串并联梯级泵站输水系统时空分层优化运行方法及系统与流程

技术特征：

1.如权利要求1所述的串并联梯级泵站输水系统时空分层优化运行方法，其特征是，包括如下步骤：

在时间维度上，分为单级泵站、串联和并联梯级泵站输水系统优化运行三个层次，

在空间维度上，根据优化目标不同，分为瞬时运行效率优化、日运行优化和中长期运行优化三个层次；

建立串联梯级泵站输水系统运行效率优化模型；在串联梯级泵站输水系统运行效率优化模型基础上建立并联梯级泵站输水系统运行效率优化模型；

在串联梯级泵站输水系统运行效率优化模型基础上建立串联梯级泵站输水系统日运行优化模型；在并联梯级泵站输水系统运行效率优化模型基础上建立并联梯级泵站输水系统日运行优化模型；

在串联梯级泵站输水系统日运行优化模型基础上建立串联梯级泵站输水系统中长期运行优化模型；在并联梯级泵站输水系统日运行优化模型基础上建立并联梯级泵站输水系统中长期运行优化模型。

2.如权利要求1所述的串并联梯级泵站输水系统时空分层优化运行方法，其特征是，所述建立串联梯级泵站输水系统运行效率优化模型，是指：根据串联梯级泵站输水系统运行效率的表达式，在对单机泵站效率优化和梯级间水力计算的基础上，以梯级泵站输水系统运行效率最优为目标，在满足设定约束条件下，以级间水位和流量为决策变量，寻求梯级间水力状态运行方案和泵站内优化运行方案；

所述串联梯级泵站输水系统运行效率优化模型，是：

(1)目标函数

${\mathrm{Max\η}}_{pcs}(Q,H^{*})=Max\frac{{\mathrm{\ρgH}}^{*}}{\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\ρgH}}_j}=Max\frac{\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}(h_j-{h_j}^{\′})-\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}{S}_{j,j+1}(Q_j,{h_{j+1}}^{\′})}{\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}(h_j-{h_j}^{\′})/{\mathrm{\η}}_{pump}(Q_j,H_j)}---\left(1\right)$

$H^{*}=\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}(h_j-{h_j}^{\′})-\underset{j=1}{\overset{n-1}{\Σ}}{S}_{j,j+1}(Q_j,{h_{j+1}}^{\′})---\left(2\right)$

式(1)(2)中，η_pcs为串联梯级泵站输水系统运行效率；h′_j为时段内第j级泵站进水池水位，h_j为时段内第j级泵站出水池水位；H_j为第j级泵站的扬程，H_j＝h_j-h′_j；η_pump(Q_j,H_j)为泵站流量为Q_j，扬程为H_j工况下，第j级泵站内各抽水装置联合运行的效率值，即单级泵站效率；S_j,j+1为第j和j+1级泵站间渠道的水力损失，S_j,j+1＝S_j,j+1(Q_j,h_j+1')；H^*为最末级泵站输出水体获得的有效扬程，即梯级间净扬程；

(2)约束条件：

1)泵站进水池水位范围约束：Minh'_j≤h'_j≤Maxh'_j；

2)泵站出水池水位约束：Minh_j≤h_j≤Maxh_j；

3)各级扬程约束：MinH_j≤H_j≤MaxH_j；

4)级间水位关系约束：h_j+1′＝h_j-S_j,j+1(Q,h_j+1')；

5)流量约束：Q_min≤Q₁＝Q₂·····＝Q_j＝····≤Q_max，各级泵站间不考虑分流及损失。

3.如权利要求1所述的串并联梯级泵站输水系统时空分层优化运行方法，其特征是，所述建立串联梯级泵站输水系统日运行优化模型，是指，以串联梯级泵站输水系统日输水量总费用最小为目标，在串联梯级泵站输水系统运行效率优化模型的基础上，建立日经济运行优化模型，考虑分时电价循环、泵站流量和机组开关机，寻求一天内不同时段最优的流量分配，以及对应的各泵站内优化运行方案；

所述串联梯级泵站输水系统日运行优化模型，是：

(1)目标函数

${{\mathrm{MinTC}}^{*}}_d=Min\[\underset{k=1}{\overset{Sn}{\Σ}}\frac{{\mathrm{\γQ}}_k{H^{*}}_k}{{\mathrm{\η}}_{k,pcs}(Q_k,{H^{*}}_k)}{\mathrm{\Δt}}_k{c}_k+p_s{\mathrm{\λ}}_d\]---\left(3\right)$

