龐 宇,王玲花,胡建永
(1.華北水利水電大學(xué) 電力學(xué)院,河南 鄭州 450000,2.浙江水利水電學(xué)院 水利與海洋工程研究所,浙江 杭州 310018)
近年來,隨著梯級泵站規(guī)模的擴(kuò)大以及復(fù)雜程度的提高,梯級泵站運行優(yōu)化理論和實踐研究不斷深入,使得梯級泵站運行優(yōu)化研究得到了重視和發(fā)展。梯級泵站的運行優(yōu)化其實就是綜合安全性和經(jīng)濟(jì)性等方面來考慮的優(yōu)化問題,最主要考慮的是級間流量平衡和調(diào)節(jié)方面的問題[1-2]。動態(tài)規(guī)劃理論、粒子群算法、遺傳算法、克隆選擇算法等一系列智能算法以及變頻調(diào)速等技術(shù)被廣泛應(yīng)用于梯級泵站輸水系統(tǒng)運行優(yōu)化研究中,合理利用這些理論、算法和技術(shù),對梯級泵站中各級泵站流量進(jìn)行平衡,合理分配級間水位、頻率、開機(jī)臺數(shù)等,實現(xiàn)長輸水系統(tǒng)梯級泵站運行優(yōu)化具有重要的作用[3]。
動態(tài)規(guī)劃方法由美國數(shù)學(xué)家貝爾曼等人創(chuàng)建,是一種適用范圍很廣的基本數(shù)學(xué)方法。許多梯級泵站在進(jìn)行系統(tǒng)運行優(yōu)化時,常常以動態(tài)規(guī)劃理論作為基礎(chǔ),通過對各級泵站的決策分析,獲得優(yōu)化運行調(diào)度方案[4]。對梯級泵站優(yōu)化調(diào)度在以不同目標(biāo)作為前提下,學(xué)者們也提出了不同的求解理論和手段。專祥濤等[5]從經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā),針對電價會隨時段變化從而影響泵站耗電費用的特點,以總耗電費最小作為優(yōu)化目標(biāo),建立了級間流量無延時模型以及級間流量有延時模型,采用動態(tài)規(guī)劃法進(jìn)行分析并求解,對所建模型進(jìn)行了優(yōu)化。XIANGTAO ZHUAN等[6]在優(yōu)化問題的性能函數(shù)中考慮了能源成本和維護(hù)成本,提出了一種擴(kuò)展的簡化動態(tài)規(guī)劃算法(RDPA)。劉正祥等[7]將總能耗最小作為目標(biāo)函數(shù),建立了動態(tài)規(guī)劃模型,通過仿真模擬算法求解發(fā)現(xiàn),各級間的揚程合理配合能優(yōu)化梯級泵站運行。周龍才[8]為了優(yōu)化梯級泵站運行,將總功率最小作為目標(biāo)函數(shù),以總流量進(jìn)行約束,建立了動態(tài)規(guī)劃模型并進(jìn)行了迭代求解,得出多并聯(lián)泵組的最優(yōu)開機(jī)組合。馬文正等[9]以提高泵站綜合效率為目標(biāo),建立了對多泵多站系統(tǒng)的運行狀態(tài)隨工作條件變化時,及時給出對應(yīng)決策的方法,保證各級泵站運行工況最優(yōu)。樊紅剛等[10]以流量平衡在長輸水梯級泵站運行中實現(xiàn)作為目標(biāo),提出了系統(tǒng)流量調(diào)節(jié)方法,即改變水泵轉(zhuǎn)槳角度改變水泵流量特性,使得流量達(dá)到系統(tǒng)要求的同時,自動調(diào)節(jié)流量,使中間泵站的前池水位始終保持穩(wěn)定,實現(xiàn)流量的自動優(yōu)化調(diào)節(jié)。X.L.FENG等[11]以最低的運行成本為目標(biāo),建立了考慮揚程變化以及電價變化的梯級泵站優(yōu)化模型。桑國慶等[12]將并聯(lián)、串聯(lián)、輸水系統(tǒng)歸為空間系統(tǒng),動態(tài)影響因素歸為時間系統(tǒng),提出了一種基于時空分解的計算方法,用以計算梯級泵站輸水系統(tǒng)的運行效率。
