一种充分灌溉条件下直接补渠的单库‑多站系统水资源优化配置方法与流程

文档序号:13844802阅读:208来源:国知局

本发明涉及充分灌溉条件下单个水库与多个补渠泵站联合运行调度的方法,属于灌区水资源优化配置技术领域。



背景技术:

直接补渠的单水库-多泵站系统,由多个补水泵站直接向渠道供水,由单座水库和多座补渠泵站联合向受水区供水。虽然水源条件充分,但由于是由多个提水泵站对渠道进行补水,在系统实际运行时,如何在保证受水区供水充分的条件下,降低补渠泵站群系统运行能耗,节约工程运行成本,是不可忽视的重要问题。



技术实现要素:

本发明针对充分灌溉条件下直接补渠的单水库-多泵站系统,考虑不同来水频率下的受水区缺水情况,首次考虑由多个提水泵站补充渠道缺水,建立充分灌溉条件下直接补渠的单库-多站系统联合优化调度数学模型。针对特定的年调节单库-多站联合运行调度系统,在已知水库供水划分的时段数、初始库容、死库容、兴利库容、防洪限制水位对应的库容、年可供水总量、各时段来水量过程、蒸发与渗漏量过程,补渠泵站数量、各补渠泵站年允许提水总量,以及各时段受水区需水量过程情况下,采用基于“补渠泵站群”子系统分解-动态规划聚合的“单库-多站”大系统动态规划逐次逼近方法,可获得一定供水期内受水区最小缺水量、对应的水库供水期内各时段最优供水量、弃水量,以及各补渠泵站各时段补水量过程。

本发明方案如下:

一种充分灌溉条件下直接补渠的单库-多站系统水资源优化配置方法,由多个补水泵站直接向渠道供水,由单座水库和多座补渠泵站联合向受水区供水,包括以下步骤:

一、模型构建,包括以下步骤1~步骤2:

1.以直接补渠的单库-多站系统年内各时段的水库供水量与受水区需水量之差的平方和最小为目标,建立如下目标函数:

式中:f为研究对象年内各时段的供需水量之差的最小平方和;z为研究对象年内各时段供需水量之差的平方和;n为年内划分的时段数;i为时段编号(i=1,2,......n);gi为水库第i时段的供水量(万m3);m为补渠泵站数量(座);k为补渠泵站编号(k=1,2,…m);ybki为第k座补渠泵站第i时段供水量(万m3);ysi为受水区第i时段的需水量(万m3);目标函数采用平方和表达是为了加速减少系统供水量与受水区需水量之间的偏差。

2.设置约束条件

包括单座水库、m座补水泵站年可供水总量约束条件,无泵站直接补库的水库水量平衡约束,水库库容约束条件,以及补渠泵站群运行能耗最小约束条件。

二、模型求解

1.数据准备,具体包括:将1年划分为n个时段,并确定各时段长度;根据水库初始水位,测定水库初始库容v0;确定年可供水总量sk、死库容vmin、防洪限制水位对应的库容vp、以及兴利库容vmin+δ1;测量和计算水库各时段来水量lsi、蒸发与渗漏量efi;确定各补渠泵站年允许提水总量bzk(k=1,2,…m);测定不同时段扬程hki下运行的提水流量qki及对应的水泵效率ηz,ki、电机效率ηmot,k、传动效率ηint,k;确定各时段受水区的作物需水量ysi(i=1,2,…,n)。

2.确定以水库各阶段供水量gi、补渠泵站群各阶段补水总量yi为决策变量的二维非线性数学模型。

3.采用动态规划逐次逼近法对“单库-多站”大系统模型求解,确定水库供水量过程gi和各泵站补渠水总量过程yim以及水库最优弃水量过程psi。

4.采用分解-动态规划聚合法对“补渠泵站群”子系统模型求解,获得各补渠泵站各时段最优补水量ybki*;由此最终获得研究区年内各时段的供需水量之差的最小平方和f、对应的水库各时段最优供水量gi、弃水过程psi,以及各补渠泵站各时段最优补水量ybki*(i=1,2,......n,k=1,2,…m)。

