大型串、并联梯级泵站输水系统优化运行及控制实现机制和方法研究

The large series parallel cascade pumping station water transfer projects is a complex system made up by electrical machine, pump, trash rack and channel. This kind of project usually lift water through multistage pump station and deliver water through channel..The energy consumption of this system is large while the capacity of the channel is small.The operation and control of this system is very difficult.The optimal operation and controlling realization problems of the system have become the key factors restricting its operation efficiency. This project took the cascade pumping station in series and in parallel water transfer project in Shandong Province of South-to-North Water Transfer East Route Project as the research object, aimed at the problems of complexity and dynamic during the operation, based on the large system decomposition and coordination theory, hydraulics simulation and process control technology, we combined optimizing operation theory of cascade pumping station and water control system, thus put forward an optimal operation and control realization mechanism and methods. We constructed an optimal operation nested model of multi-level cascade pumping station water delivery system based on static balance, and proposed the hydraulic control mode and algorithm between cascades, thus set up the rolling forward model solving and coupling mode: water delivery tasks--operation optimization--control optimization--hydraulic simulation--optimization evaluation--final decision. Therefore, we concluded the optimizing operation and control scheme, and provided theoretical and technical support for engineering safety and economic operation.

大型梯级泵站输水工程是由泵站、渠（河）道和节制闸等多项设备、设施组成的复杂水资源系统，梯级间由渠道刚性、半刚性串联或并联，调蓄能力较小，能耗大，运行及控制难度大。该系统的优化运行及控制实现问题是制约其高效运行的关键因素。本项目以南水北调东线串、并联梯级泵站工程为研究对象，针对运行中存在的复杂性和动态性难题，基于大系统分解-协调理论、水力学仿真和过程控制技术，将梯级泵站优化运行与渠系输水控制方法相结合，建立梯级泵站输水系统优化运行及主动控制实现机制和方法：包括建立基于静态平衡的梯级泵站输水系统优化运行机制和模型，建立梯级泵站输水控制算法和模型，建立静态运行—动态控制的耦合、协调机制和模型，形成“输水任务～运行优化～控制方案～水力仿真～方案评估～参数反馈～最终决策”滚动向前的模型求解模式，确定优化运行及控制方案，实现系统优化从宏观方案到微观控制的落地，为工程安全、经济运行提供理论和技术支撑。

为实现水资源合理配置，国内外均兴建了多项远距离、跨流域大型串、并联梯级泵站输水工程。如引黄济青工程、南水北调东线工程等。此类工程总装机容量和能耗较大，相应节能潜力巨大；梯级间多采用渠(河)道刚性、半刚性串联或并联，调蓄能力小，运行及控制难度大。对此类工程的优化调度，将创造可观的经济效益。. 以往，缺乏一套能够全面反映梯级泵站输水系统实时运行效率的指标体系和计算方法，无法对系统运行效率进行定量评估。且由于系统运行的动态性和组成的复杂性，系统运行优化难度较大，建立的优化模型和方案难以直接应用。本课题提出的基于时空分解的梯级泵站系统动态效率评估及优化运行技术很好的解决了上述问题。 . 本研究基于系统运行时空分解理论，对梯级泵站输水系统中各类设备、设施的多维变量进行了归一化重构，建立了一套反应系统整体实时运行效率的指标体系及评估模型，定量描述该动态系统的实时运行状态。在此基础上，从时间和空间尺度构建了系统分层逐级优化运行模型，实现优化运行方案从宏观（水量）到微观（实时）的逐级分解，同时考虑了具体的控制实现过程，保证了优化运行方案的实现。. 本研究以南水北调东线两湖段2016年6.14～20日为测试时段，该时段采用研究制定的优化方案运行，与2016年1.18～28日时段现状方案运行效果进行对比。通过水位、流量、泵站机组功率数据采集，计算串联梯级泵站输水系统运行效率，得出该时段测试结论如下：优化前后系统运行效率分别为62.16%、58.65%，提高了3.5%，即降低输水成本3.5%。根据2016年6.14～20日短时段测试结果，考虑未来时段调度任务、水位、流量变化等因素，预计长期运行条件下，至少可降低输水成本2%以上。.综上，通过南水北调东线调度运行实践表明，本研究提出的串并联梯级泵站优化运行及控制机制及方法成果，可实现梯级泵站输水效率实时定量评估，有效降低输水成本，提高控制效率和精度，保证系统安全经济运行，可为其他类似工程优化运行提供借鉴。