在解決梯級泵站調(diào)控優(yōu)化問題時,N.N.NOVITSKY等[13]發(fā)現(xiàn)當(dāng)采用控制方法進(jìn)行梯級泵站的優(yōu)化時,該問題被簡化為涉及非線性目標(biāo)函數(shù)、非線性等式約束的問題,進(jìn)而可求解優(yōu)化方式。近年來,國內(nèi)外學(xué)者對于求解梯級泵站優(yōu)化問題提出了諸多的求解算法以及模型試驗優(yōu)化方法。
YULING TANG等[14]基于粒子群算法,考慮了水泵開關(guān)和水泵累計運行時間的最優(yōu)控制問題,通過最佳控制方法,發(fā)現(xiàn)可以節(jié)省近30%的能源成本。梁興等[15]利用免疫粒子群算法求解了梯級泵站優(yōu)化調(diào)度問題,研究發(fā)現(xiàn),相對于基本粒子群算法,免疫粒子群算法不僅能有效解決梯級泵站優(yōu)化調(diào)度問題,而且具有更快的收斂速度和更高的搜索精度。楊西俠等[16-18]研究發(fā)現(xiàn),遺傳算法解決梯級泵站聯(lián)合運行時的優(yōu)化調(diào)度問題有著較好的效果。MAHDI MORADI-JALAL等[19]首先使用拉格朗日乘數(shù)求解非線性控制模型,然后通過遺傳算法實現(xiàn)了灌溉泵站的最佳控制和運行。陳虹等[20]研究發(fā)現(xiàn)模擬退火算法,適合解決復(fù)雜供水系統(tǒng)特別是當(dāng)供水系統(tǒng)含有離散量又有連續(xù)量需要求解的非線性優(yōu)化問題。馮曉莉等[21]以南水北調(diào)東線的長江至洪澤湖段三級梯級泵站系統(tǒng)為例,將多層分解方法和離散方法進(jìn)行結(jié)合,給出了優(yōu)化方案。侍翰生等[22]以動態(tài)規(guī)劃法為理論基礎(chǔ),結(jié)合模擬退火算法優(yōu)化了梯級泵站的水資源配置問題。DUAN FU等[23]采用了克隆選擇算法對梯級泵站優(yōu)化調(diào)度問題進(jìn)行了優(yōu)化求解,發(fā)現(xiàn)具有一定的效果。OSTFELD等[24]基于蟻群算法研究,求解了泵站輸水系統(tǒng)運行優(yōu)化的問題。陳欣等[25]基于matlab建立了線性規(guī)劃函數(shù)對模型進(jìn)行優(yōu)化求解,計算得出系統(tǒng)優(yōu)化后的流量分配以及最佳的開機(jī)組合。XIANGTAO ZHUAN等[26]提出了一種高效率計算法,可以使泵站在負(fù)載轉(zhuǎn)移和高效運行模式中降低成本。CHENG JILIN等[27]在線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃、復(fù)雜仿真系統(tǒng)等復(fù)雜系統(tǒng)優(yōu)化實驗方法的基礎(chǔ)上,用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法構(gòu)造實驗因子,提供了更為方便的優(yōu)化方法。J.YAZDI等[28]基于copula的MCS和MOOP模型開發(fā)了一種優(yōu)化技術(shù),來確定梯級泵站的最佳運行方式。項武銘等[29]利用CUDA(統(tǒng)一計算設(shè)備架構(gòu))對梯級泵站調(diào)度算法進(jìn)行改進(jìn),改進(jìn)了動態(tài)規(guī)劃方法的算法,結(jié)果表明基于CUDA改進(jìn)動態(tài)規(guī)劃方法在計算泵站優(yōu)化調(diào)度時,能夠提高計算的效率,降低計算難度。
