服务于大型改建扩建供水管网的厂站联控优化调度方法

15.则变频泵在转速为n1时，扬程-流量和效率-流量特性曲线为：
[0016][0017]
η1＝b0+b1q1/s1+b2(q1/s1)2[0018]
式中，q1、h1、η1——当前转速对应的流量、扬程、效率；
[0019]
q0、h0、η0——额定状态下的流量、扬程和效率。
[0020]
(3)确定“厂-站”联控优化调度模型约束条件：
[0021]
管网水力平衡方程约束：
[0022]
g(h，q)＝0
[0023]
水厂供水能力约束：
[0024]kminqni
≤q
ni
≤k
maxqni
[0025]
式中，q
′
ni
——i时刻n水厂原供水量；
[0026]qni
——i时刻n水厂模型输出供水量；
[0027]kmin
，k
max
——供水量的上下限系数，取0.7和1.3。
[0028]
节点压力约束：
[0029]
节点压力约束包含各用户节点最小服务水头约束和泵站选址上游节点最小来水压力约束(为避免区域泵站运行对上游压力产生影响)：
[0030]hj
＞h
j，min
[0031]hk
＞h
k，min
[0032]
式中，hj——节点j的压力；
[0033]hj，min
——节点j的最小服务水头；
[0034]hk
——加压泵站上游节点k的压力；
[0035]hk，min
——加压泵站上游节点k的最小来水压力；
[0036]
(4)优化调度模型应用：建立供水管网“厂-站”联控优化调度模型，运用人工蜂群算法求解水厂及区域加压泵站最优运行方案。供水管网“厂-站”联控优化调度模型的目标函数如下：
[0037]
以最小化水厂和区域加压泵站运行能耗年折算费为目标，如下式所示：
[0038][0039]
式中，e——电费，元/kwh；ρ——水的密度；g——重力加速度；
[0040]
t——第t个时段，t＝1，...t，t＝24；
[0041]
n——第n个水厂，n＝1，2，...n；
[0042]
np——第n个水厂的第p个水泵，np＝1，...np；
[0043]qnpt
——第n个水厂的第p个水泵在t时段的供水量；
[0044]hnpt
——第n个水厂的第p个水泵在t时段的出水扬程；
[0045]
η
npt
——第n个水厂的第p个水泵在t时段的效率；
[0046]qmt
——第m个加压泵站在t时段的提升水量；
[0047]hmt
——第m个加压泵站在t时段的提升扬程；
[0048]
η
mt
——第m个加压泵站在t时段的运行效率。
[0049]
(5)比较多组运行方案，得当前管网最优运行方案。
[0050]
本发明的有益效果：
[0051]
本发明的服务于大型改建扩建供水管网的“厂-站”联控优化调度方法，构建了考虑水厂及区域加压泵站水泵机组运行能耗费用的目标函数，通过时间范围选择、水泵特性曲线计算、模型建立等一系列过程，采用人工蜂群算法求解优化模型，最终生成的水厂及区域泵站运行方案，有效地降低了管网运行能耗费用总和，并降低了管网的平均压力。
附图说明
[0052]
图1为本实施例的服务于大型改建扩建供水管网的“厂-站”联控优化调度方法的线框流程图。
[0053]
图2为本实施例的服务于大型改建扩建供水管网的“厂-站”联控优化调度方法中的h市供水管网图。
[0054]
图3为决策变量编码形式示意图。
[0055]
图4为调度结果对比图。
[0056]
图5为各时刻th水厂实际方案与调度方案对比图。
[0057]
图6为各时刻加压泵站实际方案与调度方案对比图。
[0058]
图7某时刻调度前压力分布图。
[0059]
图8某时刻调度后压力分布图。
具体实施方式
[0060]
下面结合附图和实例，对本发明的实现方式进一步详细叙述。
[0061]
如图1所示，本实施例的服务于大型改建扩建供水管网的“厂-站”联控优化调度方法的具体步骤如下：
[0062]
步骤1、选择优化调度时间范围：以2020年2月2日一天24小时为例进行优化调度。
[0063]
步骤2、计算水泵特性曲线。
[0064]
h市供水管网分别由cb水厂、cx水厂和th水厂供水，三个水厂泵房共有16台水泵，包含12台定速泵和4台变频泵。区域加压泵站包含3台变频泵。
[0065]
cb水厂：1#、4#、5#为定速泵，2#、3#为变频泵，具体额定信息如表1所示：
[0066]
表1cb水厂泵房水泵信息
[0067]
编号额定流量(l/s)额定扬程(m)额定机电功率(kw)1#1111385002#(变频)1111385003#(变频)2064389004#2064389005#49538240
[0068]