进一步地,所述约束条件包括:

(1)单座水库、m座补水泵站年可供水总量约束条件:在不同水平年不同保证率情况下,考虑需水要求,供水工程可能提供的水量;

ybk1+ybk2+…+ybkn≤bzk,(k=1,2,…m)(2)

g1+g2+…+gn≤sk(3)

式中:bzk为第k座补水泵站年允许提水总量(万m3);sk为水库的年可供水总量(万m3);其余变量含义同上。

(2)无泵站直接补库的水库水量平衡约束条件:

vi=vi-1+lsi-psi-efi-gi,(i=1,2,…,n)(4)

式中:vi、vi-1分别为水库第i和i-1时段末的蓄水量(万m3);lsi、psi、efi分别为水库第i时段的来水量(万m3)、弃水量(万m3)、蒸发与渗漏量(万m3)。

(3)水库库容约束条件:各时段的水库蓄水量应介于水库死库容和防洪限制水位对应的库容之间,即:

vmin≤vi≤vp,(i=1,2,…,n)(5)

式中:vmin、vp分别为水库死库容和防洪限制水位对应库容(万m3)。

(4)补渠泵站群联合运行能耗最小约束条件:在满足水库调度准则约束基础上,为保证受水区充分灌溉条件,对补渠泵站群,其在每一供水时段内的联合运行应考虑能耗最小,即:

式中,li为第i时段补渠泵站群联合运行系统能耗(kw·h);lki为第k座泵站第i时段运行能耗(kw·h);ρ为水密度(kg/m3),g为重力加速度(m/s2);qki、hki、δtki、ηz,ki分别为第k座泵站第i时段的流量(m3/s)、时均扬程(m)、时段长度(h)和水泵效率;ηmot,k、ηint,k分别为第k座泵站的电动机效率和传动效率。

进一步地,确定以水库各阶段供水量gi、补渠泵站群各阶段补水总量yi为决策变量的二维非线性数学模型包括重新确定目标函数:

m座补渠泵站年可供水总量约束:

其余约束同式(3)-(6)。

进一步地,采用动态规划逐次逼近法对“单库-多站”大系统模型求解具体包括如下步骤:

实际满足该特定受水区充分灌溉条件的水库阶段供水量过程gi1作为初始迭代值,将其代入式(7),则模型(3)~(8)转化为以各阶段泵站群补渠总水量yi为决策变量,前i个阶段泵站群补水总量λi为状态变量的一维动态规划模型,采用一维动态规划法求解;其中,i=1,2,......n。

(2)参照一维动态规划求解原理,得对应递推方程为:

1)阶段i=1:

g1(λ1)=min(g11+y11-ys1)2(9)

该时段水库供水量g11已由初始值给定,状态变量λ1,其可在对应可行域内离散:对每个离散的λ1,决策变量(泵站群补水总量y11)可在对应可行域内离散,如0万m3、5万m3、10万m3、15万m3、…y11,max等(y11,max为第1阶段泵站群最大补水能力),应满足:y11≥λ1。将满足要求的y11分别代入式(9),分别得到对应于每个离散λ1值时,最优y11及其对应的该时段最小缺水量平方和g1(λ1)。

而后,根据式(4),第1阶段末水库库容v1=v0+ls1-ef1-g11,此时尚未考虑水库弃水,采用式(5)检验,若超过防洪限制水位所对应的库容vp,则超出部分作为水库弃水量ps11,此时修正库容v1*=vp;反之,未超出,则ps11=0,此时修正库容v1*=v1。

2)阶段i=2,3,…n-1:

gi(λi)=min[(gi1+yi1-ysi)2+gi-1(λi-1)](10)

该时段水库供水量gi1已由初始值给定,状态变量λi同样分别进行离散:对每个离散的λi,决策变量(泵站群补水总量yi1)离散同上,并应满足:

状态转移方程:λi-1=λi-(ysi-gi1)(11)

