[发明专利]基于时间优化分区的感潮泵站系统变台数+变角日优化运行方法

权利要求书

1.基于时间优化分区的感潮泵站系统变台数+变角日优化运行方法，其特征在于，包括以下步骤：

A：大型泵站系统运行全能耗计算：

大型泵站系统总能耗由主水泵系统能耗P_pm、变压器能耗ΔP_b、输电线系统能耗ΔP_te和站用辅助设备系统能耗P_zn组成，各部分能耗求解公式分别为：

P_zn＝P_zn'×Q_z (5)

式中，ρ为水体密度，kg/m³；g为重力加速度，m/s²；Q_z为泵站流量，m³/s；H_z为泵站装置扬程，m；η_z为泵装置效率；η_dr为传动机构效；η_mot为电动机效率；P₀为变压器额定空载有功损耗，即铁损，kW；k为无功经济当量，按变压器在电网中的位置取值，取k＝0.1kW/kvar；Q₀为变压器额定励磁功率，kW；S为变压器容量，kVA；S_e为变压器额定容量，kVA；P_f为变压器额定负载有功损耗，即铜损，kW；Q_f为变压器额定负载漏磁功率，kW；I₀％为变压器空载电流，％；U_d％为变压器阻抗电压，％；ΔP_te'为单根输电线路损耗，kW；I_te'为单根输电线路电流，A；P为输电线路连接设备的输入功率，kW；U_e为该设备额定电压，kV；为功率因素；r₀为输电线单位长度电阻，Ω/km；l为线路长度，km；P_zn'为每单位流量站用辅助设备所耗功率，kW/(m³/s)；

B：泵站一定流量、扬程下泵站系统变台数+变角优化运行方案确定：

各机组在给定装置扬程H_z下，泵站抽水流量在要求抽水流量增加0～最大机组单机流量q_max范围运行时，以单位流量系统能耗最小为目标确定泵站扬程一定时泵站系统变台数+变角优化运行方案，数学模型如下：

约束条件：

式中，ρ为水体密度，kg/m³；g为重力加速度，m/s²；Q_i为第i座泵站机组单机流量，m³/s；Q_i,min、Q_i,max分别为第i座泵站最小、最大单机流量，m³/s；α_i为第i座泵站叶片角度，°；Q_x为泵站需要抽水流量，m³/s；α_i,min、α_i,max分别为第i座泵站最小、最大叶片角度，°；H_zi第i座泵站装置扬程，m；η_zi为第i座泵站泵装置效率；η_dri为第i座泵站传动机构效率；η_moti为第i座泵站电动机效率；n_i为第i座泵站开机台数；M_i,max为第i座泵站装机台数，其值为一正整数；ΔP_bi为第i座泵站变压器损耗，kW；ΔP_tei为第i座泵站输电系统损耗，kW；P_zni为第i座泵站站用辅助设备系统能耗，kW；k为泵站数，其值为一正整数；

以泵站系统单位流量能耗最小为目标，对式(6)、(7)优化模型进行编程求解，确定泵站扬程一定时泵站系统变台数+变角优化运行方案；

步骤B所述优化运行方案泵站实际抽水流量稍大于所需流量，通过减少其中1台机组的运行时间来达到抽水量与需水量的平衡，从而避免为了保证泵站抽水流量严格等于需要流量调节水泵机组工况而造成能量损失；

在泵站安全运行范围，将扬程、流量离散化处理，考虑步骤A的能耗计算方法，采用优化模型公式(6)、(7)分别计算出所有离散的扬程、流量组合的泵站优化运行方案，存储到泵站优化运行方案数据库中，其中，每条优化运行方案数据信息包括泵站总流量、泵站序号、开机台数、扬程、单机流量和功率、叶片角度；

C：泵站感潮侧水位和泵站扬程日变化规律确定：

泵站感潮侧水位受河流潮汐影响变化频繁，一天内出现两次高潮位、两次低潮位，采集泵站上下游水位数据并计算泵站扬程绘制出扬程变化曲线；感潮泵站扬程呈规律性变化，且高潮与低潮之间水位和扬程变化剧烈，水位差变化大；

D：泵站系统变台数+变角日优化运行方案变工况时间分区数量与界限范围确定：

将一天24小时按扬程日变化规律以相邻的高潮位与低潮位时间点为边界，在每个范围内确定一个时间点，将一天分4个时段，此时分区与一天两次高潮、两次低潮对应，满足抽水体积要求时，以泵站系统运行费用F最省为目标，确定出4个时段划分最优方案及各时段对应的机组运行台数n和叶片角度α的组合；

