基于峰谷電價的感潮河段泵站日優(yōu)化運行研究

趙方玲，張 謹，王 津，仇寶云，曹海樺

（1.揚州大學水利科學與工程學院，江蘇 揚州 225009；2.江蘇省太湖地區(qū)水利工程管理處，江蘇 蘇州 215128；3.揚州大學電氣與能源動力工程學院，江蘇 揚州 225127）

大型泵站由于長時間大量抽水，對環(huán)境及能源造成了一定影響［1-2］。其中，沿海、沿江地區(qū)泵站運行期間存在能源浪費問題［3-4］。感潮河段受長江潮位漲落影響，水位在1 個潮汐周期內(nèi)劇烈變化［5-7］，感潮河段泵站運行期間耗費大量能源。因此，研究感潮河段泵站節(jié)能技術(shù)至關(guān)重要。

近年來，國內(nèi)外學者對不同系統(tǒng)中泵機組運行方案進行優(yōu)化，節(jié)能效果顯著。肖若富等［8］以泵站運行能耗最小為目標，以機組運行種類及臺數(shù)為變量，結(jié)果表明單位時間內(nèi)泵站運行能耗可節(jié)約18.6%；Manuel等［9］采用蟻群優(yōu)化算法對供水系統(tǒng)泵機組開機方案進行優(yōu)化，研究發(fā)現(xiàn)，通過合理安排泵的運行時間可以降低系統(tǒng)運行能耗，從而獲得最大的節(jié)能效果；朱博文等［10］根據(jù)峰谷電價劃分泵站運行時段優(yōu)化泵站運行方案，結(jié)果表明較常規(guī)運行方案提水費用有所節(jié)約；Hyung 等［11］提出了應用遺傳算法求解考慮季節(jié)性和時差電價的最優(yōu)供水抽水系統(tǒng)模型，冬季、夏季7 d分別可節(jié)約費用4.5%和5.1%。以上研究均表明，模型中引入峰谷電價后，低電價期間運行泵站增多，高電價期間減少泵站運行，引入峰谷電價是有效降低泵站系統(tǒng)運行費用的重要措施之一。

同時，泵站運行能耗還受水位變化等因素的影響，趙曉東［12］發(fā)現(xiàn)當揚程發(fā)生變化時，合理調(diào)整葉片角度，可以降低系統(tǒng)運行成本約5.64%～12.13%。而感潮河段水位受潮汐的影響極大且變化劇烈，若泵站長時間按固定方案運行，將浪費大量能源。因此，感潮河段泵站運行不能忽視水頭的變化，本文提出根據(jù)長江水位及峰谷電價調(diào)節(jié)泵站運行方案。以系統(tǒng)運行能耗最小為目標，以系統(tǒng)全天的開機方案為變量，在泵機組安全運行的前提下，建立滿足引水水量要求的感潮河段泵站日運行優(yōu)化模型。

1 工程概況

當太湖缺水或突發(fā)水污染事件時，需從長江應急引水入太湖［13］。新溝河是連接長江與太湖重要河道之一，受潮汐運動影響，在1 d中水位變幅大且呈規(guī)律性變化，出現(xiàn)2次高潮位、2次低潮位。新溝河泵站位于新溝河入江口處，裝配有3 座型號為3150ZLKQ30-3.23的立式軸流泵機組。

泵站信息資料如表1 所示，泵裝置性能曲線如圖1所示。

圖1 引泵裝置性能曲線（引水機組）

表1 泵站信息資料

由于新溝河泵站位于新溝河入江處，長江側(cè)水位變化劇烈，1 個潮水周期內(nèi)出現(xiàn)1 次高潮位、1 次低潮位。當內(nèi)河水位低于長江側(cè)水位時，泵站停止運行；當內(nèi)河水位高于長江水位時，泵站開始運行，且泵站運行期間耗費大量電力資源。

2 泵站日優(yōu)化模型建立

在滿足泵站安全及引水要求的前提下，根據(jù)水位變化規(guī)律調(diào)節(jié)泵站運行方案，使泵站運行費用最少。

泵站日引水量計算式為

式中：Vp為泵站實際日引水量，m3；q為單臺水泵流量，m3/s，是葉輪葉片安裝角α和泵裝置揚程Hz的函數(shù)；αi為葉片角度（°）；Ni為開機臺數(shù)；ΔtPi為泵站運行時間，h；m為泵站運行的時段數(shù)；下標i為第i個時段，i=1，2，3，…，m。

泵裝置葉片安裝角調(diào)節(jié)范圍為

式中，αmin和αmax分別為水泵的允許最小、最大葉片角度。

水泵機組安全運行，則水位限制為

式中，Hzmin和Hzmax分別為水泵的允許最小、最大運行揚程，m。

泵站日運行能耗計算式為

式中：P為泵機組能耗，kW；ρ為水體密度，kg/m3；g為重力加速度，m2/s；ηz為泵裝置效率，%；ηdr為傳動效率，%；ηmot為電機效率，%；下標i為第i個時段，i=1，2，3，…，m。

由電網(wǎng)資料可知，泵站運行耗費大量電力資源，同時也增加了電網(wǎng)的負擔。因此，引入峰谷電價后泵站日運行優(yōu)化模型為

式中：F為基于分時電價的泵機組運行費用，元；Pi為第i時段泵機組能耗，kW；fi為第i時段單位電價，元/kW·h；ηz為泵裝置效率；ηdr為傳動效率；ηmot為電機效率；下標i為第i個時段；αmin和αmax分別為水泵的允許最小、最大葉片角度（°）；N為泵機組的運行臺數(shù)；Nmax為泵機組裝機臺數(shù)；根據(jù)峰谷電價與水位變化將1 d 劃分為若干個子周期，則m為泵站運行子周期數(shù)量。