式中:i=2,3,...,n-1。

对每个离散的λi,将各离散的yi1值分别代入式(10)中的(gi1+yi1-ysi)2,由状态转移方程式(11),查找i-1阶段满足要求的gi-1(λi-1)值,由此获得满足该λi要求的最优yi1过程及其对应的前i个时段系统最小缺水量平方和gi(λi)。同样,根据式(4),第i时段末水库库容vi=vi-1+lsi-efi-gi1,此时尚未考虑水库弃水,采用式(5)进行检验,若超过防洪限制水位所对应的库容vp,则超出部分作为水库弃水量psi1,此时修正库容vi*=vp;反之,未超出,则psi1=0,此时修正库容vi*=vi。由此递推,可获得对应的水库弃水量过程psi1,其中,i=1,2,...,i。

3)阶段n:

gn(λn)=min[(gn1+yn1-ysn)2+gn-1(λn-1)](12)

该时段水库供水量gn1已由初始值给定,状态变量决策变量(泵站群补水总量yn1)同样在对应可行域内离散,应满足:λn-1=λn-(ysn-gn1)。

采用步骤2)所述方法,最终获得满足该λn要求的泵站群最优补水总量过程yi1,以及对应的水库弃水量过程psi1,其中,i=1,2,…,n。

(3)将步骤(2)获得的泵站群补渠总水量过程yi1作为初始给定值,代入式(7),则原模型(3)~(8)又转化为以各阶段水库供水量gi为决策变量,前i个阶段水库供水总量λi′为状态变量的一维动态规划模型,参照步骤(2),采用一维动态规划法求解,获得满足该λn′要求的水库最优供水过程gi2,以及对应的弃水量过程psi2,其中,i=1,2,…,n。

(4)将步骤(3)获得的水库供水量过程gi2作为初始给定值,代入式(7),重复步骤(2)~(3),反复逐次逼近求解,直到相邻两次目标函数最优值误差精度小于要求的迭代控制精度ε,则模型优化结束。以最后一次优化获得的水库供水量过程gim和泵站补渠水总量过程yim作为原模型最优解,同时还可获得目标函数最优值,以及水库最优弃水量过程psim,其中,i=1,2,…,n;m为动态规划逐次逼近迭代次数编号。

进一步地,采用分解-动态规划聚合法对“补渠泵站群”子系统模型求解包括如下步骤:

(1)补渠泵站群子系统经济运行数学模型构建

考虑补水泵站群联合运行能耗最小准则约束,由式(6)建立补渠泵站群经济运行数学模型:

目标函数:

时段供水量约束:

功率约束:

式中,nk0为第k座补渠泵站的电机配套功率(kw);其余变量含义同上。

(2)“补渠泵站群”子系统分解-动态规划聚合法求解

①子系统二级分解:

将上述子系统模型(13)~(15)进一步分解,可得到m个单站经济运行二级子模型:

目标函数:

功率约束:

式中,li为单站第i时段最小运行能耗,单位:kw·h。

②二级子模型能耗确定:

对于以上模型(16)~(17),第i时段时段长δti已知,并可由泵站上下游水位确定提水扬程hi,及其对应的水泵流量qi、水泵效率ηz,i、电机效率ηmot和传动效率ηint,且该时段最大补水量为ybi,max=3600qiδti/10000,按一定步长离散该时段最大提水量ybi,max(即对该时段时长δti进行离散),可获得各提水量ybi,m下单站运行能耗li,m(m=1,2,…max)。

对其他泵站,同样采用以上方法,由此获得各泵站不同提水量ybki,m下,单站运行能耗lki,m(k=1,2,…m,m=1,2,…max)。

③原子系统动态规划聚合:

由以上二级子系统求解,对每一个补渠泵站,均可获得一系列单站提水能耗lki,m~单站补渠水量ybki,m关系(k=1,2,…m,m=1,2,…max),由此可构建如下聚合模型替代原子模型(13)~(15):

目标函数:

时段供水量约束:

