高扬程电力提灌工程多梯级泵站优化调度运行方案初探——以西岔电力提灌工程为例

第49卷第7期2013年7月甘肃水利水电技术GANSUWATERRES0URCESANDY1R0POWERTECNOL0GYVO149NO7JU1，2013设计与研究高扬程电力提灌工程多梯级泵站优化调度运行方案初探以西岔电力提灌工程为例宁兴鹏西岔电灌工程水利管理局，甘肃皋兰730200摘要高扬程多梯级泵站运行调度方案关系到泵站运行的科学性、调度的准确性和水资源的有效利用。主要通过信息管理系统数据采集分析，使得泵站内部和级间优化调度运行，从而达到有效利用水资源、降低能耗、增加效益的目的。关键词电力提灌工程；梯级泵站；调度运行；信息管理；西岔电灌工程中图分类号TV675文献标志码B文章编号2095一O1442OLOO7004503高扬程多梯级泵站属于由电力提灌泵站、输水工程、田间配水工程组成的高维复杂水资源利用系统工程。每座泵站安装有多台提水机组泵站内部安装有水泵电机机组、控制阀门、高低压开关柜、现地监控保护系统、供电系统等多个工作系统。工程常涉及多个地区，故相邻泵站级间还存在一个或多个供水片，供水时段存在降水、用水量的时空地域分布的不均衡性和随机性。泵站级间存在较强关联约束。西岔电力提灌工程属于由多个泵站组成的泵站群，始建于1970年，1972年基本建成并开始逐级上水受益。共建成干渠3条长86KM，支渠29条长186KM。泵站101座，总装机220台套，总装机容量58671KW；工程设计提水流量60MSS，加大流量65M3S，设计灌溉面积15万亩，有效灌溉面积1563万亩，分12级提水，总提水高度63850IN，属高扬程电力提灌工程。工程原先的调度运行系统为人工调度，调度运行主要靠经验和各水管所的配水需求计划。通讯设备陈旧，方式落后，通信质量无法保证，运行维护费用很高，电话分机串接严重，一处通话几处铃响，造成通讯混乱，生产调度任务无法顺利下达，稍有不慎就会造成渠道、泵站前池溢水事故。甚至会导致泵站厂房进水，既浪费水资源又危及工程安全。特别是电网跳闸断电事故停水时的应急调度更是无法应付。从2009年开始实施的大型泵站更新改造项目。全部更换为程控交换系统，彻底解决了泵站调度通讯落后的问题。同时，作为全国大型灌溉排水泵站信息化建设试点甘肃唯一单位全国19家，结合泵站现地监控保护系统建设，2010年建成了信息调度中心，已改造泵站全部接入。主要建设内容由骨干通信网络系统、泵站计算机监控系统、视频监视系统、泵站运行调度决策系统、信息管理业务应用系统、信息调度中心办公楼等项目组成；完成后可实现信息采集存储自动化，数据传输处理网络化，调度指挥现代化，决策数据数字化；达到远程监控，数据共享，信息远传浏览，通过远程网络，实现遥测、遥信、遥控、遥视等功能。1总体构架西岔电力提灌工程泵站信息化系统采用分层、分管理权限分布式结构，总体分为管理局调度中心、水管所分中心、泵站现地监控系统3层结构体系。在建设管理局调度中心和水管所分中心计算机局域网的基础上通过公网与专用光纤网相结合的方式，建设链接管理局调度中心、水管所、泵站现地、主要分水口的通信信息网络系统运用先进的数据采集、传输和处理手段实现数据交换、信息共享、视频传输功能，为泵站现地监测、远程遥控、视频监视、智能分析、实时处理、故障判断、越限报警、优化调度提供安全可靠的信息网络平台。实现覆盖整个泵站及其相关地区、以信息采集系统为基础、通信传输系统为保障、计算机网络系统为依托、决策支持系统为核心的，能提高泵站管理水平、促进泵站技术优化和提高用水效率的水利管理信息系统，为泵站水资源的优化配置、合理利用和环境保护提供调度运行决策支收稿日期20130710作者简介宁兴鹏1978一，男，甘肃皋兰人，工程师，主要从事水利水电工程建设管理。452013年第7期甘肃水利水电技术第49卷持。2科学调度运行、优化决策方案对于西岔电灌这样的多梯级泵站和多级渠道组成的提引水工程系统中，各梯级泵站和级间渠道之间存在着必要的密切水力关系，各级泵站的提水流量、进水池、出水池和渠道运行水位相互影响且制约着整个供水系统的运行。梯级泵站运行调度的优化，既要考虑优化单座泵站内的机组匹配，更重要的是要考虑梯级间泵站之间决定性水力要素的优化组合。泵站是否达到最优运行标准，取决于泵站中的机械设备、电气设备、金属结构等各类装置的基本技术参数、运行特性，特别是各主要机电设备问的流量或扬程的最优匹配。