多级泵站优化调度问题研究-1

1、多级泵站优化调度问题研究论文导读：能反映多级泵站优化运行调度的准那么很多。优化调度模型的建立。上述模型可由动态规划求解出各级站的最优开机组合。运用数学模型找到最优的运行组合。动态规划，多级泵站优化调度问题研究。关键词：多级泵站，优化调度，动态规划，数学模型1. 前言随着工业生产力的提高, 水泵广泛应用于国民经济的各个部门，供水系统的规模也在不断扩大,复杂性也随之提高。硕士论文，动态规划。正是水泵的广泛应用,使得水泵的能耗约占全国总能耗的21%【1】。传统的经验调度方式能耗浪费甚大,已不能适应现代社会开展的需要。对泵站进行优化调度是提高泵站工程经济效益的重要途径。如果采用优化调度,不仅能节省大量

2、能源,而且使管网能在合理的状态下运行,既保证泵站供水的要求,也使压力更为合理。面对日益复杂的供水系统,如何在满足供水水量、水压及水质要求的前提下,最大限度地提高泵站供水系统的经济效益和社会效益,是摆在所有泵站供水部门面前的重要课题。2. 调度方法国外自20世纪60年代起就开始了以计算机作为供水系统辅助调度管理的探索,如美国的费城、丹佛及加拿大的多伦多等城市,就是采用遥测设备将管网中控制点的压力、水厂出厂压力、出厂流量、水位、功率及温度等实际运行参数自动适时地传送到中心调度室,并对超常现象作出自动报警,依此作为控制人员实际操作的依据。目前在美国、英国、日本、法国等地的一些城市已根本上实现了供水系

3、统的计算机优化调度管理,并编制了一些较通用的调度管理软件,如英国及美国的OPWAD等。国内的许多专家、学者从20世纪70年代起,开始尝试将计算机技术应用于泵站供水系统的模拟、优化设计及水厂水质控制等方面。硕士论文，动态规划。在供水系统优化调度管理方面也进行了一些有益的探索和尝试,制作了一些应用软件,如WNW等,并在大庆、郑州、济南、深圳、广州等地进行了实际应用。但由于国内设备条件及技术手段的限制,能在供水的可靠性及经济性方面都较成功的实例尚不多见。随着科技水平的开展及人类对供水要求的不断提高,建立供水系统的优化调度系统是供水行业开展的必然趋势。2.1用水量预测方法用水量预测是优化调度的第一步工

4、作,实际调度控制中,主要需进行日用水量和时用水量的预测。预测的方法一般分为两类:(1)解释性预测方法,即回归分析方法。(2)时间序列分析方法.2.2建立泵站供水系统网络分析模型国内外在供水系统的网络建模方面进行了大量研究,归纳起来可分为宏观模型【2】和微观模型。前者是由美国学者在1975年提出,之后国内许多学者致力于这项研究,如国内的孙伟、王训剑【3】 及赵洪宾【4】、赵新华【5】等。这类模型的主要思想是,利用获取的几种重要的管网参数(如测压点压力、泵站出口压力、泵站出水量、水池水位及系统用水量等),以统计分析理论为根底,建立系统网络分析模型【6】,因此其使用也受到一定局限。2.3调度决策方法

5、优化【7】调度的最后环节就是建立优化调度模型用以确定优化运行的决策变量值,其目的就是在满足系统约束的前提下,使运行费用最小。硕士论文，动态规划。2.4寻优方式根据决策变量的选取,可分为直接寻优和二级寻优。(1)直接寻优。硕士论文，动态规划。该法以水泵运行策略作为决策变量,即以水泵启闭量(恒速泵)或水泵转速(调速泵)为决策变量,模型计算结果,直接计算周期内水泵优化运行方式;(2)二级寻优。以泵站出口流量或水池水位作为决策变量。泵站出口流量作为决策变量时,计算结果是调度各时段各泵站的流量分配;以水池水位作为决策变量时,计算结果是调度周期内水池水位变化轨迹。以确定水泵运行策略。上述两种寻优方式目前应