${\mathrm{\η}}_{k,pcs}(Q_k,{H_k}^{*})-Max\frac{\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}(h_{kj}-{h_{kj}}^{\′})-\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}{S}_{k(j,j+1)}(Q_k,{h_{k(j+1)}}^{\′})}{\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}(h_{kj}-{h_{kj}}^{\′})/{\mathrm{\η}}_{pump}(Q_k,H_{kj})}---\left(4\right)$

$W_d=\underset{k=1}{\overset{Sn}{\Σ}}{Q}_k\·\mathrm{\Δ}t;---\left(5\right)$

式(3)、(4)、(5)中，TC^*_d为串联梯级泵站输水系统日运行费用；H^*_k为第k时段串联梯级泵站输水系统的净扬程；Sn为一天内划分的计算时段数目，结合分时电价分段进行划分，Sn为正整数；c_k为第k个时段的单位电价；Q_k为第k时段的各级泵站流量；Δt_k为第k时段长度；p_s为泵站执行开关机操作一次所设置的惩罚单价；η_k,pcs(Q_k,H_k^*)为k时段内，串联梯级泵站输水系统流量为Q_k、净扬程为H^*_k时，串联梯级泵站输水系统最优运行效率，见式(4)；H^*_k为k时段内串联系统梯级间净扬程，λ_d为各泵站流量调节过程中机组开、关机累计次数，一台机组关机、开机一次记为1；W_d为串联梯级泵站输水系统日输水总量；

(2)约束条件

时段总水量约束：

4.如权利要求1所述的串并联梯级泵站输水系统时空分层优化运行方法，其特征是，所述建立串联梯级泵站输水系统中长期运行优化模型，是指，

以串联梯级泵站输水系统中长期运行费用的最低为目标，在串联梯级泵站输水系统运行效率优化模型和串联梯级泵站输水系统日运行优化模型的基础上，以中长期时段内流量分配、级间水位分配等因素为决策变量，计算不同工况下最小的中长期运行费用，以及对应的逐日、分时最优梯级间水力运行方案和各级泵站内运行方案；

所述串联梯级泵站输水系统中长期运行优化模型，是：

(1)目标函数

${\mathrm{MinLTC}}^{*}=Min\[\underset{p=1}{\overset{Kn}{\Σ}}{\mathrm{TC}}_{pc}{\mathrm{\Δt}}_P\]==Min\[\underset{p=1}{\overset{Kn}{\Σ}}\underset{k=1}{\overset{Sn}{\Σ}}(\frac{\mathrm{\γ}\·Q_{pk}\·{H^{*}}_{pk}}{{\mathrm{\η}}_{pk,pcs}(Q_{pk},H_{pk})}{\mathrm{\Δt}}_{pk}{c}_{pk}+p_s{\mathrm{\λ}}_{pd})\·{\mathrm{\Δt}}_P\]---\left(6\right)$

${{\mathrm{TC}}^{*}}_{pd}=Mm\[\underset{k=1}{\overset{Sn}{\Σ}}\frac{\mathrm{\γ}\·Q_{pk}\·{H^{*}}_{pk}}{{\mathrm{\η}}_{pk,pcs}(Q_{pk},{H^{*}}_{pk})}{\mathrm{\Δt}}_{pk}{c}_{pk}+p_s{\mathrm{\λ}}_{pd}\]---\left(7\right)$

$W_L=\underset{p=1}{\overset{Kn}{\Σ}}{W}_{pd}{\mathrm{\Δt}}_P=\underset{p=1}{\overset{Kn}{\Σ}}\underset{k=1}{\overset{Sn}{\Σ}}{Q}_{pk}{\mathrm{\Δt}}_{pk}{\mathrm{\Δt}}_p---\left(8\right)$

式(6)、(7)、(8)中，p为中长期内划分的时段序号；Kn为中长期内划分计算时段总数，Kn为正整数；TC^*_pd为中长期p时段内串联梯级泵站输水系统逐日输水费用；LTC^*为串联梯级泵站输水系统中长期运行费用；W_L为中长期输水总量；W_pd为中长期内第p个时段内输水总量；Δt_p为第中长期内，第p个时段的长度；k为逐日一天内时段序号；Q_pk为中长期内第p个时段内，逐日一天第k个时段的流量；H^*_pk为中长期内第p个时段，逐日一天内第k个时段内梯级净扬程；Δt_pk为中长期内第p个时段，逐日一天内第k时段长度；c_pk为中长期内第p个时段，逐日一天内第k时段内的电价；η_pk,pcs(Q_pk,H^*_pk)为中长期内第p个时段，逐日一天内第k个时段内，串联梯级泵站输水系统的最优运行效率；

