[发明专利]梯级泵站输水系统优化运行‑控制耦合协调方法及系统

摘要

本发明公开了梯级泵站输水系统优化运行‑控制耦合协调方法及系统；步骤建立梯级泵站输水系统优化运行模型，求解梯级泵站输水系统优化运行方案；依据优化运行方案中的输水流量及对应水面线为控制目标，建立基于蓄量补偿的泵前水位控制模型，制定各泵站控制方案；基于优化运行模型和基于蓄量补偿的泵前水位控制模型，建立梯级泵站输水系统优化运行‑控制耦合模型；建立梯级泵站输水运行‑控制方案评估模型；建立梯级泵站输水系统优化运行‑控制耦合协调模型；通过对耦合协调模型耦合及求解获得优化运行方案和对应的控制方案。为我国南水北调东线工程等类似梯级泵站输水系统优化运行和控制提供技术支持，提高输水效率，降低输水成本。

主权项

梯级泵站输水系统优化运行‑控制耦合协调方法，其特征是，包括如下步骤：步骤(1)：建立梯级泵站输水系统优化运行模型，求解梯级泵站输水系统优化运行方案；步骤(2)：依据步骤(1)优化运行方案中的输水流量及对应水面线为控制目标，建立基于蓄量补偿的泵前水位控制模型，制定各泵站控制方案；步骤(3)：基于步骤(1)的梯级泵站输水系统优化运行模型和步骤(2)的基于蓄量补偿的泵前水位控制模型，建立梯级泵站输水系统优化运行‑控制耦合模型；然后，建立梯级泵站输水运行‑控制方案评估模型；最后，建立梯级泵站输水系统优化运行‑控制耦合协调模型；最终，通过对耦合协调模型耦合及求解获得优化运行方案和对应的控制方案；所述步骤(1)的步骤为：首先，建立梯级泵站输水系统整体运行效率表达式；然后，建立梯级泵站输水系统优化运行模型，根据输水工况要求，以梯级泵站输水系统运行效率最高为目标，结合梯级间水位～流量关系，根据泵站机组流量、泵站水位约束条件，采用粒子群算法对梯级泵站输水系统优化运行模型进行求解，确定梯级泵站输水系统优化运行方案；所述梯级泵站输水系统优化运行方案包括：系统梯级间各渠段目标水力状态参数和各泵站机组参数；所述水力状态参数包括输水流量及对应水面线；所述各泵站机组参数包括开关机组合和角度；所述步骤(1)中建立梯级泵站输水系统整体运行效率表达式：对梯级泵站输水系统进行动态解析，将梯级泵站输水系统划分为泵站子系统和输水子系统；所述泵站子系统包括各级泵站；所述输水子系统包括泵站间的输水渠道、节制闸和拦污栅等；采用量纲分析法，计入电机效率、水泵装置效率、建筑物水力损失、水量损失和分水影响，建立梯级泵站输水系统运行效率表达式；梯级泵站输水系统运行效率表达式：ηpcs=Σj=1n(hj-hj′)-Σj=1nSj,j+1(Q,hj+1′)Σj=1n(hj-hj′)/ηpump(Q,Hj)=Σj=1nρgHjΣj=1nρgHj/ηpump(Q,Hj)×ρgH*Σj=1nρgHj=ηps×ηcs;---(1)]]>ηps=Σj=1nTPjΣj=1nTPj′=Σj=1nHjΣj=1nHj/ηpump(Q,Hj)=Σj=1n(hj-hj′)Σj=1n(hj-hj′)/ηpunmp(Q,Hj);---(2)]]>ηcs=TP*Σj=1nTPj=ρgH*Σj=1nρgHj=Σj=1n(hj-hj′)-Σj=1nSj,j+1(Q,hj+1′)Σj=1n(hj-hj′);---(3)]]>式中，ηpcs为梯级泵站输水系统运行效率；ηps为泵站子系统效率；TPj为水体经过第j级泵站提升