该聚合模型(18)~(19)同样为一维动态规划模型,阶段变量为泵站编号k(k=1,2,…m);决策变量为各泵站第i时段提水量ybki,其离散范围即为单站优化时的目标水量离散范围ybki,m(k=1,2,…m,m=1,2,…max);由式(19)可知各泵站提水总量的离散值即为状态变量(λ)。参照以上一维动态规划法求解该模型,获得满足第i时段泵站目标提水总量yi的li值,以及对应的各泵站最优补水量组合ybki*(k=1,2,…m)。

该发明可实现充分灌溉条件下直接补渠的单水库-多泵站系统的水资源优化调度,方法精度可靠,准确率达98%以上,降低了补渠泵站群运行能耗15%以上,达到灌区水资源优化配置的目的,提高了灌区经济、社会和生态效益。

附图说明

图1为充分灌溉条件下直接补渠的单库-多站水资源概化系统示意图。

具体实施方式

如图1所示,以直接补渠的单库-多站系统年内各时段的水库供水量与受水区需水量之差的平方和最小为目标,年内划分的各时段水库供水量、各补渠泵站各时段补水量为决策变量,以水库、各补渠泵站年可供水总量、水库水量平衡、水库库容约束、补渠泵站群联合运行能耗最小为约束条件,建立充分灌溉条件下直接补渠的单库-多站系统水资源优化调度模型。

一、模型构建

1.目标函数:以直接补渠的单水库-多泵站系统年内各时段的供水量与受水区需水量之差的平方和最小为目标,建立如下目标函数:

式中:f为研究对象年内各时段的供需水量之差的最小平方和;z为研究对象年内各时段供需水量之差的平方和;n为年内划分的时段数;i为时段编号(i=1,2,......n);gi为水库第i时段的供水量(万m3);m为补渠泵站数量(座);k为补渠泵站编号(k=1,2,…m);ybki为第k座补渠泵站第i时段供水量(万m3);ysi为受水区第i时段的需水量(万m3);目标函数采用平方和表达是为了加速减少系统供水量与受水区需水量之间的偏差。

2.约束条件

包括水库、各补水泵站年可供水总量约束条件,无泵站直接补库的水库水量平衡约束,水库库容约束条件,以及补渠泵站群运行能耗最小约束条件。具体分述如下:

(1)单座水库、m座补水泵站年可供水总量约束条件:在不同水平年不同保证率情况下,考虑需水要求,供水工程可能提供的水量。

ybk1+ybk2+…+ybkn≤bzk,(k=1,2,…m)(2)

g1+g2+…+gn≤sk(3)

式中:bzk为第k座补水泵站年允许提水总量(万m3);sk为水库的年可供水总量(万m3);其余变量含义同上。

(2)无泵站直接补库的水库水量平衡约束条件:

vi=vi-1+lsi-psi-efi-gi,(i=1,2,…,n)(4)

式中:vi、vi-1分别为水库第i和i-1时段末的蓄水量(万m3);lsi、psi、efi分别为水库第i时段的来水量(万m3)、弃水量(万m3)、蒸发与渗漏量(万m3)。

(3)水库库容约束条件:各时段的水库蓄水量应介于水库死库容和防洪限制水位对应库容之间,即:

vmin≤vi≤vp,(i=1,2,…,n)(5)

式中:vmin、vp分别为水库死库容和防洪限制水位对应库容(万m3)。

(4)补渠泵站群联合运行能耗最小约束条件:进一步地,在满足水库调度准则约束基础上,为保证受水区充分灌溉条件,对补渠泵站群,其在每一供水时段内的联合运行应考虑能耗最小,即:

式中,li为第i时段补渠泵站群联合运行系统能耗(kw·h);lki为第k座泵站第i时段运行能耗(kw·h);ρ为水密度(kg/m3),g为重力加速度(m/s2);qki、hki、δtki、ηz,ki分别为第k座泵站第i时段的流量(m3/s)、时均扬程(m)、时段长度(h)和水泵效率;ηmot,k、ηint,k分别为第k座泵站的电动机效率和传动装置效率。

