长输水系统梯级泵站运行优化研究进展

2021-04-02 05:48:34王玲花胡建永

浙江水利水电学院学报 2021年4期

庞宇，王玲花，胡建永

(1.华北水利水电大学电力学院，河南郑州 450000，2.浙江水利水电学院水利与海洋工程研究所，浙江杭州 310018)

近年来，随着梯级泵站规模的扩大以及复杂程度的提高，梯级泵站运行优化理论和实践研究不断深入，使得梯级泵站运行优化研究得到了重视和发展。梯级泵站的运行优化其实就是综合安全性和经济性等方面来考虑的优化问题，最主要考虑的是级间流量平衡和调节方面的问题[1-2]。动态规划理论、粒子群算法、遗传算法、克隆选择算法等一系列智能算法以及变频调速等技术被广泛应用于梯级泵站输水系统运行优化研究中，合理利用这些理论、算法和技术，对梯级泵站中各级泵站流量进行平衡，合理分配级间水位、频率、开机台数等，实现长输水系统梯级泵站运行优化具有重要的作用[3]。

1 梯级泵站运行优化目标理论研究

动态规划方法由美国数学家贝尔曼等人创建，是一种适用范围很广的基本数学方法。许多梯级泵站在进行系统运行优化时，常常以动态规划理论作为基础，通过对各级泵站的决策分析，获得优化运行调度方案[4]。对梯级泵站优化调度在以不同目标作为前提下，学者们也提出了不同的求解理论和手段。专祥涛等[5]从经济性角度出发，针对电价会随时段变化从而影响泵站耗电费用的特点，以总耗电费最小作为优化目标，建立了级间流量无延时模型以及级间流量有延时模型，采用动态规划法进行分析并求解，对所建模型进行了优化。XIANGTAO ZHUAN等[6]在优化问题的性能函数中考虑了能源成本和维护成本，提出了一种扩展的简化动态规划算法(RDPA)。刘正祥等[7]将总能耗最小作为目标函数，建立了动态规划模型，通过仿真模拟算法求解发现，各级间的扬程合理配合能优化梯级泵站运行。周龙才[8]为了优化梯级泵站运行，将总功率最小作为目标函数，以总流量进行约束，建立了动态规划模型并进行了迭代求解，得出多并联泵组的最优开机组合。马文正等[9]以提高泵站综合效率为目标，建立了对多泵多站系统的运行状态随工作条件变化时，及时给出对应决策的方法，保证各级泵站运行工况最优。樊红刚等[10]以流量平衡在长输水梯级泵站运行中实现作为目标，提出了系统流量调节方法，即改变水泵转桨角度改变水泵流量特性，使得流量达到系统要求的同时，自动调节流量，使中间泵站的前池水位始终保持稳定，实现流量的自动优化调节。X.L.FENG等[11]以最低的运行成本为目标，建立了考虑扬程变化以及电价变化的梯级泵站优化模型。桑国庆等[12]将并联、串联、输水系统归为空间系统，动态影响因素归为时间系统，提出了一种基于时空分解的计算方法，用以计算梯级泵站输水系统的运行效率。

2 梯级泵站优化问题算法及模型求解

在解决梯级泵站调控优化问题时，N.N.NOVITSKY等[13]发现当采用控制方法进行梯级泵站的优化时，该问题被简化为涉及非线性目标函数、非线性等式约束的问题，进而可求解优化方式。近年来，国内外学者对于求解梯级泵站优化问题提出了诸多的求解算法以及模型试验优化方法。

YULING TANG等[14]基于粒子群算法，考虑了水泵开关和水泵累计运行时间的最优控制问题，通过最佳控制方法，发现可以节省近30%的能源成本。梁兴等[15]利用免疫粒子群算法求解了梯级泵站优化调度问题，研究发现，相对于基本粒子群算法，免疫粒子群算法不仅能有效解决梯级泵站优化调度问题，而且具有更快的收敛速度和更高的搜索精度。杨西侠等[16-18]研究发现，遗传算法解决梯级泵站联合运行时的优化调度问题有着较好的效果。MAHDI MORADI-JALAL等[19]首先使用拉格朗日乘数求解非线性控制模型，然后通过遗传算法实现了灌溉泵站的最佳控制和运行。陈虹等[20]研究发现模拟退火算法，适合解决复杂供水系统特别是当供水系统含有离散量又有连续量需要求解的非线性优化问题。冯晓莉等[21]以南水北调东线的长江至洪泽湖段三级梯级泵站系统为例，将多层分解方法和离散方法进行结合，给出了优化方案。侍翰生等[22]以动态规划法为理论基础，结合模拟退火算法优化了梯级泵站的水资源配置问题。DUAN FU等[23]采用了克隆选择算法对梯级泵站优化调度问题进行了优化求解，发现具有一定的效果。OSTFELD等[24]基于蚁群算法研究，求解了泵站输水系统运行优化的问题。陈欣等[25]基于matlab建立了线性规划函数对模型进行优化求解，计算得出系统优化后的流量分配以及最佳的开机组合。XIANGTAO ZHUAN等[26]提出了一种高效率计算法，可以使泵站在负载转移和高效运行模式中降低成本。CHENG JILIN等[27]在线性规划、非线性规划、复杂仿真系统等复杂系统优化实验方法的基础上，用神经网络方法构造实验因子，提供了更为方便的优化方法。J.YAZDI等[28]基于copula的MCS和MOOP模型开发了一种优化技术，来确定梯级泵站的最佳运行方式。项武铭等[29]利用CUDA(统一计算设备架构)对梯级泵站调度算法进行改进，改进了动态规划方法的算法，结果表明基于CUDA改进动态规划方法在计算泵站优化调度时，能够提高计算的效率，降低计算难度。

