（水利水电工程专业论文）基于遗传算法的泵站系统优化调度研究.pdf

摘要 随着我国经济的快速增长，水资源在经济中的地位日渐凸显，水资源时空的 分布不均带来的矛盾也日益突出，调水工程则成为解决这一矛盾的主要方法。伴 随着调水工程的增多，梯级泵站正在发挥着越来越重要的作用。目前，泵站系统 普遍存在效率低、能耗大的问题，泵站优化节能的前景十分可观，泵站的优化调 度问题也受到越来越多专家的重视。 本文在研究原有泵站优化调度理论的基础上，提出可将系统工程理论和遗传 算法相结合的方法应用于泵站优化调度的建模及求解中。遗传算法是模拟自然界 生物进化过程与机制，求解优化问题的一类智能计算方法，它较传统的动态规划 法，对泵站优化这种具有多种约束的非线性模型求解具有较大的优势。本文进一 步分析了泵站站内优化运行的相关问题，通过分析泵站内装机型号相同的各机组 的实测性能数据，发现经过长年的运行磨损，各机组的性能较出厂时已经发生了 很大的变化，为保证优化结果的准确性，需分别拟合各自的性能曲线。本文以某 泵站为例，建立了以能耗最小为目标的泵站站内优化模型，并取得较好的节能效 果。在泵站站内优化研究的基础上，本文依据调水工程的运行特点，提出对调水 工程的梯级泵站系统采用水位优化调度的方法，依据大系统分解协调理论结合泵 站站内优化运行思想，建立梯级泵站优化调度模型。优化模型结合明渠水位方程， 寻求一组级间最优调蓄水位，使在此水位下的梯级泵站系统的总能耗最小，通过 实例计算，取得令人满意的结果。对计算结果的分析表明本文建立的两个模型有 效可行，同时也表明遗传算法在泵站系统的优化调度领域具有很强的适用性。本 文的优化求解理论及思想为泵站优化调度的求解问题提供了一条新的途径。 关键词：调水工程、梯级泵站、优化调度、遗传算法、系统工程、性能曲线 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p i n go fe c o n o m y , t h ei m p o r t a n c eo fw a t e rr e s o u r c e si si n c r e a s i n g i nc h i n a l a c ko fw a t e rr e s o u r c e si ns o m ea r e ai sb e c o m i n gas e r i o u sp r o b l e m t h e m a i nm e t h o do fr e s o l v i n gt h ep r o b l e mi sw a t e rt r a n s f e rp r o j e c t ，i nw h i c ht h e m u l t i s t a g ep u m p i n gs t a t i o n sp l a ya ni m p o r t a n tr o l e a tp r e s e n t ，t h ep u m p i n gs t a t i o n s y s t e mo r e nh a sc h a r a c t e r i s t i c so fp o o re f f i c i e n c ya n dg r e a te n e r g yc o n s u m p t i o n ，s o i t h a sal a r g ee n e r g ye f f i c i e n c ys p a c ei nt h es y s t e ma n di ta r r e s t sl o t so fe x p e r t s am e t h o do fo p t i m a lo p e r a t i o np u m p m gs t a t i o nb yu s i n gt h et h e o r yo fs y s t e m e n g i n e e r i n ga n dt h eg e n e t i ca l g o r i t h m s ( g a ) i sp u tf o r w a r do nt h eb a s i so ft h e o r i g i n a li n v e s t i g a t i o n g a i sa no p t i m a lm e t h o dt os i m u l a t et h eg e n e t i ca n d e v o l u t i o n a lp r o g r e s so ft h en a t u r e ；i ti ss u p e r i o rt ot h ed y n a m i cp r o g r a m m i n gi nt h e a s p e c to fs o l v i n gn o n l i n e a rm o d e lw i t hm u l t i p l ec o n s t r a i n t s t h ea r t i c l em a k e sf l 。 