泵站优化调度系统设计与实现

泵站优化调度系统设计与实现

魏震

天津市排水管理处第八排水管理所天津300000

摘要：随着我国经济在快速的发展，社会在不断的进步，针对梯级泵站运行成本高、能耗大这一问题，结合不同时段的电价差异，以费用最低和能耗最低为运行准则，确定目标函数和约束条件，建立优化调度数学模型。模型的求解运用了ＭＡＴＬＡＢ的线性规划函数，计算出梯级泵站的优化流量及最佳开机组合。设计完成以后，建立基于Ｊ２ＥＥ技术架构的梯级泵站优化调度系统，以某四级泵站为例进行了实验结果的验证。

关键词：泵站；优化调度；线性规划；Ｊ２ＥＥ

引言

本文介绍的数学模型主要针对调水为目的的梯级泵站系统，进行数学建模依据流域的实际水利情况、现有工程和未来的规划方案等，设置各级泵站间的区间来水量和用水量两项参数进行计算辅助。

1泵站组的高效运行

国内水库在供水时的能耗费大约在供水成本的30%－70%，其中水泵的能耗比高达90%。实际工程调度中的单个水泵或泵站机组的效率都没有最大化，平均效率维持在50%，由此造成非常严重的资源浪费。在泵站系统设计初期会将运行经济性看做重点，而泵站选型的基础在于设计流量和过水水位，实践中各参数指标一般与设计值有差异，导致多数泵站设计是在非设计工况下完成的，进而泵站系统的效率较低。故梯级泵站间的各扬程研究分析非常重要，其对泵站整体效率的影响作用非常重大。所以在泵站系统运行安全可靠的基础上，研究提高梯级泵站联合运行效率，对各泵站的水位和流量分配进行最大程度的合理优化，降低输水管网整体的系统能耗，提高系统运行效率。

2梯级泵站优化调度模型

2.1级间优化算法

对于级间的流量优化，以梯级泵站的耗电电费最低为优化目标，则梯级泵站级间优化调度的问题可描述为：给定具体到某天某时段的各级总干渠渠段需水量，各级泵站进水池和出水池水深，各级总干渠渠道的长度、最大蓄水量、最小蓄水量、最高和最低水位（或水深）以及横截面积，各渠道初始蓄水量，各级泵站设计总功率（即泵站内所有机组设计功率之和）以及各级泵站设计总流量（即泵站内所有机组设计流量之和），求出各级泵站在不同时段下的优化流量，并且使得梯级泵站电费最低。为了便于计算，采用离散时间，即将一天二十四小时划分为二十四个时间周期，通过计算各时间段内的耗电电费来逼近泵站的实际耗电电费。

2.2各级泵站站内机组的优化

本文采用了之前分配给各级泵站的水位扬程数据进行最优解求算。如果各级泵站中有机组的性能相同，则可以按照平均分配原则制订优化方案，并进行最优化求解。具体操作如下：将各级泵站优化后得到的能耗数据，返回梯级泵站大系统进行优化协调操作，并不断将得到的新的离散水位数据输入系统进行循环计算，通过计算最终得到系统的最优值。

2.3线性规划问题的求解

线性规划法是解决多变量最优决策问题的方法，是在各种相互关联的多变量约束条件下，解决或规划一个对象的线性目标函数最优解的问题。而在ＭＡＴＬＡＢ中求解线性规划问题的函数是ｌｉｎｐｒｏｇ，该函数集中了几种求线性规划的算法，如内点法和单纯形法，并且可根据问题的规模或用户指定的算法进行求解。本文要使用ｌｉｎｐｒｏｇ函数解出目标函数，需要将目标函数以及约束条件转化成矩阵表达式。当有Ｎ种类型机组时，可转化为如下表达式：

