多級(jí)泵站聯(lián)合調(diào)度的信息化設(shè)計(jì)

何洪兵

（天長(zhǎng)市二峰電力灌溉總站　安徽　天長(zhǎng)　239300）

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多級(jí)泵站聯(lián)合調(diào)度的信息化設(shè)計(jì)

何洪兵

（天長(zhǎng)市二峰電力灌溉總站安徽天長(zhǎng)239300）

摘要文章以工程實(shí)例為依托，在分析多級(jí)泵站聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度需求的基礎(chǔ)上，提出了多級(jí)泵站聯(lián)合調(diào)度的信息化設(shè)計(jì)。期望通過本文的研究能夠?qū)ν惞こ烫峁┙梃b參考。

關(guān)鍵詞多級(jí)泵站；調(diào)度；信息化

1　工程概況

某灌區(qū)為灌排相結(jié)合的大型電力灌溉工程，整個(gè)灌區(qū)共涉及30余個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，2000多個(gè)村莊。灌區(qū)渠首以上的流域面積約為10.33×104km2，多年平均徑流量為75.96× 108km2。整個(gè)灌區(qū)內(nèi)共計(jì)建有抽水泵站和排水泵站31座，機(jī)組137臺(tái)，總裝機(jī)容量為2.96萬kW，抽水泵站居多，共計(jì)26座，機(jī)組108臺(tái)，分為8級(jí)提水，累計(jì)凈揚(yáng)程86m，平均凈揚(yáng)程35m。抽水泵站的機(jī)組參數(shù)如表1所示。

由于灌區(qū)的供水面積相對(duì)較大，所以在調(diào)度時(shí)，需要采取分區(qū)調(diào)度的方法，按渠系將抽水泵站劃分為5個(gè)分區(qū)，在此基礎(chǔ)上，便可對(duì)區(qū)域需水量進(jìn)行預(yù)測(cè)，然后按照實(shí)際區(qū)域內(nèi)的單位水量的產(chǎn)值，合理確定出供水調(diào)度的優(yōu)先級(jí)。

2　多級(jí)泵站聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度的需求分析

對(duì)于多級(jí)泵站而言，其供水優(yōu)化調(diào)度需求具體是根據(jù)灌區(qū)所在地的發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，在進(jìn)行具體分析和選擇模型前，由相關(guān)各方進(jìn)行交流，確定改進(jìn)優(yōu)化的過程[1]。它既是系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)的前提和基礎(chǔ)，也是實(shí)施效果評(píng)價(jià)的參照，具體而言，需求分析是系統(tǒng)設(shè)計(jì)和模型選擇是否合理的關(guān)鍵之所在。

2.1數(shù)據(jù)管理現(xiàn)狀分析。

在泵站的運(yùn)行調(diào)度中，所需的資料主要包括：來水預(yù)測(cè)、用水預(yù)測(cè)以及泵站歷史運(yùn)行情況等[2]。由于數(shù)據(jù)本身具有離散性的特點(diǎn)，所以很難據(jù)此進(jìn)行長(zhǎng)期的調(diào)度決策。同時(shí)，該地區(qū)的氣象部門并未將降雨數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)資源共享，這給降雨量的預(yù)測(cè)工作增添了一定難度。此外，由于泵站運(yùn)行的歷史數(shù)據(jù)沒有實(shí)現(xiàn)完全的數(shù)據(jù)共享，加之各站間的數(shù)據(jù)系統(tǒng)尚未建立，從而給聯(lián)合調(diào)度工作的進(jìn)行增添了一定難度。

2.2調(diào)度運(yùn)行現(xiàn)狀分析。

目前，泵站的運(yùn)行調(diào)度尚且沒有數(shù)學(xué)模型作為指導(dǎo)，工作多以人為經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，調(diào)度中的一些關(guān)鍵參數(shù)也需要專門測(cè)量[3]。

導(dǎo)致上述問題的主要原因是數(shù)據(jù)采集手段較為落后、各部門之間的數(shù)據(jù)共享中斷。鑒于此，必須加快建立適用于多級(jí)泵站供水的優(yōu)化調(diào)度模型，借助決策的科學(xué)理論和方法來輔助決策，以此來改善決策效能。

3　多級(jí)泵站聯(lián)合調(diào)度的信息化設(shè)計(jì)

想要實(shí)現(xiàn)多級(jí)泵站的聯(lián)合調(diào)度，就必須構(gòu)建起一個(gè)完善的供水調(diào)度管理決策支持系統(tǒng)，即以計(jì)算機(jī)為核心，以通信設(shè)備作為相關(guān)數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)闹饕ぞ?，?duì)多級(jí)泵站的供水調(diào)度信息進(jìn)行采集、處理和傳輸，為管理決策提供信息的人機(jī)系統(tǒng)。圖1為多級(jí)泵站調(diào)度信息結(jié)構(gòu)示意圖。

