梯级泵站输水系统预测控制方法研究

郑和震 田雨 王澈 雷晓辉 付晓杰

摘要：南水北调来水调入密云水库调蓄工程前半段是由泵站、渠道、节制闸等构成的复杂梯级泵站输水系统。为了应对该输水系统经常出现流量不平衡可能带来的水位超出极值约束的问题，建立一种新的预测控制方法，基于恒定流模型建立各渠段的站前水位—流量—蓄量关系，通过水量平衡和插值计算对蓄量和站前水位的时间变化规律进行预测，进而提出控制策略。该预测方法经实际运行数据检验，精度较高、方法简单实用，可用于密云水库调蓄工程梯级泵站输水系统实际运行控制。

关键词：梯级泵站；水位一流量一蓄量关系；水量平衡；预测控制

中图分类号：TV122+.5；TV136'.2 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.02.030

南水北调来水调人密云水库调蓄工程对消纳南水北调来水、弥补水资源亏空、实现北京水资源优化配置具有重要作用。该工程于2015年7月投入运行，工程前半段从团城湖通过6级泵站沿着京密引水渠反向输水至怀柔水库，中间没有调蓄工程，是由泵站、渠道、节制闸等构成的复杂梯级泵站输水系统。

对于渠道系统输水控制问题，已有学者根据控制目标使用PI控制算法[1]、PID控制算法[2-3]、流量前馈和水位反馈的闸门控制算法[4]、“前馈+反馈+解藕”控制算法[5]、动态矩阵控制算法[6]等制定操作方案。而梯级泵站输水系统由于自身的复杂性及运行工况的动态性，因此输水控制过程面临更大难度，国内外研究相对较少。樊红刚等[7]针对多级泵站引水工程流量平衡问题，提出叶片可调式流量在线调节方式，分别设计了流量和水位调节器；朱渊岳等[8]提出一种双PID调节器，控制稳定机组转速和站间水位；桑国庆[9]对梯级泵站输水蓄量运行控制模式进行了理论及应用研究。上述研究往往忽略梯级泵站输水系统实际运行过程中面临的输水流量不平衡导致的泵站站前（站后）水位可能超出极值约束的问题，从而无法应用于梯级泵站输水系统的预测控制。

笔者提出一种新的梯级泵站输水系统预测控制方法，为密云水库调蓄工程的实时运行调度提供技术支撑，以保证工程安全稳定运行。

1 研究对象

南水北调来水调人密云水库调蓄工程前半段由团城湖取水，通过京密引水渠反向输水，分别于屯佃闸、柳林倒虹吸、捻头倒虹吸、兴寿倒虹吸、李史山节制闸和西台上跌水节制闸附近新建6座泵站提升输水至怀柔水库，设计输水流量为20m3/s，渠道总长约73kmo工程节点概化见图1，图中标出了每个泵站的设计扬程和各渠段长度。6级泵站各自配备4台同型号的水泵（3工1备），各泵站设计参数见表1[10]。

2 数学模型

密云水库调蓄工程梯级泵站输水系统实际运行中，经常出现流量不平衡的现象，可能会导致站前（站后）水位超出极值约束，影响工程安全运行。本文以各泵站站前水位的预测控制为目标，建立水力学仿真模型，计算渠段的站前水位—流量—蓄量关系，开发预测控制模型，在实时工况下可预测泵站站前水位的时间变化规律，并提出控制方案。

2.1 泵站站前水位—流量—蓄量关系计算

建立恒定流仿真模型[10-11]，以单渠池（图2）为例，计算各渠段在各泵站站前水位和流量（此时Qi-1=Qi）组合下的蓄量，得到各渠段的泵站站前水位一流量一蓄量关系，见表2。以屯佃泵站一前柳林泵站渠段为例，前柳林泵站站前水位—流量—蓄量关系见表3。

2.2 蓄量和水位插值计算

2.2.1 渠段蓄量插值

假设当前某渠段的流量为Q、下级泵站站前水位为H，由各渠段的站前水位—流量—蓄量关系线性插值得到流量Q和水位H对应的渠段蓄量V。若Qi≤Q此种处理方法既符合实际运行管理的需求，也能使调控后渠段水位尽早稳定。

2.4.3 调控方法

以泵站i-1（流量Qi-1）、泵站i（流量Qi）和泵站i+1（流量Qi+1）的抽水流量的相互关系来决定调控方法，逐步使梯级泵站流量达到平衡。

（1）当Qi-1>Qi时：若Qi≥Qi+1，则调控泵站i-1的流量，使得Qi-1=Qi；若Qi