基于动态平衡的梯级泵站输水系统优化运行及控制研究
摘要
本文针对大型梯级泵站输水工程,基于大系统分解-协调理论,以水力学仿真为手段,建立了一套较为完整的基于动态平衡的梯级泵站输水系统优化运行、控制理论及应用方法,确定了动态平衡下的优化运行及控制方案,在保障输水安全的条件下,通过流量、水位的主动控制实现了其在动态平衡中的经济优化运行,有效地解决了梯级泵站输水系统动态过程中的优化运行难题。通过在南水北调东线韩庄运河段的应用实践,结果表明：该成果可有效提高系统输水运行及控制水平,为系统安全、经济运行提供了技术支持,同时,该成果可在类似工程中进行推广应用。主要研究成果如下：
1.提出了基于动态平衡的梯级泵站输水系统优化运行和控制理论,以主动控制为主线,将调度优化分为运行和控制优化两个相互关联的部分,并建立了两部分相互耦合的优化模型。提出了“输水任务及目标—运行优化—控制优化—水力仿真—优化评估—最终决策”滚动向前的模型求解及耦合模式,得出了优化运行及控制方案,从而实现了梯级泵站输水系统的实时优化运行及控制。
2.在对梯级泵站输水系统进行系统分析的基础上,将梯级泵站输水系统分为泵站子系统和输水子系统两个相互关联的子系统,在此基础上提出了泵站、输水子系统效率和梯级泵站输水系统运行效率的定义及表达式,为梯级泵站输水系统的运行优化建立了数学基础。
3.提出了泵站抽水装置效率计算的理论和方法。根据现有水泵模型装置试验数据,建立了快速、可靠计算抽水装置性能的方法,可获取高精度的泵站抽水装置性能曲面,为泵站内的经济优化提供了基础数据。
4.建立了梯级泵站输水系统水力数值仿真模型,对输水过程中恒定流和非恒定流状态下的水力特性进行了分析计算。分析了系统恒定流运行状态下的流量～水位～蓄量关系；对泵站流量调节、泵站事故等工况引起的水力过渡过程进行了数值分析和仿真研究,预测输水系统在各种输水工况下,水位、流速、流量等水力参数的变化规律。同时建立的模型可为运行及控制方案提供仿真模拟平台,验证运行和控制方案的可行性,为梯级泵站优化运行及控制方案的制定提供了依据。
5.建立了单级泵站效率优化模型和时段(短期和中长期)经济优化模型,并采用基于区间离散的动态规划算法进行求解计算,分别以效率和时段经济效益最优为目标,分析单级泵站运行的理论节能空间,确定了相应的泵站内优化运行方案,为梯级泵站输水系统的优化运行提供了基础。
6.建立了基于静态平衡的梯级泵站输水系统运行效率和时段(短期和中长期)经济运行优化模型,并采用基于区间离散的动态规划算法进行求解计算,分析了梯级泵站输水系统运行理论节能空间,以效率和时段经济效益最优为目标,分别求解不同时段内梯级间水力(水位、流量)优化方案和对应的各级泵站内优化运行方案。
7.提出了梯级泵站输水控制蓄量运行模式,建立了相应的控制结构以及控制算法、模型,针对一定的运行目标,确定相应的控制方案；应用控制仿真平台对控制过程进行仿真模拟,对运行和控制方案进行校核、修正,最终确定系统优化运行及控制方案,实现了系统水位、流量的实时、自动和精确控制,保证了输水安全、经济运行。
This article is aimed at the large cascade pumping station water-delivery system, based on the theory of the large system decomposition and coordination, and adopts the hydraulics simulation method, so as to build a set of relatively complete cascade pumping station water system optimization operation and control theory and application method based on the dynamic balance, thus determine the dynamic balance of the optimizing operation and control scheme. What's more, it effectively solved the optimal operation problems in the dynamic process of cascade pumping station water system by the active control of flow and water level in the protection of water safety conditions. After the application practice in Hanzhuang Canal of South-to-north Water Transfer Project, it proved that the achievements can effectively improve the level of systematic water-delivery control, provide technical support for the system safety and economic operation. In the meantime, the achievements can be extended and applied in similar projects. The main research achievements are as follows:
1. The article put forward the cascade pumping station water system optimization operation and control theory based on the dynamic balance, divided optimizing operation scheduling into two parts:operation optimization and optimum control, which are correlate with each other, and established the mutual coupling optimization model. What's more, it put forward the rolling forward model solving and coupling mode: water delivery tasks and goals--operation optimization--control optimization--hydraulic simulation--optimization evaluation--final decision. Therefore, it concluded the optimizing operation and control scheme, and realize the current time operation and control optimization of the cascade pumping station water-delivery system.