表1　抽水泵站機(jī)組主要參數(shù)指標(biāo)

圖1　多級(jí)泵站調(diào)度信息結(jié)構(gòu)示意圖

3.1系統(tǒng)目標(biāo)

為使水資源能夠得到優(yōu)化配置，并為泵站的優(yōu)化調(diào)度提供相關(guān)的輔助決策信息，本文提出多級(jí)泵站聯(lián)合調(diào)度信息系統(tǒng)，系統(tǒng)的運(yùn)行過程如下：系統(tǒng)會(huì)對(duì)輸入的初始數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，并對(duì)接收到的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，然后將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成能夠在其內(nèi)部流動(dòng)的信息，同時(shí)借助相關(guān)軟件和硬件及編寫模塊，對(duì)上述信息進(jìn)行處理，再以適合的形式進(jìn)行表達(dá)，最后通過人機(jī)對(duì)話將用戶需要的信息傳給用戶。

3.2系統(tǒng)規(guī)約

本文所提出的系統(tǒng)主要包括兩大規(guī)約，即用戶規(guī)約和功能規(guī)約，下面分別對(duì)這兩個(gè)規(guī)約進(jìn)行介紹。

3.2.1用戶規(guī)約。本系統(tǒng)面對(duì)的用戶主要包括以下三類，即管理決策人員、主管人員和普通用戶。其中管理決策人員對(duì)系統(tǒng)的要求是直觀化、可視化；主管人員對(duì)系統(tǒng)的要求是功能模塊要足夠強(qiáng)大且易于操作和使用；普通用戶對(duì)系統(tǒng)的要求是查詢簡(jiǎn)單便捷、界面友好。3.2.2功能規(guī)約。通過對(duì)系統(tǒng)用戶的分析可知，該系統(tǒng)的主要功能需求包括以下幾個(gè)方面：空間和屬性數(shù)據(jù)的集成與管理功能、圖文互查功能、屬性數(shù)據(jù)編輯和圖層控制功能、綜合分析以及系統(tǒng)維護(hù)功能等等。

3.3系統(tǒng)集成

在對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)當(dāng)將先進(jìn)性、成熟性、實(shí)用性等幾個(gè)方面有機(jī)結(jié)合到一起，并盡可能使這幾個(gè)特性達(dá)到協(xié)調(diào)、統(tǒng)一，同時(shí)還應(yīng)遵循以下幾點(diǎn)原則：對(duì)現(xiàn)有的設(shè)備設(shè)施加以充分利用，節(jié)約前期投資成本；對(duì)技術(shù)進(jìn)行充分考慮，保證強(qiáng)有力的技術(shù)支撐；要確保系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行；設(shè)計(jì)出來的系統(tǒng)要具備良好的開放性和可擴(kuò)展性。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)可以選擇的模式有以下幾種：獨(dú)立開發(fā)、二次開發(fā)、集成二次開發(fā)。數(shù)據(jù)的管理方法有文件管理、數(shù)據(jù)庫管理、文件結(jié)合數(shù)據(jù)庫管理等。為了確保數(shù)據(jù)信息的安全性，在進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)時(shí)，可采用程序與數(shù)據(jù)相分離的方式，這樣一來，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)便只與系統(tǒng)的參數(shù)有所關(guān)聯(lián)，而與系統(tǒng)應(yīng)用程序無關(guān)。在該前提下，可采用GIS對(duì)圖形數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，同時(shí)可借助關(guān)系數(shù)據(jù)庫，對(duì)圖形屬性數(shù)據(jù)一級(jí)非空間數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。除以上數(shù)據(jù)之外的其它數(shù)據(jù)，則可采用文件系統(tǒng)進(jìn)行存儲(chǔ)，如影像數(shù)據(jù)、柵格數(shù)據(jù)等，并由數(shù)據(jù)庫的索引表對(duì)這部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行管理[4]。

3.4聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型的構(gòu)建

層次性是多級(jí)泵站供水優(yōu)化調(diào)度最為鮮明的特征之一，由于整個(gè)站群系統(tǒng)中有數(shù)量眾多的泵站，加之這些泵站之間的供水關(guān)系相對(duì)比較復(fù)雜，使系統(tǒng)包含了不同層次的決策問題。通常情況下，當(dāng)系統(tǒng)本身過于龐大時(shí)，如果仍然采用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行描述的話，則很難以最優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行求解。為了有效解決這一問題，決定采用分解協(xié)調(diào)的方法，實(shí)踐證明，該方法在復(fù)雜系統(tǒng)求解方面的效果較好[5]。