所获得的能量；TP′j为第j级泵站提水所需消耗的能量，第j级泵站内各抽水装置输入功率；h′j为第j级泵站进水池水位；hj为第j级泵站出水池水位；Hj为第j级泵站的扬程，Hj＝hj‑h′j；ηpump(Q,Hj)为泵站流量为Q，扬程为Hj工况下，第j级泵站内各抽水装置联合运行的效率值；ηcs为输水子系统效率；TP*为水体经过级间渠道、拦污栅、闸门输送到末级泵站最终获得的净能量；h′j+1为第j+1级泵站进水池水位；H*为末级泵站输出水体所获得的有效扬程，Sj,j+1(Q,h′j+1)为第j和j+1级泵站间水力损失；所述步骤(1)建立的梯级泵站输水系统运行优化模型：以梯级泵站输水系统运行效率最高和电费最小为目标，结合梯级间水位～流量关系计算，根据泵站机组流量和泵站水位约束条件，建立梯级泵站输水系统运行优化模型；所述步骤(1)梯级泵站输水系统运行优化模型：目标函数：Maxηpcs=Max(ηps×ηcs)=MaxΣj=1n(hj-hj′)-Σj=1nSj,j+1(Q,hj+1′)Σj=1n(hj-hj′)/ηpump(Q,Hj)---(4)]]>Maxηpcs为梯级泵站输水系统最优运行效率；Maxh'j为第j级泵站进水池最低限制水位；Minh'j为进水池最高限制水位；Minhj为第j级泵站出水池最低限制水位；Maxhj为第j级泵站出水池最高限制水位；Qmin为最小流量；Qmax为最大流量；j为梯级泵站级数；约束条件：泵站进水池水位范围约束：Minh'j≤h'j≤Maxh'j；泵站出水池水位约束：Minhj≤hj≤Maxhj；各级扬程约束：MinHj≤Hj≤MaxHj；级间水位关系约束：hj+1′＝hj‑Sj,j+1(Q,hj+1')；流量约束：Qmin≤Q1＝Q2·····＝Qj＝····≤Qmax，各级泵站间不考虑分流及损失；所述步骤(1)采用粒子群算法对梯级泵站输水系统运行优化模型进行求解，确定梯级泵站输水系统优化运行方案：以梯级泵站输水系统效率模型中水位变量的优化为例，阐述求解过程；a粒子群初始设置以梯级见扬程优化为例，设计粒子编码即是设计粒子的位置和速度表示方法；优化问题为：梯级净扬程已知，以梯级各泵站站上水位为决策变量，求解各级泵站间的水位分配；所以，粒子i的编码设计为一个在n维搜索空间里向量：Hi=(h1i,....hji,....hni)]]>式中，为第j级泵站站上水位，i表示粒子序号，n为泵站总个数；粒子i在n维空间中的飞行速度设计为：Vi=(v1i,...vji,...vni)]]>式中，vi为在粒子i在j维方向上的速度；设粒子群中粒子数为pop，则整个粒子群的空间位置和飞行速度分别为：X＝(H1,…Hi,…Hpop)T，V＝(V1,…Vi,…Vpop)TX和V均为pop×n维搜索空间中的位置向量和速度向量；初始化粒子群的方法是：在梯级各泵站出水池水位范围(minh′j,maxh′j)内随机取值，构成粒子群及其位置向量，X＝(H1,…Hi,…Hpop)T，粒子群的初始速度可设定为V＝(0,0,…0)T；b适应度函数粒子在搜索空间中的每一个位置对应梯级泵站优化运行问题的一个潜在解；粒子适应度函数用于判断粒子的位置优劣，由优化问题的目标函数、约束条件等构成，见公式(4)；c迭代更新设至第k次迭代为止，粒子i搜索到的最优位置向量记为pi(k)，整个粒子群搜索到的最优位置向量记为pg(k)，则第k+1次迭代，粒子i的速度和位置根据下式更新:vi(k+1)＝w·vi(k)+c1·r1·(pi(k)‑Hi(k))+c2·r2·(pg(k)‑Hi(k))      (5)Hi(k+1)＝Hi(k)+vi(k+1)               (6)式中，ω为惯性权重因子；r1、r2为(0,1)之间的随机数；i＝1、2…，pop；c1、c2为学习因子，c1＝c2＝2；d输出结果如果满足迭代精度要求，则输出水位优化结果；如果不满足迭代精度要求，则重复步骤b～c直至满足迭代精度要求；所述步骤(2)建立基于蓄量补偿的泵前水位控制模型，制定各泵站控制方案；所述基于蓄量补偿的泵前水位控制模型的控制目标为各级泵站前池水位；控制变量为各机组叶片角度/频率；所述基于蓄量补偿的泵前水位控制模型包括：蓄量补偿的流量前馈环节和水位‑流量串级反馈控制环节；所述蓄量补偿的流量前馈环节采用蓄量补偿的流量前馈算法；蓄量补偿的流量前馈算法的任务是粗调，采用主动蓄量补偿方式保证各梯级达到目标蓄量；所述水位‑流量串级反馈控制环节采用水位‑流量串级反馈控制算法；水位‑流量串级反馈控制算法的任务是微调，用于消除已知或未知的扰动影响，保证不同时刻的目标水位实现；将所述蓄量补偿的流量前馈算法和所述水位‑流量串级反馈控制算法的输出叠加后作为所述基于蓄量补偿的泵前水位控制模型的输出：泵站目标控制流量，并可通过泵站机组性能数据反算泵站目标控制流量对应的泵站机组叶片角度或频率；所述步骤(2)的蓄量补偿的流量前馈算法：首先，根据步骤(1)的优化运行方案计算各个渠段的目标蓄量；然后，对比各渠段现状蓄量和目标蓄量之间的差值，判断各渠段的调节状态，考虑泵站约束条件，分别对前馈时间和参与调节泵站数量进行优化，计算各级泵站的前馈流量；所述步骤(2)的蓄量补偿的流量前馈算法的步骤为：步骤(2‑1)：计算各渠段的目标蓄量及现状蓄量：根据步骤(1)梯级泵站输水系统优化运行模型得出的各渠段目标水力状态参数；所述目标水力状态参数是指设定输水流量下对应的目标水面线；目标水面线下的蓄量为各渠段的目标蓄量；各渠段的目标蓄量之和为梯级泵站输水系统目标总蓄量；步骤(2‑2)：计算各个渠段的目标蓄量与现状蓄量的差值：各个渠段的蓄量差为：ΔVj＝Vj(g)‑Vj(s)                         (8)系统目标蓄量与现状蓄量差为：ΔV=Σj=1nVj(g)-Σj=1nVj(s)---(9)]]>式(5)和(6)中，Vj(g)为第j级泵站和第j+1级泵站间渠段的目标蓄量，Vj(s)为第j级泵站和第j+1级泵站间的渠段的现状蓄量；ΔVj为第j级泵站和第j+1级泵站间渠段现状蓄量与目标蓄量差；ΔV为系统现状蓄量与目标蓄量差；步骤(2‑3)：蓄量补偿的前馈流量控制模式及范围确定：如果系统现状总蓄量小于目标总蓄量，则需调整首级或末级泵站流量，进行外部补水调节；如果系统现状总蓄量大于目标蓄量，则需调整首级或末级泵站流量，进行外部放水调节；如果系统现状总蓄量等于目标蓄量，即则梯级首级和末级泵站流量保持不变，仅进行内部蓄量调节；如果系统中所有渠段的蓄量差均不等于0，则进行全系统的流量调节；如果仅有部分渠段蓄量差不同，则仅对部分渠段进行蓄量差调节，从部分渠段的上游或下游开始逐级调整相应泵站，未参与调节的渠段及泵站维持现状运行状态，从而减少参与调节的泵站及受