朱滿林等[30]通過建立梯級泵站級間無分水的優(yōu)化模型,提出通過改善級間流量配合,減少棄水量達(dá)到優(yōu)化的目的。龔懿等[31]建立了梯級泵站群優(yōu)化數(shù)學(xué)模型,對于并聯(lián)泵站群的日優(yōu)化運行,采用大系統(tǒng)分解和動態(tài)規(guī)劃結(jié)合的方法進(jìn)行求解,對一維明渠的非恒定流運行模型采用追趕法進(jìn)行了優(yōu)化求解。李繼珊等[32]結(jié)合工程實例,基于動態(tài)規(guī)劃理論,建立了頻率閥門可隨時間變化的優(yōu)化調(diào)度數(shù)學(xué)模型,采用自優(yōu)化模擬技術(shù)求解并提出了優(yōu)化調(diào)度方案。桑國慶等[33]從影響輸水系統(tǒng)運行效率的因素入手分析,建立了優(yōu)化系統(tǒng)效率模型,將影響系統(tǒng)效率的因子作為決策變量,尋找系統(tǒng)最優(yōu)運行時的效率以及對應(yīng)的運行優(yōu)化方案。朱勁木等[34]建立了大系統(tǒng)分解—協(xié)調(diào)的聯(lián)合模型,求解模型后,給出了優(yōu)化運行方案。
還有一些學(xué)者提出的方法也值得我們思考。XIAOLIAN LIU等[35]為了優(yōu)化梯級泵站的日常運行,提出了一種改進(jìn)的自適應(yīng)優(yōu)化算法(IAGWO),提出的IAGWO和AGWO算法被應(yīng)用于由六個泵站組成的級聯(lián)泵站系統(tǒng)中,表明其所提算法是一種更有效、更經(jīng)濟(jì)的方案。PAWEL OLSZEWSKI[36]發(fā)現(xiàn)在泵站中廣泛使用的傳感器和可編程控制器,通過各種控制參數(shù)組合來控制復(fù)雜的泵站,將功耗降至最低的策略是最節(jié)能的。ZHAO ZHANG等[37]提出了一種基于站點跳過的優(yōu)化調(diào)度方法,該方法可以減少一個或多個泵站的使用,并優(yōu)化總水頭到其他站點的分配。QING-HUA LIU等[38]設(shè)計了一種新的語義本體推理方法,并將其應(yīng)用于大型泵站的節(jié)能優(yōu)化中。
長距離高揚程的梯級泵站,地形會帶來更多不利影響,各級泵站之間水位落差較大,在進(jìn)行流量平衡調(diào)節(jié)時,水泵揚程易發(fā)生偏移,輸水流量不穩(wěn)定等情況常常導(dǎo)致水泵機(jī)組頻繁啟動或前池溢水情況的發(fā)生,此時就需要變頻調(diào)速技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化。變頻調(diào)速技術(shù)不僅可以滿足連續(xù)變化情況下的供水平衡,還可以保障機(jī)組的安全運行,減輕機(jī)組在運行中受到的沖擊,延長系統(tǒng)設(shè)備使用壽命,降低機(jī)組運行能耗,有效避免水泵機(jī)組頻繁啟動,對供水設(shè)施穩(wěn)定安全運行有著重要作用[39]。
胡斌超等[40]結(jié)合工程實例介紹了水泵變頻調(diào)速技術(shù)在梯級泵站運行優(yōu)化調(diào)度方面的應(yīng)用。NAZLI MEHZAD等[41]在visual studio C ++中開發(fā)了多目標(biāo)蟻群優(yōu)化,通過變速泵對泵站進(jìn)行調(diào)度,從而使泵站的能耗成本降至最低。孫玉涵等[42]依照系統(tǒng)供水流量需求,對水泵變頻后的特性曲線進(jìn)行了推算,根據(jù)泵站不同運行模式,確定了不同系統(tǒng)流量要求下的水泵變頻范圍以及最優(yōu)化運行工況點。SRINIVASA等[43]采用了變速泵作為引水工程系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)節(jié)的手段。劉光臨等[44]通過合理調(diào)整水泵運行臺數(shù)以及部分水泵變速調(diào)節(jié)的方法,降低了泵站棄水量,優(yōu)化了泵站運行。