f u r t h e ra n a l y s i so ft h ei n n e r = - p l a n te c o n o m i c a lo p e r a t i o no fp u m p i n gs t a t i o na n d e s t a b l i s h e st h eo p t i m a lo p e r a t i o nm o d e lw h i c hc a ni n c r e a s ee c o n o m i cb e n e f i t so f p u m p i n gs t a t i o n s i m u l t a n e i t y , i nt h ea n a l y s i so f t h em e 跚e dp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r o ft h es a m et y p eo fw a t e rp u m p s ，t h ea u t h o rf i n d st h ep e r f o r m a n c ew h i c hh a sag r e a t e f f e c to nt h eo p t i m a lr e s u l to ft h ew a t e rp u m p sh a sc h a n g e df ll o t ，s oi tn e e dt or e f i t t h ep e r f o r m a n c ec u r v e a c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ew a t e rt r a n s f e rp r o j e c t ，a m e t h o do fo p t i m a lw a t e rl e v e lo fm u l t i - s t a g ep u m p i n gs t a t i o ni sp r e s e n t e d t h e d e c o m p o s i t i o n - c o o r d i n a t i o nm o d e lw i t ht h et h e o r yo ft h ei n n e r - p l a n te c o n o m i c a l o p e r a t i o no f p u m p i n gs t a t i o nc a ns i m u l a t et h ep e r f o r m a n c eo f t h es y s t e m t h eo p t i m a l o p e r a t i o nm o d e lc o m b i n e dw i t ht h eo p e n c h a n n e ls t e a d yf l o we q u a t i o nc a nc a l c u l a t ea s e to fo p t i m a lw a t e rl e v e l sa m o n gd i f f e r e n tp u m p i n gs t a t i o n s t h er e s u l th a sb e e n p r o v e dt ob es a t i s f a c t o r yw h e nt h em e t h o di sp u ti n t op r a c t i c e t h ea n a l y s i so ft h e r e s u l t ss h o w st h ev a l i d i t ya n dp r a c t i c a b i l i t yo f t h et w om o d e l sc o n s m a c t e di nt h ep a p e r , a n dt h ea p p l i c a b i l i t yo ft h eg at ot h ef i e