2. Based on the systematic analysis of the cascade pumping station water-delivery system, it divided the system into pump station subsystem and water-delivery subsystem, which are closely related, and put forward the definition and expression of the pump station, water-delivery subsystem efficiency and cascade pumping station water-delivery system efficiency, therefore constructed the theoretical basis for the operation optimization of the system.
3. It put forward the calculation theory and method of the station pumping unit efficiency. Based on the existing pump model device test data, it built fast and reliable calculation method of pumping unit performance, which could gain pumping unit performance surface of high accuracy and provide basic data for the economic optimization in the pumping station.
4. It constructed the hydraulics numerical simulation model of complex water-delivery system between the cascade and calculated the characteristics of constant flow and unsteady flow state in the water-delivery process. It analyzed the flow-water-storage quantity relationship under unsteady flow operation state between the cascade, made numerical analysis and simulation research of the hydraulic transition process caused by the station flow adjustment and accident, and predicted the regulation of hydraulic parameters under different water conditions, such as water level, velocity and flow rate. Meanwhile, the model could provide simulation platform for the operation and control scheme, verify the feasibility of operation and control scheme and offer the basis for station optimization operation and control scheme.
5. It built single-stage pump station efficiency optimization model and time economic optimization model (short-term and long-term), and adopted the dynamic planning algorithm based on the discrete interval to finish the calculation. Aiming at the the optimal time efficiency and economic benefits, it analyzed the theoretical energy saving space of single-stage pump station operation, determined the corresponding pumping station optimizing operation scheme, and provided basis of cascade pumping station water-delivery system optimal operation.
6. It built cascade pumping station water system efficiency and time economic operation optimization model based on hydraulic static balance (short-term and long-term), and adopted the dynamic planning algorithm based on the discrete interval to finish the calculation. Aiming at the the optimal time efficiency and economic benefits, it analyzed the theoretical energy saving space of cascade pump station operation, and respectively worked out hydraulic optimization scheme between the cascade and the corresponding optimizing operation scheme of each pump station.
7. Based on the analysis of water-delivery control system of cascade pumping station, it put forward the suitable storage quantity control mode, built the corresponding control algorithm and model, and simulated the control process. Finally, it determined the optimal control scheme, realized the current,automatic and accurate control of water level and flow between the cascade, ensured the safety of water delivery, and provided the premise condition for the realization of cascade pumping station water-delivery system optimization operation.
1.提出了基于动态平衡的梯级泵站输水系统优化运行和控制理论,以主动控制为主线,将调度优化分为运行和控制优化两个相互关联的部分,并建立了两部分相互耦合的优化模型。提出了“输水任务及目标—运行优化—控制优化—水力仿真—优化评估—最终决策”滚动向前的模型求解及耦合模式,得出了优化运行及控制方案,从而实现了梯级泵站输水系统的实时优化运行及控制。
2.在对梯级泵站输水系统进行系统分析的基础上,将梯级泵站输水系统分为泵站子系统和输水子系统两个相互关联的子系统,在此基础上提出了泵站、输水子系统效率和梯级泵站输水系统运行效率的定义及表达式,为梯级泵站输水系统的运行优化建立了数学基础。
3.提出了泵站抽水装置效率计算的理论和方法。根据现有水泵模型装置试验数据,建立了快速、可靠计算抽水装置性能的方法,可获取高精度的泵站抽水装置性能曲面,为泵站内的经济优化提供了基础数据。
4.建立了梯级泵站输水系统水力数值仿真模型,对输水过程中恒定流和非恒定流状态下的水力特性进行了分析计算。分析了系统恒定流运行状态下的流量～水位～蓄量关系；对泵站流量调节、泵站事故等工况引起的水力过渡过程进行了数值分析和仿真研究,预测输水系统在各种输水工况下,水位、流速、流量等水力参数的变化规律。同时建立的模型可为运行及控制方案提供仿真模拟平台,验证运行和控制方案的可行性,为梯级泵站优化运行及控制方案的制定提供了依据。
5.建立了单级泵站效率优化模型和时段(短期和中长期)经济优化模型,并采用基于区间离散的动态规划算法进行求解计算,分别以效率和时段经济效益最优为目标,分析单级泵站运行的理论节能空间,确定了相应的泵站内优化运行方案,为梯级泵站输水系统的优化运行提供了基础。
6.建立了基于静态平衡的梯级泵站输水系统运行效率和时段(短期和中长期)经济运行优化模型,并采用基于区间离散的动态规划算法进行求解计算,分析了梯级泵站输水系统运行理论节能空间,以效率和时段经济效益最优为目标,分别求解不同时段内梯级间水力(水位、流量)优化方案和对应的各级泵站内优化运行方案。
7.提出了梯级泵站输水控制蓄量运行模式,建立了相应的控制结构以及控制算法、模型,针对一定的运行目标,确定相应的控制方案；应用控制仿真平台对控制过程进行仿真模拟,对运行和控制方案进行校核、修正,最终确定系统优化运行及控制方案,实现了系统水位、流量的实时、自动和精确控制,保证了输水安全、经济运行。