李娜等[45]以張峰水庫梯級泵站供水系統(tǒng)為例,為達(dá)到梯級泵站供水效率最高,通過理論計算并分析了變速調(diào)節(jié)時流量平衡匹配。楊振彪等[46]以黃金峽泵站為例,在滿足受水區(qū)的水量需求前提下,論證了變頻調(diào)速對此泵站的必要性,同時通過理論分析與模型試驗,確定了基于水泵變頻的泵站調(diào)度優(yōu)化方案,確保機(jī)組可以安全穩(wěn)定高效地運行。路文梅等[47]以滄州泊頭供水泵站為例,以單方水耗電量為考核目標(biāo),探究了供水泵站變頻調(diào)速系統(tǒng)的最佳節(jié)能運行方式。劉亞明[48]以張峰水庫供水系統(tǒng)為例,利用水泵變速調(diào)節(jié)技術(shù)對復(fù)雜供水系統(tǒng)實現(xiàn)了流量平衡匹配。楊和茵[49]基于廣州市自來水取水泵站的變頻水泵,研究了大型取水泵站安全控制運行及優(yōu)化運行節(jié)能降耗問題。李杰等[50]研究發(fā)現(xiàn)不同設(shè)計取水變幅會影響最優(yōu)運行狀態(tài)時的水泵變頻頻率。楊威[51]研究了變頻器效率隨調(diào)速比的變化規(guī)律及對水泵機(jī)組總能耗的影響,根據(jù)節(jié)能運行的要求,提出了由水位變化幅度決定是否變頻調(diào)速運行的節(jié)能控制方式。程吉林[52]以江都四站為例,基于變頻變速提出單機(jī)組運行優(yōu)化模型及求解方法。張穎等[53]通過對水泵變頻調(diào)速技術(shù)的論證研究,發(fā)現(xiàn)變頻調(diào)速技術(shù)一方面可以提高水泵運行效率,另一方面能節(jié)省能源。段春江等[54]為了給出型號不統(tǒng)一的水泵機(jī)組的最優(yōu)變頻控制,依靠變頻調(diào)速后的水量與水泵效率關(guān)系,采用變尺度法求解其建立的軸功率最小模型。
長距離輸水工程一般管道線路長且輸水管線支路多,易受地形等自然條件限制,為保證安全,沿線管路附件眾多,屬于大型復(fù)雜輸水系統(tǒng)。沿線管路內(nèi)的水錘防護(hù)以及安全運行問題也較復(fù)雜,長輸水系統(tǒng)梯級泵站屬于長距離輸水工程,一旦發(fā)生安全問題易危害人民群眾生命財產(chǎn)安全,造成巨大損失。假如泵站在運行過程中發(fā)生突然斷電情況,雖然泵站控制系統(tǒng)會關(guān)閉工作閥門,但是由于水倒流而產(chǎn)生的水錘,會對管線和機(jī)組產(chǎn)生直接的威脅,因此在考慮經(jīng)濟(jì)運行的同時,一定要提供合理的水錘防護(hù)方案以及其他事故應(yīng)急對策來保障長輸水系統(tǒng)梯級泵站的安全運行[55]。在對梯級泵站優(yōu)化調(diào)度的研究中不僅僅要考慮梯級泵站的經(jīng)濟(jì)運行調(diào)度,也要考慮事故緊急調(diào)度。
肖學(xué)等[56]基于特征線法,對梯級泵站事故停泵水力過渡過程進(jìn)行模擬分析,針對單級或多級泵站事故停泵時存在的水柱分離、機(jī)組倒轉(zhuǎn)速過大、調(diào)節(jié)池漫頂或吸干等問題,提出了對應(yīng)的防護(hù)措施。盧龍彬等[57]以密云水庫調(diào)蓄工程中屯佃泵站—埝頭泵站段輸水系統(tǒng)為例,利用數(shù)值模擬計算了單級泵站停機(jī)和梯級泵站全線停機(jī)兩類緊急工況下輸水渠道的水力響應(yīng)過程。結(jié)果表明,單級泵站停機(jī)而其他泵站正常運行情況下,系統(tǒng)將逐步達(dá)到限制水位;梯級泵站系統(tǒng)在全站停機(jī)的情況下,水位變化幅度均在安全可控范圍內(nèi),表明系統(tǒng)具有良好的自調(diào)節(jié)能力。呂歲菊等[58]在研究高揚程長距離水管道中,發(fā)現(xiàn)對管道中水錘的防護(hù)可以采取在泵出口安裝蝶閥,合理采用兩段關(guān)閉規(guī)律降低水擊壓力。