最后将各个参数代入表达式：［ｗｆｖｅｘ］＝［ｆａｂ００］中，在ＭＡＴＬＡＢ中进行运算，即可得出最后的运算结果。

3优化调度系统的实现

3.1软件设计

１）优化模型计算模块优化计算模块是优化调度系统的主体。在优化计算模块实现了：依照给出的数学模型，进行优化流量的计算并计算出泵站要求流量下的最佳开机组合。２）基础数据的配置模块优化调度的计算依赖相关泵站的基本参数信息，此模块可供输入并保存泵站的基础数据，还能直观的展示出来。３）数据库模块数据库模块主要是存储系统运行过程中所需要的泵站参数、公共参数以及优化结果。新系统在进行优化计算时，数据库为优化计算模块提供了最新的数据，保证了优化计算的正确性和实时性。同时数据库中还存储着优化计算的结果，以方便系统对优化结果的图形和表格展示，使得与优化计算的结果得以直观的展示出来。

3.2在设计条件下的系统高效运行方案

在扬程优化分配模型中，离散首级屯佃泵站进水侧水位和末级西台上泵站的出水侧水位，得出各泵站净扬程的离散工况点，同时得出不同输水流量和梯级净扬程的系统最优效率，进而得出梯级间的优化运行方案。设计条件下，首级泵站进水侧水位为47．3m，末级泵站出水侧水位为59.12m，输水流量设计为20m3/s，泵站基本参数见表1。

表1泵站基本参数表

3.3系统软件技术结构

本系统采用Ｊ２ＥＥ技术体系，Ｊ２ＥＥ的应用框架由交互层、Ｗｅｂ层、业务逻辑层和数据层组成。Ｊ２ＥＥ技术体系采用Ｊａｖａ技术，可以做到一次开发，多次移植使用，可以跨平台使用，而且经过多年的努力，Ｊａｖａ应用在运行性能上有了较大改进。

3.4梯级泵站系统全工况高效运行方案

梯级泵站系统的全工况运行的约束条件是梯级净扬程，据此进行优化后的扬程分配。步骤为先离散屯佃泵站进水侧水位（48．34－49．30m），步长单位0．10m，再离散末级西台上泵站出水侧水位（57．24－60．23m），步长单位0．11m，可得到265个梯级净扬程工况点，文章只计算在设计流量下的全工况结果。

4实验结果验证及分析

根据优化方案得出的优化流量与实际运行方案中所需的流量相比较，优化流量均能达到所需流量的８６％以上，完全能够满足供水流量的需求；各级站内也能合理的分配机组，降低能耗。如图４所示中的二级泵站，实际运行方案中，所需流量是３８ｍ３／ｓ，优化流量是３５．１６ｍ３／ｓ～３５．８４ｍ３／ｓ之间，是所需流量的９２．５％～９４．３％之间，完全符合供水需求；站内优化中，根据开机台数与开机时间得出的能耗为３４４１９．１７８１ｋｗｈ／ｍ３，相比实际运行方案中的能耗３９８２９．３１５１ｋｗｈ／ｍ３，减少了约１３．５８％，达到了通过开机组合降低能耗的目的。

结语

水泵机组的运行费用是衡量泵站机组管理好坏的重要标准之一。为了提高泵站的能源经济效率，在考虑分时电价的情况下，建立了单座泵站多机组日优化运行模型。针对该模型的特点，运用了一种改进的动态规划算法，该算法可以对问题进行简化，避免“维数灾”，达到减少计算量的目的。以淮阴一站以及淮阴三站为例，运用该算法，获得了其日优化运行方案，并对优化结果进行了分析，在此基础上，得出了如下两个结论。（1）优化后的调度方法能有效节约提水费用，与定角恒速运行方式相比，优化后的变频变速调节方式可以节约运行费用3．5%。（2）影响泵站运行费用的因素主要有两个：一个是机组的运行工况；另一个是在分时电价下，提水负荷从电价高峰时段转移至电价低谷时段。高峰阶段，影响运行费用的主要因素是开机台数，在满足需求量的前提下，机组应优先选择停机状态；而在低谷阶段，机组则应优先以单位提水能耗比较高的方式运行。

参考文献：

［1］成莹．基于多智能算法的泵站运行优化系统研究［D］．石家庄：河北工程大学，2013．

［2］袁尧，刘超．基于蚁群算法的泵站运行优化及投影寻踪选优策略［J］．农业机械学报，2013，44（3）：38－44．

［3］戢钢．城市短期需水量预测及泵站优化调度研究［D］．上海：上海交通大学，2015．