西岔提灌泵站水泵机组工况一般均属于不可调节，因此，对于这样的泵站工程，要通过优化调度运行，实现各梯级间的流量最优平衡，就不能依靠调节机组运行工况来实现只能采取水量调蓄、干支渠斗口分流控制等其他方法。由于西岔灌区灌溉面积呈树枝状分布，即俗称的鱼骨形，上下级泵站的流量是直接关联的，上一级泵站的提水流量除了满足后一级泵站所需的提水流量以外。还需供给两级泵站之间级间控制灌溉面积所需的水量。因此。除了本站内机组优化外，对于梯级泵站之间的优化可以考虑采用水位扬程作为参数来优化，控制水位就是控制泵站进水前池水位，也就是泵站取水水位。进水前池不同的水位决定了相连的两级泵站的运行扬程发生变化泵站机组的运行工况不同，能源单耗也随之变化。3站内优化调度根据泵站流量提取的特点，在泵站最优运行工况点确定后，分别确定单台机组运行工况点和多台机组并联运行工况点，各泵站内部机组之间的连接方式分为单台机组和同型号两台机组并联。在确定一定扬程和流量的工况下，单座泵站内部机组运行台数，机组型号可有多种不同组合，对应的总运行功率也不同，但必定存在一种运行最经济的组合，应用测试手段和建立数学模型可以找到并验证这种最优运行组合方案，据此对机组进行调度优化，提高泵站运行效率，降低能源单耗，减少和避免水资源浪费，达到经济运行的目的。由于西岔电灌泵站水泵角度不可调，电机转速也不可调，因此，泵站内部优化调度以泵站的耗能最小为总目标。通过动态规划方法，可以求出阶段变量的第1阶段至第几阶段，求出台机组并联运行46时的最小耗能组合，对应的运行机组配备与组合即为最优运行组合。4梯级泵站联合调度泵站梯级间的运行优化，就是通过软件计算，要力求达到一种最佳的调蓄容积，也就是最优的进水前池与出水池水位，在进水池容积一定的情况下使用水位直观反映蓄水量。使得梯级泵站供水系统的总体耗能最小。水位是联系和决定梯级泵站实际运行参数可供选择的唯一水力要素，而流量是联系同级泵站群的可选择的水力要素。因此，梯级泵站的运行优化主要是水位扬程的优化。在实际运行中梯级泵站的提水调度优化受各种因素的制约，还要根据整个供水系统工程中输水渠道和隧洞、水闸、渡槽、桥涵等渠系建筑物的技术参数和输水能力，采用科学系统的观点和最优的理论建立西岔电灌泵站的多梯级提灌泵站运行调度数学模型，对模型采用动态规划求解，可以得出一个调度周期内每级泵站机组开停的最佳时段，既减少开停机的次数，又使运行成本最小。5梯级泵站级间调度优化模型确定梯级泵站系统运行时级间和单座泵站内部运行优化是通过调整优化扬程来完成的，因为扬程不仅影响单站内的机组能耗和效率，而且影响上下相邻级间泵站的运行机组能耗和效率，因此，泵站的优化运行主要就是水位的优化，即泵站扬程的优化。所以要建立优化调度模型。就以各泵站的提水扬程且为关系变量，建立模型图1，模拟计算后优化梯级泵站运行方案。图1西岔电灌泵站梯级调水水位示意图优化计算首先要求关系变量I在模型内通过水位变化从而在允许变化范围内进行离散。泵站的扬程实际上是由进水前池水位和出水池水位组合确定的，需要根据水位实际变幅合理确定决策扬程间隔大小从而求出各级泵站在对应扬程凰的最小运第7期宁兴鹏高扬程电力提灌工程多梯级泵站优化调度运行方案初探第49卷行功率，也就是达到耗电最小，成本最低。51目标函数的确定西岔电灌泵站梯级调水优化的目标函数建立很明显，以梯级泵站系统总轴功率最小为目标函数。目的是使西岔电灌泵站总的运行能耗最小。52运行调度必要约束条件1级间水量平衡约束。相邻两级站之间必须满足水量平衡，即前一级泵站的提水水量等于后一级泵站提水量和两级泵站级间配水量之和。2输水渠道水深约束。级站渠道的最低、最高水深。3最大开机台数约束。包含梯级间每座泵站的装机台数与运行台数。4扬程平衡约束。在一次计算中，第一级泵站的进水池水位凰，和最后一级泵站的出水池水位日看作固定不变。5流量约束。各级泵站的实际提水流量应大于配水计划的最小流量。并小于由泵站提水能力决定的加大流量。同时要求前一级泵站流量大于或等于后一级泵站流量。6相关预案和决策约束。各级泵站的扬程由泵站调度指令广一一一一一、。防洪调度指令下达指令兰J泵站调度指令L日卜一_一卜防洪调度指令接收放水请求L各自的进、出水池水位决定。除第一级泵站的进水池位和最后一级泵站的出水池水位在一次计算中看作不变值外，其余各泵站进出水池水位均随泵站级间的调蓄状况充满程度而定。