二、模型特点

(1)模型以单座水库各时段供水量、m座补渠泵站各时段补水量为决策变量,是一个m+1维复杂非线性模型。

(2)考虑到水资源开发利用中应严格实行用水总量控制,因此在模型约束条件中加入水库年可供水总量及各补渠泵站年允许提水总量约束,即式(2)~(3)。

(3)约束条件中考虑水库水量平衡和库容约束,可实现“闲时水库补水、忙时库站联合供水”的单库-多站系统水资源优化调度方式。闲时若某时段末水库蓄水量低于水库死库容,则该时段考虑采用补水泵站直接向渠道进行补水;若某时段水库库容超过水库防洪限制水位所对应库容时,则需要抽弃水来保证水库库容的调度需求。忙时根据水库蓄水量情况,则考虑由水库、补渠泵站群联合向受水区供水,以期尽可能满足用水户的用水需求。

(4)对于由m座补渠泵站联合补水时,考虑了各泵站不同扬程下站间机组性能特性差异,加入了泵站群联合运行能耗最低约束条件,即式(6)。通过建立泵站群子系统联合优化运行数学模型并采用分解-动态规划聚合法求解,将大系统模型优化确定的各时段泵站群补水总量yi进一步优化分配至各补渠泵站ybki(k=1,2,…m),使泵站群子系统运行尽可能降低能耗。

三、模型求解

针对以上模型式(1)~(6)是一阶段可分的非线性数学模型,先不考虑各时段各补渠泵站间的水量分配,将模型(1)~(6)转换为以水库各时段供水量gi、补渠泵站群各时段补水总量yi为决策变量的二维非线性数学模型,即式(3)~(8),目标函数(7)中各阶段受水区需水量ysi为已知,因此可以水库、补渠泵站群供水期划分的时段i(i=1,2,…,n)为阶段变量,采用动态规划逐次逼近法求解。

假定年调节水库的初始库容v0已知,模型中式(2)~(3)为动态规划耦合约束,式(4)为水库调度各时段水量平衡准则;通过动态规划逐次逼近法求解,同时采用式(5)对库容进行检验,修正各阶段末水库库容,最终可获得一定时期内受水区最小缺水量,以及对应的水库最优供水量gi、弃水量psi和泵站补水总量过程yi(i=1,2,......,n);然后考虑补渠泵站群联合运行能耗最小准则约束(6),建立泵站群子系统联合优化运行数学模型,采用分解-动态规划聚合法求解,将确定的各时段泵站群补水总量yi进一步优化分配至各补渠泵站,获得各补渠泵站各时段补水量ybki*,由此最终获得研究区年内各时段的供需水量之差的最小平方和f、对应的水库各时段最优供水量gi、弃水过程psi,以及各补渠泵站各时段最优补水量ybki*(i=1,2,......n,k=1,2,…m)。成果可为充分灌溉条件下直接补渠的单库-多站系统所在灌区水资源优化调度提供依据。

模型(1)~(6)为m+1维决策变量优化模型,通过模型转换后采用基于“补渠泵站群”子系统分解-动态规划聚合的“单库-多站”大系统动态规划逐次逼近法求解,不但可获得目标函数中的最优决策变量值——各阶段水库供水量gi,以及各补渠泵站各时段补水量ybki*;而且通过采用式(4)~(5)对库容进行检验修正,还可获得各时段水库最优弃水量过程psi;实际上求解获得了m+2个决策变量值,丰富了该类复杂非线性模型求解方法。

1、进行数据准备

具体包括:将1年划分为n个时段,并确定各时段长度;根据水库初始水位,测定水库初始库容v0;确定年可供水总量sk、死库容vmin、防洪限制水位对应的库容vp;测量和计算水库各时段来水量lsi、蒸发与渗漏量efi;确定各补水泵站年允许提水总量bzk(k=1,2,…m);由各泵站水泵装置性能特性曲线,测定不同时段扬程hki下运行的提水流量qki及对应的水泵效率ηz,ki、电机效率ηmot,k、传动效率ηint,k;计算确定各时段受水区的作物需水量ysi(i=1,2,…,n)。