l do fo p t i m a lo p e r a t i o no fp u m p i n gs t a t i o n s y s t e m t h eo p t i m a lt h e o r yo f t h ea r t i c l ep r o v i d e san e ww a yo fs o l v i n gt h eo p t i m a l o p e r a t i o np r o b l e m s k e y w o r d s ：w a t e rt r a n s f e rp r o j e c t ，m u l t i - s t a g ep u m p i n gs t a t i o n ，o p t i m a lo p e r a t i o n ， g e n e t i c a l g o r i t h m s ，s y s t e me n g i n e e r i n g ，p e r f o r m a n c ec u r v e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鲞盘堂或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 签字同期：气护乡年7 月岁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：加年， 导师签名： 签字日期： 曰 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 在全球范围内，各国之间，各国国内的不同区域间水资源的分布是不均匀的。 随着人口和经济的快速增长，这种分布的不均匀所产生的矛盾已越来越明显。一 些地区由于水资源短缺致使工、农业发展滞后，给人民生产、生活造成了很大影 响，由此对我国水资源供给的质和量提出了新的要求。水资源在时空分布上的巨 大差异，以及人类社会对水的适时适量要求，使得跨流域调水成为满足人们在生 产、生活中的用水需求的主要途径之一。跨流域调水就是在丰水区和缺水区之间 调配水量，重新分配水资源，缓和以至解决缺水地区的迫切需要。世界上水资源 分布不均衡的国家，很多均采用跨流域调水来实现水资源的再分配。 1 1 1 国内外跨流域调水工程 我国是世界上从事调水工程建设最早的国家之一，早在公元前4 8 6 年，我国 就兴建了沟通长江、淮河流域的邗沟工程。此后又兴建了沟通黄河、淮河流域的 鸿沟工程、引岷江水灌溉成都平原的都江堰工程、贯穿5 大流域( 钱塘江、长江、 淮河、黄河、海河) 的京杭大运河。自新中国建立5 0 多年来，我国兴建了不少 跨流域调水综合利用工程：东深供水工程、引滦入津工程、引黄济青工程、南水 北调工程、引大入秦工程等。据不完全统计，目前世界上2 4 个国家己建、在建 或拟建的大型跨流域调水工程有1 6 0 多项，遍布世界各个地区。国外许多国家如 美国、前苏联、加拿大、法国、澳大利亚、巴基斯坦、印度等，都进行过跨流域 调水工程的建设和规划，如：北美水电联盟计划，前苏联的北水南调工程，位于 澳大利亚东南部的雪山工程，巴基斯坦的西水东调工程，印度的恒河区调水工程 等。跨流域调水工程对地区经济的快速发展，以及对整个国家宏观布局和优化资 源配置都起了十分重要的作用。通过有计划地建设跨流域、长距离调水工程，给 缺水地区的经济发展注入了新的生机和活力，大大促进了受水地区工农业生产的 发展和人民生活水平的提高。 l 第一章绪论 2 、互b【娶旧惫乒。_暴螓醛耀写一越半c。h掉世冥蜒*scm-喜鳝。逍斟 一枣 i -di nh 。 n。 o 寸 nv 、n口口啦寸r - ，、 隶廿 小o o昏西西昏西aa凸 一 一一一一一一一一一 o o ov 、 饔娶 t o oo 西 na 蚤 一 l n nna小 - n nn寸 艇旧 d 高 r - 一n ，、t n i n o 小 n 著 螓暴 n o 卜 o寸 o oo f - 一 n 卜、n n 一 脚 * 馁 n卜 一 一 i n h o 餐 辍氍 v 、o oo o o 一 o 一 n 一 n 寸 n 聪 l n* 域 一 - nnn n 寸 世 世谗 甘 寸 o v 、 一 卜 nv 、i n一 o 一 一 o o 一 hn t q 一 o o o o * 域 a 一 寸 r , 1 n t - , , i 一 一 n 一 nh o l n v 、i n 型嘿 n n n 一 a n 妪 缸捌 、 8 一 测 一 * o o o r 、 解 塔测 o n on o f 、 o n 小 口r - - 一 i n 、ono 蓬 o 硇半 t t , j西 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2 万k w ；甘肃景泰二期工程，1 8 级泵站，累计净扬 程6 0 2 m ；天津引滦入津调水工程，采用3 级提水，全线修建大型泵站4 台，共 装大型轴流泵2 7 台，总装机2 万k w ；目前正在建设的南水北调东线工程，从长 江至东平湖段设1 3 个梯级抽水站，南四湖以南为双线输水，共设泵站枢纽2 2 处， 总扬程6 5 m 。