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泵站優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

2018-04-12 04:23陳欣陳峰
計算技術(shù)與自動化 2018年1期
關(guān)鍵詞:線性規(guī)劃泵站

陳欣 陳峰

摘要:針對梯級泵站運行成本高、能耗大這一問題,結(jié)合不同時段的電價差異,以費用最低和能耗最低為運行準(zhǔn)則,確定目標(biāo)函數(shù)和約束條件,建立優(yōu)化調(diào)度數(shù)學(xué)模型。模型的求解運用了MATLAB的線性規(guī)劃函數(shù),計算出梯級泵站的優(yōu)化流量及最佳開機組合。設(shè)計完成以后,建立基于J2EE技術(shù)架構(gòu)的梯級泵站優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng),以某四級泵站為例進(jìn)行了實驗結(jié)果的驗證。

關(guān)鍵詞:泵站;優(yōu)化調(diào)度;線性規(guī)劃;J2EE

中圖分類號:TN919.6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

1 引言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展,我國水資源的需求日益增長。為了解決我國用水與供需之間的矛盾,長距離大型梯級泵站相繼建立并且運行了起來。但是我國梯級泵站在實際運行中,往往由于調(diào)度決策不當(dāng),使得上、下級間流量配合不當(dāng),發(fā)生棄水或斷流等情況,進(jìn)而導(dǎo)致運行失調(diào),能源浪費,甚至是事故的發(fā)生[1]。與此同時,由于梯級泵站運行時間長、運行成本耗費巨大、能源消耗大,使得優(yōu)化調(diào)度的問題得到越來越廣泛的關(guān)注。

級間流量的優(yōu)化調(diào)節(jié)是梯級泵站的重要問題之一。它是在確定的條件下,利用站與站之間水力要素的緊密聯(lián)系,對各站的流量進(jìn)行合理的分配,使總體經(jīng)濟性最佳[2]。而站內(nèi)的優(yōu)化則是針對降低能耗這一問題,利用得出的優(yōu)化流量能在能耗最低的情況下,得出最佳的開機組合。

2 梯級泵站優(yōu)化調(diào)度模型

2.1 級間優(yōu)化算法

對于級間的流量優(yōu)化,以梯級泵站的耗電電費最低為優(yōu)化目標(biāo)[3],則梯級泵站級間優(yōu)化調(diào)度的問題可描述為:給定具體到某天某時段的各級總干渠渠段需水量,各級泵站進(jìn)水池和出水池水深,各級總干渠渠道的長度、最大蓄水量、最小蓄水量、最高和最低水位(或水深)以及橫截面積,各渠道初始蓄水量,各級泵站設(shè)計總功率(即泵站內(nèi)所有機組設(shè)計功率之和)以及各級泵站設(shè)計總流量(即泵站內(nèi)所有機組設(shè)計流量之和),求出各級泵站在不同時段下的優(yōu)化流量,并且使得梯級泵站電費最低。為了便于計算,采用離散時間[4],即將一天二十四小時劃分為二十四個時間周期,通過計算各時間段內(nèi)的耗電電費來逼近泵站的實際耗電電費。級間優(yōu)化實現(xiàn)步驟設(shè)計如圖1所示。

2.2 站內(nèi)優(yōu)化算法

通過梯級泵站的級間優(yōu)化調(diào)度得到梯級泵站的優(yōu)化流量后,可根據(jù)泵站內(nèi)機組的類型,臺數(shù),設(shè)計流量,設(shè)計功率等,在滿足了每級泵站所需流量的基礎(chǔ)上,可進(jìn)一步對泵站內(nèi)機組的開機組合進(jìn)行規(guī)劃,得到能耗最低的開機組合。這樣,在費用減少的情況下,既保證了梯級泵站流量的合理分配,又使得能源的消耗最少。站內(nèi)優(yōu)化實現(xiàn)步驟設(shè)計如下:

式中:表示單站中某種機組類型的總體個數(shù);Fdi表示某種機組的設(shè)計流量的大小;Qy即由級間優(yōu)化算法得出的優(yōu)化流量。

2.2.2 線性規(guī)劃問題的求解

線性規(guī)劃法是解決多變量最優(yōu)決策問題的方法,是在各種相互關(guān)聯(lián)的多變量約束條件下,解決或規(guī)劃一個對象的線性目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)解的問題。而在MATLAB中求解線性規(guī)劃問題的函數(shù)是linprog,該函數(shù)集中了幾種求線性規(guī)劃的算法,如內(nèi)點法和單純形法,并且可根據(jù)問題的規(guī)?;蛴脩糁付ǖ乃惴ㄟM(jìn)行求解。本文要使用linprog函數(shù)解出目標(biāo)函數(shù),需要將目標(biāo)函數(shù)以及約束條件轉(zhuǎn)化成矩陣表達(dá)式。當(dāng)有N種類型機組時,可轉(zhuǎn)化為如下表達(dá)式:

