多級(jí)泵站優(yōu)化調(diào)度問題研究-1

1、多級(jí)泵站優(yōu)化調(diào)度問題研究論文導(dǎo)讀：能反映多級(jí)泵站優(yōu)化運(yùn)行調(diào)度的準(zhǔn)那么很多。優(yōu)化調(diào)度模型的建立。上述模型可由動(dòng)態(tài)規(guī)劃求解出各級(jí)站的最優(yōu)開機(jī)組合。運(yùn)用數(shù)學(xué)模型找到最優(yōu)的運(yùn)行組合。動(dòng)態(tài)規(guī)劃，多級(jí)泵站優(yōu)化調(diào)度問題研究。關(guān)鍵詞：多級(jí)泵站，優(yōu)化調(diào)度，動(dòng)態(tài)規(guī)劃，數(shù)學(xué)模型1. 前言隨著工業(yè)生產(chǎn)力的提高, 水泵廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門，供水系統(tǒng)的規(guī)模也在不斷擴(kuò)大,復(fù)雜性也隨之提高。碩士論文，動(dòng)態(tài)規(guī)劃。正是水泵的廣泛應(yīng)用,使得水泵的能耗約占全國(guó)總能耗的21%【1】。傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)調(diào)度方式能耗浪費(fèi)甚大,已不能適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)開展的需要。對(duì)泵站進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度是提高泵站工程經(jīng)濟(jì)效益的重要途徑。如果采用優(yōu)化調(diào)度,不僅能節(jié)省大量

2、能源,而且使管網(wǎng)能在合理的狀態(tài)下運(yùn)行,既保證泵站供水的要求,也使壓力更為合理。面對(duì)日益復(fù)雜的供水系統(tǒng),如何在滿足供水水量、水壓及水質(zhì)要求的前提下,最大限度地提高泵站供水系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,是擺在所有泵站供水部門面前的重要課題。2. 調(diào)度方法國(guó)外自20世紀(jì)60年代起就開始了以計(jì)算機(jī)作為供水系統(tǒng)輔助調(diào)度管理的探索,如美國(guó)的費(fèi)城、丹佛及加拿大的多倫多等城市,就是采用遙測(cè)設(shè)備將管網(wǎng)中控制點(diǎn)的壓力、水廠出廠壓力、出廠流量、水位、功率及溫度等實(shí)際運(yùn)行參數(shù)自動(dòng)適時(shí)地傳送到中心調(diào)度室,并對(duì)超?，F(xiàn)象作出自動(dòng)報(bào)警,依此作為控制人員實(shí)際操作的依據(jù)。目前在美國(guó)、英國(guó)、日本、法國(guó)等地的一些城市已根本上實(shí)現(xiàn)了供水系

3、統(tǒng)的計(jì)算機(jī)優(yōu)化調(diào)度管理,并編制了一些較通用的調(diào)度管理軟件,如英國(guó)及美國(guó)的OPWAD等。國(guó)內(nèi)的許多專家、學(xué)者從20世紀(jì)70年代起,開始嘗試將計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于泵站供水系統(tǒng)的模擬、優(yōu)化設(shè)計(jì)及水廠水質(zhì)控制等方面。碩士論文，動(dòng)態(tài)規(guī)劃。在供水系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度管理方面也進(jìn)行了一些有益的探索和嘗試,制作了一些應(yīng)用軟件,如WNW等,并在大慶、鄭州、濟(jì)南、深圳、廣州等地進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用。但由于國(guó)內(nèi)設(shè)備條件及技術(shù)手段的限制,能在供水的可靠性及經(jīng)濟(jì)性方面都較成功的實(shí)例尚不多見。隨著科技水平的開展及人類對(duì)供水要求的不斷提高,建立供水系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)是供水行業(yè)開展的必然趨勢(shì)。2.1用水量預(yù)測(cè)方法用水量預(yù)測(cè)是優(yōu)化調(diào)度的第一步工

4、作,實(shí)際調(diào)度控制中,主要需進(jìn)行日用水量和時(shí)用水量的預(yù)測(cè)。預(yù)測(cè)的方法一般分為兩類:(1)解釋性預(yù)測(cè)方法,即回歸分析方法。(2)時(shí)間序列分析方法.2.2建立泵站供水系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分析模型國(guó)內(nèi)外在供水系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)建模方面進(jìn)行了大量研究,歸納起來可分為宏觀模型【2】和微觀模型。前者是由美國(guó)學(xué)者在1975年提出,之后國(guó)內(nèi)許多學(xué)者致力于這項(xiàng)研究,如國(guó)內(nèi)的孫偉、王訓(xùn)劍【3】 及趙洪賓【4】、趙新華【5】等。這類模型的主要思想是,利用獲取的幾種重要的管網(wǎng)參數(shù)(如測(cè)壓點(diǎn)壓力、泵站出口壓力、泵站出水量、水池水位及系統(tǒng)用水量等),以統(tǒng)計(jì)分析理論為根底,建立系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分析模型【6】,因此其使用也受到一定局限。2.3調(diào)度決策方法

