泵站优化调度研究

泵站优化调度研究

0泵站的优化调度目前，中国有50多个以上的固定站，机械排水总面积超过0.33亿公顷。在省、区等地，许多枢纽工程已经完成，一些流域引水工程也相继完成。在规划实施阶段。随着泵站工程规模的扩大和复杂程度的提高,泵站的运行调度管理也越来越显现出它的重要性。多年来泵站实际运行多根据主观经验进行,致使许多泵站机组没有在最优工况下运行,造成大量电能损失,或者泵站运行调度不合理,造成弃水量过多等。提高泵站运行的经济效益和社会效益,优化泵站运行已成为一个重要问题。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社会、经济、环境、资源、政策等多方面的因素。根据泵站运行的不同要求,其优化调度的目标也不同,如泵站的用途不同,有灌溉排水、城市供水、撇洪排涝和区域调水等,泵站所在地的自然条件不同,如气候、降雨和地形等。因此泵站的优化调度目标有弃水量最小、能耗最小和国民经济效益最大等。由于泵站机组类型的不同,优化调度的调节方式也不同,如对于离心泵来说,主要是调节转速,对于轴流泵,主要是通过调节叶片来调节流量。因此泵站的优化调度是一个复杂的综合性问题。本文对我国泵站优化调度研究的现状进行了综述,并对其发展前景进行了展望。1数学模型与优化调度对泵站优化调度的研究最先是从对单级泵站开始的,由于在同一水位的并联泵站可看作同一泵站不同机组的组合,因此,并联泵站也可看作单级泵站。泵站优化调度是以运筹学为理论基础,利用现代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·Bellman)等人创建的动态规划方法是最优化技术中适用范围最广的基本数学方法之一,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方法。文献应用系统分析的思想,从农田排灌系统的全局出发,探讨了机电排灌运行能耗数量最少的计算方法,文献根据新河泵站系统的实际情况,应用大系统分解协调原理,提出了一种“搭叠钮扣式分解协调办法”,并应用单纯形法和动态规划法对其建立的数学模型进行求解。文献提出了以大型全调节轴流泵站运行费最小为目标的数学模型,并采用动态规划法进行了求解;文献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;文献又提出了根据取水泵站在不同季节流量变化大,水位变化大的特点,给出了确定单台调速泵和并联调速泵转速的数解法及调速泵台数学的确定方法,此法使取水泵站与水厂运行及送水泵站流量协调一致,在满足用户用水量要求的前提下达到耗能少、经济运行的目的。文献对可调速机组泵站给出了优化调度数学模型,提出通过改变机组的转速调节流量来减少能耗。文献通过对水情、工情的全面分析,提出了改造邵仙控制、提高东闸上游控制水位、提高江都三站挡水高程、兴建捞草桥等工程措施和改变西闸控制运用方式,建立了江都站优化调度模型,并采取相应的非工程措施加以保障;文献对叶片可调机组泵站建立了最优排涝策略的数学模型。随着人工智能算法的日益成熟,泵站的优化调度也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的搜索算法,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,通过杂交、变异等操作,使群体中各个体适应度不断提高,直到满足一定的极限条件,此时,群体中适配值最高的个体即为待优化参数的最优解。遗传算法是在复杂空间进行全局优化搜索,具有较强的鲁棒性。由于泵站运行具有整数和浮点数的混合非线性特点,该方法较为适用。文献在2001年提出了应用遗传算法对叶片可调节机组泵站的优化调度进行计算;文献在2002年也提出了应用遗传算法对调速供水泵站的优化调度进行计算;同年杨鹏等又提出了应用改进遗传算法对变频调速时泵站优化调度问题进行求解,克服了传统遗传算法容易产生早熟收敛而使求解陷入局部点的缺陷。由于泵站优化的许多因素是模糊变量,因此,结合模糊集理论进行泵站优化调度的研究成果也陆续出现。文献从水量、水质、能耗三方面综合考虑,运用模糊集的理论,建立了给水泵站最优运行的模糊数学模型,确定了水量、水质、能耗隶属函数,同时给出实时控制的模型。