CN108825480A - 一种水泵管理调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水泵管理调度方法，解决的是切换频繁的技术问题，通过采用包括：步骤1，实时检测N个水槽的水量V；步骤2，根据步骤1的检测结果，判断N+1个水泵组中任一水泵组切换状态的目标输出水量，其中第N+1级数水泵组G_N+1的目标输出水量与水厂用水量相同的技术方案，较好的解决了该问题，可用于水厂调度中。

Description

一种水泵管理调度方法

技术领域

本发明涉及水泵调度方法领域，具体涉及一种水泵管理调度方法。

背景技术

现如今，在水厂从河道中抽水的环节中，由于受地理环境等限制， 常常需要采用多级水泵组级联的方式，逐级地将水泵组抽的水抽到水 槽中，并供给下一级水泵抽水。但常常各级水槽在设计时容积较小， 极易出现水从水槽中溢出或见底的情况，同时各个水泵组还极易出现 因未考虑级联情况而导致频繁切换或加减等情况。其次，存在某个泵 长时间工作导致水泵过热、某个水泵因长时间未开启进行工作而出现 被放坏等情况。同时对于水泵自身的全寿命周期而言，有的泵由于常 年工作，出水效率会随之显著降低。而以上情况在现有的调度方式中 是很少考虑到的，从而浪费了水泵的有效能耗，增加了水厂的运行成 本。

因此，为解决上述问题，本发明提供了一种减少频繁切换的水泵 管理调度方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有技术中存在的切换频繁的技 术问题。提供一种新的关于多级水泵组级联中水泵管理调度方法，该 方法具有能够尽可能减少水泵启停频率的特点。

为解决上述技术问题，采用的技术方案如下：

一种水泵管理调度方法，所述水泵管理调度方法用于N+1级水泵 组和N级水槽串联的多级水泵组级联系统，包括：

步骤1，实时检测N个水槽的水量V；

步骤2，根据步骤1的检测结果，判断N+1个水泵组中任一水泵 组切换状态的目标输出水量，其中第N+1级数水泵组G_N+1的目标输 出水量与水厂用水量相同。

本发明的工作原理：在满足水厂入水口水量要求的情况下，使 G1、G2的切换或者对G1和G2的操作次数最少，在G3随水厂入水需 求变化的情况下，G1和G2当前状态保持时间最长。对于抽水环节而 言，各个水槽内的总水量只与河道入水流量F1和最终的水厂入口流量F_(N+1)有关，故本发明的F1仅随槽中总的水量和F_(N+1)变化而变化。 对于中间各级水泵组，由于受到前一级水槽大小和液位限制，同时也 受到后续所有水槽水位和的限制，故Fi随前一级水槽的水位、后续 所有级的水槽水位和的变化而变化。对于最后一组水泵，由于与水厂 入口直接相连，应随水厂入水量变化而变化，故不用于调节。

定义t_i表示水泵组的输出流量不变所能保持的最长时间,此时间 内保持Fi不变，直到槽中的水达到上限或下限时，才改变一次Fi， 同时开始重新计算积分，并且更新V_剩。

设水泵组分别为Gi，每个水泵组所对应的当前流量为Fi，水槽 的总容积分别为Vi，水槽所剩的水为V_i剩,V_i下表示槽的液位下限值， V_i上表示槽的液位上限值。

上述方案中，为优化，进一步地，所述判断N+1个水泵组中任一 水泵组切换状态的目标输出水量中，第一个水泵组G1输出流量不变 所能保持的最长时间t1为：

或

进一步地，所述判断N+1个水泵组中任一水泵组的切换状态的目 标输出水量中，第i(1＜i≤N)个水泵组G_i的输出流量不变所能保 持的最长时间T_i＝min{t2，t3}；

进一步地，所述方法还包括根据N+1个水泵组中任一水泵组的目 标输出水量进行水泵组内部调度，包括：

步骤3，记录每一个水泵的工作时间和休息时间，计算出水厂中 每一个水泵的全寿命周期成本-使用时间的函数曲线H(t)，并赋相 应权值：

步骤4，根据水泵组的目标输出水量，水泵组内当前运行的水泵 计算调节水量；

步骤5，根据调节水量判断水泵调节方式，按照优先级锁定需调 节的目标水泵顺序；优先级为泵的类别、步骤1中的权值和水泵的工 作时间。

进一步地，所述泵的类别包括变频泵，大泵及小泵。

进一步地，所述步骤4包括：

当调节水量大于0时，则进行加泵调节：

判断调节水量与大泵额定输出流量的关系，若调节水量不小于大 泵额定输出流量，则：

先判断是否有达到规定休息时间T1的变频泵，若有达到规定休 息时间T1的变频泵，则选择变频泵进行水量补充；若无满足条件的 变频泵，再判断是否有空闲的大泵，若有空闲的大泵，则选择大泵进 行水量补充；

