梯级泵站供水系统水资源优化调度研究

梯级泵站供水系统水资源优化调度研究

0多级水泵系统水资源调度的现状图2目前，国内外已有许多级泵站供水系统。例如，广东省东深供水项目通过9个旁路站向深圳和香港供水，山东省黄济清项目通过三个站向青岛供水，山西省万家寨杨黄供水工程、甘肃省景泰川灌溉工程、福建省加莱福义州北水南调设计（23级水泵）和前苏联浮游生物灌溉（8级水泵）进行。此外，批准了宁夏宁夏杨黄灌溉工程（11级高旁通信站）和培训班（13级低旁通信站）的建设。所有这些梯级泵站供水系统,都是由提水泵站、输水工程、蓄水设施及多个供水片组成的一个高维复杂水资源系统,在每级泵站中往往有多台提水泵,相邻两级泵站间可能存在一个或多个供水片与调蓄设施(系统概化结构模型如图1所示),其水资源调度有如下特点:(1)以提水、调水和供水为主,兼顾灌溉、防洪及改善环境等的多目标水利工程,目标间存在多种矛盾且不可公度。(2)系统中存在降水、径流、用水量时空分布上的不均衡性和随机性。(3)提水泵站、输水工程、蓄水设施间存在较强关联约束。(4)工程常涉及多个地区,地区间存在水资源分配冲突。(5)系统内存在生活、工业、农业等多个用户,用户间有明确的优先供水次序等。如何对这类供水系统进行水资源优化调度,则是节省工程运行费用、提高泵站运行效率和工程效益的重要途径,多年来倍受人们关注,并作了一些开拓性研究。本文针对梯级提水泵站供水系统中,大多决策和状态变量多,各级泵站、水库与泵站、提水与供水等之间关联调度决策关系,而自优化模拟技术具有仿真性强、自行优化、方法简单、不受维数限制、计算速度快等优点,拟采用自优化模拟技术进行系统水资源优化调度研究,而暂不考虑单级泵站内多台机组的优化运行问题。1水资源优化计划的数学模型1.1多目标优化问题描述对以提水、调水、供水为主,兼顾发电、灌溉等的梯级泵站供水系统,可在充分利用系统当地水资源量和蓄水、提水工程规模满足用水需求条件下,以系统总的供水量最大、提水量最小、弃水量最小为目标函数,构成下述多目标优化问题:F=f(F1,F2,F3)(1)F=f(F1,F2,F3)(1)其中:F1=max∑i=12M+1∑t=1NW(i,t)F1=max∑i=12Μ+1∑t=1ΝW(i,t);F2=min∑i=12M∑t=1NDI(i,t);F2=min∑i=12Μ∑t=1ΝDΙ(i,t);F3=min∑i=1M∑t=1NDL(i,t)F3=min∑i=1Μ∑t=1ΝDL(i,t)式中:W(·),DI(·),DL(·)分别为供水量、提调水量和弃水量,M为蓄水设施数;N为运行时段数。1.2水质达标的方式(1)水库水量平衡方程约束,即:V(i,t+1)=V(i,t)+Q(i,t)+DI(i,t)−W(i,t)−DL(i,t)−LS(i,t)+KB[XI(i,t)−DO(i,t)−XO(i,t)](2)V(i,t+1)=V(i,t)+Q(i,t)+DΙ(i,t)-W(i,t)-DL(i,t)-LS(i,t)+ΚB[XΙ(i,t)-DΟ(i,t)-XΟ(i,t)](2)式中:V(i,t),V(i,t+1)分别是t时段水库始、末蓄水量;Q(·)是当地径流;DI(·)是泵站提调入库水量;LS(·)是损失水量;KB为水库系统结构控制参数(KB=1时,须考虑上游水库的下泄入库水量XI(·)和该水库对区间供水片的下泄水量XO(·)及其调出水量DO(·),否则令KB=0)。(2)区间供水片的水量平衡方程约束。即:Q(i,t)+DI(i,t)+G¯¯¯(i,t)−W(i,t)−DL(i,t)+KB⋅XI(i,t)−DO(i,t)=0(3)Q(i,t)+DΙ(i,t)+G¯(i,t)-W(i,t)-DL(i,t)+ΚB⋅XΙ(i,t)-DΟ(i,t)=0(3)式中,G¯¯¯G¯(·)为地下水时段可开采量。(3)任一时段提调水量DI(t)必须不超过下游供水子系统的最大允许可提调水量约束。(4)其他约束。如泵站设计提水能力约束,水库供水片的水量平衡方程约束,最小调水流量约束,地下水开采量约束,供水优先次序约束,水库蓄水和泄弃水能力约束,河道或渠道等的输水能力约束,非负约束等。2自优化策略的提出采用自优化模拟技术进行水资源系统优化调度时,是根据自适应控制原理,在给定水库初始控制线的一般模拟模型中,嵌入一个在线辨识环节,通过对系统优化目标和水库运行线的最优性识别,自动生成寻优模拟控制线,引导一般模拟结果逐步趋于最优化的反复迭代过程。