梯級(jí)泵站輸水系統(tǒng)預(yù)測控制方法研究

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(jí)泵站輸水系統(tǒng)。為了應(yīng)對(duì)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(jì)算對(duì)蓄量和站前水位的時(shí)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(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)檢驗(yàn)，精度較高、方法簡單實(shí)用，可用于密云水庫調(diào)蓄工程梯級(jí)泵站輸水系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行控制。

關(guān)鍵詞：梯級(jí)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(hào)：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(duì)消納南水北調(diào)來水、彌補(bǔ)水資源虧空、實(shí)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(yùn)行，工程前半段從團(tuán)城湖通過6級(jí)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(jí)泵站輸水系統(tǒng)。

對(duì)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(dòng)態(tài)矩陣控制算法[6]等制定操作方案。而梯級(jí)泵站輸水系統(tǒng)由于自身的復(fù)雜性及運(yùn)行工況的動(dòng)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(duì)較少。樊紅剛等[7]針對(duì)多級(jí)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(jì)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(jī)組轉(zhuǎn)速和站間水位；桑國慶[9]對(duì)梯級(jí)泵站輸水蓄量運(yùn)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(jí)泵站輸水系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)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(jí)泵站輸水系統(tǒng)的預(yù)測控制。

筆者提出一種新的梯級(jí)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(shí)時(shí)運(yùn)行調(diào)度提供技術(shù)支撐，以保證工程安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 研究對(duì)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(tuán)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(tái)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(jì)輸水流量為20m3/s，渠道總長約73kmo工程節(jié)點(diǎn)概化見圖1，圖中標(biāo)出了每個(gè)泵站的設(shè)計(jì)揚(yáng)程和各渠段長度。6級(jí)泵站各自配備4臺(tái)同型號(hào)的水泵（3工1備），各泵站設(shè)計(jì)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(jí)泵站輸水系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中，經(jīng)常出現(xiàn)流量不平衡的現(xiàn)象，可能會(huì)導(dǎo)致站前（站后）水位超出極值約束，影響工程安全運(yùn)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(jì)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(shí)時(shí)工況下可預(yù)測泵站站前水位的時(shí)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(jì)算

建立恒定流仿真模型[10-11]，以單渠池（圖2）為例，計(jì)算各渠段在各泵站站前水位和流量（此時(shí)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(jì)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(jí)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(duì)應(yīng)的渠段蓄量V。若Qi≤Q此種處理方法既符合實(shí)際運(yùn)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(jí)泵站流量達(dá)到平衡。

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