朱满林等[30]通过建立梯级泵站级间无分水的优化模型，提出通过改善级间流量配合，减少弃水量达到优化的目的。龚懿等[31]建立了梯级泵站群优化数学模型，对于并联泵站群的日优化运行，采用大系统分解和动态规划结合的方法进行求解，对一维明渠的非恒定流运行模型采用追赶法进行了优化求解。李继珊等[32]结合工程实例，基于动态规划理论，建立了频率阀门可随时间变化的优化调度数学模型，采用自优化模拟技术求解并提出了优化调度方案。桑国庆等[33]从影响输水系统运行效率的因素入手分析，建立了优化系统效率模型，将影响系统效率的因子作为决策变量，寻找系统最优运行时的效率以及对应的运行优化方案。朱劲木等[34]建立了大系统分解—协调的联合模型，求解模型后，给出了优化运行方案。

还有一些学者提出的方法也值得我们思考。XIAOLIAN LIU等[35]为了优化梯级泵站的日常运行，提出了一种改进的自适应优化算法(IAGWO)，提出的IAGWO和AGWO算法被应用于由六个泵站组成的级联泵站系统中，表明其所提算法是一种更有效、更经济的方案。PAWEL OLSZEWSKI[36]发现在泵站中广泛使用的传感器和可编程控制器，通过各种控制参数组合来控制复杂的泵站，将功耗降至最低的策略是最节能的。ZHAO ZHANG等[37]提出了一种基于站点跳过的优化调度方法，该方法可以减少一个或多个泵站的使用，并优化总水头到其他站点的分配。QING-HUA LIU等[38]设计了一种新的语义本体推理方法，并将其应用于大型泵站的节能优化中。

3 基于变频调速技术的梯级泵站运行优化

长距离高扬程的梯级泵站，地形会带来更多不利影响，各级泵站之间水位落差较大，在进行流量平衡调节时，水泵扬程易发生偏移，输水流量不稳定等情况常常导致水泵机组频繁启动或前池溢水情况的发生，此时就需要变频调速技术进行优化。变频调速技术不仅可以满足连续变化情况下的供水平衡，还可以保障机组的安全运行，减轻机组在运行中受到的冲击，延长系统设备使用寿命，降低机组运行能耗，有效避免水泵机组频繁启动，对供水设施稳定安全运行有着重要作用[39]。

胡斌超等[40]结合工程实例介绍了水泵变频调速技术在梯级泵站运行优化调度方面的应用。NAZLI MEHZAD等[41]在visual studio C ++中开发了多目标蚁群优化，通过变速泵对泵站进行调度，从而使泵站的能耗成本降至最低。孙玉涵等[42]依照系统供水流量需求，对水泵变频后的特性曲线进行了推算，根据泵站不同运行模式，确定了不同系统流量要求下的水泵变频范围以及最优化运行工况点。SRINIVASA等[43]采用了变速泵作为引水工程系统优化调节的手段。刘光临等[44]通过合理调整水泵运行台数以及部分水泵变速调节的方法，降低了泵站弃水量，优化了泵站运行。李娜等[45]以张峰水库梯级泵站供水系统为例，为达到梯级泵站供水效率最高，通过理论计算并分析了变速调节时流量平衡匹配。杨振彪等[46]以黄金峡泵站为例，在满足受水区的水量需求前提下，论证了变频调速对此泵站的必要性，同时通过理论分析与模型试验，确定了基于水泵变频的泵站调度优化方案，确保机组可以安全稳定高效地运行。路文梅等[47]以沧州泊头供水泵站为例，以单方水耗电量为考核目标，探究了供水泵站变频调速系统的最佳节能运行方式。刘亚明[48]以张峰水库供水系统为例，利用水泵变速调节技术对复杂供水系统实现了流量平衡匹配。杨和茵[49]基于广州市自来水取水泵站的变频水泵，研究了大型取水泵站安全控制运行及优化运行节能降耗问题。李杰等[50]研究发现不同设计取水变幅会影响最优运行状态时的水泵变频频率。杨威[51]研究了变频器效率随调速比的变化规律及对水泵机组总能耗的影响，根据节能运行的要求，提出了由水位变化幅度决定是否变频调速运行的节能控制方式。程吉林[52]以江都四站为例，基于变频变速提出单机组运行优化模型及求解方法。张颖等[53]通过对水泵变频调速技术的论证研究，发现变频调速技术一方面可以提高水泵运行效率，另一方面能节省能源。段春江等[54]为了给出型号不统一的水泵机组的最优变频控制，依靠变频调速后的水量与水泵效率关系，采用变尺度法求解其建立的轴功率最小模型。

