鄭和震 田雨 王澈 雷曉輝 付曉杰

摘要：南水北調(diào)來水調(diào)入密云水庫調(diào)蓄工程前半段是由泵站、渠道、節(jié)制閘等構(gòu)成的復(fù)雜梯級泵站輸水系統(tǒng)。為了應(yīng)對該輸水系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)流量不平衡可能帶來的水位超出極值約束的問題，建立一種新的預(yù)測控制方法，基于恒定流模型建立各渠段的站前水位—流量—蓄量關(guān)系，通過水量平衡和插值計算對蓄量和站前水位的時間變化規(guī)律進(jìn)行預(yù)測，進(jìn)而提出控制策略。該預(yù)測方法經(jīng)實際運行數(shù)據(jù)檢驗，精度較高、方法簡單實用，可用于密云水庫調(diào)蓄工程梯級泵站輸水系統(tǒng)實際運行控制。

關(guān)鍵詞：梯級泵站；水位一流量一蓄量關(guān)系；水量平衡；預(yù)測控制

中圖分類號：TV122+.5；TV136'.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.02.030

南水北調(diào)來水調(diào)人密云水庫調(diào)蓄工程對消納南水北調(diào)來水、彌補水資源虧空、實現(xiàn)北京水資源優(yōu)化配置具有重要作用。該工程于2015年7月投入運行，工程前半段從團城湖通過6級泵站沿著京密引水渠反向輸水至懷柔水庫，中間沒有調(diào)蓄工程，是由泵站、渠道、節(jié)制閘等構(gòu)成的復(fù)雜梯級泵站輸水系統(tǒng)。

對于渠道系統(tǒng)輸水控制問題，已有學(xué)者根據(jù)控制目標(biāo)使用PI控制算法[1]、PID控制算法[2-3]、流量前饋和水位反饋的閘門控制算法[4]、“前饋+反饋+解藕”控制算法[5]、動態(tài)矩陣控制算法[6]等制定操作方案。而梯級泵站輸水系統(tǒng)由于自身的復(fù)雜性及運行工況的動態(tài)性，因此輸水控制過程面臨更大難度，國內(nèi)外研究相對較少。樊紅剛等[7]針對多級泵站引水工程流量平衡問題，提出葉片可調(diào)式流量在線調(diào)節(jié)方式，分別設(shè)計了流量和水位調(diào)節(jié)器；朱淵岳等[8]提出一種雙PID調(diào)節(jié)器，控制穩(wěn)定機組轉(zhuǎn)速和站間水位；桑國慶[9]對梯級泵站輸水蓄量運行控制模式進(jìn)行了理論及應(yīng)用研究。上述研究往往忽略梯級泵站輸水系統(tǒng)實際運行過程中面臨的輸水流量不平衡導(dǎo)致的泵站站前（站后）水位可能超出極值約束的問題，從而無法應(yīng)用于梯級泵站輸水系統(tǒng)的預(yù)測控制。

筆者提出一種新的梯級泵站輸水系統(tǒng)預(yù)測控制方法，為密云水庫調(diào)蓄工程的實時運行調(diào)度提供技術(shù)支撐，以保證工程安全穩(wěn)定運行。

1 研究對象

南水北調(diào)來水調(diào)人密云水庫調(diào)蓄工程前半段由團城湖取水，通過京密引水渠反向輸水，分別于屯佃閘、柳林倒虹吸、捻頭倒虹吸、興壽倒虹吸、李史山節(jié)制閘和西臺上跌水節(jié)制閘附近新建6座泵站提升輸水至懷柔水庫，設(shè)計輸水流量為20m3/s，渠道總長約73kmo工程節(jié)點概化見圖1，圖中標(biāo)出了每個泵站的設(shè)計揚程和各渠段長度。6級泵站各自配備4臺同型號的水泵（3工1備），各泵站設(shè)計參數(shù)見表1[10]。

2 數(shù)學(xué)模型

密云水庫調(diào)蓄工程梯級泵站輸水系統(tǒng)實際運行中，經(jīng)常出現(xiàn)流量不平衡的現(xiàn)象，可能會導(dǎo)致站前（站后）水位超出極值約束，影響工程安全運行。本文以各泵站站前水位的預(yù)測控制為目標(biāo)，建立水力學(xué)仿真模型，計算渠段的站前水位—流量—蓄量關(guān)系，開發(fā)預(yù)測控制模型，在實時工況下可預(yù)測泵站站前水位的時間變化規(guī)律，并提出控制方案。

2.1 泵站站前水位—流量—蓄量關(guān)系計算

建立恒定流仿真模型[10-11]，以單渠池（圖2）為例，計算各渠段在各泵站站前水位和流量（此時Qi-1=Qi）組合下的蓄量，得到各渠段的泵站站前水位一流量一蓄量關(guān)系，見表2。以屯佃泵站一前柳林泵站渠段為例，前柳林泵站站前水位—流量—蓄量關(guān)系見表3。

2.2 蓄量和水位插值計算

2.2.1 渠段蓄量插值

假設(shè)當(dāng)前某渠段的流量為Q、下級泵站站前水位為H，由各渠段的站前水位—流量—蓄量關(guān)系線性插值得到流量Q和水位H對應(yīng)的渠段蓄量V。若Qi≤Q此種處理方法既符合實際運行管理的需求，也能使調(diào)控后渠段水位盡早穩(wěn)定。

2.4.3 調(diào)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）的抽水流量的相互關(guān)系來決定調(diào)控方法，逐步使梯級泵站流量達(dá)到平衡。

（1）當(dāng)Qi-1>Qi時：若Qi≥Qi+1，則調(diào)控泵站i-1的流量，使得Qi-1=Qi；若Qi