馮福財

摘要：隨著國民經(jīng)濟的快速增長，水利工程項目也得到了迅速的發(fā)展。在水利工程項目中，梯級泵站的應用范圍日趨廣泛。由于梯級泵站的運行效率直接直達各個泵站的流量以及揚程等，加之各個泵站機組的臺數(shù)并不一致，輸水的線路也比較長，使得梯級泵站在運行管理中存在一定的困難。因此優(yōu)化梯級泵站運行尤其必要。因此文章就梯級泵站輸水系統(tǒng)優(yōu)化運行及控制進行簡要綜述。

關鍵詞：梯級泵站；輸水系統(tǒng)；優(yōu)化運行；控制

在目前的水利工程項目建設中，大型梯級泵站的應用范圍十分廣泛，其能夠有效緩解區(qū)域水資源的分布不均，緩解城市缺水等問題。由于該類型工程項目的管線相對較長，流量較大，運行的時間也比較廠，能耗相對較大等，使得優(yōu)化器運行成為了業(yè)界人士重點關注的問題之一。

一、泵站優(yōu)化調(diào)度的意義

今年來，泵站工程已在機電排灌、跨流域調(diào)水、城鄉(xiāng)給水排水、電廠供水和灰渣輸送、油田注水及礦井排水等農(nóng)業(yè)、水利和工業(yè)部門得到了廣泛應用，為促進工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平的快速發(fā)展和人民生活的不斷提高發(fā)揮了重要的作用。但是，泵站在為國民經(jīng)濟的發(fā)展提供服務的同時也消耗著大量的能源，泵站工程存在著能源消耗大、輸水成本高等問題，致使泵站工程效益較低，這就要求在安全可靠地完成給排水任務的前提下，對泵站進行合理的優(yōu)化調(diào)度，根據(jù)實際工作條件的改變對泵站的運行方式做適當?shù)恼{(diào)整，以最小的費用支出，獲得最大的經(jīng)濟效益。

二、梯級泵站輸水系統(tǒng)概述

大型串、并聯(lián)梯級泵站輸水工程通過泵站提水，渠道、管道輸水，由泵站（ 攔污柵、水泵裝置、電機、其他輔助裝置等）、節(jié)制閘和渠道等設備、設施組成的復雜的輸水系統(tǒng)（以下稱梯級泵站輸水系統(tǒng)）。其中，各級泵站是系統(tǒng)主要控制單元，泵站間存在密切的水力（水位、流量） 聯(lián)系。由于系統(tǒng)在輸水、供水的同時還承擔了航運、防洪排澇等多種功能，因而導致運行工況多變?？傊?，由于梯級泵站輸水系統(tǒng)自身的復雜性及運行工況的動態(tài)性，其在運行及控制過程中將面臨多項難題，且涉及到水資源、控制工程、水力學、泵站工程等多個學科。以往，由于國內(nèi)泵站自動化水平和工程水力量測設備落后，多采用宏觀、分散、粗放式調(diào)度模式，往往為保證安全而犧牲經(jīng)濟效益，制定的宏觀優(yōu)化運行方案無法實現(xiàn)。近年來，隨著我國泵站自動化水平的提高，單級泵站內(nèi)部已實現(xiàn)自動化運行，為精細化、經(jīng)濟調(diào)度創(chuàng)造了條件。

三、梯級泵站優(yōu)化運行及控制實現(xiàn)理論體系

泵站優(yōu)化運行的主要目的是在一定的約束條件下，通過優(yōu)化調(diào)度，使泵站在最高效經(jīng)濟的狀態(tài)下運行。其目的是為了使整個泵站系統(tǒng)內(nèi)所有設備在共同合作的前提下整體運行狀態(tài)最優(yōu)，而不是個體最優(yōu)。即在一定時期內(nèi)，使整個泵站系統(tǒng)在滿足機組開啟狀態(tài)、調(diào)水流量、水位等各種約束下，按照一定的最優(yōu)準則，整體的運行狀態(tài)達到最優(yōu)。

1.梯級泵站輸水系統(tǒng)優(yōu)化運行研究

由于梯級泵站輸水系統(tǒng)組成的復雜性及各部分的緊密關聯(lián)性，若不從整體角度統(tǒng)一進行協(xié)調(diào)，往往故此失彼，造成某設備、設施運行效率較高，而系統(tǒng)整體運行效率偏低，因此需要開展多設備、設施協(xié)調(diào)優(yōu)化運行研究。主要研究內(nèi)容包括：①泵站站內(nèi)機組的優(yōu)化調(diào)度。在滿足抽水量和揚程的前提下，以泵站運行效率最優(yōu)為目標，優(yōu)選機組組合和確定機組的運行工況。②梯級泵站輸水系統(tǒng)整體運行系統(tǒng)效率優(yōu)化。以泵站站內(nèi)優(yōu)化為基礎，考慮梯級間水位關系、泵站機組流量等約束，建立整體運行效率優(yōu)化模型，以運行效率最優(yōu)為目標，分別對梯級水位和流量2個參數(shù)進行優(yōu)化。③梯級輸水系統(tǒng)日、中長期經(jīng)濟運行優(yōu)化。以梯級泵站輸水系統(tǒng)運行效率優(yōu)化為基礎，考慮時間維度和流量約束，根據(jù)設定的輸水任務，對時段內(nèi)梯級水位、流量分別進行優(yōu)化，獲得日、中長期經(jīng)濟運行方案。

