梯级泵站输水系统优化运行及控制综述

冯福财

摘要：随着国民经济的快速增长，水利工程项目也得到了迅速的发展。在水利工程项目中，梯级泵站的应用范围日趋广泛。由于梯级泵站的运行效率直接直达各个泵站的流量以及扬程等，加之各个泵站机组的台数并不一致，输水的线路也比较长，使得梯级泵站在运行管理中存在一定的困难。因此优化梯级泵站运行尤其必要。因此文章就梯级泵站输水系统优化运行及控制进行简要综述。

关键词：梯级泵站；输水系统；优化运行；控制

在目前的水利工程项目建设中，大型梯级泵站的应用范围十分广泛，其能够有效缓解区域水资源的分布不均，缓解城市缺水等问题。由于该类型工程项目的管线相对较长，流量较大，运行的时间也比较厂，能耗相对较大等，使得优化器运行成为了业界人士重点关注的问题之一。

一、泵站优化调度的意义

今年来，泵站工程已在机电排灌、跨流域调水、城乡给水排水、电厂供水和灰渣输送、油田注水及矿井排水等农业、水利和工业部门得到了广泛应用，为促进工农业生产水平的快速发展和人民生活的不断提高发挥了重要的作用。但是，泵站在为国民经济的发展提供服务的同时也消耗着大量的能源，泵站工程存在着能源消耗大、输水成本高等问题，致使泵站工程效益较低，这就要求在安全可靠地完成给排水任务的前提下，对泵站进行合理的优化调度，根据实际工作条件的改变对泵站的运行方式做适当的调整，以最小的费用支出，获得最大的经济效益。

二、梯级泵站输水系统概述

大型串、并联梯级泵站输水工程通过泵站提水，渠道、管道输水，由泵站（ 拦污栅、水泵装置、电机、其他辅助装置等）、节制闸和渠道等设备、设施组成的复杂的输水系统（以下称梯级泵站输水系统）。其中，各级泵站是系统主要控制单元，泵站间存在密切的水力（水位、流量） 联系。由于系统在输水、供水的同时还承担了航运、防洪排涝等多种功能，因而导致运行工况多变。总之，由于梯级泵站输水系统自身的复杂性及运行工况的动态性，其在运行及控制过程中将面临多项难题，且涉及到水资源、控制工程、水力学、泵站工程等多个学科。以往，由于国内泵站自动化水平和工程水力量测设备落后，多采用宏观、分散、粗放式调度模式，往往为保证安全而牺牲经济效益，制定的宏观优化运行方案无法实现。近年来，随着我国泵站自动化水平的提高，单级泵站内部已实现自动化运行，为精细化、经济调度创造了条件。

三、梯级泵站优化运行及控制实现理论体系

泵站优化运行的主要目的是在一定的约束条件下，通过优化调度，使泵站在最高效经济的状态下运行。其目的是为了使整个泵站系统内所有设备在共同合作的前提下整体运行状态最优，而不是个体最优。即在一定时期内，使整个泵站系统在满足机组开启状态、调水流量、水位等各种约束下，按照一定的最优准则，整体的运行状态达到最优。

1.梯级泵站输水系统优化运行研究

由于梯级泵站输水系统组成的复杂性及各部分的紧密关联性，若不从整体角度统一进行协调，往往故此失彼，造成某设备、设施运行效率较高，而系统整体运行效率偏低，因此需要开展多设备、设施协调优化运行研究。主要研究内容包括：①泵站站内机组的优化调度。在满足抽水量和扬程的前提下，以泵站运行效率最优为目标，优选机组组合和确定机组的运行工况。②梯级泵站输水系统整体运行系统效率优化。以泵站站内优化为基础，考虑梯级间水位关系、泵站机组流量等约束，建立整体运行效率优化模型，以运行效率最优为目标，分别对梯级水位和流量2个参数进行优化。③梯级输水系统日、中长期经济运行优化。以梯级泵站输水系统运行效率优化为基础，考虑时间维度和流量约束，根据设定的输水任务，对时段内梯级水位、流量分别进行优化，获得日、中长期经济运行方案。

2.梯级泵站输水控制研究

实际运行中，由于输水工况的动态变化和其他因素的扰动，系统内部往往处于动态变化中。因此，需要开展梯级泵站输水控制研究，对梯级间水位流量进行主动控制，为优化运行提供边界条件。主要研究内容包括：①开发梯级泵站输水水力学仿真模型，对各类输水工况进行仿真模拟，分析不同工况下系统水力学特征。②提出梯级泵站输水控制模式，开发控制算法，实现梯级间流量平衡控制及梯级间水位、流量精确控制。

3.优化运行及控制耦合研究

静态优化运行环节的任务是制定时段内经济最优的运行方案，但无法预见实际的控制操作过程； 输水控制的任务是制定控制方案实现控制目标，避免频繁操作，力求高效、稳定控制，但无法对优化运行方案进行反馈。因此，为保证优化运行和控制方案的合理性及可行性，以水力学仿真为手段，建立运行及控制全过程仿真模型，对两者进行耦合与协调。

四、梯级泵站优化运行体系未来的发展方向

梯级泵站输水系统是一个复杂的水资源调度系统，且涉及水资源、控制工程、水力学、泵站工程等多个学科。目前，我国梯级泵站优化运行及控制研究尚未形成完整的理论体系，下一步应加强以下方面的研究：①梯级泵站输水系统优化运行建模及求解方面。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、粒子群算法等智能计算方法将越来越多地应用于梯级泵站输水系统优化运行中，用于求解泵站内各机组流量分配及叶片角度、频率，梯级间水位、流量分配，以及考虑分时电价因素的各时段内系统优化运行方案。②梯级泵站输水控制方面。随着泵站内部自动化水平的提高和计算机监控系统的完善，为梯级间水位流量控制提供了前提条件。PID、模糊、预测控制等先进的控制方法将逐步应用于对梯级泵站输水控制，可大大提高控制精度，为梯级泵站优化运行的实现提供了有效途径。③梯级泵站优化运行及控制理论体系及实践方面。进一步完善现有梯级泵站优化运行及控制实现理论和方法，结合水力学仿真技术，开发运行及控制全过程仿真模型，形成输水任务—运行优化—控制方案—水力仿真—方案評估—参数反馈—最终决策的模型求解模式。目前，相关理论成果的实际应用较少，下一步可结合南水北调东线工程、东深供水工程、万家寨调水工程等大型梯级泵站工程的运行，开展优化运行及控制实现理论的实践研究。结合实际运行效果，对理论模型中的参数不断进行修正，对建立的优化运行及控制实现仿真模型进行验证和完善，最终形成一套完善的梯级泵站优化运行及控制实现理论及应用系统。④梯级泵站输水系统与复杂水资源系统衔接方面。梯级泵站输水系统是复杂水资源系统中的重要环节和控制节点，在对该系统内部进行优化运行及控制研究基础上，尚需与外围复杂水资源系统进行衔接。结合相关联的调蓄工程（水库

、湖泊）、输水工程（干渠、河道）、节制闸等其他控制工程，建立复杂水资源综合调度控制模型，为跨流域和区域水资源调度系统提供最优调度控制方案。

总之，兴建水利工程项目是缓解水资源时空分布不均的重要途径，例如我国的南水北调工程、东深工程等，上述工程项目均采用的是梯级泵站来实现调水功能。由于梯级泵站的运行管理难度较大，一旦决策失误就会造成大量资源的浪费。因此文章通过梯级泵站优化调度和控制方法，并展望了梯级泵站优化运行的未来发展方向，期望能对梯级泵站运行安全性和经济性起到一定的指导作用。

参考文献：

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