5、優(yōu)化【7】調(diào)度的最后環(huán)節(jié)就是建立優(yōu)化調(diào)度模型用以確定優(yōu)化運(yùn)行的決策變量值,其目的就是在滿足系統(tǒng)約束的前提下,使運(yùn)行費(fèi)用最小。碩士論文，動(dòng)態(tài)規(guī)劃。2.4尋優(yōu)方式根據(jù)決策變量的選取,可分為直接尋優(yōu)和二級(jí)尋優(yōu)。(1)直接尋優(yōu)。碩士論文，動(dòng)態(tài)規(guī)劃。該法以水泵運(yùn)行策略作為決策變量,即以水泵啟閉量(恒速泵)或水泵轉(zhuǎn)速(調(diào)速泵)為決策變量,模型計(jì)算結(jié)果,直接計(jì)算周期內(nèi)水泵優(yōu)化運(yùn)行方式;(2)二級(jí)尋優(yōu)。以泵站出口流量或水池水位作為決策變量。泵站出口流量作為決策變量時(shí),計(jì)算結(jié)果是調(diào)度各時(shí)段各泵站的流量分配;以水池水位作為決策變量時(shí),計(jì)算結(jié)果是調(diào)度周期內(nèi)水池水位變化軌跡。以確定水泵運(yùn)行策略。上述兩種尋優(yōu)方式目前應(yīng)

6、用比擬廣泛,一般來講,對(duì)于泵站內(nèi)水泵組合數(shù)較少,缺少調(diào)速泵即泵站內(nèi)可調(diào)余地較小的系統(tǒng),適宜采用直接尋優(yōu)方式,將全系統(tǒng)各泵站中所有水泵的性能、狀態(tài)統(tǒng)一考慮、協(xié)調(diào),通過整體尋優(yōu),確定最正確運(yùn)行方案。孫偉、趙洪賓、趙新華等都作了許多有益的探討。而對(duì)于供水系統(tǒng)規(guī)模大,泵站多,可調(diào)余地大,供水方式較為復(fù)雜的情況,宜采用二級(jí)尋優(yōu),將問題分解。首先一級(jí)尋優(yōu)求出各泵站間的流量分配或各水池水位的變化軌跡,然后調(diào)節(jié)泵站內(nèi)的水泵組合或水泵轉(zhuǎn)速,確定泵站的調(diào)度運(yùn)行方案。碩士論文，動(dòng)態(tài)規(guī)劃。根據(jù)所建模型的不同,可采用不同的優(yōu)化算法目前主要采用的有:動(dòng)態(tài)規(guī)劃法;非線性規(guī)劃法;混合離散變量法。對(duì)單水池或兩水池供水系統(tǒng),宜采

7、用動(dòng)態(tài)規(guī)劃計(jì)算出水池的變化軌跡及最終的調(diào)度策略,這種方法一般是將調(diào)度周期(通常為24h)分成有限的幾個(gè)時(shí)段,以水池水位為決策變量,據(jù)此建立狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程及性能指標(biāo)函數(shù),進(jìn)而求得水位變化的最優(yōu)策略。3. 優(yōu)化調(diào)度模型的建立在一定流量和揚(yáng)程運(yùn)行工況下，泵站機(jī)組的運(yùn)行臺(tái)數(shù)、機(jī)組型號(hào)可能有假設(shè)干不同的組合，對(duì)應(yīng)總功率不同，每種組合的能耗必然不同，但是肯定存在最經(jīng)濟(jì)運(yùn)行組合，運(yùn)用數(shù)學(xué)模型找到最優(yōu)的運(yùn)行組合，對(duì)機(jī)組進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，提高泵站的運(yùn)行效率，以到達(dá)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目的。3.1參數(shù)確實(shí)定階段變量：按機(jī)組序號(hào)劃分，用k表示階段序號(hào)。K=1、2、3、4泵站的總裝機(jī)臺(tái)數(shù)為4臺(tái)。狀態(tài)變量：投入運(yùn)行的機(jī)組臺(tái)數(shù)，應(yīng)根據(jù)實(shí)

