CN102162443A - 一种多泵站城市排水管网系统的调速节能控制方法 - Google Patents

一种多泵站城市排水管网系统的调速节能控制方法 Download PDF

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CN102162443A CN2011100722860A CN201110072286A CN102162443A CN 102162443 A CN102162443 A CN 102162443A CN 2011100722860 A CN2011100722860 A CN 2011100722860A CN 201110072286 A CN201110072286 A CN 201110072286A CN 102162443 A CN102162443 A CN 102162443A
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王建中
薛安克
鲁仁全
杨成忠
金波
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Abstract

本发明涉及一种多泵站城市排水管网系统的调速节能控制方法。现有的排水泵站运行主要靠人工经验控制排水泵的起停、运转及容量切换。本发明结合透平的机械特性和水泵的管网特性,使用抛物线拟合和指数曲线拟合等方法得出排水系统水泵特性方程,根据水泵流量-扬程特性曲线确定单泵站调速泵和定速泵台数,使用最优控制方法实现得出多台调速泵并联运行泵站节能控制方法;根据管网运行状况及人孔、管道、蓄水池等约束条件得出多泵站管网优化控制模型及节能控制策略,通过反馈控制信息给排水系统底层PLC,实现对整个系统泵站的节能控制,实现泵站控制的无人值守。

Description

一种多泵站城市排水管网系统的调速节能控制方法
技术领域
本发明属于工业自动控制领域,涉及泵站建模及节能控制技术,具体涉及城市排水系统单泵站建模及其节能控制技术、以及多泵站管网优化控制策略。
背景技术
随着城市的飞速发展,能源问题日趋紧张,排水系统节能问题也凸现其重要性,其中泵站的总耗能中电能消耗占主要部分,同时由于泵站设备运行效率过低、多泵站管网控制不合理等因素,造成消耗进一步加剧。因此,对现有泵站进行优化和节能控制,对于缓解城市用电紧张具有十分重要的意义。
目前,国内排水系统泵站设计大多是按照最不利条件下的最大流量和所需扬程配置。而在实际运行中,水泵的流量和扬程在大部分时间远低于所设计的标准。即使变频驱动泵站也仅仅采用恒压变流量的控制方式-实时切换并联水泵、调节水泵转速,使水压恒定,达不到节能控制的目标。当前泵站的节能控制技术主要存在以下不足:
1. 排水泵站运行主要靠人工经验控制排水泵的起停、运转及容量切换,缺少能准确描述泵站运行机理的实用模型。
2. 泵站中水泵一般处于恒速运行状态,无法实现调速运行,电机运转效率低下,单个泵站电耗一直居高不下。
3.多泵站管网系统为防止发生管网污水溢出,将进水池水位打得过低,各个泵站始终运行在高扬程状态,导致整个系统能耗过高,电能消耗严重。
4. 泵站控制无法实现无人值守。
发明内容
本发明的目的就是针对现有泵站建模及节能技术的不足,在一般泵站节能理论的基础上,从排水系统单泵站的运行工况入手,研究水泵的扬程、流量、转速、效率、能耗等几个关键因素及其相互关系,求解得到排水系统单泵站节能控制中定速水泵和调速水泵运行台数的最佳组合,实现单个泵站调速节能控制;将调速方法应用到排水系统多泵站管网系统中,结合系统运行状况以及人孔、管道、蓄水池等约束条件,得出排水系统多泵站管网优化控制数学模型,实现多泵站管网运行的节能控制。
本发明所提方法能有效解决排水系统泵站节能控制问题,实例分析和仿真中,取得了良好的效果。
本发明的技术方案:
结合透平的机械特性和水泵的管网特性,使用抛物线拟合和指数曲线拟合等方法得出排水系统水泵特性方程,根据水泵流量-扬程特性曲线确定单泵站调速泵和定速泵台数,使用最优控制方法实现得出多台调速泵并联运行泵站节能控制方法;根据管网运行状况及人孔、管道、蓄水池等约束条件得出多泵站管网优化控制模型及节能控制策略,通过反馈控制信息给排水系统底层PLC,实现对整个系统泵站的节能控制,实现泵站控制的无人值守。
本发明方法的步骤包括:
1.  建立排水系统泵的运行特性方程
一般透平机的机械特性为:
Figure 2011100722860100002DEST_PATH_IMAGE001
泵属于存在反抗压力的透平机,其管网特性方程为:
Figure 759633DEST_PATH_IMAGE002
式中,
Figure 2011100722860100002DEST_PATH_IMAGE003