若调节水量小于大泵额定输出流量，则继续判断调节水量与小泵 额定输出流量的关系：

若调节水量大于所有休息状态小泵额定输出流量之和，则选择大 泵进行加泵调节；若调节水量小于所有休息状态小泵额定输出流量之 和，则选择小泵进行加泵调节。

进一步地，所述步骤4还包括：

当调节水量小于0时，则进行减泵调节：

判断调节水量与大泵额定输出流量的关系，若调节水量不小于大 泵额定输出流量，则：

先判断工作时间最长的大泵，则选择工作时间最长的大泵进行减 泵操作；若没有正在运行的大泵，则继续判断是否有正在运行的变频 泵，若有正在运行的变频泵则选择变频泵做减泵操作，若无正在运行 的变频泵则选择小泵做减泵操作；

若调节水量小于大泵额定输出流量同时大于小泵额定输出流量 时，则：

先判断是否有小泵工作，若有小泵工作，则选择关闭小泵进行减 泵操作；若无小泵工作，则由变频泵调节实时输出流量控制进行等效 减泵调节；

若调节水量小于小泵额定输出流量时，则：

直接由变频泵调节实时输出流量控制进行等效减泵调节。

进一步地，所述步骤5还包括：根据权值与概率函数，选择处于 某一个寿命周期时间段的水泵族；

在水泵族中选择休息时间最长的水泵进行加泵操作，或者选择运 行时间最长的水泵进行减泵操作。

进一步地，所述水泵管理调度方法还包括判断当前运行的水泵中 存在任一水泵工作时间达到或超过额定最大工作时间T₀则执行切换 水泵。

进一步地，所述执行切换水泵包括：

步骤A，判定变频泵数量，变频泵数量为小于2则执行步骤C， 变频泵数量为2以上则执行步骤B；

步骤B，判定是否有空闲变频泵，若有空闲变频泵，在变频泵效 率为c％-d％，满足当前泵输出流量时，选择休息时间最长的变频泵进 行切换；若无空闲的变频泵，则执行步骤D；

步骤C，判定所需切换的泵种类，若为变频泵需切换则：判断水 泵额定输出流量是否满足变频泵当前输出流量，若所有休息状态的水 泵额定流量均无法满足变频泵当前输出流量，则不予执行水泵切换， 返回执行步骤A；

步骤D，若满足则根据权值与概率函数，选择处于某一个寿命周 期时间段的水泵族；在水泵族中选择休息时间最长的水泵进行切换操 作。

本发明提供的一种考虑设备全寿命周期的调度方式，重点考虑加 减水泵和切换水泵过程中对水泵的合理选择，通过此调度方式，从而 达到增加水泵运行的有效能耗，节约运行花费的总能耗、从而达到节 约水厂运行总成本的目的。考虑到水泵存在因工作时间过长而出现发 热的情况，故设置额定最大工作时间T₀，当某一台抽水电机达到或 超过该额定最大工作时间T₀后，都应关闭并休息一段时间后，才能 继续工作。

对于阀门的效率而言，系统效率取决于调节流量或压力控制设备 的效率。由于阀门或风门挡板通过调节开度实现输出流量或压力的调 节，电动机和负载的转速并未发生变化，从相似定律可以看出，输入 功率并不会因为阀门开度变化而变化。综上所述，通过阀门调节出水 量时，电机的功耗不变，由于阀门阻塞了部分水量，故实际的效率降 低。

全寿命周期费用由设备的净值(即设备资严原值计提折旧后的剩 余价值)、运行费用和维护费用组成。水泵、在净值上，由于水泵越 用越旧，故水泵的净值会逐年降低。在运行费用上，由于水泵使用过 程中，运行效率会逐年减小，故在输入功率一定的情况下，实际用于 供水的功率将随效率的减小而减小，导致运行费用逐年增加。在维护 费用上，由于越用越旧的问题，水泵出现错误的概率会越来越大，所 以维护成本会逐年增加。基于以上分析，当设备处于第一时段时，设 备净值最大，运行费用最小，维护费用最小；当设备处于第二时段时， 设备净值适中，运行费用适中，维护费用适中；当设备处于第三时段 时，设备净值最小，运行费用最大，维护费用最大。因此，认为权值 设置选取随时间变化递减。

设处于第一寿命周期时间段的小泵效率为η_小泵1，处于第二寿命 周期时间段的小泵效率为η_小泵2，处于第三寿命周期时间段的小泵效 率为η_小泵3，每小时的额定能耗为S_少泵，为定值；

处于第一寿命周期时间段的大泵效率为η_大泵1，处于第二寿命周 期时间段的大泵效率为η_大泵2，处于第三寿命周期时间段的大泵效 率为η_大泵3，每小时的额定能耗为S_大泵，为定值；

处于第一寿命周期时间段的变频泵效率为η_变频泵1，处于第二寿 命周期时间段的变频泵效率为η_变频泵2，处于第三寿命周期时间段的 变频泵效率为η_变频泵3，每小时的额定能耗为S_变频泵，为定值；

设能耗为S(t)，电价M固定，则水厂总的消费H(t)＝S(t)*M， 计算能耗S(t)后求得水厂总的费用。

由Q_预测(t)可知当前水泵应如何组合，从而计算出当前时刻的各 类泵的能耗。定义某天初始时刻时有a台小泵开启，b台大泵开启， c台变频泵开启。水厂工作一天后，累计有Δa台小泵参与工作，Δb 台大泵参与工作，Δc台变频泵参与工作。