(2)约束条件

中长期输水总量约束：

中长期输水总量范围约束：MinW_L≤W_L≤MaxW_L；

日输水总水量约束：

5.如权利要求1所述的串并联梯级泵站输水系统时空分层优化运行方法，其特征是，所述建立并联梯级泵站输水系统运行效率优化模型，是指，

根据并联梯级泵站输水系统运行效率的表达式，在串联梯级泵站输水系统运行效率优化模型的基础上，以并联梯级泵站输水系统运行效率最优为目标，在满足设定约束条件下，寻求各串联系统梯级间水力状态运行方案和各级泵站内优化运行方案；

所述并联梯级泵站输水系统运行效率优化模型，是：

${\mathrm{Max\η}}_{bpcs}(Q_n,H^{*})=Max\frac{\underset{r=1}{\overset{z}{\Σ}}\[\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}(h_{rj}-{h_{rj}}^{\′})-\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}{S}_{r,(j,j+1)}(Q_{rj},{h_{r,j+1}}^{\′})\]Q_{rj}}{\underset{r=1}{\overset{z}{\Σ}}\[\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}(h_{rj}-{h_{rj}}^{\′})/{\mathrm{\η}}_{pump}(Q_{rj},H_{rj})\]Q_{rj}}---\left(9\right)$

$Q_b=\underset{r=1}{\overset{z}{\Σ}}{Q}_r---\left(10\right)$

式(9)、(10)中，η_bpcs(Q_b,H^*)为并联梯级泵站输水系统运行效率；Q_b为并联梯级泵站输水系统总流量；H^*为并联梯级泵站输水系统净扬程；r＝1,2,…z；z为串联线路总条数，z为正整数；η_r,pcs为第r个串联梯级泵站输水系统运行效率；

(2)约束条件：

1)串联系统流量约束：MinQ_r≤Q_r≤MaxQ_r，各级泵站间不考虑分流及损失；

2)并联总流量约束

6.如权利要求1所述的串并联梯级泵站输水系统时空分层优化运行方法，其特征是，所述建立并联梯级泵站输水系统日运行优化模型，是指，

以并联梯级泵站输水系统日输水量总费用最小为目标，在并联梯级泵站输水系统运行效率优化模型的基础上，建立并联梯级泵站输水系统日经济运行优化模型，考虑分时电价循环、泵站流量和机组开关机，寻求并联梯级泵站输水系统中各梯级泵站输水系统一天内不同时段最优的水位、流量组合和各级泵站内优化运行方案；

所述并联梯级泵站输水系统日运行优化模型，是：

(1)目标函数

${{\mathrm{MinBTC}}^{*}}_d=Min\[\underset{k=1}{\overset{Sn}{\Σ}}\frac{{\mathrm{\ρgQ}}_{bk}}{{\mathrm{\η}}_{k,bpcs}(Q_{bk},{H^{*}}_k)}\·{\mathrm{\Δt}}_k\·c_k+p_s\·{\mathrm{\λ}}_{bd}\]---\left(11\right)$

${\mathrm{\η}}_{k,bpcs}(Q_{bk},{H_k}^{*})=Max\frac{\underset{r=1}{\overset{z}{\Σ}}\[\underset{j=1}{\overset{z}{\Σ}}(h_{krj}-{h_{krj}}^{\′})-\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}{S}_{kr,(j,j+1)}(Q_{krj},{h_{k(r,j+1)}}^{\′})\]Q_{kr}}{\underset{r=1}{\overset{z}{\Σ}}\[\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}(h_{krj}-{h_{krj}}^{\′})/{\mathrm{\η}}_{pump}(Q_{krj},H_{krj})\]Q_{kr}}---\left(12\right)$

$W_{bd}=\underset{k=1}{\overset{Sn}{\Σ}}{Q}_{bk}{\mathrm{\Δt}}_k=\underset{k=1}{\overset{Sn}{\Σ}}\underset{r=1}{\overset{z}{\Σ}}{Q}_{kr}{\mathrm{\Δt}}_k---\left(13\right)$