表示扬程,
Figure 675243DEST_PATH_IMAGE004
表示净扬程,
Figure 2011100722860100002DEST_PATH_IMAGE005
表示流量,表示管网摩阻,
Figure 2011100722860100002DEST_PATH_IMAGE007
表示系数。根据以上透平机械特性和泵的特性,用抛物线逼近和指数曲线拟合的方法,可得
Figure 39677DEST_PATH_IMAGE008
Figure 2011100722860100002DEST_PATH_IMAGE009
的特性方程为:
Figure 628921DEST_PATH_IMAGE010
式中,表示消耗功率,表示流量,表示泵速,表示当时泵的扬程,
Figure 635176DEST_PATH_IMAGE016
表示当时泵的功率。
Figure 2011100722860100002DEST_PATH_IMAGE017
表示泵的额定参数,
Figure 461628DEST_PATH_IMAGE018
表示由额定参数确定的系数(其中
Figure 2011100722860100002DEST_PATH_IMAGE019
Figure 68190DEST_PATH_IMAGE020
)。
2.  单泵站运行泵开启台数的确定
排水泵站中泵的开启台数是按照服务扬程所处的区间来确定的,其数学模型是一个非线性规划模型。高效区左临界相似工况曲线方程为
Figure 2011100722860100002DEST_PATH_IMAGE021
,式中,表示高效区左临界曲线系数;高效区右临界相似工况曲线方程为,式中,
Figure 563686DEST_PATH_IMAGE024
表示高效区右临界曲线系数。由全速泵特性曲线和高效区左右临界工况曲线特性得到,高效段左右临界点的服务扬程分别为
Figure 2011100722860100002DEST_PATH_IMAGE025
Figure 753228DEST_PATH_IMAGE026
。最小服务扬程为
Figure 2011100722860100002DEST_PATH_IMAGE027
(
Figure 214296DEST_PATH_IMAGE004
为净扬程)。
(1)     当服务扬程
Figure 378561DEST_PATH_IMAGE028
时,定速水泵运行在期望的高效区以外,采用全调速运行方式。实测净扬程
Figure 308602DEST_PATH_IMAGE004
,服务工况点处所对应的管路特性曲线方程为,可得服务流量,根据泵高效区左右临界相似工况曲线方程分别可得左、右临界流量为
Figure 164880DEST_PATH_IMAGE030
;可得每台调速泵的流量调节范围
Figure 2011100722860100002DEST_PATH_IMAGE031
,调速泵的运行台数
(2)     当服务扬程时,定速水泵运行在期望高效区内,可求得定速水泵和调速水泵运行台数的最佳组合,以及调速水泵的最佳运行转速。服务流量:
Figure 389341DEST_PATH_IMAGE029
,由水泵特性曲线方程可得定速泵的流量为:
Figure 887318DEST_PATH_IMAGE034
,调速泵的调节范围为:
Figure 2011100722860100002DEST_PATH_IMAGE035
。定速泵和调速泵的最佳组合为:
Figure 518020DEST_PATH_IMAGE036
(MN为自然数)。
(3)     当服务扬程运行在期望的高效区以外时,即
Figure 2011100722860100002DEST_PATH_IMAGE037
或者
Figure 671920DEST_PATH_IMAGE038
时,无论如何组合,水泵均运行于高效区外。
3.  单泵站多台调速泵并联运行的节能控制
根据第一步中泵的特性方程,可知,对泵站中第
Figure 242841DEST_PATH_IMAGE040
台泵的扬程有:
Figure 2011100722860100002DEST_PATH_IMAGE041
式中
Figure 533008DEST_PATH_IMAGE042
Figure 2011100722860100002DEST_PATH_IMAGE043
表示第i台泵的扬程,
Figure 2011100722860100002DEST_PATH_IMAGE045
表示第i台泵的流量,
Figure 772546DEST_PATH_IMAGE046
表示当
Figure 144228DEST_PATH_IMAGE015