黄河以南输水干线上设泵站3 0 处( 主干线1 3 处，分干线1 7 处) ， 设计抽水能力累计共1 0 2 0 0m j s ，装机容量1 0 1 7 7 万k w 。至今，我国已拥有大 型泵站三百余座，在我国大型泵站比较集中的湖北，江苏、安徽、湖南、广东等 省份，已初步形成了以大型泵站为骨干的防洪排涝以及跨流域调水工程体系，以 重点中型泵站为主体的流域性调水、排灌工程体系和以中小型泵站为主导地位的 地区性排涝，灌溉工程网络。 国外大型泵站主要用于围海造田，开垦干早土地及沼泽地、防洪防潮、农田 灌溉、排水及调水、输水等。各国大型泵站的特点，由于自然条件的差异而有所 不同。美国多为高扬程大流量的灌溉站，其装机容量很大，已建大型调水工程十 多处，但就工程规模、调水量、调水距离、工程技术和综合效益等权衡，最具代 表性首选加利福尼亚州的北水南调工程，它也是全美最大的多目标开发工程。工 程共建大型泵站1 2 座，利用9 9 台水泵将加利福尼亚北部的水抽送到洛杉矶。年 调水量为5 2 2 亿m s ，干线抽水总扬程为1 1 5 4 m 。原苏联梯级泵站规模较大， 从1 9 7 3 年开始运转的卡尔申提灌工程，由阿姆河提水，提水流量2 0 0m s ，总 装机4 5 万k w 。沿干渠共分6 个梯级提水，每座梯级泵站均装有6 台全调节式轴 流泵，总扬程1 5 6 m ，单泵流量为4 0n l j s 。日本和荷兰则多为低扬程大流量的排 水站，特别是荷兰，扬程有低达0 4 m 以下者。日本全国排灌设备的总提排水能 力为1 1 1 0 4 聊3 s ，其中排水流量为9 4 0 0m s ，提灌流量为1 6 0 0m 3 s ，全国共 有排灌泵站7 2 0 0 多座，其中，中、小型泵站占9 3 。1 9 7 3 年建成的大型泵站新 川河口泵站，共装有6 台口径为4 2 0 0 m m 的贯流式水泵，扬程2 6 m ，单泵流量 4 0m j s ，总装机7 8 0 0 k w 。1 9 7 5 年建成的三乡泵站，将中j 1 1 7 n 系流域的低洼地区 4 第一章绪论 的涝水排向江户川，是日本最大的混流式泵站。它的设计扬程为6 3 m ，排水能 力为2 0 0m s ，单泵流量为5 0m 3 s 。荷兰从十三世纪就开始围海造田，迄今已 增加土地九百多万亩，全国约4 5 的面积在海水位以下，因此，农田排水是一个 突出的问题。自本世纪以来，由于排水设备的迅速发展，使荷兰土地的垦殖得到 了迅速的扩大，荷兰也成为世界上水泵技术先进的国家之一。1 9 7 3 年建造的爱 莫顿泵站，是荷兰目前最大的泵站，扬程2 3 m ，单机流量3 7 5m s ，排水流量 为1 5 0m 3 s ，将来可能扩大至3 5 0 - - 4 0 0m s 。 1 1 3 泵站优化调度的意义 调水工程建成后，最终要通过管理来发挥效益，但在过去的计划经济时代， 技术人员对技术问题考虑得比较多，注重于计算，而对经济问题的注重却不够。 实际上对工程起作用的不仅仅是工程本身，还与工程的管理机制和经济结构有关 系。跨流域调水工程由于涉及面广，调水范围大，所经地区地形复杂，根据不同 的地形，。调水方式也不同，有自流式和提水式。由于输水线路长，自流引水甚至 单级泵站提水无法实现调水目的，只有通过多个泵站串联提水，把一个高扬程转 化为多个低扬程，即全线形成梯级泵站系统，但梯级泵站的耗电量大，运行费用 高，当我国电力供应出现供不应求时，容易加剧电力紧张状况。同时，由于梯级 泵站在运行过程中，存在各站流量和扬程相互联系、各站机组台数多，区间分水 多等诸多因素，使其在运行管理上存在较大困难，在实际运行中往往会因决策不 当，造成能源大量浪费，降低了经济效益。对泵站系统进行优化调度就是运用优 化技术对其进行科学地管理，寻求最优的调度决策，在保证安全运行的前提下， 降低运行成本，使其最大限度地发挥经济效益和社会效益。