泵站優化調度系統設計與實現

陳欣 陳峰

摘要：針對梯級泵站運行成本高、能耗大這一問題，結合不同時段的電價差異，以費用最低和能耗最低為運行準則，確定目標函數和約束條件，建立優化調度數學模型。模型的求解運用了MATLAB的線性規劃函數，計算出梯級泵站的優化流量及最佳開機組合。設計完成以后，建立基于J2EE技術架構的梯級泵站優化調度系統，以某四級泵站為例進行了實驗結果的驗證。

關鍵詞：泵站;優化調度;線性規劃;J2EE

中圖分類號：TN919.6

文獻標志碼：A

1 引言

隨著經濟的發展，我國水資源的需求日益增長。為了解決我國用水與供需之間的矛盾，長距離大型梯級泵站相繼建立并且運行了起來。但是我國梯級泵站在實際運行中，往往由于調度決策不當，使得上、下級間流量配合不當，發生棄水或斷流等情況，進而導致運行失調，能源浪費，甚至是事故的發生[1]。與此同時，由于梯級泵站運行時間長、運行成本耗費巨大、能源消耗大，使得優化調度的問題得到越來越廣泛的關注。

級間流量的優化調節是梯級泵站的重要問題之一。它是在確定的條件下，利用站與站之間水力要素的緊密聯系，對各站的流量進行合理的分配，使總體經濟性最佳[2]。而站內的優化則是針對降低能耗這一問題，利用得出的優化流量能在能耗最低的情況下，得出最佳的開機組合。

2 梯級泵站優化調度模型

2.1 級間優化算法

對于級間的流量優化，以梯級泵站的耗電電費最低為優化目標[3]，則梯級泵站級間優化調度的問題可描述為：給定具體到某天某時段的各級總干渠渠段需水量，各級泵站進水池和出水池水深，各級總干渠渠道的長度、最大蓄水量、最小蓄水量、最高和最低水位（或水深）以及橫截面積，各渠道初始蓄水量，各級泵站設計總功率（即泵站內所有機組設計功率之和）以及各級泵站設計總流量（即泵站內所有機組設計流量之和），求出各級泵站在不同時段下的優化流量，并且使得梯級泵站電費最低。為了便于計算，采用離散時間[4]，即將一天二十四小時劃分為二十四個時間周期，通過計算各時間段內的耗電電費來逼近泵站的實際耗電電費。級間優化實現步驟設計如圖1所示。

2.2 站內優化算法

通過梯級泵站的級間優化調度得到梯級泵站的優化流量后，可根據泵站內機組的類型，臺數，設計流量，設計功率等，在滿足了每級泵站所需流量的基礎上，可進一步對泵站內機組的開機組合進行規劃，得到能耗最低的開機組合。這樣，在費用減少的情況下，既保證了梯級泵站流量的合理分配，又使得能源的消耗最少。站內優化實現步驟設計如下：

式中：表示單站中某種機組類型的總體個數;F_di表示某種機組的設計流量的大小;Q_y即由級間優化算法得出的優化流量。

2.2.2 線性規劃問題的求解

線性規劃法是解決多變量最優決策問題的方法，是在各種相互關聯的多變量約束條件下，解決或規劃一個對象的線性目標函數最優解的問題。而在MATLAB中求解線性規劃問題的函數是linprog，該函數集中了幾種求線性規劃的算法，如內點法和單純形法，并且可根據問題的規模或用戶指定的算法進行求解。本文要使用linprog函數解出目標函數，需要將目標函數以及約束條件轉化成矩陣表達式。當有N種類型機組時，可轉化為如下表達式：

最后將各個參數代入表達式：[W fv ex]=[fab 0 0]中，在MATLAB中進行運算，即可得出最后的運算結果。

3 優化調度系統的實現

3.1 軟件設計

梯級泵站優化調度系統的軟件結構設計如圖3所示：

1）優化模型計算模塊

優化計算模塊是優化調度系統的主體。在優化計算模塊實現了：依照給出的數學模型，進行優化流量的計算并計算出泵站要求流量下的最佳開機組合。

2）基礎數據的配置模塊

優化調度的計算依賴相關泵站的基本參數信息，此模塊可供輸入并保存泵站的基礎數據，還能直觀的展示出來。

3）數據庫模塊

數據庫模塊主要是存儲系統運行過程中所需要的泵站參數、公共參數以及優化結果[3]。新系統在進行優化計算時，數據庫為優化計算模塊提供了最新的數據，保證了優化計算的正確性和實時性。同時數據庫中還存儲著優化計算的結果，以方便系統對優化結果的圖形和表格展示，使得與優化計算的結果得以直觀的展示出來。

3.2 系統軟件技術結構

本系統采用J2EE技術體系，J2EE的應用框架由交互層、Web層、業務邏輯層和數據層組成。J2EE技術體系采用Java技術，可以做到一次開發，多次移植使用，可以跨平臺使用，而且經過多年的努力，Java應用在運行性能上有了較大改進。

3.3 系統設計目標

本系統的核心是根據泵站灌區需水計劃，在滿足灌區需水前提下，制定出站內最優開機組合及開機時間，以達到節約水資源和降低泵站能源單耗的目的。

3.4 優化結果展示

本次優化結果是基于某灌區四級泵站進行的，首先輸入四級泵站的基本參數，得到優化流量，最后即可得出泵站的最佳開機組合，如圖4所示。

4 實驗結果驗證及分析

根據優化方案得出的優化流量與實際運行方案中所需的流量相比較，優化流量均能達到所需流量的86%以上，完全能夠滿足供水流量的需求[5];各級站內也能合理的分配機組，降低能耗。如圖4所示中的二級泵站，實際運行方案中，所需流量是38m3/s，優化流量是35.16 m3/s～35.84 m3/s之間，是所需流量的92.5%～94.3%之間，完全符合供水需求;站內優化中，根據開機臺數與開機時間得出的能耗為34419.1781 kwh/m3，相比實際運行方案中的能耗39829.3151 kwh/m3，減少了約13.58%，達到了通過開機組合降低能耗的目的。

5 結 論

通過建立梯級泵站的級間以及站內優化調度的數學模型，結合MATLAB的線性規劃函數對數學模型進行求解，并運用時下最流行的J2EE技術框架搭建軟件系統，最終實現了梯級泵站的優化調度。并且實驗結果表明：通過泵站級間和站內的優化調度以后，水流量能得以均勻的分配，有利于的減少棄水或斷流的發生，還能降低能耗、減少運行的費用，該系統具有良好的應用前景。

參考文獻

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