6、用比拟广泛,一般来讲,对于泵站内水泵组合数较少,缺少调速泵即泵站内可调余地较小的系统,适宜采用直接寻优方式,将全系统各泵站中所有水泵的性能、状态统一考虑、协调,通过整体寻优,确定最正确运行方案。孙伟、赵洪宾、赵新华等都作了许多有益的探讨。而对于供水系统规模大,泵站多,可调余地大,供水方式较为复杂的情况,宜采用二级寻优,将问题分解。首先一级寻优求出各泵站间的流量分配或各水池水位的变化轨迹,然后调节泵站内的水泵组合或水泵转速,确定泵站的调度运行方案。硕士论文，动态规划。根据所建模型的不同,可采用不同的优化算法目前主要采用的有:动态规划法;非线性规划法;混合离散变量法。对单水池或两水池供水系统,宜采

7、用动态规划计算出水池的变化轨迹及最终的调度策略,这种方法一般是将调度周期(通常为24h)分成有限的几个时段,以水池水位为决策变量,据此建立状态转移方程及性能指标函数,进而求得水位变化的最优策略。3. 优化调度模型的建立在一定流量和扬程运行工况下，泵站机组的运行台数、机组型号可能有假设干不同的组合，对应总功率不同，每种组合的能耗必然不同，但是肯定存在最经济运行组合，运用数学模型找到最优的运行组合，对机组进行优化调度，提高泵站的运行效率，以到达经济运行的目的。3.1参数确实定阶段变量：按机组序号划分，用k表示阶段序号。K=1、2、3、4泵站的总装机台数为4台。状态变量：投入运行的机组台数，应根据实

8、际流量确定。用表示。决策变量：由于工况不可调，流量一定，所以对于每台机组只有两种情况：开机和停机，假设决策开机，那么流量等于恒值，不开机流量等于零。用表示。状态转移方程：为开机台数的转移3.2目标函数确实定能反映多级泵站优化运行调度的准那么很多，本文选用能耗指标作为横沟多级泵站运行调度的重要指标之一。式中：为泵站的能耗，kw；J为第j级泵站n为第j级泵站装机台数；取值为1或0，开机时取1，停机时取0；水的容重，=9.81kg/m3；第i台水泵流量，m3/s第i台水泵扬程，m第i台水泵的效率。硕士论文，动态规划。3.3约束条件1泵站总流量平衡约束该泵站设计提水流量2最大开机台数约束为j级泵站的开

9、机台数，n为j即泵站的装机台数。4 模型验证4.1 站内机组的优选给定了j级泵站的提水流量Qj,有约束于 NjWj上述模型可由动态规划求解出各级站的最优开机组合。5.工程实例验证吴堡工业园区位于吴堡县城以北，黄河以西，沿黄河呈长条形南北方向展布，南起县城，北至丁家湾乡，西至寇家塬慕家塬一线。本次供水工程主要解决寇家塬居民区生活用水以及李家塔、后王家山两个工业园区的用水。整个工程区跨越范围南北长约20公里，东西宽2-5.5公里。工程区为丘陵、阶地和河漫滩等地质构造，丘陵起伏，沟壑纵横，河谷深切的地貌特征。工程区地面高程为640-1030米。工程规划从黄河沿岸打渗井取水，通过管道、加压泵站将水输送

10、至需水区。本论文研究的线路为横沟水源地到慕家塬高位水池一段。多为丘陵、阶地和河漫滩等地质构造，丘陵起伏，沟壑纵横，河谷深切等地貌特征。线路地面高差为380米。由于吴堡工业园区供水系统这个工程处于可研阶段，实测数据缺乏，本模型验证只能采用设计数据进行优化横沟到慕家塬三级泵站的最优开机方案，并与设计数据进行分析比拟，得到优化结果。优化前的数据如下表所示：表 1 各级泵站优化前数据表 泵站序号 泵站总流量m3/s 泵站扬程m 装机台数 机组型号 机组功率kw 能耗kw 一级 0.737 125.02 4 SLOW200-600lA 450 432 二级 0.737 111.21 4 SLOW200-600lA 450 432 三级 0.737 132.85 4 SLOW200-600 400 336 计算过程运用Flex语言编程进行求解，采用可视化界面，对各级泵站进行优化计算。以下三幅图为各级泵站优化运行结果。图1 一级泵站优化计算图2 二级泵站优化计算图3 三级泵站优化计算将优化运行的结果用表格形式列出，如下表所示：表2 各级泵站优化后计算表 泵站序号 单泵流量m3/s 泵站扬程m 开机台数 能耗kw 一 级 0.245 125.02 3 375.6 二 级 0.184 111.21 4 244.8 三 级 0.184 132.85 4 292.44