对梯级泵站的优化调 度不仅要考虑单个泵站的运行效益，而且要对整个多级泵站系统甚至整个水资源 系统进行全面考虑，统筹协调，建设各个用水区域、各级泵站之间、同级泵站之 间的矛盾与冲突。 1 2 国内外研究进展 泵站的优化调度主要是研究泵站科学管理的优化技术和调度决策，即在一定 时期内，按照一定的最优准则，在满足各种约束条件的前提下，使泵站运行的目 标函数达到最大或最小。泵站尤其是梯级泵站是一个复杂的系统，在优化调度当 中应考虑许多问题，它关系到社会、经济、环境、资源、政策等多方面的因素。 根据泵站运行要求的不同，其优化目标也不同。泵站运行调度不是追求某一种设 备的运行状态最好，而是以整体配合的运行状态最优作为目标。因此，一个大型 泵站需要根据目前以及预报期的工作环境条件确定当前泵站的工作方式，包括确 5 第一章绪论 定不同型号水泵的开启台数、水泵叶片的开启角度、变电站的工作方式等等。 早在7 0 年代初，国外就开始了泵站系统优化调度问题的研究，迄今为止国 外对这方面的研究还处在有针对性的研究阶段，即对不同的泵站工程采用不同的 计算方法，目前还没有比较通用的求解最优调度的方法。我国从8 0 年代开始了 对泵站群与闸涵、水库等水利工程设施系统采用系统优化的方法进行优化调度， 使泵站的运行管理水平得到提高，如湖南省新河泵站群的优化调度，山西大禹渡 梯级泵站的优化调度，云南省大理的富关色泵站的优化调度等，分别采用动态规 划法、模糊决策法等，以能耗最低，效益最大为目标建数学模型，进行优化调度 及经济运行的研究，提出了一系列节能、节水、扩大经济效益的调度方案。 1 2 1 单级泵站的优化调度研究 对泵站的研究最先是从对单个泵站研究开始的。泵站优化调度方法是以运筹 学为理论基础，利用现代的计算技术和最优化方法，寻求满足调度原则的最优调 度方式或方案。由美国数学家贝尔曼( r b e l l m a n ) 等人创建的动态规划法是最 优化技术中适用范围最广的基本数学方法之一，它可用于分析系统的多阶段决策 过程，以求得整个系统的最优决策方案。因此目前大部分的优化调度都采用这种 算法。湖南省水利厅的骆辛磊在1 9 8 7 年，从农田排灌系统的全局出发，应用系 统分析的思想，探讨了机电排灌运行能耗数量最少的计算方法。水利部淮河水利 委员会的汪南安在1 9 9 1 年发表的“水泵优化选型的整数规划法”中提出了以泵站 的装机容量最小为目标的数学模型，采用整数规划方法进行求解【1 7 1 ；两年后，他 通过对大型轴流泵站运行方式的研究，提出了以泵站运行费用最小为目标的数学 模型，并用动态规划方法进行了求解。1 9 9 4 年，太原工业大学水利系的吴建华 针对水位变幅较大的泵站，论述了如何根据泵站净扬程的变化，调节水泵转速， 使泵站总是处于高效率状态下运行 i s l ；次年发表了“泵站最优流量分配的节能研 究”，以泵站最优能耗为目标建立了泵站各机组之间流量最优分配的数学模型， 从而实现节能的目的。1 9 9 8 年，河北工程技术高等专科学校的刘家春根据轴流 泵站的运行情况，用系统分析的方法确定了泵站经济运行的数学模型及相应的求 解方法【1 5 】；同年，江苏省国营淮海农场的张文渊通过对于工况不可调的水泵机组 的运行方式的研究，提出可采用两种机组优化方式：按机组装置效率最大来直接 寻优和用动态规划法来对机组运行寻优，最终可实现节能的目的【1 6 】。2 0 0 1 年， 天津大学的冯平等人以尔王庄泵站为例，综合运行自优化模拟技术，进行了泵站 系统的优化调度研究，并开发了具有人机对话界面的泵站优化调度系统。2 0 0 3 年，河海大学的陈守伦等提出在给定泵站日抽水总量的条件下，可以采用动态规 划的方法将总抽水量分配至各个时段和各台机组，使总的抽水费用最小f 4 1 ：2 0 0 4 6 第一章绪论 年，国电自动化研究院的徐青等指出由于泵站机组的实际性能与设计值不一样， 造成泵站经济运行中对开机顺序的选取存在一定的困难，可采用模糊优选的方法 对机组进行优选，使泵站经济运行方式更符合实际，同时可降低运行能耗【3 】：同 年，武汉大学机械学院的龙新平等提出可基于曲面拟合构造装置效率、叶片角度 与装置扬程和流量的连续函数关系，借此迅速准确地确定某一装置扬程和流量所 对应的装置效率等参数，避免了反复插值的计算，可以大大的提高寻优计算的速 度和精度l 1 2 。 ， 随着人工智能算法的日益成熟，泵站的优化调度越来越多地结合人工智能算 法来求解。遗传算法是根据自然选择和进化机制构造地搜索算法，它将“优胜劣 汰、适者生存”的生物进化原理引入待优化参数的编码串群体中，按照一定的适 配值函数及一系列遗传操作对各个体进行筛选，从而使适配值高的个体被保留下 来。