2.梯級泵站輸水控制研究

實際運行中，由于輸水工況的動態(tài)變化和其他因素的擾動，系統(tǒng)內(nèi)部往往處于動態(tài)變化中。因此，需要開展梯級泵站輸水控制研究，對梯級間水位流量進行主動控制，為優(yōu)化運行提供邊界條件。主要研究內(nèi)容包括：①開發(fā)梯級泵站輸水水力學仿真模型，對各類輸水工況進行仿真模擬，分析不同工況下系統(tǒng)水力學特征。②提出梯級泵站輸水控制模式，開發(fā)控制算法，實現(xiàn)梯級間流量平衡控制及梯級間水位、流量精確控制。

3.優(yōu)化運行及控制耦合研究

靜態(tài)優(yōu)化運行環(huán)節(jié)的任務是制定時段內(nèi)經(jīng)濟最優(yōu)的運行方案，但無法預見實際的控制操作過程； 輸水控制的任務是制定控制方案實現(xiàn)控制目標，避免頻繁操作，力求高效、穩(wěn)定控制，但無法對優(yōu)化運行方案進行反饋。因此，為保證優(yōu)化運行和控制方案的合理性及可行性，以水力學仿真為手段，建立運行及控制全過程仿真模型，對兩者進行耦合與協(xié)調(diào)。

四、梯級泵站優(yōu)化運行體系未來的發(fā)展方向

梯級泵站輸水系統(tǒng)是一個復雜的水資源調(diào)度系統(tǒng)，且涉及水資源、控制工程、水力學、泵站工程等多個學科。目前，我國梯級泵站優(yōu)化運行及控制研究尚未形成完整的理論體系，下一步應加強以下方面的研究：①梯級泵站輸水系統(tǒng)優(yōu)化運行建模及求解方面。隨著最優(yōu)化理論和方法的日益成熟，模糊理論、灰色理論、

神經(jīng)網(wǎng)絡、粒子群算法等智能計算方法將越來越多地應用于梯級泵站輸水系統(tǒng)優(yōu)化運行中，用于求解泵站內(nèi)各機組流量分配及葉片角度、頻率，梯級間水位、流量分配，以及考慮分時電價因素的各時段內(nèi)系統(tǒng)優(yōu)化運行方案。②梯級泵站輸水控制方面。隨著泵站內(nèi)部自動化水平的提高和計算機監(jiān)控系統(tǒng)的完善，為梯級間水位流量控制提供了前提條件。PID、模糊、預測控制等先進的控制方法將逐步應用于對梯級泵站輸水控制，可大大提高控制精度，為梯級泵站優(yōu)化運行的實現(xiàn)提供了有效途徑。③梯級泵站優(yōu)化運行及控制理論體系及實踐方面。進一步完善現(xiàn)有梯級泵站優(yōu)化運行及控制實現(xiàn)理論和方法，結合水力學仿真技術，開發(fā)運行及控制全過程仿真模型，形成輸水任務—運行優(yōu)化—控制方案—水力仿真—方案評估—參數(shù)反饋—最終決策的模型求解模式。目前，相關理論成果的實際應用較少，下一步可結合南水北調(diào)東線工程、東深供水工程、萬家寨調(diào)水工程等大型梯級泵站工程的運行，開展優(yōu)化運行及控制實現(xiàn)理論的實踐研究。結合實際運行效果，對理論模型中的參數(shù)不斷進行修正，對建立的優(yōu)化運行及控制實現(xiàn)仿真模型進行驗證和完善，最終形成一套完善的梯級泵站優(yōu)化運行及控制實現(xiàn)理論及應用系統(tǒng)。④梯級泵站輸水系統(tǒng)與復雜水資源系統(tǒng)銜接方面。梯級泵站輸水系統(tǒng)是復雜水資源系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)和控制節(jié)點，在對該系統(tǒng)內(nèi)部進行優(yōu)化運行及控制研究基礎上，尚需與外圍復雜水資源系統(tǒng)進行銜接。結合相關聯(lián)的調(diào)蓄工程（水庫

、湖泊）、輸水工程（干渠、河道）、節(jié)制閘等其他控制工程，建立復雜水資源綜合調(diào)度控制模型，為跨流域和區(qū)域水資源調(diào)度系統(tǒng)提供最優(yōu)調(diào)度控制方案。

總之，興建水利工程項目是緩解水資源時空分布不均的重要途徑，例如我國的南水北調(diào)工程、東深工程等，上述工程項目均采用的是梯級泵站來實現(xiàn)調(diào)水功能。由于梯級泵站的運行管理難度較大，一旦決策失誤就會造成大量資源的浪費。因此文章通過梯級泵站優(yōu)化調(diào)度和控制方法，并展望了梯級泵站優(yōu)化運行的未來發(fā)展方向，期望能對梯級泵站運行安全性和經(jīng)濟性起到一定的指導作用。

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