This article is aimed at the large cascade pumping station water-delivery system, based on the theory of the large system decomposition and coordination, and adopts the hydraulics simulation method, so as to build a set of relatively complete cascade pumping station water system optimization operation and control theory and application method based on the dynamic balance, thus determine the dynamic balance of the optimizing operation and control scheme. What's more, it effectively solved the optimal operation problems in the dynamic process of cascade pumping station water system by the active control of flow and water level in the protection of water safety conditions. After the application practice in Hanzhuang Canal of South-to-north Water Transfer Project, it proved that the achievements can effectively improve the level of systematic water-delivery control, provide technical support for the system safety and economic operation. In the meantime, the achievements can be extended and applied in similar projects. The main research achievements are as follows:
1. The article put forward the cascade pumping station water system optimization operation and control theory based on the dynamic balance, divided optimizing operation scheduling into two parts:operation optimization and optimum control, which are correlate with each other, and established the mutual coupling optimization model. What's more, it put forward the rolling forward model solving and coupling mode: water delivery tasks and goals--operation optimization--control optimization--hydraulic simulation--optimization evaluation--final decision. Therefore, it concluded the optimizing operation and control scheme, and realize the current time operation and control optimization of the cascade pumping station water-delivery system.
2. Based on the systematic analysis of the cascade pumping station water-delivery system, it divided the system into pump station subsystem and water-delivery subsystem, which are closely related, and put forward the definition and expression of the pump station, water-delivery subsystem efficiency and cascade pumping station water-delivery system efficiency, therefore constructed the theoretical basis for the operation optimization of the system.
3. It put forward the calculation theory and method of the station pumping unit efficiency. Based on the existing pump model device test data, it built fast and reliable calculation method of pumping unit performance, which could gain pumping unit performance surface of high accuracy and provide basic data for the economic optimization in the pumping station.
4. It constructed the hydraulics numerical simulation model of complex water-delivery system between the cascade and calculated the characteristics of constant flow and unsteady flow state in the water-delivery process. It analyzed the flow-water-storage quantity relationship under unsteady flow operation state between the cascade, made numerical analysis and simulation research of the hydraulic transition process caused by the station flow adjustment and accident, and predicted the regulation of hydraulic parameters under different water conditions, such as water level, velocity and flow rate. Meanwhile, the model could provide simulation platform for the operation and control scheme, verify the feasibility of operation and control scheme and offer the basis for station optimization operation and control scheme.
5. It built single-stage pump station efficiency optimization model and time economic optimization model (short-term and long-term), and adopted the dynamic planning algorithm based on the discrete interval to finish the calculation. Aiming at the the optimal time efficiency and economic benefits, it analyzed the theoretical energy saving space of single-stage pump station operation, determined the corresponding pumping station optimizing operation scheme, and provided basis of cascade pumping station water-delivery system optimal operation.
6. It built cascade pumping station water system efficiency and time economic operation optimization model based on hydraulic static balance (short-term and long-term), and adopted the dynamic planning algorithm based on the discrete interval to finish the calculation. Aiming at the the optimal time efficiency and economic benefits, it analyzed the theoretical energy saving space of cascade pump station operation, and respectively worked out hydraulic optimization scheme between the cascade and the corresponding optimizing operation scheme of each pump station.
7. Based on the analysis of water-delivery control system of cascade pumping station, it put forward the suitable storage quantity control mode, built the corresponding control algorithm and model, and simulated the control process. Finally, it determined the optimal control scheme, realized the current,automatic and accurate control of water level and flow between the cascade, ensured the safety of water delivery, and provided the premise condition for the realization of cascade pumping station water-delivery system optimization operation.
引文
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