然后通过交叉、变异等操作，使群体中各个体的适应度不断提高，直到满足 一定的极限条件。由于不需要梯度信息，也不需要函数的连续性和映射空间，可 以从多点出发在全空间上搜索最优解，比较适用于解决水利系统中传统方法难以 解决的非线性优化、不连续优化以及组合优化问题。它起源于6 0 年代对自然和 人工自适应系统的研究，它最早由美国密歇根大学的h o l l a n d 教授提出，h o l l a n d 认识到了生物的遗传和自然进化现象与人工自适应系统的相似关系，运用生物遗 传和进化的思想来研究自然和人工自适应系统的生成以及他们与环境的关系，提 出在研究和设计人工自适应系统时，可以借鉴生物遗传的机制，以群体的方法进 行自适应搜索，并且充分认识到了交叉、变异等运算策略在自适应系统中的重要 性。h o l l a n d 的学生b a g l e y ( 1 9 6 7 ) 在其博士论文中首次提出了“遗传算法”一词， 并发表了遗传算法应用方面的第一篇论文。他发展了复制、交叉、变异、显性、 倒位等遗传算子，在个体编码上使用了双倍体的编码方法。这些都与目前遗传算 法中所使用的算子和方法相类似。他还敏锐地意识到了遗传算法执行的不同阶段 可以使用不同的选择率，这将有利于防止遗传算法的早熟现象，从而创立了自适 应遗传算法的概念。d ej o n g ( 1 9 7 5 ) 在其博士论文中结合模式定理进行了大量的 纯数值函数优化计算实验，树立了遗传的工作框架，得到了一些重要且具有指导 意义的结论。他还推荐了在大多数优化问题中都较适用的遗传算法参数，还建立 了d ej o n g 五函数测试平台，定义了评价遗传算法性能的在线指标和离线指标。 g o l d b e r g ( 19 8 9 ) 出版了专著g e n e t i ca l g o r i t h m si no p t i m i z a t i o n a n dm a c h i n el e a r n i n g ) 。该书系统总结了遗传算法的主要研究成果，全面而完整地论述了遗传 算法的基本原理及其应用。可以说这本书奠定了现代遗传算法的科学基础，为众 多研究和发展遗传算法的学者所瞩目。d a v i s ( 1 9 9 1 ) 编辑出版了 h a n d b o o ko f g e n e t i ca l g o r i t h m s ) ) 一书，书中包括了遗传算法在科学计算、工程技术和社会经 7 第一章绪论 济中的大量应用实例，为推广和普及遗传算法起到了重要的指导作用。k o z a ( 1 9 9 2 ) 将遗传算法应用于计算机程序的优化设计及自动生成，提出了遗传编程 ( g e n e t i cp r o s r a n u n i n ，简称g p ) 的概念。并成功地把他提出的遗传编程的方法应 用于人工智能、机器学习、符号处理等方面。此后，各种新的、改进的遗传算法 不断被提出，不仅丰富了遗传算法的内涵，而且使其应用领域扩展到众多工程系 统的优化中，成为跨学科研究与应用的新的学科领域。2 0 0 1 年，我国扬州大学 工学院的杨鹏提出依据遗传算法可以有效地在整个空间寻优，更有可能达到全局 最优或准全局最优的特点，可将该算法用于水泵优化调度中对于非线性模型的求 解，他以泰州引江河高港泵站为例采用模拟退火算法对泵站的优化调度模型求 解，并得到近似的全局最优解【l 。2 0 0 3 年，清华大学的王毅，将改进的遗传算 法用于泵站内部并联泵系统的变速和变角的优化运行，取得了较好的效果 2 2 】。 2 0 0 4 年，武汉大学的吴凤燕，分析了遗传算法的优缺点，引入与之互补的r o s e n b r o c k 算法，构造了混合遗传算法的数学模型并将其用于泵系统的变速调节优 化运行【l o 】。 。 1 2 2 梯级泵站的优化调度研究 随着对泵站优化调度研究的发展，人们感到仅对于单个泵站的研究是不够 的。因此，逐渐展开了对梯级泵站的研究。在多级提水系统中，各级泵站之间有 着紧密的水力联系，各站的流量、水位相互影响制约着整个提水系统的运行。多 级泵站的优化运行既要考虑各级泵站内的机组优化运行，还要考虑站与站之间水 力要素的优化组合。对梯级泵站优化调度的研究主要分为级间流量优化和水位优 化两个方面。由于早期泵站大多采用工况不可调机组，梯级泵站优化调度最主要 考虑级间流量平衡和调节方面的问题。1 9 9 0 年，水利水电科学研究院的高占义， 针对大禹渡梯级泵站的特点，建立优化调度的物理模型和数学模型，运用动态规 划法和模拟技术进行求解，优化后节能可达7 5 5 蜊9 7 1 。