4 梯级泵站的事故紧急调度

长距离输水工程一般管道线路长且输水管线支路多，易受地形等自然条件限制，为保证安全，沿线管路附件众多，属于大型复杂输水系统。沿线管路内的水锤防护以及安全运行问题也较复杂，长输水系统梯级泵站属于长距离输水工程，一旦发生安全问题易危害人民群众生命财产安全，造成巨大损失。假如泵站在运行过程中发生突然断电情况，虽然泵站控制系统会关闭工作阀门，但是由于水倒流而产生的水锤，会对管线和机组产生直接的威胁，因此在考虑经济运行的同时，一定要提供合理的水锤防护方案以及其他事故应急对策来保障长输水系统梯级泵站的安全运行[55]。在对梯级泵站优化调度的研究中不仅仅要考虑梯级泵站的经济运行调度，也要考虑事故紧急调度。

肖学等[56]基于特征线法，对梯级泵站事故停泵水力过渡过程进行模拟分析，针对单级或多级泵站事故停泵时存在的水柱分离、机组倒转速过大、调节池漫顶或吸干等问题，提出了对应的防护措施。卢龙彬等[57]以密云水库调蓄工程中屯佃泵站—埝头泵站段输水系统为例，利用数值模拟计算了单级泵站停机和梯级泵站全线停机两类紧急工况下输水渠道的水力响应过程。结果表明，单级泵站停机而其他泵站正常运行情况下，系统将逐步达到限制水位；梯级泵站系统在全站停机的情况下，水位变化幅度均在安全可控范围内，表明系统具有良好的自调节能力。吕岁菊等[58]在研究高扬程长距离水管道中，发现对管道中水锤的防护可以采取在泵出口安装蝶阀，合理采用两段关闭规律降低水击压力。王磊磊等[59]研发了一种双向增压应急技术，保证了当单向水厂发生事故时的安全应急供水。桑国庆等[60]以南水北调东线工程两湖段梯级泵站为例，在突发水污染事故情况下进行了仿真模拟，对泵站闸、泵的应急调度进行了控制研究。胡建永等[61]结合工程实例，研究了空气阀在长距离输水系统事故停机过渡过程中的作用，发现空气阀只要布置得当，就能有效保障输水系统的安全，稳定管线压力。薛长青等[62]计算了长距离输水工程发生事故停泵后的水力过渡过程，为保障安全运行，给出了泵出口阀门关闭规律，并建议采用空气阀和调压塔联合的方式来进行水锤防护。冯婷等[63]描述了在长输水工程中，一旦出现水锤事故，将会影响梯级泵站级间管线安全，研究给出了采取旁通管带止回阀的方法，以及在管线上每隔0.8 km左右设置排气阀的方式以消除管线中会出现的高压水锤与低压水锤。廖功磊等[64]研究发现若无水锤防护措施时，一旦发生事故停泵，水泵反转转速将大大超过规范值，有时只依靠空气阀和出口阀门关闭规律很难使最大水锤压力降下来，还需要安装单向塔辅助保证管线安全。石建杰等[65]为了消除由于泵站水泵在启停机或事故断电时，管线内由于瞬时负压而产生的断流弥合水锤，在输水系统中设置排气阀和空气罐等来解决此类问题，以保证系统安全运行。

5 结论

梯级泵站在流域内或流域间调水，给水资源合理调配提供手段的同时，也消耗着大量的能量。制定合理的运行方案，探讨梯级泵站节能降耗和调控优化策略，对降低系统运行成本、提高工程经济效益、保证运行安全具有重大意义，目前我国梯级泵站运行优化研究虽有一定进展，但尚未形成完整成熟的优化理论体系，还需进一步研究。

(1)随着最优化理论和方法的日益成熟，诸如遗传算法、粒子群算法等计算方法更多地应用到梯级泵站优化运行问题的求解中，对于复杂的梯级泵站系统，如何进一步提高计算效率和精度方面还需要进一步研究；

(2)梯级泵站是一个庞杂的系统，是复杂水资源系统的一环。由于其用水需求量和径流量具有很大的不确定性，在建立梯级泵站优化模型时多只局限于泵站，为简化设计，对模型给出了许多假设，导致其他因素考虑较少，优化结果可能与实际结果相差较大；

(3)现有研究大多以梯级泵站经济运行调度研究为主，而对于梯级泵站，特别是长输水系统中梯级泵站有压系统的紧急事故调度研究相对较少；