泵站優(yōu)化調(diào)度研究

泵站優(yōu)化調(diào)度研究

0泵站的優(yōu)化調(diào)度目前，中國有50多個以上的固定站，機械排水總面積超過0.33億公頃。在省、區(qū)等地，許多樞紐工程已經(jīng)完成，一些流域引水工程也相繼完成。在規(guī)劃實施階段。隨著泵站工程規(guī)模的擴大和復雜程度的提高,泵站的運行調(diào)度管理也越來越顯現(xiàn)出它的重要性。多年來泵站實際運行多根據(jù)主觀經(jīng)驗進行,致使許多泵站機組沒有在最優(yōu)工況下運行,造成大量電能損失,或者泵站運行調(diào)度不合理,造成棄水量過多等。提高泵站運行的經(jīng)濟效益和社會效益,優(yōu)化泵站運行已成為一個重要問題。泵站的優(yōu)化調(diào)度主要是研究泵站科學管理的優(yōu)化技術(shù)和調(diào)度決策,即在一定時期內(nèi),按照一定的最優(yōu)準則,在滿足各種約束條件的前提下,使泵站運行的目標函數(shù)達到最大或最小。泵站尤其是梯級泵站是一個復雜的系統(tǒng),在優(yōu)化調(diào)度當中應考慮社會、經(jīng)濟、環(huán)境、資源、政策等多方面的因素。根據(jù)泵站運行的不同要求,其優(yōu)化調(diào)度的目標也不同,如泵站的用途不同,有灌溉排水、城市供水、撇洪排澇和區(qū)域調(diào)水等,泵站所在地的自然條件不同,如氣候、降雨和地形等。因此泵站的優(yōu)化調(diào)度目標有棄水量最小、能耗最小和國民經(jīng)濟效益最大等。由于泵站機組類型的不同,優(yōu)化調(diào)度的調(diào)節(jié)方式也不同,如對于離心泵來說,主要是調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速,對于軸流泵,主要是通過調(diào)節(jié)葉片來調(diào)節(jié)流量。因此泵站的優(yōu)化調(diào)度是一個復雜的綜合性問題。本文對我國泵站優(yōu)化調(diào)度研究的現(xiàn)狀進行了綜述,并對其發(fā)展前景進行了展望。1數(shù)學模型與優(yōu)化調(diào)度對泵站優(yōu)化調(diào)度的研究最先是從對單級泵站開始的,由于在同一水位的并聯(lián)泵站可看作同一泵站不同機組的組合,因此,并聯(lián)泵站也可看作單級泵站。泵站優(yōu)化調(diào)度是以運籌學為理論基礎,利用現(xiàn)代計算技術(shù)和最優(yōu)化方法,尋求滿足調(diào)度原則的最優(yōu)調(diào)度方式或方案。由美國數(shù)學家貝爾曼(R·Bellman)等人創(chuàng)建的動態(tài)規(guī)劃方法是最優(yōu)化技術(shù)中適用范圍最廣的基本數(shù)學方法之一,可用于分析系統(tǒng)的多階段決策過程,以求得整個系統(tǒng)的最優(yōu)決策方案,因此目前大部分的優(yōu)化調(diào)度都采用這種方法。文獻應用系統(tǒng)分析的思想,從農(nóng)田排灌系統(tǒng)的全局出發(fā),探討了機電排灌運行能耗數(shù)量最少的計算方法,文獻根據(jù)新河泵站系統(tǒng)的實際情況,應用大系統(tǒng)分解協(xié)調(diào)原理,提出了一種“搭疊鈕扣式分解協(xié)調(diào)辦法”,并應用單純形法和動態(tài)規(guī)劃法對其建立的數(shù)學模型進行求解。文獻提出了以大型全調(diào)節(jié)軸流泵站運行費最小為目標的數(shù)學模型,并采用動態(tài)規(guī)劃法進行了求解;文獻根據(jù)軸流泵站的運行情況,用系統(tǒng)分析的方法確定了泵站經(jīng)濟運行的數(shù)學模型及相應的求解方法;文獻又提出了根據(jù)取水泵站在不同季節(jié)流量變化大,水位變化大的特點,給出了確定單臺調(diào)速泵和并聯(lián)調(diào)速泵轉(zhuǎn)速的數(shù)解法及調(diào)速泵臺數(shù)學的確定方法,此法使取水泵站與水廠運行及送水泵站流量協(xié)調(diào)一致,在滿足用戶用水量要求的前提下達到耗能少、經(jīng)濟運行的目的。