1 9 9 2 年，武汉水利电力 学院的李继珊等利用自优化模拟技术和动态规划理论进行了多级泵站的优化调 度及经济运行研究，建立了变时、变速、变阀的优化调度数学模型【3 9 1 。1 9 9 7 年， 连云港水运局的戴震伟，提出依据多极泵站运行的特点，采用某一调度时期内三 级泵站能耗最低为目标函数，利用系统工程理论、动态规划理论和模拟技术，用 三维离散的动态规划的数学模型，对连云港市的三级泵站中存在的大量复杂问题 进行技术处理【8 】。1 9 9 9 年，朱满林结合梯级泵站的实际，对级间无分水任务的梯 级泵站的优化调度进行了研究分析，并指出由于各泵站之间的流量配合只能通过 开停不同型号水泵或工作水泵台数来实现，泵站间的不连续流量为弃水流量。弃 水流量越大，对应的单位供水流量也越大。他指出改善梯级泵站的级间流量配合 8 第一章绪论 是减少弃水量，降低供水成本，提高梯级泵站效率的主要途径之一【2 0 1 。2 0 0 0 年， 武汉水利电力大学的邵东国在“梯级泵站供水系统水资源优化调度模型研究” 中，采用系统分析理论，研究了梯级泵站供水系统的水资源优化调度问题，建立 了具有提调水量和泄弃水量两个决策变量及多级泵站、多个水库、多个供水片的 多目标水资源优化调度模型，并给出了自优化模拟调度方法【l 们。同年，扬州大学 的刘正祥等针对多机组的多级泵站，以总能耗最小作为目标函数，用动态规划法 确定每级泵站的机组最优开机组合，然后模拟系统的运行，计算出各级泵站之间 的最优水位组合。2 0 0 2 年，李世芳等针对梯级泵站间流量平衡问题做了讨论， 分析指出梯级提水系统中各级泵站之间的流量是直接相关的，一般分为两种情 况：一种是系统通过n 级泵站供水给末级泵站，中间无分流；另一种是前一级泵 站供给的流量除了满足后一级泵站的需要，还要满足级间区间的需水要求【2 们。 2 0 0 4 年，华北水利水电学院的徐维晖采用动态规划法，以总能耗最小为目标模 拟了梯级泵站的实际运行工况，并编写了v i s u a lb a s i c 程序，对优化模型进行求 解【2 0 1 。2 0 0 5 年，武汉大学的朱劲木以东深供水工程梯级泵站的优化调度为例， 采用大系统一分解协调理论，考虑不同地区，不同时段的电价对优化调度的影响， 针对东深供水工程梯级泵站系统进行优化方案的求解【2 9 1 ，同校的熊晓明发表了 “梯级泵站的实时优化调度研究”，分析了数种优化方法，利用e x c e l 的特点，结 合某梯级泵站具体情况并考虑了电价的波峰、波谷变化规律以及级间弃水最小等 因素，提出了一种实时优化的方案，在该泵站仿真系统上进行模拟计算，获得较 好的结果【s 扪。2 0 0 6 年，扬州大学的贾仁甫针对大型调水工程系统进入稳态运行 后，在各站抽流量发生变化或首级站进水位发生变化的情况下如何及时的做出决 策，使系统的总耗能最小这一问题，建立了各级泵站水位优化调度的数学模型， 并利用动态规划法进行了求解【7 1 ；同年，扬州大学的仇宝云针对南水北调东线工 程梯级泵站的特点，将其分为源头泵站、中间泵站、进湖泵站和出湖泵站，根据 各泵站经济运行和安全运行的要求，合理选择机组变工况方式，其成果对大型梯 级泵站形式和机组设备结构功能的合理设计选型具有重大的意义【5 4 】。 1 2 3 其他 从泵站设备、运行管理等方面来看，国外泵站工程具有以下特点： ( 1 ) 运行管理人员少、素质好、分工严密。 ( 2 ) 水泵机组综合性能好。国外大型水泵一般具有转速高、体积小、重量 轻等优点，其流量是我国口径水泵流量的1 5 2 倍。 ( 3 ) 泵站自动化程度高。美国加利福尼亚州调水工程于1 9 6 4 - 1 9 7 4 年安装 了计算机自动控制系统，该系统可对1 7 座泵站和电厂，7 1 座节制闸的1 9 8 个闸 9 第一章绪论 门和其他各种设备、设施实行计算机通信、监控、检测和调度。日本现已完成 2 0 世纪六七十年代兴建的水利工程的设备改造和扩建，并安装了新的计算机监 控系统。监控系统大都采用集中管理的分层分布式结构，即在一个水系上设有中 央管理站，采用计算机和遥测、遥控装置对各种泵站、水工建筑物、渠道等进行 集中监控，以达到水资源综合利用的目的。荷兰、奥地利的一些泵站，也基本上 都实现了全自动监控。 随着我国泵站工程规模的大型化、复杂化，从8 0 年代开始，一些泵站开始 采用了较先进的计算机控制自动化系统j 水利部“9 4 8 ”项目之一“江都抽水机站机 组监控关键技术”的实施，在国内首次实现了大型泵站无人值守，少人值班的新 局面；在景泰川电力提灌二级工程中，首次在高扬程梯级提灌泵站及灌区、研究 开发计算机监控系统，现已投入使用：目前新建成的广东省东深供水工程太园泵 站采用先进的微机控制技术，对大型泵站进行计算机监控及运行管理，达到了国 际同类泵站的先进水平。