文献利用计算机监控所采集数据,并结合自然的潮汐现象,进行泵站优化调度,实现了节约能耗的目的。2独立引发的动态优化调度随着我国兴建了众多的梯级泵站用于调水工程以及对泵站优化调度理论和实践研究的不断深入,梯级泵站优化调度的研究得到了重视和发展。梯级泵站优化调度的研究主要包括级间流量的优化和水位的优化两个方面。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,如:1993年《水泵及水泵站》提及的梯级泵站流量调节;吴建华在文献讨论了在工况不变的情况下,如何分配泵站间的流量以达到泵站节能的效果,同时建立了最优流量分配的数学模型;文献结合一梯级泵站的实际,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水泵工作台数来实现,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;文献针对梯级泵站流量平衡问题,分析指出梯级提水(供水)系统中各泵站的流量是直接相关的。随着可调工况泵的采用,研究重点逐渐转向对梯级泵站如何通过改变工况如变速、变角等方法使总能耗或弃水量最小等问题。戴振伟在1997年发表的论文中,利用系统工程的理论,采用模拟技术,用三维离散动态规划的数学模型,对江苏省东海县的引淮入石工程中的房山、芝麻、石梁河三级泵站的优化调度进行了技术处理,优化调度运行四年,三站累计减少耗电357×109万kW·h,按每度电0.4元计,节约电费143.06万元,取得了较好的经济效益;文献采用系统分析理论,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,给出了自优化模拟调度方法;文献提出了应用动态规划法对梯级泵站运行进入稳态后的水位进行优化,较详细的介绍了对于工况可调和工况不可调机组梯级泵站的水位优化;文献对机组可变速调节的梯级泵站的最优运行提出了以总能耗最小为目标函数的数学模型,并应用动态规划方法进行求解。该方法多用于级间配合及扬程优化等方面,取得了一定的节能效果。但其模型的求解较困难,当站下水位离散点多时,会遇到“维数灾”,使该方法的应用受到一定的限制;文献提出应用遗传算法来求解梯级泵站的优化问题,对苏北平原湖区梯级泵站的水量调配问题进行求证;文献从电气设计角度探讨了山西省万家寨引黄工程的梯级泵站的运行稳定性问题,随着泵站工程规模的大型化、复杂化,计算机控制系统已是现代化梯级泵站运行管理的主要发展趋势。如水利部“94.8”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;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运行管理,达到了国际同类泵站的先进水平。提高泵站自动化管理水平是泵站工程技术改造的一项主要任务。对泵站的测量设施、机电设备的运行实施微机监测、监控、故障判断和运行分析等是泵站优化管理和科学管理的深化,也是泵站节能改造的一个重要组成部分。3按工况区分水泵的流量从以上研究成果可以看出,现有的泵站优化调度研究主要是考虑在确定的条件下泵站的优化运行,但泵站的许多影响因素是随机的和模糊的,如泵站的上下游水位、梯级泵站的级间来水和用水量等,需要依靠准确的预报及往年的水文资料,这对泵站的优化调度研究的实用性提出了挑战。今后,对于单级泵站机组间负荷的优化分配是泵站优化调度研究的一个重要方面,它主要是在总抽水流量(或总抽水功率)给定的条件下,考虑扬程的变化带来的节能效益,同时应考虑不同时段抽取不同的流量,根据泵站上下游水位的变化,在扬程大时少抽水,扬程小时多抽水;在电力峰荷时少抽水,电力谷荷时多抽水,利用时段流量的变化降低泵站的运行费用。目前,对于梯级泵站的研究也大多停留在理论阶段,实际应用较少。这一方面是因为梯级泵站系统的复杂性,另一方面是因为我国泵站的自动化水平比较落后,只有少数泵站实现了自动化控制。因此,对泵站优化调度的研究有待进一步的发展。同时,随着最优化理论和方法的日益成熟,模糊理论、灰色理论、神经网络等计算方法将越来越多的应用于泵站优化调度当中。此外,随着泵站工程自动化水平的不断提高,优化调度理论在泵