泵站优化调度系统设计与实现

陈欣 陈峰

摘要：针对梯级泵站運行成本高、能耗大这一问题，结合不同时段的电价差异，以费用最低和能耗最低为运行准则，确定目标函数和约束条件，建立优化调度数学模型。模型的求解运用了MATLAB的线性规划函数，计算出梯级泵站的优化流量及最佳开机组合。设计完成以后，建立基于J2EE技术架构的梯级泵站优化调度系统，以某四级泵站为例进行了实验结果的验证。

关键词：泵站;优化调度;线性规划;J2EE

中图分类号：TN919.6

文献标志码：A

1 引言

随着经济的发展，我国水资源的需求日益增长。为了解决我国用水与供需之间的矛盾，长距离大型梯级泵站相继建立并且运行了起来。但是我国梯级泵站在实际运行中，往往由于调度决策不当，使得上、下级间流量配合不当，发生弃水或断流等情况，进而导致运行失调，能源浪费，甚至是事故的发生[1]。与此同时，由于梯级泵站运行时间长、运行成本耗费巨大、能源消耗大，使得优化调度的问题得到越来越广泛的关注。

级间流量的优化调节是梯级泵站的重要问题之一。它是在确定的条件下，利用站与站之间水力要素的紧密联系，对各站的流量进行合理的分配，使总体经济性最佳[2]。而站内的优化则是针对降低能耗这一问题，利用得出的优化流量能在能耗最低的情况下，得出最佳的开机组合。

2 梯级泵站优化调度模型

2.1 级间优化算法

对于级间的流量优化，以梯级泵站的耗电电费最低为优化目标[3]，则梯级泵站级间优化调度的问题可描述为：给定具体到某天某时段的各级总干渠渠段需水量，各级泵站进水池和出水池水深，各级总干渠渠道的长度、最大蓄水量、最小蓄水量、最高和最低水位（或水深）以及横截面积，各渠道初始蓄水量，各级泵站设计总功率（即泵站内所有机组设计功率之和）以及各级泵站设计总流量（即泵站内所有机组设计流量之和），求出各级泵站在不同时段下的优化流量，并且使得梯级泵站电费最低。为了便于计算，采用离散时间[4]，即将一天二十四小时划分为二十四个时间周期，通过计算各时间段内的耗电电费来逼近泵站的实际耗电电费。级间优化实现步骤设计如图1所示。

2.2 站内优化算法

通过梯级泵站的级间优化调度得到梯级泵站的优化流量后，可根据泵站内机组的类型，台数，设计流量，设计功率等，在满足了每级泵站所需流量的基础上，可进一步对泵站内机组的开机组合进行规划，得到能耗最低的开机组合。这样，在费用减少的情况下，既保证了梯级泵站流量的合理分配，又使得能源的消耗最少。站内优化实现步骤设计如下：

式中：表示单站中某种机组类型的总体个数;F_di表示某种机组的设计流量的大小;Q_y即由级间优化算法得出的优化流量。

2.2.2 线性规划问题的求解

线性规划法是解决多变量最优决策问题的方法，是在各种相互关联的多变量约束条件下，解决或规划一个对象的线性目标函数最优解的问题。而在MATLAB中求解线性规划问题的函数是linprog，该函数集中了几种求线性规划的算法，如内点法和单纯形法，并且可根据问题的规模或用户指定的算法进行求解。本文要使用linprog函数解出目标函数，需要将目标函数以及约束条件转化成矩阵表达式。当有N种类型机组时，可转化为如下表达式：

最后将各个参数代入表达式：[W fv ex]=[fab 0 0]中，在MATLAB中进行运算，即可得出最后的运算结果。

3 优化调度系统的实现

3.1 软件设计

梯级泵站优化调度系统的软件结构设计如图3所示：

1）优化模型计算模块

优化计算模块是优化调度系统的主体。在优化计算模块实现了：依照给出的数学模型，进行优化流量的计算并计算出泵站要求流量下的最佳开机组合。

2）基础数据的配置模块

优化调度的计算依赖相关泵站的基本参数信息，此模块可供输入并保存泵站的基础数据，还能直观的展示出来。

3）数据库模块

数据库模块主要是存储系统运行过程中所需要的泵站参数、公共参数以及优化结果[3]。新系统在进行优化计算时，数据库为优化计算模块提供了最新的数据，保证了优化计算的正确性和实时性。同时数据库中还存储着优化计算的结果，以方便系统对优化结果的图形和表格展示，使得与优化计算的结果得以直观的展示出来。

3.2 系统软件技术结构

本系统采用J2EE技术体系，J2EE的应用框架由交互层、Web层、业务逻辑层和数据层组成。J2EE技术体系采用Java技术，可以做到一次开发，多次移植使用，可以跨平台使用，而且经过多年的努力，Java应用在运行性能上有了较大改进。

3.3 系统设计目标

本系统的核心是根据泵站灌区需水计划，在满足灌区需水前提下，制定出站内最优开机组合及开机时间，以达到节约水资源和降低泵站能源单耗的目的。

3.4 优化结果展示

本次优化结果是基于某灌区四级泵站进行的，首先输入四级泵站的基本参数，得到优化流量，最后即可得出泵站的最佳开机组合，如图4所示。

4 实验结果验证及分析

根据优化方案得出的优化流量与实际运行方案中所需的流量相比较，优化流量均能达到所需流量的86%以上，完全能够满足供水流量的需求[5];各级站内也能合理的分配机组，降低能耗。如图4所示中的二级泵站，实际运行方案中，所需流量是38m3/s，优化流量是35.16 m3/s～35.84 m3/s之间，是所需流量的92.5%～94.3%之间，完全符合供水需求;站内优化中，根据开机台数与开机时间得出的能耗为34419.1781 kwh/m3，相比实际运行方案中的能耗39829.3151 kwh/m3，减少了约13.58%，达到了通过开机组合降低能耗的目的。

5 結 论

通过建立梯级泵站的级间以及站内优化调度的数学模型，结合MATLAB的线性规划函数对数学模型进行求解，并运用时下最流行的J2EE技术框架搭建软件系统，最终实现了梯级泵站的优化调度。并且实验结果表明：通过泵站级间和站内的优化调度以后，水流量能得以均匀的分配，有利于的减少弃水或断流的发生，还能降低能耗、减少运行的费用，该系统具有良好的应用前景。

参考文献

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