最后將各個參數(shù)代入表達(dá)式:[W fv ex]=[fab 0 0]中,在MATLAB中進(jìn)行運算,即可得出最后的運算結(jié)果。

3 優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.1 軟件設(shè)計

梯級泵站優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3所示:

1)優(yōu)化模型計算模塊

優(yōu)化計算模塊是優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)的主體。在優(yōu)化計算模塊實現(xiàn)了:依照給出的數(shù)學(xué)模型,進(jìn)行優(yōu)化流量的計算并計算出泵站要求流量下的最佳開機組合。

2)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的配置模塊

優(yōu)化調(diào)度的計算依賴相關(guān)泵站的基本參數(shù)信息,此模塊可供輸入并保存泵站的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),還能直觀的展示出來。

3)數(shù)據(jù)庫模塊

數(shù)據(jù)庫模塊主要是存儲系統(tǒng)運行過程中所需要的泵站參數(shù)、公共參數(shù)以及優(yōu)化結(jié)果[3]。新系統(tǒng)在進(jìn)行優(yōu)化計算時,數(shù)據(jù)庫為優(yōu)化計算模塊提供了最新的數(shù)據(jù),保證了優(yōu)化計算的正確性和實時性。同時數(shù)據(jù)庫中還存儲著優(yōu)化計算的結(jié)果,以方便系統(tǒng)對優(yōu)化結(jié)果的圖形和表格展示,使得與優(yōu)化計算的結(jié)果得以直觀的展示出來。

3.2 系統(tǒng)軟件技術(shù)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用J2EE技術(shù)體系,J2EE的應(yīng)用框架由交互層、Web層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)層組成。J2EE技術(shù)體系采用Java技術(shù),可以做到一次開發(fā),多次移植使用,可以跨平臺使用,而且經(jīng)過多年的努力,Java應(yīng)用在運行性能上有了較大改進(jìn)。

3.3 系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)

本系統(tǒng)的核心是根據(jù)泵站灌區(qū)需水計劃,在滿足灌區(qū)需水前提下,制定出站內(nèi)最優(yōu)開機組合及開機時間,以達(dá)到節(jié)約水資源和降低泵站能源單耗的目的。

3.4 優(yōu)化結(jié)果展示

本次優(yōu)化結(jié)果是基于某灌區(qū)四級泵站進(jìn)行的,首先輸入四級泵站的基本參數(shù),得到優(yōu)化流量,最后即可得出泵站的最佳開機組合,如圖4所示。

4 實驗結(jié)果驗證及分析

根據(jù)優(yōu)化方案得出的優(yōu)化流量與實際運行方案中所需的流量相比較,優(yōu)化流量均能達(dá)到所需流量的86%以上,完全能夠滿足供水流量的需求[5];各級站內(nèi)也能合理的分配機組,降低能耗。如圖4所示中的二級泵站,實際運行方案中,所需流量是38m3/s,優(yōu)化流量是35.16 m3/s~35.84 m3/s之間,是所需流量的92.5%~94.3%之間,完全符合供水需求;站內(nèi)優(yōu)化中,根據(jù)開機臺數(shù)與開機時間得出的能耗為34419.1781 kwh/m3,相比實際運行方案中的能耗39829.3151 kwh/m3,減少了約13.58%,達(dá)到了通過開機組合降低能耗的目的。

5 結(jié) 論

通過建立梯級泵站的級間以及站內(nèi)優(yōu)化調(diào)度的數(shù)學(xué)模型,結(jié)合MATLAB的線性規(guī)劃函數(shù)對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解,并運用時下最流行的J2EE技術(shù)框架搭建軟件系統(tǒng),最終實現(xiàn)了梯級泵站的優(yōu)化調(diào)度。并且實驗結(jié)果表明:通過泵站級間和站內(nèi)的優(yōu)化調(diào)度以后,水流量能得以均勻的分配,有利于的減少棄水或斷流的發(fā)生,還能降低能耗、減少運行的費用,該系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

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