2、原模型转换

对以上模型(1)~(6),是以水库各阶段供水量gi、各补渠泵站各阶段补水量ybki为决策变量的m+1维复杂非线性数学模型。因此考虑取则原模型转换为以水库各阶段供水量gi、补渠泵站群各阶段补水总量yi为决策变量的二维非线性数学模型,即:

目标函数:

m座补渠泵站年可供水总量约束:

其余约束同式(3)~(6)。

3、“单库-多站”大系统模型动态规划逐次逼近法求解

针对以上转换模型(3)~(8),动态规划逐次逼近求解具体步骤如下:

(1)测量水库日常供水量及各泵站补水规模,满足式(3)、(8)要求,且不致出现水库某阶段库容低于死库容vmin。以实际满足该特定受水区充分灌溉条件的水库阶段供水量过程gi1作为初始迭代值,将其代入式(7),则模型(3)~(8)转化为以各阶段泵站群补渠总水量yi为决策变量,前i个阶段泵站群补水总量λi为状态变量的一维动态规划模型,采用一维动态规划法求解;其中,i=1,2,......n。

(2)参照一维动态规划求解原理,得对应递推方程为:

1)阶段i=1:

g1(λ1)=min(g11+y11-ys1)2(9)

该时段水库供水量g11已由初始值给定,状态变量λ1,其可在对应可行域内离散:对每个离散的λ1,决策变量(泵站群补水总量y11)可在对应可行域内离散,如0万m3、5万m3、10万m3、15万m3、…y11,max等(y11,max为第1阶段泵站群最大补水能力),应满足:y11≥λ1。将满足要求的y11分别代入式(9),分别得到对应于每个离散λ1值时,最优y11及其对应的该时段最小缺水量平方和g1(λ1)。

而后,根据式(4),第1阶段末水库库容v1=v0+ls1-ef1-g11,此时尚未考虑水库弃水,采用式(5)检验,若超过防洪限制水位所对应的库容vp,则超出部分作为水库弃水量ps11,此时修正库容v1*=vp;反之,未超出,则ps11=0,此时修正库容v1*=v1。

2)阶段i=2,3,…n-1:

gi(λi)=min[(gi1+yi1-ysi)2+gi-1(λi-1)](10)

该时段水库供水量gi1已由初始值给定,状态变量λi同样分别进行离散:对每个离散的λi,决策变量(泵站群补水总量yi1)离散同上,并应满足:

状态转移方程:λi-1=λi-(ysi-gi1)(11)

式中:i=2,3,...,n-1。

对每个离散的λi,将各离散的yi1值分别代入式(10)中的(gi1+yi1-ysi)2,由状态转移方程式(11),查找i-1阶段满足要求的gi-1(λi-1)值,由此获得满足该λi要求的最优yi1过程及其对应的前i个时段系统最小缺水量平方和gi(λi)。同样,根据式(4),第i时段末水库库容vi=vi-1+lsi-efi-gi1,此时尚未考虑水库弃水,采用式(5)进行检验,若超过防洪限制水位所对应的库容vp,则超出部分作为水库弃水量psi1,此时修正库容vi*=vp;反之,未超出,则psi1=0,此时修正库容vi*=vi。由此递推,可获得对应的水库弃水量过程psi1,其中,i=1,2,...,i。

3)阶段n:

gn(λn)=min[(gn1+yn1-ysn)2+gn-1(λn-1)](12)

该时段水库供水量gn1已由初始值给定,状态变量决策变量(泵站群补水总量yn1)同样在对应可行域内离散,应满足:λn-1=λn-(ysn-gn1)。

采用步骤2)所述方法,最终获得满足该λn要求的泵站群最优补水总量过程yi1,以及对应的水库弃水量过程psi1,其中,i=1,2,…,n。

(3)将步骤(2)获得的泵站群补渠总水量过程yi1作为初始给定值,代入式(7),则原模型(3)~(8)又转化为以各阶段水库供水量gi为决策变量,前i个阶段水库供水总量λi′为状态变量的一维动态规划模型,参照步骤(2),采用一维动态规划法求解,获得满足该λn′要求的水库最优供水过程gi2,以及对应的弃水量过程psi2,其中,i=1,2,…,n。