根据水泵的额定流量和扬程，可知1#水泵(扬程-流量)特性曲线上的两个特定点为(1111，38)和(2222，0)，带入特性曲线函数，得出1#水泵的(扬程-流量)特性曲线：
[0069]
h＝50.67-1.026
×
10-5
q2[0070]
根据水泵效率公式：η＝ρgqh/p，p为轴功率＝机电功率/安全余值，安全余值在1.05—1.2中随机选取，g＝9.8m/s，将额定流量与扬程带入上式，可得额定状态下的效率η0，可知1#水泵(效率-流量)特性曲线上的两个特定点为(1111，η0)和(2222，0)，带入特性曲线函数，得出1#水泵的(效率-流量)特性曲线：
[0071]
η＝-7.372
×
10-5
q2+0.164q
[0072]
同理可得4#水泵的扬程-流量和效率-流量特性曲线：
[0073]
h＝50.67-2.974
×
10-6
q2[0074]
η＝-2.136
×
10-5
q2+0.088q
[0075]
5#水泵的扬程-流量和效率-流量特性曲线：
[0076]
h＝50.67-5.17
×
10-5
q2[0077]
η＝-3.55
×
10-4
q2+0.351q
[0078]
变频泵2#、3#的特性曲线不固定，额定工况时的特性曲线分别与1#、4#相同，其他工况的特性曲线根据转速的变化而变化。其具体如下，可调用epanet工具箱进行计算：
[0079]
通过获取水泵扬程、流量、功率计算水泵的扬程-流量特性曲线，可用以下二次多项式表示：
[0080]
假设变频泵的额定转速设为n0，当前转速为n1，调速前后的流量、扬程满足：
[0081]
s1＝n1/n0[0082]
q1/q0＝s1[0083]
h1/h0＝(s1)2[0084]
则变频泵在转速为n1时，扬程-流量和效率-流量特性曲线为：
[0085][0086]
η1＝b0+b1q1/s1+b2(q1/s1)2[0087]
式中，q1、h1、η1——当前转速对应的流量、扬程、效率；
[0088]
q0、h0、η0——额定状态下的流量、扬程和效率。
[0089]
cx水厂：1#～5#水泵全部为定速泵，其具体额定信息如表2所示：
[0090]
表2 cx水厂泵房水泵信息
[0091]
编号额定流量(l/s)额定扬程(m)额定机电功率(kw)1#、2#、3#361371804#、5#56135250
[0092]
根据水泵的额定流量、扬程、功率，得出1#、2#、3#水泵的扬程-流量和效率-流量特性曲线：
[0093]
h＝49.33-9.465
×
10-5
q2[0094]
η＝-6.6
×
10-4
q2+0.476q
[0095]
4#、5#水泵的扬程-流量和效率-流量特性曲线：
[0096]
h＝46.67-3.708
×
10-5
q2[0097]
η＝-2.796
×
10-4
q2+0.314q
[0098]
th水厂：1#、2#、3#、4#为定速泵，5#、6#为变频泵，具体额定信息见表3：
[0099]
表3 th水厂泵房水泵信息
[0100]
编号额定流量(l/s)额定扬程(m)额定机电功率(kw)1#、2#、3#、4#1670398005#、6#(变频)100041500
[0101]
根据水泵的额定流量、扬程、功率，得出1#、2#、3#、4#水泵的扬程-流量和效率-流量特性曲线：
[0102]
h＝52.00-4.662
×
10-6
q2[0103]
η＝-3.0478
×
10-5
q2+0.102q
[0104]
5#、6#在额定工况时的扬程-流量和效率-流量特性曲线：
[0105]
h＝54.67-1.367
×
10-5
q2[0106]
η＝-8.5
×
10-5
q2+0.17q
[0107]
加压泵站：三个加压泵站水泵1#～3#均为变频泵，具体额定信息如表表4所示：
[0108]
表4加压泵站水泵信息
[0109][0110]
根据水泵的额定流量、扬程、功率，得出1#水泵在额定工况时的特性曲线：
[0111]
h＝40-1.563
×
10-5
q2[0112]
η＝-1.347
×
10-4
q2+0.216q
[0113]
2#水泵在额定工况时的扬程-流量和效率-流量特性曲线：：
[0114]
h＝40-2.5
×
10-4
q2[0115]
η＝-2.144
×
10-3
q2+0.858q
[0116]
3#水泵在额定工况时的扬程-流量和效率-流量特性曲线：
[0117]
h＝40-1.0
×
10-3
q2[0118]
η＝-8.823
×
10-3
q2+1.765q
[0119]
步骤3、确定“厂-站”联控优化调度模型约束条件：