时第i台泵的扬程。则在泵站中
Figure 2011100722860100002DEST_PATH_IMAGE047
台泵并联运行时,可以得到泵站耗能:
Figure 288901DEST_PATH_IMAGE048
根据第一步中泵的特性方程,可知,对泵站中第台泵的功耗有:
式中
Figure 514532DEST_PATH_IMAGE042
Figure 2011100722860100002DEST_PATH_IMAGE051
表示第i台泵的消耗功率,
Figure 692015DEST_PATH_IMAGE045
表示第i台泵的流量,
Figure 976366DEST_PATH_IMAGE052
表示当
Figure 60996DEST_PATH_IMAGE015
时第i台泵的消耗功率。水泵以并联方式运行时,为了使泵站功耗降到最低,可建立如下目标函数和约束条件:
Figure 2011100722860100002DEST_PATH_IMAGE053
Figure 275946DEST_PATH_IMAGE054
为求以上目标函数在约束条件下的最小值,可以构造Lagrange函数,使用最优化控制方法,求出泵站能耗最低时,并联泵的转速。
4.  多泵站管网节能控制
城市排水系统多泵站管网的优化控制目标在防止洪水、防止污水溢出、泵站节能等。防洪相对于一般排水而言,应根据历史运行数据信息和天气预报等进行预测。当管网运行在长时间暴雨暴雪及梅雨天气时,应排空管网中滞留污水,使各个泵站满负荷开启,减少洪水造成损失;系统运行在正常状况时,排水泵站以节能为主,此时,影响排水系统耗能的因素有两个:提升的总污水量和泵的扬程(污水提升高度)。在实际排水系统中,泵的扬程不变(在最佳运行点时)时,要求排放流量
Figure 2011100722860100002DEST_PATH_IMAGE055
,能耗受流量的约束,优化的目标函数的设定应以能耗降到最低为目的,可使用如下目标函数表示:
Figure 395212DEST_PATH_IMAGE056
式中,
Figure 2011100722860100002DEST_PATH_IMAGE057
表示单个泵站的总能耗,
Figure 553528DEST_PATH_IMAGE058
表示单个泵站中每台泵的能耗,
Figure 391034DEST_PATH_IMAGE047
表示泵站中泵的开启台数,
Figure 957144DEST_PATH_IMAGE051
表示第
Figure 993233DEST_PATH_IMAGE040
台泵的消耗功率,
Figure 806337DEST_PATH_IMAGE045
表示第台泵的流量。污水泵站管网控制属多目标优化控制系统,是实现泵水耗能和污水溢出最小化的双目标控制系统,污水溢出的目标函数可表示为:
式中:为泵站理想设定水位高度,
Figure 2011100722860100002DEST_PATH_IMAGE061
为泵站水位高度的变化量。要使该双目标优化控制系统控制效果最优,即
Figure 17635DEST_PATH_IMAGE057
Figure 814690DEST_PATH_IMAGE062
都取最小值,计算中通常采用“主要目标法”,即将双目标最优化问题转化为但目标
Figure 610477DEST_PATH_IMAGE057
的最优化,而将的最优化转化为单一约束条件。
式中为某一可接受正小量。由于污水溢出概率
Figure 120196DEST_PATH_IMAGE062
与水位高度有密切关系,只需控制水位高度不超过临界值
Figure 2011100722860100002DEST_PATH_IMAGE065
即可满足该约束条件,即
Figure 865615DEST_PATH_IMAGE066
在排水系统中,约束的选择既要考虑控制变量也要考虑其他不能直接控制的变量,一般来说,优化问题的约束主要有以下几种:
(1) 防止污水溢出,人孔的约束条件为:,其中
Figure 183333DEST_PATH_IMAGE068
表示第个人孔水位,表示第
Figure 266138DEST_PATH_IMAGE040
个人孔发生溢出时的临界水位。
(2) 管道允许的流量:,其中
Figure 2011100722860100002DEST_PATH_IMAGE071
表示第
Figure 704389DEST_PATH_IMAGE040
个管道的实际流量,表示第个管道允许的最大流量值。
(3)泵站进水池水位约束:多泵站管网系统中泵站进水池目标水位越高,所需服务扬程就越小,消耗功率也就越小,但水位高对进水管的压力大,容易造成管道破裂;目标水位过低,则扬程增大,相同流量下,轴功率越大,会造成电能浪费。确定一个合理的进水池水位是优化控制的先决条件,具体可使用如下约束条件:
Figure 2011100722860100002DEST_PATH_IMAGE073
。式中
Figure 997333DEST_PATH_IMAGE074
Figure 528459DEST_PATH_IMAGE065
分别表示进水池可容许的最低水位和最高水位。
综上,多泵站管网的优化控制问题可以使用如下模型表示:
Figure 2011100722860100002DEST_PATH_IMAGE075
其中能量是一个关于时间
Figure 2011100722860100002DEST_PATH_IMAGE077
的函数,而且耗能是跟泵站的功率是成正比的,可以通过控制泵站的开启台数以及开启功率来实现。在计算中,以已知管段参数的排水系统管网中可以使用最小二乘法求得
Figure 691773DEST_PATH_IMAGE058
具体表达式。
5.  将单泵站节能控制得出的泵开启台数和调速泵转速反馈给排水系统底层PLC,实现对排水系统泵站运行进行实时控制,实现无人值守
本发明在现有排水系统泵站控制的基础上,使用最优控制方法计算泵站水泵的节能状况下的开启速率,对多泵站管网提出优化控制策略,具有如下优点:
1. 可以通过流量-扬程关系,确定泵站中调速泵和定速泵的开启台数,使其达到最佳,节约泵站运行的能耗。在目标服务扬程下,使调速泵工作在最佳转速,降低能耗。
2. 多泵站管网中,应用单泵站调速节能控制技术,结合人孔、管道、泵站进水池等约束条件,提出优化控制策略,可以最大限度节省多泵站管网运行能耗。
3.实时反馈信息给排水系统底层PLC,实现对泵站运行的实时控制,实现泵站运行控制的无人值守。
具体实施方式
以下结合技术方案,详细叙述本发明的具体实施方式。
以杭州市下沙经济开发区的排水系统为例子,该段排水系统为多泵站管网系统,系统由若干条排水管道构成,其中有四个泵站,每个泵站有若干台调速泵和定速泵构成,调速泵和定速泵具有不同的特性和功率,四个泵站进水池,若干个排水人孔。针对本地区不确定的排水量,为了使得每个泵站、每台机泵能正常工作且最大限度的节能,保证系统正常运行且节能,并防止人孔的污水溢出。需要对该多泵站管网系统进行节能控制,其具体步骤如下:
1.  针对该系统中每个泵站中泵的不同特性和功率,以及透平的特性方程,通过拟合得到水泵的特性曲线方程和管路特性曲线方程如下所示:
Figure 283291DEST_PATH_IMAGE078
2.根据所需的服务扬程及净扬程和期望高效区的临界工况,确定泵站中调速泵和定速泵的开启台数。设定该多泵站管网系统中泵站的服务扬程为30m,净扬程为22.12m。当
Figure 180840DEST_PATH_IMAGE080
。针对该泵站,由于
Figure 458500DEST_PATH_IMAGE028
,所以该泵站需要采用全调速运行方式。服务流量为
Figure 238237DEST_PATH_IMAGE082
,可求得调速泵的运行台数为
Figure DEST_PATH_IMAGE083
,即可取
Figure 820397DEST_PATH_IMAGE084
,即开启两台调速泵并联运行为最佳运行方式。
3. 确定每个泵站中定速泵和调速泵的开启台数后,针对多台调速泵并联运行的状况,对其进行调速节能控制。以使泵站耗能最低为目标建立目标函数,目标函数可设定为:
Figure DEST_PATH_IMAGE085
Figure 572452DEST_PATH_IMAGE086
构造Lagrange函数,使用最优控制方法可求得最优转速比
Figure DEST_PATH_IMAGE087
,泵并联运行转速为。可知,单泵站运行控制中,当服务流量
Figure 285117DEST_PATH_IMAGE082
,使用该调速方法所求得泵的转速为,所消耗功率为876.85W。使用普通调速方式,所求得转速为
Figure DEST_PATH_IMAGE089
,所消耗功率为1118.62W。使用该调速方法可使单泵站系统能量消耗减少约24.27%。
4. 针对整个多泵站管网,在已知管网参数的情况下,由于流入泵站进水池的污水流量
Figure 277529DEST_PATH_IMAGE090
受天气、人为活动以及众多复杂因素的影响,随即变化概论较大,污水管网实际流量存在不确定性,工程上可采用预测排放控制策略实现
Figure DEST_PATH_IMAGE091
的等量排放工况,在此,可使用模糊控制方案实现这一目标,获得较好的控制效果。根据当前流量、水位等参数,对不同容量的泵组合运用,采用遗传预测迭代快速寻优法寻找泵站的优化切换方案,实现泵排水量大小及效率优化运行,使