通过模型计算，最后得出所有可能组合情况下的最小能耗值从而选择出并且最终确定出能耗最小情况下的机组匹配组合。使满足提水要求的机组运行能耗达到最小。为调度决策提供有力的技术支持和科学参考。6运行优化调度管理系统需在统筹规划后严格按照最优调度方案供水。通过降雨预报、来水分析、现行水位、实时流量等因素进行供水运行优化调度方案定制，根据供水预案执行调度指令，确保精确供水。泵站调度的流程是首先由泵站管理单位接收控制站需要提水的请求，其次泵站管理局根据请求发送调度指令，下达指令到控制站，控制站执行指令。执行后再次返回执行指令信息。灌溉调度分为两种模式图2第一种为在电话调度模式基础上的信息化处理示意图A；另一种为网络调度模式示意图B。WEB服务器存储调度指令信息资源共享、历史记录归档用水量统计、征费依据区茎囡A在电话调度基础上的信息化处理示意图接收放水请求_泵站调度指令下达指令R。WEB服务器L网J曼佰令记录处理L一一一一一一一调度指令返回执行结果B网络调度模式示意图图2灌溉调度模式7结语按照水利部以需求为导向，以促进泵站的优化发送放水请求一接受指令一_一_一_L一执行指令调度，保证工程的安全运行，提高管理效率的实际需要为出发点，以信息技术为手段，下转第50页472013年第7期甘肃水利水电技术第49卷砾石层，渗透系数40MD，物探地震波测试，纵波速度。1500MS，剪切波速度V,400MS。第层1342M，颗粒较小，级配良好密实砂卵砾石层，局部夹少量L030CM的薄层状含土砂砾石层，砂卵砾石呈次圆一次棱状，较上部第层颗粒变小，大蛮石、卵石粗大颗粒含量减少。地震波纵波速度。L5002O00MS，剪切波波速V,5001000MS；内摩擦角40。，渗透系数17MD左右，根据钻孔资料，该河床在L442M多处夹薄层含泥砂卵砾石，呈土灰黄色，结构密实，厚度较小。根据河床钻孔资料分析该层顺河方向延伸长度较连续。在垂直河床方向为透镜体，透镜体延伸长度长度2O30M，透水性相对较小作为砂卵砾石层中的相对隔水层。第层42M以下，岩性为含泥碎石层，呈灰色泥状，靠上部部分夹砂砾石，性质差，纵波波速。21002300MS，剪切波波速B10001100MS，结构密实。坝址河床覆盖层均以卵砾石粗颗粒为主，粗颗粒起到了骨架支撑作用，砂和粉粒含量少，充填于粗颗粒的空隙中。卵砾石地层密实度自上而下逐渐增高，波速自上而下逐渐增大。5承压水成因分析51承压水出露、径流特征在前期勘察工作中。在钻孑L钻进过程中在部分钻孑L内有承压水自孔EL溢出。承压水埋藏深度为14M以下，为河床覆盖层中的第层，承压水水头高度高于地面0424M，流量为223628US。在防渗墙施工造孔过程中，槽孔固壁泥浆受到局部承压水及地下动水的稀释和扰动，局部出现塌孔现象。对河床覆盖层中的承压水及地表水取样进行水质分析，根据分析结果，河床地表水与河床覆盖层中承压水水化学类型均为C1一SO一NACA型，为同一类型水，河床覆盖层中的承压水为河床地表水从上游经过垂直渗流及地下水平径流进入下层砂卵砾石中。52成因分析承压水出现在覆盖层中的第层，出露高度为14M以下。在河床覆盖层的形成过程中，受上游左岸1号冲沟的影响下，在洪水季节，1号冲沟洪积物进人河床使河床中局部夹有薄层含土砂砾石碎石，由于河床高程的差异，在垂直河床方向形成透镜体；在河床水流的冲刷与沉积的作用下，形成了砂卵砾石的随机性和层理性。粗细颗粒相间，局部夹有透镜体。透镜体岩性为含土砂砾石，渗透系数远远小于河床该层的砂砾石透水性，为河床砂卵砾石中的相对隔水层。由于河道纵坡较大，上游地表水渗入河床砂卵石内部局部上层细颗粒的渗透系数小于下部砂砾石，形成浅层承压水。6结语二塘沟水库河床段深厚覆盖层中局部可见浅层承压水，表明在河床深厚覆盖层的形成过程中，具有一定的随机性和层理性。在本工程中。受上游1号冲沟的洪积物影响，河床覆盖层中第层砂卵砾石中局部夹薄层含土砂砾石。当不同岩层的上、下层透水性差异大、河床纵坡较大时。易形成河床覆盖层浅层承压水。本工程河床覆盖层采用槽孔防渗墙进行防渗处理。受承压水的影响在槽孑L混凝土施工过程中，由于承压水的存在，使成槽困难加大，易造成槽孔垮孑L，施工中采取增大护壁泥浆比重，在防渗墙施工过程中取得了较好的效果。参考文献1中国地质调查局水文地质手册K第2版北京地质出版社，20122GB504872008，水利水电工程地质勘察规范S13SL3262005，水利