文獻對可調(diào)速機組泵站給出了優(yōu)化調(diào)度數(shù)學模型,提出通過改變機組的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)流量來減少能耗。文獻通過對水情、工情的全面分析,提出了改造邵仙控制、提高東閘上游控制水位、提高江都三站擋水高程、興建撈草橋等工程措施和改變西閘控制運用方式,建立了江都站優(yōu)化調(diào)度模型,并采取相應的非工程措施加以保障;文獻對葉片可調(diào)機組泵站建立了最優(yōu)排澇策略的數(shù)學模型。隨著人工智能算法的日益成熟,泵站的優(yōu)化調(diào)度也越來越多地結(jié)合人工智能算法來求解。遺傳算法是根據(jù)自然選擇和進化機制構(gòu)造的搜索算法,它將“優(yōu)勝劣汰、適者生存”的生物進化原理引入待優(yōu)化參數(shù)的編碼串群體中,按照一定的適配值函數(shù)及一系列遺傳操作對各個體進行篩選,從而使適配值高的個體被保留下來。然后,通過雜交、變異等操作,使群體中各個體適應度不斷提高,直到滿足一定的極限條件,此時,群體中適配值最高的個體即為待優(yōu)化參數(shù)的最優(yōu)解。遺傳算法是在復雜空間進行全局優(yōu)化搜索,具有較強的魯棒性。由于泵站運行具有整數(shù)和浮點數(shù)的混合非線性特點,該方法較為適用。文獻在2001年提出了應用遺傳算法對葉片可調(diào)節(jié)機組泵站的優(yōu)化調(diào)度進行計算;文獻在2002年也提出了應用遺傳算法對調(diào)速供水泵站的優(yōu)化調(diào)度進行計算;同年楊鵬等又提出了應用改進遺傳算法對變頻調(diào)速時泵站優(yōu)化調(diào)度問題進行求解,克服了傳統(tǒng)遺傳算法容易產(chǎn)生早熟收斂而使求解陷入局部點的缺陷。由于泵站優(yōu)化的許多因素是模糊變量,因此,結(jié)合模糊集理論進行泵站優(yōu)化調(diào)度的研究成果也陸續(xù)出現(xiàn)。文獻從水量、水質(zhì)、能耗三方面綜合考慮,運用模糊集的理論,建立了給水泵站最優(yōu)運行的模糊數(shù)學模型,確定了水量、水質(zhì)、能耗隸屬函數(shù),同時給出實時控制的模型。文獻利用計算機監(jiān)控所采集數(shù)據(jù),并結(jié)合自然的潮汐現(xiàn)象,進行泵站優(yōu)化調(diào)度,實現(xiàn)了節(jié)約能耗的目的。2獨立引發(fā)的動態(tài)優(yōu)化調(diào)度隨著我國興建了眾多的梯級泵站用于調(diào)水工程以及對泵站優(yōu)化調(diào)度理論和實踐研究的不斷深入,梯級泵站優(yōu)化調(diào)度的研究得到了重視和發(fā)展。梯級泵站優(yōu)化調(diào)度的研究主要包括級間流量的優(yōu)化和水位的優(yōu)化兩個方面。由于早期泵站大多采用工況不可調(diào)機組,梯級泵站優(yōu)化調(diào)度最主要考慮級間流量平衡和調(diào)節(jié)方面的問題,如:1993年《水泵及水泵站》提及的梯級泵站流量調(diào)節(jié);吳建華在文獻討論了在工況不變的情況下,如何分配泵站間的流量以達到泵站節(jié)能的效果,同時建立了最優(yōu)流量分配的數(shù)學模型;文獻結(jié)合一梯級泵站的實際,對級間無分水任務的梯級泵站的優(yōu)化調(diào)度進行了研究分析,并指出由于各泵站之間的流量配合只能通過開停不同型號水泵或水泵工作臺數(shù)來實現(xiàn),泵站間的不連續(xù)流量為棄水流量。棄水流量越大,對應的單位供水流量也越大;文獻針對梯級泵站流量平衡問題,分析指出梯級提水(供水)系統(tǒng)中各泵站的流量是直接相關的。隨著可調(diào)工況泵的采用,研究重點逐漸轉(zhuǎn)向?qū)μ菁壉谜救绾瓮ㄟ^改變工況如變速、變角等方法使總能耗或棄水量最小等問題。