長輸水系統(tǒng)梯級泵站運(yùn)行優(yōu)化研究進(jìn)展

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(yùn)行優(yōu)化理論和實(shí)踐研究不斷深入，使得梯級泵站運(yùn)行優(yōu)化研究得到了重視和發(fā)展。梯級泵站的運(yùn)行優(yōu)化其實(shí)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(yùn)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(shí)現(xiàn)長輸水系統(tǒng)梯級泵站運(yùn)行優(yōu)化具有重要的作用[3]。

1 梯級泵站運(yùn)行優(yōu)化目標(biāo)理論研究

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(yùn)行優(yōu)化時(shí)，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(yùn)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(jià)會隨時(shí)段變化從而影響泵站耗電費(fèi)用的特點(diǎn)，以總耗電費(fèi)最小作為優(yōu)化目標(biāo)，建立了級間流量無延時(shí)模型以及級間流量有延時(shí)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(yáng)程合理配合能優(yōu)化梯級泵站運(yùn)行。周龍才[8]為了優(yōu)化梯級泵站運(yùn)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(yùn)行狀態(tài)隨工作條件變化時(shí)，及時(shí)給出對應(yīng)決策的方法，保證各級泵站運(yùn)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(yùn)行中實(shí)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(shí)，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(shí)現(xiàn)流量的自動優(yōu)化調(diào)節(jié)。X.L.FENG等[11]以最低的運(yùn)行成本為目標(biāo)，建立了考慮揚(yáng)程變化以及電價(jià)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(shí)間系統(tǒng)，提出了一種基于時(shí)空分解的計(jì)算方法，用以計(jì)算梯級泵站輸水系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

2 梯級泵站優(yōu)化問題算法及模型求解

在解決梯級泵站調(diào)控優(yōu)化問題時(shí)，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(shí)，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(yàn)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(jì)運(yùn)行時(shí)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(yùn)行時(shí)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(shí)現(xiàn)了灌溉泵站的最佳控制和運(yùn)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(yùn)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(jì)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(jì)算法，可以使泵站在負(fù)載轉(zhuǎn)移和高效運(yùn)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(shí)驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上，用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法構(gòu)造實(shí)驗(yàn)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(yùn)行方式。項(xiàng)武銘等[29]利用CUDA(統(tǒng)一計(jì)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(jì)算泵站優(yōu)化調(diào)度時(shí)，能夠提高計(jì)算的效率，降低計(jì)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(yùn)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(yùn)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(shí)例，基于動態(tài)規(guī)劃理論，建立了頻率閥門可隨時(shí)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(yùn)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(yùn)行時(shí)的效率以及對應(yīng)的運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(gè)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(diǎn)跳過的優(yōu)化調(diào)度方法，該方法可以減少一個(gè)或多個(gè)泵站的使用，并優(yōu)化總水頭到其他站點(diǎn)的分配。QING-HUA LIU等[38]設(shè)計(jì)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。

3 基于變頻調(diào)速技術(shù)的梯級泵站運(yùn)行優(yōu)化

長距離高揚(yáng)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(shí)，水泵揚(yáng)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(shí)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(yùn)行，減輕機(jī)組在運(yùn)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(yùn)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(yùn)行有著重要作用[39]。

胡斌超等[40]結(jié)合工程實(shí)例介紹了水泵變頻調(diào)速技術(shù)在梯級泵站運(yùn)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(yùn)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(yùn)行工況點(diǎn)。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(yùn)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(yùn)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(jì)算并分析了變速調(diào)節(jié)時(shí)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(shí)通過理論分析與模型試驗(yàn)，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(yùn)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(yùn)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(shí)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(yùn)行及優(yōu)化運(yùn)行節(jié)能降耗問題。李杰等[50]研究發(fā)現(xiàn)不同設(shè)計(jì)取水變幅會影響最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)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(yùn)行的要求，提出了由水位變化幅度決定是否變頻調(diào)速運(yùn)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(yùn)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(yùn)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。

4 梯級泵站的事故緊急調(diào)度

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(yùn)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(cái)產(chǎn)安全，造成巨大損失。假如泵站在運(yùn)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(yùn)行的同時(shí)，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(yùn)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(yùn)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(shí)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(jì)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(yùn)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(yáng)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(shí)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(shí)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(jì)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(yùn)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(shí)，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(shí)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(shí)，管線內(nèi)由于瞬時(shí)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(yùn)行。

5 結(jié) 論

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(shí)，也消耗著大量的能量。制定合理的運(yùn)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(yùn)行成本、提高工程經(jīng)濟(jì)效益、保證運(yùn)行安全具有重大意義，目前我國梯級泵站運(yùn)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(jì)算方法更多地應(yīng)用到梯級泵站優(yōu)化運(yùn)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(jì)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(gè)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(shí)多只局限于泵站，為簡化設(shè)計(jì)，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(shí)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(yùn)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(gè)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(shí)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(yùn)行,都具有非常重要的意義。