学学报1999, 15(1):67-70.口耦合约束);[8] 刘德祥,何忠人,郑玉春,等.大岗坡一石台寺多级泵站群(4)W(i)≥0(决策变量非负约束)。优化调度模型研究[].水电能源科学,1995, 13(4):236-3结语239.随着最优化理论和方法的完善,遗传算法、神经.[责任编辑杨明庆]网络等计算方法将运用于泵站的优化运行中。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中国煤化工MYHCNMH G13