因此,能否充分利用所研究问题的时空分布特性,采用一般模拟技术,获得引导一般模拟计算结果趋于最优化的水库调度优化运行控制线,即反映系统优化目标的水库经济蓄水线(上限)和防破坏线(下限),便是自优化模拟调度方法的关键。针对图1所示供水系统中存在的复杂调度决策关联关系,为达到系统整体优化目标要求,须先从工程内各地区的用水需求出发进行需求向模拟;然后,以需求向模拟结果为最优目标控制,从水源地开始,根据实际水资源状况等约束条件,进行供给向模拟;如此多次反复迭代计算,最后即可收敛获得既达到优化目标要求又满足诸多约束条件的多目标水资源优化调度满意解。2.1联合模拟调度计算时提调水过程水电场联合模拟调度计算时对于提水站需提调水量的过程中.对于年需求向模拟调度是从系统各地区用水需求出发,通过当地地表水和地下水联合模拟调度计算,确定各提水泵站需提调水量的过程。它包括逆时序模拟和顺时序模拟两个计算过程。2.1.1最优控制线进行需求向逆时序模拟计算的目的,在于确定满足系统供水量最大、弃水量和提调水量最小等目标要求的水库经济蓄水线,为顺时序模拟计算提供最优控制线。计算方程为:VD(i,t)=VD(i,t+1)−Q(i,t)+W(i,t)+LS(i,t)+DL(i,t)+KB[DO(i,t)−XI(i,t)+XO(i,t)](4)VD(i,t)=VD(i,t+1)-Q(i,t)+W(i,t)+LS(i,t)+DL(i,t)+ΚB[DΟ(i,t)-XΙ(i,t)+XΟ(i,t)](4)式中,VD(·)为水库经济蓄水线。2.1.2采用时间序列模型规划计算方法进行需求向顺时序模拟计算的目的,在于以水库经济蓄水线为优化目标控制,确定泵站最优需提调水量。计算方程为式(2)～(3)。2.2联合模拟调度确定供给向模拟调度是从水源区的供水补给出发,通过各供水片当地地表水、地下水和提调水量的联合模拟调度计算,确定各泵站实际提调水量的过程。它包括逆时序模拟和顺时序模拟两个计算过程。3.2.1允许提调出水量进行供给向逆时序模拟计算的目的,在于确定优先保证输水沿线各地区供水子系统当地利益不受破坏的防破坏线,控制下一步供给向顺时序模拟计算的允许提调出水量。计算方程为:VDL(i,t)=VDL(i,t+1)−Q(i,t)−DI(i,t)+W(i,t)+LS(i,t)+DL(i,t)−KB[XI(i,t)−XO(i,t)](5)VDL(i,t)=VDL(i,t+1)-Q(i,t)-DΙ(i,t)+W(i,t)+LS(i,t)+DL(i,t)-ΚB[XΙ(i,t)-XΟ(i,t)](5)式中,VDL(·)为水库蓄水防破坏线。2.2.2确定实际提调水量供给向顺时序模拟计算,是在同时考虑水库防破坏线和经济蓄水线、泵站提水能力与可提调水量等约束条件下,确定满足子系统目标要求的面临泵站实际提调水量和可供其他泵站提调出水量。计算方程见式(2)～(3)。3案例研究4.1河流水文系统图4南水北调东线工程从长江下游扬州附近提水,利用京杭运河及大致与其平行的河道,连通洪泽湖、骆马湖、南四湖(上级湖和下级湖)、东平湖,经13级梯级提水泵站(总扬程65m)逐级抽水至黄河边,在位山附近穿隧洞过黄河后,经位临运河、卫运河、南运河等送水至天津,干线全长约1150km,是一个由35座泵站、众多蓄水湖泊及巨大的输水通航河道组成的复杂水资源系统。系统内多年平均来水量362.06亿m3,规划灌溉面积166.27万hm2,概化网络图详见文献。3.2自优化模拟调度结果分析以东线工程黄河以南10级复合泵站所组成的提水供水系统为背景,采用工程规划主管单位提供的1950年7月～1989年6月共39年来用水系列等资料为依据,对抽江700m3/s、穿黄230m3/s及各级复合泵站规模下的水资源优化调度问题进行计算,可得表1、表2结果。从表2可知,采用自优化模拟技术进行梯级泵站提水供水系统多目标水资源优化调度时,由于考虑了系统多目标优化决策和来用水时空分布上的不均衡性及其相互协调,可使系统弃水量最少为198.47亿m3、供水量次大为221.33亿m3、抽江水量最小为82.75亿m3、过黄水量较大为49.15亿m3;在相同用水需求下,比一般模拟调度结果要减少抽