E：泵站机组开停机部件损耗费用定量计算：

所述泵站机组开停机部件损耗费用定量计算每起停一次机组主要部件运行寿命的减少量，求解方法如下：

U_b％＝(1-K_T·t-K_V·t-K_N·N(t))×100％ (8)

式中：K_T为热因素老化速率；K_V为电因素老化速率；K_N为机械因素械化量速率；t为机组运行时间，h；N为表示开、停机次数，在一个计算周期内随时间t变化；

假定当绝缘老化到30％时必须进行大修，即U_b％＝70％时机组大修，即：

开停机N次和N+1次的电机绝缘寿命分别为：

上两式相减，得到开停机1次电机的绝缘寿命缩短为：

式(10)中，各老化系数按最大、最小值分别同时代入计算得到开停机1次绝缘寿命的缩短值，继而按此绝缘寿命缩短值占绝缘全寿命的比例及绝缘费用，计算出开停机1次绝缘损失的费用；

F：基于时间优化分区的泵站系统变台数+变角日优化运行数学模型：

其中

优化模型约束条件为：

式中，P_{pm i,j}为第j时段的第i座泵站的主水泵系统能耗，kW；ΔP_tei,j为第j时段的第i座泵站的输电系统损耗，kW；ΔP_bi,j为第j时段的第i座泵站的变压器损耗，kW；ΔP_zni,j为第j时段的第i座泵站站用辅助设备系统能耗，kW；ΔT_j为第j时段的时长，h；为第j时段的开停机费用；n_imax为第i座泵站机组装机台数；α_i,min，α_i,max第i座泵站机组最小、最大叶片角度；Q_i,j为第i座泵站第j时段单机运行流量，m³/s；Q_imin，Q_imax分别为第i座泵站机组最小、最大单机流量，m³/s；为l个时段k个泵站总抽水量，m³；T_j为第j时段时间分区点，T_max(min)，T_min(max)分别为相邻高潮位、低潮位时间，h；V_x为需要抽水量，m³；

G：基于时间优化分区的泵站系统变台数+变角日优化运行时间优化分区与分区运行方案求解方法：

所述基于时间优化分区的泵站系统变台数+变角日优化运行时间优化分区与分区运行方案求解问题为复杂的非线性组合问题，采用改进混合粒子群算法进行计算求解，计算求解过程如下：

(1)按步骤D，根据感潮泵站一天两次高潮、两次低潮的水位变化规律，将一天24小时按扬程日变化规律以相邻的高潮位与低潮位时间点为边界，在每个范围内确定一个时间点，将一天分4个时段，采用Halton序列随机生成m种时间分区方案；

(2)对每一时间分区方案的泵站运行方案进行优化：根据步骤C中水位变化规律和对应的扬程，分别调用步骤B泵站优化运行方案数据库中的对应扬程和流量下的泵站优化运行方案，计算各时间段内不同运行方案抽水水量及运行能耗，按步骤E计算出每一时间分区方案总开停机费用，运行能耗费用与开停机费用相加得到泵站系统运行费用，确定出满足一昼夜抽水水量要求时，m种时间分区方案中泵站系统运行费用最省的系统内各泵站机组运行台数与叶片角度组合，该方案即为基于时间优化分区的感潮泵站系统变台数+变角日优化运行方案的初始方案，对应的时间分区即为一昼夜时间优化分区初始方案；

(3)根据改进混合粒子群算法更新公式更新m种时间分区方案，按上述步骤计算出m种新时间分区泵站优化运行方案的泵站系统总运行费用，确定m种新时间分区的泵站系统总运行费用最小值，并与初始方案泵站系统运行费用比较，若前者小于初始方案泵站系统运行费用，则将前者的泵站系统变台数+变角日优化运行方案更新为初始方案，同时更新一昼夜时间优化分区方案和系统运行费用；反之，保留原方案和系统运行费用；

(4)按算法规定继续更新时间分区方案，直至泵站系统运行费用最小值趋于一稳定值，计算收敛，停止更新迭代时间分区方案，确定当前方案为泵站系统机组变台数+变角日优化运行最优方案及对应方案的泵站系统总运行费用，优化运行最优方案包括一昼夜时间优化分区、优化分区的各时间段中各泵站机组运行台数和叶片角度。