(4)将步骤(3)获得的水库供水量过程gi2作为初始给定值,代入式(7),重复步骤(2)~(3),反复逐次逼近求解,直到相邻两次目标函数最优值误差精度小于要求的迭代控制精度ε,则模型优化结束。以最后一次优化获得的水库供水量过程gim和泵站补渠水总量过程yim作为原模型最优解,同时还可获得目标函数最优值,以及水库最优弃水量过程psim,其中,i=1,2,…,n;m为动态规划逐次逼近迭代次数编号。

4、“补渠泵站群”子系统模型分解-动态规划聚合方法求解

以上“单库-多站”大系统动态规划逐次逼近优化后,除已确定研究区年内各时段的供需水量之差的最小平方和f、水库各时段最优供水量gi和弃水过程psi外,对补渠泵站群,仅确定了各时段最优补水总量yi过程,尚未考虑具体各补渠泵站分配到的补水量ybki(k=1,2,…m),由于各补渠泵站机组装置性能存在差异,再加上各时段提水扬程不同,导致泵站运行能耗各不相同,为降低补渠泵站群运行能耗,需将yi进一步优化分配至各补渠泵站,明确各时段各补渠泵站优化补水量ybki,从而真正达到单库-多站系统水资源优化配置目的。

(1)补渠泵站群子系统经济运行数学模型构建

考虑补水泵站群联合运行能耗最小准则约束,由式(6)建立补渠泵站群经济运行数学模型:

目标函数:

时段供水量约束:

功率约束:

式中,nk0为第k座补渠泵站的电机配套功率(kw);其余变量含义同上。

(2)“补渠泵站群”子系统分解-动态规划聚合法求解

①子系统二级分解:

将上述子系统模型(13)~(15)进一步分解,可得到m个单站经济运行二级子模型:

目标函数:

功率约束:

式中,li为单站第i时段最小运行能耗,单位:kw·h。

②二级子模型能耗确定:

对于以上模型(16)~(17),第i时段时段长δti已知,并可由泵站上下游水位确定提水扬程hi,及其对应的水泵流量qi、水泵效率ηz,i、电机效率ηmot和传动效率ηint,且该时段最大补水量为ybi,max=3600qiδti/10000,按一定步长离散该时段最大提水量ybi,max(即对该时段时长δti进行离散),可获得各提水量ybi,m下单站运行能耗li,m(m=1,2,…max)。

对其他泵站,同样采用以上方法,由此获得各泵站不同提水量ybki,m下,单站运行能耗lki,m(k=1,2,…m,m=1,2,…max)。

③原子系统动态规划聚合:

由以上二级子系统求解,对每一个补渠泵站,均可获得一系列单站提水能耗lki,m~单站补渠水量ybki,m关系(k=1,2,…m,m=1,2,…max),由此可构建如下聚合模型替代原子模型(13)~(15):

目标函数:

时段供水量约束:

该聚合模型(18)~(19)同样为一维动态规划模型,阶段变量为泵站编号k(k=1,2,…m);决策变量为各泵站第i时段提水量ybki,其离散范围即为单站优化时的目标水量离散范围ybki,m(k=1,2,…m,m=1,2,…max);由式(19)可知各泵站提水总量的离散值即为状态变量(λ)。参照以上一维动态规划法求解该模型,获得满足第i时段泵站目标提水总量yi的li值,以及对应的各泵站最优补水量组合ybki*(k=1,2,…m)。

5、确定原模型最优解

通过步骤3获得的各时段补渠泵站群最优补水总量yi(i=1,2,......n)过程后;对每个时段确定的yi,均需经由一次步骤4(共n次步骤4计算),即可进一步将各时段yi优化分配至m个补渠泵站,获得各补渠泵站各时段最优补水量ybki*;由此最终获得研究区年内各时段的供需水量之差的最小平方和f、对应的水库各时段最优供水量gi、弃水过程psi,以及各补渠泵站各时段最优补水量ybki*(i=1,2,......n,k=1,2,…m)。

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