王磊磊等[59]研發(fā)了一種雙向增壓應(yīng)急技術(shù),保證了當(dāng)單向水廠發(fā)生事故時的安全應(yīng)急供水。桑國慶等[60]以南水北調(diào)東線工程兩湖段梯級泵站為例,在突發(fā)水污染事故情況下進(jìn)行了仿真模擬,對泵站閘、泵的應(yīng)急調(diào)度進(jìn)行了控制研究。胡建永等[61]結(jié)合工程實例,研究了空氣閥在長距離輸水系統(tǒng)事故停機(jī)過渡過程中的作用,發(fā)現(xiàn)空氣閥只要布置得當(dāng),就能有效保障輸水系統(tǒng)的安全,穩(wěn)定管線壓力。薛長青等[62]計算了長距離輸水工程發(fā)生事故停泵后的水力過渡過程,為保障安全運行,給出了泵出口閥門關(guān)閉規(guī)律,并建議采用空氣閥和調(diào)壓塔聯(lián)合的方式來進(jìn)行水錘防護(hù)。馮婷等[63]描述了在長輸水工程中,一旦出現(xiàn)水錘事故,將會影響梯級泵站級間管線安全,研究給出了采取旁通管帶止回閥的方法,以及在管線上每隔0.8 km左右設(shè)置排氣閥的方式以消除管線中會出現(xiàn)的高壓水錘與低壓水錘。廖功磊等[64]研究發(fā)現(xiàn)若無水錘防護(hù)措施時,一旦發(fā)生事故停泵,水泵反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速將大大超過規(guī)范值,有時只依靠空氣閥和出口閥門關(guān)閉規(guī)律很難使最大水錘壓力降下來,還需要安裝單向塔輔助保證管線安全。石建杰等[65]為了消除由于泵站水泵在啟停機(jī)或事故斷電時,管線內(nèi)由于瞬時負(fù)壓而產(chǎn)生的斷流彌合水錘,在輸水系統(tǒng)中設(shè)置排氣閥和空氣罐等來解決此類問題,以保證系統(tǒng)安全運行。
梯級泵站在流域內(nèi)或流域間調(diào)水,給水資源合理調(diào)配提供手段的同時,也消耗著大量的能量。制定合理的運行方案,探討梯級泵站節(jié)能降耗和調(diào)控優(yōu)化策略,對降低系統(tǒng)運行成本、提高工程經(jīng)濟(jì)效益、保證運行安全具有重大意義,目前我國梯級泵站運行優(yōu)化研究雖有一定進(jìn)展,但尚未形成完整成熟的優(yōu)化理論體系,還需進(jìn)一步研究。
(1)隨著最優(yōu)化理論和方法的日益成熟,諸如遺傳算法、粒子群算法等計算方法更多地應(yīng)用到梯級泵站優(yōu)化運行問題的求解中,對于復(fù)雜的梯級泵站系統(tǒng),如何進(jìn)一步提高計算效率和精度方面還需要進(jìn)一步研究;
(2)梯級泵站是一個龐雜的系統(tǒng),是復(fù)雜水資源系統(tǒng)的一環(huán)。由于其用水需求量和徑流量具有很大的不確定性,在建立梯級泵站優(yōu)化模型時多只局限于泵站,為簡化設(shè)計,對模型給出了許多假設(shè),導(dǎo)致其他因素考慮較少,優(yōu)化結(jié)果可能與實際結(jié)果相差較大;
(3)現(xiàn)有研究大多以梯級泵站經(jīng)濟(jì)運行調(diào)度研究為主,而對于梯級泵站,特別是長輸水系統(tǒng)中梯級泵站有壓系統(tǒng)的緊急事故調(diào)度研究相對較少;
(4)隨著科技的進(jìn)步以及智慧水利研究的不斷深入,泵站的自動化和智能化不斷發(fā)展,智慧泵站將會成為未來發(fā)展趨勢。智慧泵站將打破各個區(qū)域的信息交流壁壘,增強(qiáng)區(qū)域性聯(lián)動合作能力。實現(xiàn)梯級泵站自動化智慧管理,無論是從節(jié)水降能、提高效率,還是保證設(shè)備的安全、可靠和經(jīng)濟(jì)運行,都具有非常重要的意義。