8、際流量確定。用表示。決策變量：由于工況不可調(diào)，流量一定，所以對(duì)于每臺(tái)機(jī)組只有兩種情況：開機(jī)和停機(jī)，假設(shè)決策開機(jī)，那么流量等于恒值，不開機(jī)流量等于零。用表示。狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程：為開機(jī)臺(tái)數(shù)的轉(zhuǎn)移3.2目標(biāo)函數(shù)確實(shí)定能反映多級(jí)泵站優(yōu)化運(yùn)行調(diào)度的準(zhǔn)那么很多，本文選用能耗指標(biāo)作為橫溝多級(jí)泵站運(yùn)行調(diào)度的重要指標(biāo)之一。式中：為泵站的能耗，kw；J為第j級(jí)泵站n為第j級(jí)泵站裝機(jī)臺(tái)數(shù)；取值為1或0，開機(jī)時(shí)取1，停機(jī)時(shí)取0；水的容重，=9.81kg/m3；第i臺(tái)水泵流量，m3/s第i臺(tái)水泵揚(yáng)程，m第i臺(tái)水泵的效率。碩士論文，動(dòng)態(tài)規(guī)劃。3.3約束條件1泵站總流量平衡約束該泵站設(shè)計(jì)提水流量2最大開機(jī)臺(tái)數(shù)約束為j級(jí)泵站的開

9、機(jī)臺(tái)數(shù)，n為j即泵站的裝機(jī)臺(tái)數(shù)。4 模型驗(yàn)證4.1 站內(nèi)機(jī)組的優(yōu)選給定了j級(jí)泵站的提水流量Qj,有約束于 NjWj上述模型可由動(dòng)態(tài)規(guī)劃求解出各級(jí)站的最優(yōu)開機(jī)組合。5.工程實(shí)例驗(yàn)證吳堡工業(yè)園區(qū)位于吳堡縣城以北，黃河以西，沿黃河呈長(zhǎng)條形南北方向展布，南起縣城，北至丁家灣鄉(xiāng)，西至寇家塬慕家塬一線。本次供水工程主要解決寇家塬居民區(qū)生活用水以及李家塔、后王家山兩個(gè)工業(yè)園區(qū)的用水。整個(gè)工程區(qū)跨越范圍南北長(zhǎng)約20公里，東西寬2-5.5公里。工程區(qū)為丘陵、階地和河漫灘等地質(zhì)構(gòu)造，丘陵起伏，溝壑縱橫，河谷深切的地貌特征。工程區(qū)地面高程為640-1030米。工程規(guī)劃從黃河沿岸打滲井取水，通過管道、加壓泵站將水輸送

10、至需水區(qū)。本論文研究的線路為橫溝水源地到慕家塬高位水池一段。多為丘陵、階地和河漫灘等地質(zhì)構(gòu)造，丘陵起伏，溝壑縱橫，河谷深切等地貌特征。線路地面高差為380米。由于吳堡工業(yè)園區(qū)供水系統(tǒng)這個(gè)工程處于可研階段，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)缺乏，本模型驗(yàn)證只能采用設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化橫溝到慕家塬三級(jí)泵站的最優(yōu)開機(jī)方案，并與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比擬，得到優(yōu)化結(jié)果。優(yōu)化前的數(shù)據(jù)如下表所示：表 1 各級(jí)泵站優(yōu)化前數(shù)據(jù)表 泵站序號(hào) 泵站總流量m3/s 泵站揚(yáng)程m 裝機(jī)臺(tái)數(shù) 機(jī)組型號(hào) 機(jī)組功率kw 能耗kw 一級(jí) 0.737 125.02 4 SLOW200-600lA 450 432 二級(jí) 0.737 111.21 4 SLOW200-600lA 450 432 三級(jí) 0.737 132.85 4 SLOW200-600 400 336 計(jì)算過程運(yùn)用Flex語(yǔ)言編程進(jìn)行求解，采用可視化界面，對(duì)各級(jí)泵站進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。以下三幅圖為各級(jí)泵站優(yōu)化運(yùn)行結(jié)果。圖1 一級(jí)泵站優(yōu)化計(jì)算圖2 二級(jí)泵站優(yōu)化計(jì)算圖3 三級(jí)泵站優(yōu)化計(jì)算將優(yōu)化運(yùn)行的結(jié)果用表格形式列出，如下表所示：表2 各級(jí)泵站優(yōu)化后計(jì)算表 泵站序號(hào) 單泵流量m3/s 泵站揚(yáng)程m 開機(jī)臺(tái)數(shù) 能耗kw 一 級(jí) 0.245 125.02 3 375.6 二 級(jí) 0.184 111.21 4 244.8 三 級(jí) 0.184 132.85 4 292.44