泵站優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳欣 陳峰

摘要：針對(duì)梯級(jí)泵站運(yùn)行成本高、能耗大這一問(wèn)題，結(jié)合不同時(shí)段的電價(jià)差異，以費(fèi)用最低和能耗最低為運(yùn)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(yùn)用了MATLAB的線性規(guī)劃函數(shù)，計(jì)算出梯級(jí)泵站的優(yōu)化流量及最佳開(kāi)機(jī)組合。設(shè)計(jì)完成以后，建立基于J2EE技術(shù)架構(gòu)的梯級(jí)泵站優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)，以某四級(jí)泵站為例進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證。

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

中圖分類號(hào)：TN919.6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)水資源的需求日益增長(zhǎng)。為了解決我國(guó)用水與供需之間的矛盾，長(zhǎng)距離大型梯級(jí)泵站相繼建立并且運(yùn)行了起來(lái)。但是我國(guó)梯級(jí)泵站在實(shí)際運(yùn)行中，往往由于調(diào)度決策不當(dāng)，使得上、下級(jí)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(yùn)行失調(diào)，能源浪費(fèi)，甚至是事故的發(fā)生[1]。與此同時(shí)，由于梯級(jí)泵站運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)、運(yùn)行成本耗費(fèi)巨大、能源消耗大，使得優(yōu)化調(diào)度的問(wèn)題得到越來(lái)越廣泛的關(guān)注。

級(jí)間流量的優(yōu)化調(diào)節(jié)是梯級(jí)泵站的重要問(wèn)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(duì)各站的流量進(jìn)行合理的分配，使總體經(jīng)濟(jì)性最佳[2]。而站內(nèi)的優(yōu)化則是針對(duì)降低能耗這一問(wèn)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(kāi)機(jī)組合。

2 梯級(jí)泵站優(yōu)化調(diào)度模型

2.1 級(jí)間優(yōu)化算法

對(duì)于級(jí)間的流量?jī)?yōu)化，以梯級(jí)泵站的耗電電費(fèi)最低為優(yōu)化目標(biāo)[3]，則梯級(jí)泵站級(jí)間優(yōu)化調(diào)度的問(wèn)題可描述為：給定具體到某天某時(shí)段的各級(jí)總干渠渠段需水量，各級(jí)泵站進(jìn)水池和出水池水深，各級(jí)總干渠渠道的長(zhǎng)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(jí)泵站設(shè)計(jì)總功率（即泵站內(nèi)所有機(jī)組設(shè)計(jì)功率之和）以及各級(jí)泵站設(shè)計(jì)總流量（即泵站內(nèi)所有機(jī)組設(shè)計(jì)流量之和），求出各級(jí)泵站在不同時(shí)段下的優(yōu)化流量，并且使得梯級(jí)泵站電費(fèi)最低。為了便于計(jì)算，采用離散時(shí)間[4]，即將一天二十四小時(shí)劃分為二十四個(gè)時(shí)間周期，通過(guò)計(jì)算各時(shí)間段內(nèi)的耗電電費(fèi)來(lái)逼近泵站的實(shí)際耗電電費(fèi)。級(jí)間優(yōu)化實(shí)現(xiàn)步驟設(shè)計(jì)如圖1所示。

2.2 站內(nèi)優(yōu)化算法

通過(guò)梯級(jí)泵站的級(jí)間優(yōu)化調(diào)度得到梯級(jí)泵站的優(yōu)化流量后，可根據(jù)泵站內(nèi)機(jī)組的類型，臺(tái)數(shù)，設(shè)計(jì)流量，設(shè)計(jì)功率等，在滿足了每級(jí)泵站所需流量的基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步對(duì)泵站內(nèi)機(jī)組的開(kāi)機(jī)組合進(jìn)行規(guī)劃，得到能耗最低的開(kāi)機(jī)組合。這樣，在費(fèi)用減少的情況下，既保證了梯級(jí)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(shí)現(xiàn)步驟設(shè)計(jì)如下：

式中：表示單站中某種機(jī)組類型的總體個(gè)數(shù);F_di表示某種機(jī)組的設(shè)計(jì)流量的大小;Q_y即由級(jí)間優(yōu)化算法得出的優(yōu)化流量。

2.2.2 線性規(guī)劃問(wèn)題的求解

線性規(guī)劃法是解決多變量最優(yōu)決策問(wèn)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(gè)對(duì)象的線性目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)解的問(wèn)題。而在MATLAB中求解線性規(guī)劃問(wèn)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(diǎn)法和單純形法，并且可根據(jù)問(wèn)題的規(guī)模或用戶指定的算法進(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(jī)組時(shí)，可轉(zhuǎn)化為如下表達(dá)式：

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

3 優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 軟件設(shè)計(jì)

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

1）優(yōu)化模型計(jì)算模塊

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

2）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的配置模塊

優(yōu)化調(diào)度的計(jì)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(lái)。

3）數(shù)據(jù)庫(kù)模塊

數(shù)據(jù)庫(kù)模塊主要是存儲(chǔ)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)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(jì)算時(shí)，數(shù)據(jù)庫(kù)為優(yōu)化計(jì)算模塊提供了最新的數(shù)據(jù)，保證了優(yōu)化計(jì)算的正確性和實(shí)時(shí)性。同時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中還存儲(chǔ)著優(yōu)化計(jì)算的結(jié)果，以方便系統(tǒng)對(duì)優(yōu)化結(jié)果的圖形和表格展示，使得與優(yōu)化計(jì)算的結(jié)果得以直觀的展示出來(lái)。

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(kāi)發(fā)，多次移植使用，可以跨平臺(tái)使用，而且經(jīng)過(guò)多年的努力，Java應(yīng)用在運(yùn)行性能上有了較大改進(jìn)。

3.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

本系統(tǒng)的核心是根據(jù)泵站灌區(qū)需水計(jì)劃，在滿足灌區(qū)需水前提下，制定出站內(nèi)最優(yōu)開(kāi)機(jī)組合及開(kāi)機(jī)時(shí)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(jí)泵站進(jìn)行的，首先輸入四級(jí)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(kāi)機(jī)組合，如圖4所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證及分析

根據(jù)優(yōu)化方案得出的優(yōu)化流量與實(shí)際運(yùn)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(jí)站內(nèi)也能合理的分配機(jī)組，降低能耗。如圖4所示中的二級(jí)泵站，實(shí)際運(yùn)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(kāi)機(jī)臺(tái)數(shù)與開(kāi)機(jī)時(shí)間得出的能耗為34419.1781 kwh/m3，相比實(shí)際運(yùn)行方案中的能耗39829.3151 kwh/m3，減少了約13.58%，達(dá)到了通過(guò)開(kāi)機(jī)組合降低能耗的目的。

5 結(jié) 論

通過(guò)建立梯級(jí)泵站的級(jí)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(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解，并運(yùn)用時(shí)下最流行的J2EE技術(shù)框架搭建軟件系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)了梯級(jí)泵站的優(yōu)化調(diào)度。并且實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：通過(guò)泵站級(jí)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(yùn)行的費(fèi)用，該系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用前景。

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