戴振偉在1997年發(fā)表的論文中,利用系統(tǒng)工程的理論,采用模擬技術(shù),用三維離散動態(tài)規(guī)劃的數(shù)學模型,對江蘇省東?？h的引淮入石工程中的房山、芝麻、石梁河三級泵站的優(yōu)化調(diào)度進行了技術(shù)處理,優(yōu)化調(diào)度運行四年,三站累計減少耗電357×109萬kW·h,按每度電0.4元計,節(jié)約電費143.06萬元,取得了較好的經(jīng)濟效益;文獻采用系統(tǒng)分析理論,研究了梯級泵站供水系統(tǒng)的水資源優(yōu)化調(diào)度問題,建立了具有提調(diào)水量和泄棄水量兩個決策變量及多級泵站、多個水庫、多個供水片的多目標水資源優(yōu)化調(diào)度模型,給出了自優(yōu)化模擬調(diào)度方法;文獻提出了應用動態(tài)規(guī)劃法對梯級泵站運行進入穩(wěn)態(tài)后的水位進行優(yōu)化,較詳細的介紹了對于工況可調(diào)和工況不可調(diào)機組梯級泵站的水位優(yōu)化;文獻對機組可變速調(diào)節(jié)的梯級泵站的最優(yōu)運行提出了以總能耗最小為目標函數(shù)的數(shù)學模型,并應用動態(tài)規(guī)劃方法進行求解。該方法多用于級間配合及揚程優(yōu)化等方面,取得了一定的節(jié)能效果。但其模型的求解較困難,當站下水位離散點多時,會遇到“維數(shù)災”,使該方法的應用受到一定的限制;文獻提出應用遺傳算法來求解梯級泵站的優(yōu)化問題,對蘇北平原湖區(qū)梯級泵站的水量調(diào)配問題進行求證;文獻從電氣設計角度探討了山西省萬家寨引黃工程的梯級泵站的運行穩(wěn)定性問題,隨著泵站工程規(guī)模的大型化、復雜化,計算機控制系統(tǒng)已是現(xiàn)代化梯級泵站運行管理的主要發(fā)展趨勢。如水利部“94.8”項目之一“江都抽水機站機組監(jiān)控關鍵技術(shù)”的實施,在國內(nèi)首次實現(xiàn)了大型泵站“無人值守,少人值班”的新局面;廣東省東深供水工程太園泵站采用先進的微機控制技術(shù),對大型泵站進行計算機監(jiān)控運行管理,達到了國際同類泵站的先進水平。提高泵站自動化管理水平是泵站工程技術(shù)改造的一項主要任務。對泵站的測量設施、機電設備的運行實施微機監(jiān)測、監(jiān)控、故障判斷和運行分析等是泵站優(yōu)化管理和科學管理的深化,也是泵站節(jié)能改造的一個重要組成部分。3按工況區(qū)分水泵的流量從以上研究成果可以看出,現(xiàn)有的泵站優(yōu)化調(diào)度研究主要是考慮在確定的條件下泵站的優(yōu)化運行,但泵站的許多影響因素是隨機的和模糊的,如泵站的上下游水位、梯級泵站的級間來水和用水量等,需要依靠準確的預報及往年的水文資料,這對泵站的優(yōu)化調(diào)度研究的實用性提出了挑戰(zhàn)。今后,對于單級泵站機組間負荷的優(yōu)化分配是泵站優(yōu)化調(diào)度研究的一個重要方面,它主要是在總抽水流量(或總抽水功率)給定的條件下,考慮揚程的變化帶來的節(jié)能效益,同時應考慮不同時段抽取不同的流量,根據(jù)泵站上下游水位的變化,在揚程大時少抽水,揚程小時多抽水;在電力峰荷時少抽水,電力谷荷時多抽水,利用時段流量的變化降低泵站的運行費用。目前,對于梯級泵站的研究也大多停留在理論階段,實際應用較少。這一方面是因為梯級泵站系統(tǒng)的復雜性,另一方面是因為我國泵站的自動化水平比較落后,只有少數(shù)泵站實現(xiàn)了自動化控制。因此,對泵站優(yōu)化調(diào)度的研究有待進一步的發(fā)展。同時,隨著最優(yōu)化理論和方法的日益成熟,模糊理論、灰色理論、神經(jīng)網(wǎng)絡等計算方法將越來越多的應用于泵站優(yōu)化調(diào)度當中。此外,隨著泵站工程自動化水平的不斷提高,優(yōu)化調(diào)度理論在泵