Figure 959309DEST_PATH_IMAGE091
,减少泵启、停频率,进一步减少能耗。
在系统运行正常状况下,对该多泵站管网系统施行泵站调速及优化控制可得,使用本方法在排水总量为16243吨时,系统总耗电量为613
Figure 713638DEST_PATH_IMAGE092
,平均每排一千吨污水耗电量为37.73;使用传统方法在排水总量为16296吨时,系统总耗电量为856,平均每排一千吨污水耗电量为59.87
Figure 528513DEST_PATH_IMAGE092
。对比可知,该方法控制效果良好。
5.将以上计算所得控制信息反馈给泵站底层PLC,实现泵站控制无人值守。实时监测管网和泵站进水池污水流量,当流量发生大的变化时,重复1~4步,进行新一轮的控制。

Claims (1)

1.一种多泵站城市排水管网系统的调速节能控制方法,其特征在于该方法包括以下步骤:
步骤1.建立排水系统泵的运行特性方程;
泵属于存在反抗压力的透平机,由透平机机械特性和泵的特性,用抛物线逼近和指数曲线拟合的方法,可得泵的特性方程为:
Figure 937734DEST_PATH_IMAGE001
式中
Figure 73935DEST_PATH_IMAGE003
表示泵的扬程,
Figure 24574DEST_PATH_IMAGE004
表示消耗功率,
Figure 969396DEST_PATH_IMAGE005
表示流量,
Figure 321880DEST_PATH_IMAGE006
表示泵速,
Figure 77478DEST_PATH_IMAGE007
表示当
Figure 577729DEST_PATH_IMAGE008
时泵的扬程,
Figure 998346DEST_PATH_IMAGE009
表示当
Figure 283965DEST_PATH_IMAGE008
时泵的功率;表示泵的额定参数,表示系数,其中
Figure 609270DEST_PATH_IMAGE012
步骤2.确定单泵站运行泵开启台数;
排水泵站中泵的开启台数是按照服务扬程所处的区间来确定的;泵站工作高效区左临界相似工况曲线方程为
Figure 830484DEST_PATH_IMAGE014
Figure 243011DEST_PATH_IMAGE015
表示高效区左临界曲线系数;高效区右临界相似工况曲线方程为
Figure 81129DEST_PATH_IMAGE016
Figure 325029DEST_PATH_IMAGE017
表示高效区右临界曲线系数;高效段左右临界点的服务扬程分别为
Figure 514702DEST_PATH_IMAGE018
;最小服务扬程为
Figure 793684DEST_PATH_IMAGE020
Figure 157670DEST_PATH_IMAGE021
表示净扬程;
(1)当服务扬程
Figure 331293DEST_PATH_IMAGE022
时,定速水泵运行在期望的高效区以外;每台调速泵的流量调节范围
Figure 718412DEST_PATH_IMAGE023
,调速泵的运行台数
Figure 150531DEST_PATH_IMAGE024
(2)当服务扬程
Figure 41126DEST_PATH_IMAGE025
时,
Figure 651230DEST_PATH_IMAGE026
,调速泵的调节范围为:
Figure 322383DEST_PATH_IMAGE027
;定速泵和调速泵的最佳组合为:
Figure 495875DEST_PATH_IMAGE028
,其中MN为自然数;
(3)当服务扬程在期望的高效区以外时,即
Figure 322536DEST_PATH_IMAGE029
Figure 352809DEST_PATH_IMAGE030
时,无论如何组合,泵站均运行于高效区外;
步骤3.单泵站多台调速泵并联运行的节能控制;
根据步骤1中泵的特性方程,可知,对泵站中第
Figure 2011100722860100001DEST_PATH_IMAGE031
台泵的扬程有:
Figure 261990DEST_PATH_IMAGE032
式中
Figure 973594DEST_PATH_IMAGE033
Figure 901099DEST_PATH_IMAGE034
Figure 853005DEST_PATH_IMAGE035
表示第i台泵的扬程,
Figure 436433DEST_PATH_IMAGE036
表示第i台泵的流量,
Figure 748466DEST_PATH_IMAGE037
表示当
Figure 733740DEST_PATH_IMAGE008
时第i台泵的扬程;则在泵站中