式(11)、(12)、(13)中，BTC^*_d为并联梯级泵站输水系统日运行费用；H^*_k为一天内第k时段并联梯级泵站输水系统的净扬程；Sn为一天内划分的计算时段数目，可结合分时电价分段进行划分，Sn为正整数；c_k为第一天内k个时段的单位电价；Q_kr为一天内第k时段第r条串联线路的泵站流量；Q_bk为一天内第k时段并联梯级泵站输水系统总流量；Δt_k为一天内第k时段长度；η_k,bpcs(Q_bk,H_k^*)为一天内第k时段内，并联梯级泵站输水系统最优运行效率，见式(12)；λ_d为一天内各泵站流量调节过程中机组开、关机累计次数，一台机组关机、开机一次记为1；p_s为泵站执行开关机操作一次所设置的惩罚单价；W_bd为并联梯级泵站输水系统日输水总量；

(2)约束条件

日输水总水量约束：

7.如权利要求1所述的串并联梯级泵站输水系统时空分层优化运行方法，其特征是，所述建立并联梯级泵站输水系统中长期运行优化模型，是指，

以并联梯级泵站输水系统中长期运行费用的最低为目标，在并联梯级泵站输水系统运行效率优化模型和并联梯级泵站输水系统日运行优化模型的基础上，计算不同工况下最小的中长期运行费用，以及对应的逐日、分时最优梯级间水力运行方案和各级泵站内运行方案；

所述并联梯级泵站输水系统中长期运行优化模型，是：

(1)目标函数

${\mathrm{MinBLTC}}^{*}=Min\[\underset{p=1}{\overset{Kn}{\Σ}}{\mathrm{BTC}}_{pc}{\mathrm{\Δt}}_P\]==Min\[\underset{p=1}{\overset{Kn}{\Σ}}\underset{k=1}{\overset{Sn}{\Σ}}(\frac{{\mathrm{\ρgQ}}_{bpk}}{{\mathrm{\η}}_{pk,bpcs}(Q_{bpk},{H^{*}}_{pk})}{\mathrm{\Δt}}_{pk}{c}_{pk}+p_s{\mathrm{\λ}}_{bpd}){\mathrm{\Δt}}_P\]---\left(14\right)$

$W_{BL}=\underset{P=1}{\overset{Kn}{\Σ}}{W}_{pbd}{\mathrm{\Δt}}_P=\underset{p=1}{\overset{Kn}{\Σ}}\underset{k=1}{\overset{Sn}{\Σ}}{Q}_{pkb}{\mathrm{\Δt}}_{pk}{\mathrm{\Δt}}_p---\left(15\right)$

式(14)、(15)中，BLTC^*为并联系统中长期运行费用；BTC^*_pd为并联系统中长期第p个时段内逐日运行费用；W_BL为并联系统中长期输水总量；W_bpd为并联系统中长期第p个时段内，逐日输水量；Q_bpk为并联系统第p个时段内,逐日第k个时段的总流量；H^*_pk为中长期内第p个时段，逐日第k个时段内梯级净扬程；η_pk,bpcs(Q_bpk,H^*_pk)为中长期内第p个时段，逐日一天内第k个时段内，并联梯级泵站输水系统的最优运行效率；

(2)约束条件

中长期输水总量范围约束：MinW_BL≤W_BL≤MaxW_BL。

8.串并联梯级泵站输水系统时空分层优化运行系统，其特征是，包括：

在时间维度上，分为单级泵站，串联和并联梯级泵站输水系统优化运行三个层次，

在空间维度上，根据优化目标不同，分为瞬时运行效率优化、日运行优化和中长期运行优化三个层次；

串联梯级泵站输水系统运行效率优化模型建立模块；

并联梯级泵站输水系统运行效率优化模型建立模块：在串联梯级泵站输水系统运行效率优化模型基础上建立并联梯级泵站输水系统运行效率优化模型；

串联梯级泵站输水系统日运行优化模型建立模块：在串联梯级泵站输水系统运行效率优化模型基础上建立串联梯级泵站输水系统日运行优化模型；

并联梯级泵站输水系统日运行优化模型建立模块：在并联梯级泵站输水系统运行效率优化模型基础上建立并联梯级泵站输水系统日运行优化模型；

串联梯级泵站输水系统中长期运行优化模型建立模块：在串联梯级泵站输水系统日运行优化模型基础上建立串联梯级泵站输水系统中长期运行优化模型；

并联梯级泵站输水系统中长期运行优化模型建立模块：在并联梯级泵站输水系统日运行优化模型基础上建立并联梯级泵站输水系统中长期运行优化模型。