江陰地區(qū)峰谷電價信息如表2所示。

表2 江陰地區(qū)峰谷電價

3 鯨魚優(yōu)化算法原理

鯨魚優(yōu)化算法（whale optimization algorithm，WOA）是一種新型群體智能優(yōu)化算法。模擬鯨魚的泡泡網(wǎng)捕食行為，通過鯨魚群體的包圍、追捕、攻擊獵物等過程實現(xiàn)優(yōu)化搜索。WOA 算法開始在搜索空間中隨機產(chǎn)生N個鯨魚個體組成初始種群，然后在進化過程中，根據(jù)當前最優(yōu)鯨魚個體或隨機選取1 個鯨魚個體更新各自的位置，最后根據(jù)隨機產(chǎn)生的數(shù)r決定鯨魚個體進行螺旋或包圍運動，概率均為0.5，通過循環(huán)迭代直至WOA 算法滿足終止條件。

4 計算結(jié)果與分析

4.1 水位資料及泵站運行時段劃分方案

當太湖水位呈持續(xù)下降趨勢并逼近太湖旱警水位，或太湖突發(fā)污染事件時，需要向太湖應急引水。以某典型日為例，內(nèi)河水位為3.1 m，長江側(cè)水位、內(nèi)河側(cè)水位如圖2所示。由圖2看出，根據(jù)長江側(cè)與內(nèi)河側(cè)水位差可將1 d劃分泵站運行時段和非泵站運行時段，分別以“on”和“off”表示泵站運行狀態(tài)。其中泵站運行時段又可以根據(jù)峰谷電價劃分為6個時段，分別標記為Ⅰ～Ⅴ。

圖2 長江側(cè)水位、內(nèi)河側(cè)水位及泵站運行時間分區(qū)

4.2 感潮河段站優(yōu)化方案計算結(jié)果

滿足需要日均流量30～80 m3/s 時，對應水量為2 592×103m3～6 912×103m3。求解基于峰谷電價的泵站日運行優(yōu)化模型，確定泵站最優(yōu)運行方案的費用及最優(yōu)開機方案。將鯨魚算法用于本文基于峰谷電價的日優(yōu)化模型的求解，其中鯨群數(shù)量設(shè)置為200，迭代次數(shù)設(shè)置為150，程序獨立運行5 次，優(yōu)化結(jié)果如表3、表4所示。

表3 泵站日運行費用及水量

表4 泵站日優(yōu)化運行方案

4.3 結(jié)果分析

由表4（優(yōu)化運行方案）可以看出，優(yōu)化方案在電價低谷時段（0：00～2：40 和5：10～8：00）站內(nèi)機組全部運行，且隨著日均需要流量Qx的增大，機組葉片角度隨之增大（最小0.2°、最大2°），即泵站偏向電價低谷期增加運行負荷，增加抽水量。在電價高峰時段減少泵站抽水負荷，當日均需要流量增大到70 m3/s 后，泵站仍能滿足抽水量要求，但機組在電價高峰時段需要加入運行，運行費用增加。圖3為優(yōu)化運行方案不同日均需要流量時各時段運行費用，可以看出，泵站在電價高峰時段運行費用遠遠高于電價低谷時段和平價時段。電價相同時（低谷時段0：00～2：40、5：10～8：00，平價時段12：00～14：00、17：40～21：00、21：00～24：00），泵站開機方案與水位相關(guān)，其中平價時段開機方案受水位影響更大。

圖3 優(yōu)化運行方案不同日均需要流量時各時段運行費用

當泵機組全天以設(shè)計角度（0°）運行時，泵站運行費用及運行方案如表5、表6所示。其中，表6為設(shè)計角度運行方案，與優(yōu)化方案相同的是機組在電價高峰時段也減少運行，但不同日均需要流量時泵站開機臺數(shù)均大于或等于2臺，設(shè)計方案在電價低谷時段和平價時段的差異較小。優(yōu)化方案與設(shè)計方案見表7。

表5 泵站設(shè)計角度（0°）運行費用及水量

表6 泵站設(shè)計角度（0°）運行方案

表7 優(yōu)化方案與設(shè)計方案對比

可以看出，與設(shè)計方案相比，優(yōu)化方案運行費用大幅減少，優(yōu)化方案節(jié)約泵站運行費用11.40%～50.79%。結(jié)果表明，根據(jù)峰谷電價調(diào)節(jié)泵站運行方案可以大幅降低泵站運行費用，峰谷電價的引入使泵站在電價低谷時段增大抽水負荷，在電價高峰時段減小抽水負荷?；诜骞入妰r優(yōu)化泵站運行方案不僅能有效節(jié)約泵站運行費用，同時也降低了電網(wǎng)的供電壓力。

5 結(jié) 語

感潮河段泵站由于長時間大量抽水，對環(huán)境和電網(wǎng)供電壓力造成一定影響?？紤]感潮河段受潮汐運動影響，在1 d中水位變幅大且呈規(guī)律性變化，出現(xiàn)2次高潮位、2次低潮位，本文提出根據(jù)長江水位及峰谷電價優(yōu)化泵站運行方案。

優(yōu)化方案在電價低谷時段增加抽水負荷，而在電價高峰時段降低泵站抽水負荷。當日均需要流量增大到70 m3/s后，機組需要在電價高峰時段增加抽水負荷來滿足抽水要求，導致運行費用增加。電價相同時，泵站開機方案與水位相關(guān)，其中平價時段開機方案受水位影響更大。

與設(shè)計方案相比，優(yōu)化方案節(jié)約泵站運行費用11.40%～50.79%。峰谷電價的引入不僅能有效減少泵站運行費用，同時也能降低用電高峰時段電網(wǎng)供電壓力。