3.4.1協(xié)調(diào)模型。多級(jí)泵站的供水系統(tǒng)共有108臺(tái)水泵機(jī)組，因泵站調(diào)度的組成結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，并且影響泵站優(yōu)化調(diào)度的因素較多，所以本文提出一種具備三層遞階結(jié)構(gòu)的聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)，即分解—協(xié)調(diào)、分解—聚合模型，具體如下：第一層為21個(gè)泵站站內(nèi)機(jī)組優(yōu)化調(diào)度子模型；第二層為5個(gè)多級(jí)泵站的優(yōu)化調(diào)度和概化泵站的優(yōu)化調(diào)度分模型；第三層為決策模型，用于協(xié)調(diào)各多級(jí)泵站和概化泵站的水量分配。

3.4.2優(yōu)化調(diào)度模型。泵站提水流量是進(jìn)行多級(jí)泵站系統(tǒng)優(yōu)化和各泵站站內(nèi)優(yōu)化的關(guān)聯(lián)因素。為此，可將各泵站的提水流量作為關(guān)聯(lián)變量，實(shí)現(xiàn)分解—聚合功能，充分發(fā)揮該系統(tǒng)在調(diào)度系統(tǒng)遞階結(jié)構(gòu)中的承上啟下作用。為了對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)的優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行充分協(xié)調(diào)，應(yīng)當(dāng)采取相應(yīng)的計(jì)算方法對(duì)多級(jí)泵站進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，以此來確保抽水灌溉系統(tǒng)可以用最低的成本獲取最大的灌溉效益。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)調(diào)度信息共享，確保第三層泵站群優(yōu)化調(diào)度大系統(tǒng)能夠及時(shí)獲取信息，為合理調(diào)配有限水資源提供可靠依據(jù)。對(duì)于優(yōu)化計(jì)算而言，首先可以由第三層協(xié)調(diào)模型提供水資源分配方案，然后在可行區(qū)域內(nèi)完成離散，并以此對(duì)子系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，找出各個(gè)子系統(tǒng)單位時(shí)間內(nèi)的總能耗與關(guān)聯(lián)變量之間的關(guān)系，最后對(duì)聚合模型進(jìn)行優(yōu)化。

3.4.3供水揚(yáng)程調(diào)度模型

在初始運(yùn)行階段，多級(jí)泵站提水系統(tǒng)的流量、水位等水力要素會(huì)處于協(xié)調(diào)運(yùn)行狀況，直到提水系統(tǒng)的流量穩(wěn)定為止。在設(shè)計(jì)多級(jí)泵站提水系統(tǒng)時(shí)，要充分考慮各級(jí)揚(yáng)程的優(yōu)化問題[6]。如用最小功率法從總體上對(duì)農(nóng)田灌溉工程的各站揚(yáng)程進(jìn)行分級(jí)，以滿足合理選擇機(jī)組的總體規(guī)劃需要。在此基礎(chǔ)上，還要在泵站的實(shí)際運(yùn)行過程中，根據(jù)實(shí)際工況對(duì)各級(jí)站進(jìn)、出水位進(jìn)行優(yōu)化組合，實(shí)現(xiàn)泵站的實(shí)時(shí)優(yōu)化。為此，可在站內(nèi)機(jī)組優(yōu)化模型的基礎(chǔ)上，建立多級(jí)泵站揚(yáng)程優(yōu)化模型，通過該模型的構(gòu)建，可以協(xié)調(diào)各級(jí)泵站的優(yōu)化結(jié)果，從而使泵站軸功率達(dá)到最小，系統(tǒng)獲得最大的綜合效益。

4　結(jié)語

綜上所述，本文以某工程為實(shí)例，對(duì)多級(jí)泵站的聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度決策系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了論述。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)在灌區(qū)投入使用，系統(tǒng)的運(yùn)行比較穩(wěn)定，并未出現(xiàn)任何異常。自系統(tǒng)投入運(yùn)行后，有效提高了泵站的運(yùn)行效率，并且還進(jìn)一步提高了經(jīng)濟(jì)效益。由此可見，該系統(tǒng)具有一定的使用價(jià)值，可在同類項(xiàng)目中進(jìn)行推廣應(yīng)用。多級(jí)泵站聯(lián)合調(diào)度的信息化設(shè)計(jì)是一項(xiàng)較為復(fù)雜且系統(tǒng)的工程，在未來一段時(shí)期，應(yīng)當(dāng)加大相關(guān)方面的研究力度，為多級(jí)泵站的優(yōu)化運(yùn)行提供技術(shù)支撐。陜西水利

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（責(zé)任編輯：暢妮）

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