我国在泵站工程自动化及系统的优化调度方面，虽然取 得了不少成果，但就其深度和广度而言仍待进一步完善和提高，使之得到更广泛 的推广与应用。 1 3 本文主要研究工作 我国对泵站的优化调度，特别是梯级泵站的优化调度研究较少，在理论上仍 存在不足之处，需要进一步的深入和提高。从分析上讲，泵站的经济运行问题和 水电站的经济运行问题有许多相似之处，都是担负着某种“负荷”，虽然水电站以 “发电”为主，泵站以“抽水”为主，一个是“以水换电”，一个是“以电换水”，但它 们在运行时具有相似性，即在满足安全运行的前提下，都要考虑“负荷”在机组间 的分配，都要考虑机组的投入顺序和投入台数等。泵站优化调度模型的求解是一 个复杂的多约束优化问题，传统的采用动态规划进行求解的优化方法，在解决这 类问题时，在计算速度、收敛性能方面存在较大的不足，而有较强的“鲁棒性” 的智能仿生算法，则在该领域显示出一定的优越性。遗传算法是建立在模拟自然 界生命进化机制基础上的一种全局性自适应随机搜索优化方法，它只要求被优化 的问题是可计算的。因此，针对优化问题数学模型非线性和带有复杂约束条件的 特点，采用了遗传算法进行求解，可取得更为令人满意的效果，为泵站优化调度 模型的求解问题提供了一条新的途径。 本文所作的主要研究如下： ( 1 ) 本文在原有泵站优化调度理论的基础上，提出将遗传算法应用于泵站 的优化调度模型求解领域中，可以更有效地解决泵站优化调度中非线性模型的求 解问题。 1 0 第一章绪论 ( 2 ) 在现实工程中，大部分泵站在设计选型时都采用型号相同的机组。在 传统的优化计算中，对于同一个站内型号相同的机组认为其性能曲线一致，掩盖 了机组实际状况的差别。因此对性能曲线相同的机组进行优化，结果往往是各机 组等流量分配。本文针对某泵站的1 0 台机组，分别进行了性能测试，通过分析 其不同测试工况点的分布，确定各机组的实际运行规律；并将分析结果用于泵站 的机组优化中。 ( 3 ) 本文研究以各机组总能耗最小为目标，建立泵站站内优化运行的数学 模型，将遗传算法的基本原理应用于泵站优化模型求解中，可确定在一定流量、 扬程下的泵站机组的最优开机组合、最优流量分配和最优机组运行工况等。 ( 4 ) 以往对梯级泵站水位优化调度的研究，往往在理想状态下进行，即忽 略泵站间渠道的水头损失，本文对梯级泵站的水位优化调度做了进一步分析，提 出可依据级间基本渠道设施情况，用水力学方程建立泵站之间的水位联系，并将 此水位关系方程用于优化调度计算中。 ( 5 ) 根据长距离调水工程的特点，本文对系统进入稳态后，梯级泵站的最 优调蓄水位的确定进行了分析，提出以梯级泵站总能耗最小为目标，建立梯级泵 站优化调度模型，应用遗传算法的原理，对优化模型进行求解，最终可确定各泵 站间的最优调蓄水位，使梯级泵站在完成某一时期的调水任务时，以此调蓄水位 运行，其系统的总耗能最小。 1 1 第二章基于遗传算法的泵站优化调度研究理论 第二章基于遗传算法的泵站优化调度研究理论 2 1 遗传算法的基本理论 遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m s ) 是模拟生物界的遗传和进化过程而建立起来 的一种搜索算法，体现着“生存竞争、优胜劣汰、适者生存”的竞争机制。遗传算 法的基本思想是从一组随机产生的初始解，即“种群”，开始进行搜索，种群中的 每一个个体，即问题的一个解，称为“染色体”；遗传算法通过染色体“适应值”来 评价染色体的好坏，适应值大的染色体被选择的几率高，适应值小的几率就小； 被选择的染色体进入下一代，下一代中的染色体通过交叉和变异等遗传操作，产 生新的染色体，即“后代”；经过若干代之后，算法收敛于最好的染色体，该染色 体就是问题的最优解或近优解。 2 1 1 遗传算法的特点 ( 1 ) 遗传算法以决策变量的编码作为运算对象。传统的优化算法往往直接 利用决策变量的实际值本身来进行优化计算，但遗传算法不是直接以决策变量的 值，而是以决策变量的某种形式的编码为运算对象。这种对决策变量的编码处理 方式，使得我们在优化计算过程中可以借鉴生物学中染色体和基因等概念，可以 模仿自然界中生物的遗传和进化等机理，也使得我们可以方便地应用遗传操作算 子。特别是对一些无数值概念或很难有数值概念，而只有代码概念的优化问题， 编码处理方式更显示出了其独特的