Figure 856547DEST_PATH_IMAGE038
台泵并联运行时,可以得到泵站总耗能:
Figure 927272DEST_PATH_IMAGE039
同理,根据步骤1中泵的特性方程,可知,对泵站中第
Figure 42995DEST_PATH_IMAGE031
台泵的功耗有:
Figure 882775DEST_PATH_IMAGE040
式中
Figure 173555DEST_PATH_IMAGE033
Figure 465996DEST_PATH_IMAGE041
表示第i台泵的消耗功率,表示第i台泵的流量,
Figure 544307DEST_PATH_IMAGE043
表示当
Figure 651941DEST_PATH_IMAGE008
时第i台泵的消耗功率;水泵以并联方式运行时,为了使泵站功耗降到最低,可建立如下目标函数和约束条件:
Figure 47150DEST_PATH_IMAGE044
Figure 408992DEST_PATH_IMAGE045
为求以上目标函数在约束条件下的最小值,构造Lagrange函数,使用最优化控制方法,求出泵站能耗最低时,并联泵的转速;
步骤4.多泵站管网节能控制
城市排水系统多泵站管网的优化控制目标函数表示:
Figure 497034DEST_PATH_IMAGE046
式中,表示泵站管网的总能耗,
Figure 25284DEST_PATH_IMAGE048
表示每个泵站的能耗,
Figure 241633DEST_PATH_IMAGE038
表示泵站中泵的开启台数,
Figure 562893DEST_PATH_IMAGE042
表示第
Figure 317222DEST_PATH_IMAGE031
台泵的消耗功率,
Figure 54234DEST_PATH_IMAGE036
表示第
Figure 405317DEST_PATH_IMAGE031
台泵的流量;污水泵站管网控制属多目标优化控制系统,是实现泵水耗能和污水溢出最小化的双目标控制系统,污水溢出的目标函数可表示为:
Figure 835162DEST_PATH_IMAGE049
式中:
Figure 873525DEST_PATH_IMAGE050
表示污水溢出概率,
Figure 414227DEST_PATH_IMAGE051
表示泵站设定水位高度,为泵站水位高度变化量;要使该双目标优化控制系统控制效果最优,即
Figure 268231DEST_PATH_IMAGE047
Figure 997153DEST_PATH_IMAGE050
都取最小值,计算中采用主要目标法,即将双目标最优化问题转化为但目标
Figure 75967DEST_PATH_IMAGE047
的最优化,而将
Figure 386994DEST_PATH_IMAGE053
的最优化转化为单一约束条件;
Figure 893062DEST_PATH_IMAGE054
式中
Figure 171596DEST_PATH_IMAGE055
为某一可接受正小量;
在排水系统中,约束的选择既要考虑控制变量也要考虑其它不能直接控制的变量,优化问题的约束有以下三种:
a.防止污水溢出,人孔的约束条件为:
Figure 54101DEST_PATH_IMAGE056
,其中
Figure 219635DEST_PATH_IMAGE057
表示第
Figure 224500DEST_PATH_IMAGE031
个人孔水位,表示第
Figure 955488DEST_PATH_IMAGE031
个人孔发生溢出时的临界水位;
b.管道允许的流量:
Figure 428058DEST_PATH_IMAGE059
,其中
Figure 88977DEST_PATH_IMAGE060
表示第
Figure 14208DEST_PATH_IMAGE031
个管道的实际流量,
Figure 300833DEST_PATH_IMAGE061
表示第
Figure 627909DEST_PATH_IMAGE031
个管道允许的最大流量值;
c.泵站进水池水位约束: ;式中
Figure 137836DEST_PATH_IMAGE063
Figure 962572DEST_PATH_IMAGE064
分别表示进水池可容许的最低水位和最高水位;
综上,多泵站管网的优化控制问题可以使用如下模型表示:
Figure 144155DEST_PATH_IMAGE065
步骤5.将单泵站节能控制得出的泵开启台数和调速泵转速,反馈给排水系统底层PLC,实现对排水系统泵站运行进行实时控制,实现无人值守。
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