[0120]
管网水力平衡方程约束：
[0121]
g(h，q)＝0
[0122]
水厂供水能力约束：
[0123]kminqni
≤q
ni
≤k
maxqni
[0124]
式中，q
′
ni
——i时刻n水厂原供水量；
[0125]qni
——i时刻n水厂模型输出供水量；
[0126]kmin
，k
max
——供水量的上下限系数，取0.7和1.3。
[0127]
节点压力约束：
[0128]
节点压力约束包含各用户节点最小服务水头约束和泵站选址上游节点最小来水压力约束(为避免区域泵站运行对上游压力产生影响)：
[0129]hj
＞h
j，min
[0130]hk
＞h
k，min
[0131]
式中，hj——节点j的压力；
[0132]hj，min
——节点j的最小服务水头；
[0133]hk
——加压泵站上游节点k的压力，根据对h市的管网调研，取0.18mpa；
[0134]hk，min
——加压泵站上游节点k的最小来水压力，通过调研后取0.1mpa；
[0135]
步骤4、区域泵站优化选址模型应用。
[0136]
以水厂泵站水泵和区域加压泵站水泵的转速为决策变量。其中定速泵包含0和1两个变量值，0代表关闭，1代表开启，考虑到尽量让变频泵在高效区运行，变频泵转速的取值范围为[0，0.75，0.76，...0.98，0.99，1]，共27个变量取值，所有变量为离散变量，变量表现形式如图3，建立供水管网“厂-站”优化调度模型，运用人工蜂群算法求解水厂及区域加压泵站最优运行方案，供水管网厂站联控优化调度模型计算过程中使用epanet工具完成水力平差。供水管网厂站联控优化调度模型的目标函数如下：
[0137]
以最小化水厂和区域加压泵站运行能耗年折算费为目标，如下式所示：
[0138][0139]
式中，e——电费，元/kwh；ρ——水的密度；g——重力加速度；
[0140]
t——第t个时段，t＝1，...t，t＝24；
[0141]
n——第n个水厂，n＝1，2，...n；
[0142]
np——第n个水厂的第p个水泵，np＝1，...np；
[0143]qnpt
——第n个水厂的第p个水泵在t时段的供水量；
[0144]hnpt
——第n个水厂的第p个水泵在t时段的出水扬程；
[0145]
η
npt
——第n个水厂的第p个水泵在t时段的效率；
[0146]qmt
——第m个加压泵站在t时段的提升水量；
[0147]hmt
——第m个加压泵站在t时段的提升扬程；
[0148]
η
mt
——第m个加压泵站在t时段的运行效率。
[0149]
步骤5、比较多组运行方案，得当前管网最优运行方案。如图4为最优方案在当天各时刻调度前后管网年折算运行能耗费用的对比图。从图4可以看出，方案所得最优解在各时段的经济指标值都明显低于原始管网。
[0150]
表5为调度前后各个时刻管网年折算运行能耗费用具体折算值对比(t为总能耗折算经济指标，drt为总折算经济指标的降低率)：
[0151]
表5各时刻优化结果对比表
[0152][0153][0154]
从表5可以看出优化后各时刻的t值都有所降低，综合各个时刻，总t值降低率为10.13％，即全天的能耗成本降低率，最优方案的年能耗总降低费用为276.327万。
[0155]
将调度方案和实际方案进行对比，其对比情况参见图5-图8。从图5可看出，th水厂调度方案各时段的供水压力明显降低，而实际方案中th水厂的供水压力全天维持不变，h市th水厂为近些年新建水厂，为维持其供水区域内供水绝对安全，所以th水厂一直维持高压出水，而又为了避免高压区爆管事件的发生，在靠近th水厂的区域前设置了减压阀，在这过程中水压提升后又被立即释放，造成了能量的浪费。调度方案充分利用了th水厂泵房的两台变频泵，使th水厂的全天供水压力跟随管网需水量的变化而变化，直接降低了th水厂的供水能耗。
[0156]
图6为加压泵站实际方案与调度方案对比图。此处的供水压力为所有加压泵站的平均出站压力，供水量为所有加压泵站的总提升水量。从图6可知，调度方案中各时段加压泵站的平均出站压力明显下降。各时段加压泵站的总提升水量也明显下降，调度方案加压
泵站的运行成本的降低为总成本的降低做出了巨大的贡献。
[0157]
通过图7和图8对比可以看出：调度后管网节点的平均压力下降，高压区块面积减少，管网低压区也得到填补。调度后，管网的节点压力基本集中在0.2mpa-0.3mpa之间。可见，“厂-站”联控优化调度模型为管网压力调控做出了贡献。
[0158]
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。