干扰的渠段数；步骤(2‑4)：蓄量补偿前馈控制时间及流量计算：首先根据系统现状蓄量与目标蓄量差ΔV，确定首级和末级泵站的调节流量，然后依次确定除了首级和末级泵站以外的其他泵站调节流量；设定前馈控制时间，使各个渠段同时达到目标蓄量，则对于第j级泵站和第j+1级泵站间的渠段：ΔV(j)=∫tt+ΔtQx(j,t)dt---(10)]]>其中，Qx(j,t)为第j级泵站在t时刻蓄量补偿前馈控制流量；Δt为前馈控制时间；所述步骤(2)的水位‑流量串级反馈控制算法：以各泵站前水位为控制目标，其中主控制器为水位反馈控制器，副控制器为流量反馈控制器，执行器为泵站机组，在水位反馈控制器的基础上增加副控制器‑流量反馈控制器，形成水位‑流量串级反馈结构；其中水位反馈控制器采用增量式比例积分PI控制，水位反馈控制器的流量增量输出交与流量反馈控制器；流量反馈控制器根据已知的泵站性能数据，输出机组叶片角度增量；ΔQf(j,t)＝Kp(j)Δe(j,t)+K1(j)e(j,t‑Δt)     (11)其中ΔQf(j,t)反馈算法输出的第j泵站在t时刻的流量，K1(j)为第一个比例积分系数，Kp(i)为第p个比例积分系数，用Ziegler‑Nichols法整定；e为每个时段内泵站前目标水位与实际水位误差，Δe为每个时段内泵站前目标水位与实际水位增量；所述步骤(3)的步骤为：基于步骤(1)的梯级泵站输水系统优化运行模型和步骤(2)的基于蓄量补偿的泵前水位控制模型，采用数据外部耦合方式，将梯级泵站输水系统优化运行模型和基于蓄量补偿的泵前水位控制模型进行耦合，建立梯级泵站输水系统优化运行‑控制耦合模型，实现输水工况、优化运行方案和控制方案的自动计算；建立梯级泵站输水运行‑控制方案评估模型，对优化运行方案和控制方案进行定量评估；将梯级泵站输水系统优化运行模型、基于蓄量补偿的泵前水位控制模型和梯级泵站输水运行‑控制方案评估模型；按照次序进行集成、耦合和协调，建立梯级泵站输水系统优化运行‑控制耦合协调模型，利用耦合协调模型建立输水工况、优化运行方案、控制方案、方案评估和执行/重新返回优化的计算流程，最终获得优化运行方案和对应的控制方案；所述步骤(3)的建立梯级泵站输水系统优化运行‑控制耦合模型步骤为：将步骤(1)的梯级泵站输水系统优化运行模型和步骤(2)的基于蓄量补偿的泵前水位控制模型采用外部数据交换方式进行耦合，梯级泵站输水系统优化运行模型为基于蓄量补偿的泵前水位控制模型提供数据输入；首先通过梯级泵站输水系统优化运行模型计算不同输水工况下的优化运行方案，然后利用基于蓄量补偿的泵前水位控制模型计算控制方案，通过控制方案的执行，使梯级泵站系统在不同的输水工况下处于不同的优化运行状态，并完成不同运行状态之间的转换；所述步骤(3)的建立梯级泵站输水运行‑控制方案评估模型步骤为：选取梯级泵站输水系统控制性能和响应能力，选取单位输水成本、梯级间各渠段水位、流量参数控制完成时间、泵站调节频次作为评价指标，利用层次分析法确定各指标权重，采用模糊综合评价法建立评价矩阵，计算梯级泵站输水运行‑控制方案的优劣度，从而选择最佳的优化运行及控制方案；所述步骤(3)的建立梯级泵站输水优化运行‑控制耦合协调模型的步骤为：在梯级泵站输水系统优化运行‑控制耦合模型基础上，嵌套梯级泵站输水运行‑控制方案评估模型，形成梯级泵站输水系统优化运行‑控制耦合协调模型。