变频泵耗电量，对于变频泵而言，由于效率存在一定的波动，故 对每一类变频泵取一个效率η的平均值从而可便于表示。

当c＝1，Δc＝0时，即水厂仅有一台变频泵时，其在一天的能耗为：

由于考虑到变频泵不一定在休息完后立即参与工作，故为其设置 了随机量n，表明其在延迟n个t时间后才继续工作。

其中实际用于变频泵供水的能耗为：

2)当Δc≠O时，即水厂有1变频泵时，其在一天内的能耗为：

S_变频泵共＝(c+Δc)*t*S_变频泵

其中实际用于变频泵供水的能耗为：

大小泵耗电量：

1)小泵耗电量

S_小泵共＝(a+Δa)*t*S_小泵

其中实际用于小泵供水的能耗为：

大泵耗电量

S_大泵共＝(b+Δb)*t*S_大泵

其中实际用于大泵供水的能耗为：

总共的耗电量与花销

S_水厂共＝S_变频泵共+S_小泵共+S_大泵共

H_水厂花销＝S_水厂共*M

在传统的水泵调度过程中，随意地选择各类泵的组合，在水泵发 热后，尽量用相同的泵进行替换，而不会去考虑全生命周期问题，故 选择的每一个泵可能处于第一寿命周期时间段、第二寿命周期时间段、 第三寿命周期时间段的平均概率为而考虑生命周期问题之后，可 通过设置权值，设置

α1＞αx2＞α3，α1+α2+α3＝1。

同时考虑到电机的效率η会随使用时间逐渐降低，故对于各类型 的水泵而言，各时期的水泵效率存在以下关系：

η₁＞η₂＞η₃

由于其他项相同，现主要效率比较表达式 y＝η₁*α₁+η₂*α₂+η₂*α₃的大小。

传统方式中，表达式y_传统为：

本发明中，表达式y_本发明为：y_本发明＝η₁*α₁+η₂*α₂+η₂*α₃

现利用放缩法证明y_本发明、y_传统大小，计算：

即y_本发明-y_传统＞0

y_本发明＞y_传统，计算出

H_水厂花销＝S_水厂共*M

S_水厂共＝S_变频泵共+S_小泵共+S_大泵共

S_{水厂共实际}＝S_变频泵共*y与S_小泵共*y+S_大泵共*y。

本发明的有益效果：本发明可以减少水泵的切换频率，节约能耗。 另外，本发明的水泵组内的调度与现有调度方式下的能耗S_水厂共，即 1.353t＜1.388t，可知在此次t时间间隔范围内，利用本发明中的权值 引起的不同概率选择水泵所产生的总能耗小于现有调度方式下的总 能耗。本发明的水泵组内部调度与现有调度方式的水厂花销相同时， 由于本方案中选择水泵的平均效率较高，则实际用于水泵供水的能耗 较高，故本方案比传统方案更优。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1，实施例1中水泵寿命周期曲线图。

图2，实施例1中用水量预测曲线图

图3，实施例1中的变频泵效率-流量曲线图。

图4，实施例1中的多级水泵组级联系统。

图5，实施例2的多级水泵组级联系统。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合 实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具 体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

本实施例提供一种水泵管理调度方法，考虑加减水泵和切换水泵 过程中对水泵的选择，通过合理调度，从而达到节约水泵能耗、节约 水厂的运行成本的目的。

如图4所述，本发明的水泵管理调度方法基于“三泵两槽”。现 有技术中对于G1和G2来说，只能通过V1槽水体积来改变F1和F2 的变化量，即若V1槽内水的体积达到下限，则快速加大F1，或者快 速减小F2；若V1槽内的水体积快达到上限时，则快速减小F1或者 加大F2，没有考虑V2槽的水需求的情况下，最终导致水泵组调度频 繁。本实施例假设V2槽需要水，那么V1槽内水体积达到下限时，则 应该加大F1，而不是依靠减小F2来完成对V1槽水位变化。若V2槽 内水达到上限，而V1槽内水也达到上限，这个时候就应该降低F1流 量和F2流量。

设水泵组分别为G1,G2,G3，每个水泵组所对应的当前流量为 F1,F2,F3，两个水槽的总容积分别为V1,V2，两个水槽所剩的水为 V_1剩、V_2剩V_1下、V_2下表示V1和V2槽的液位下限值，V_1上、V_2上表 示V1和V2槽的液位上限值。

为了解决各个频繁切换或加减的问题，应在满足水厂入水口水量 要求的情况下，使G1、G2的切换或者对G1和G2的操作次数最少， 即是讨论在G3随水厂入水需求变化的情况下，G1和G2当前状态保 持时间最长。

1)G1泵组

对G1泵组，需同时考虑V1和V2槽的水量，需保证两个水槽中 存水总量既不大于V1和V2水槽的上限之和也不应该小于V1和V2 水槽下限之和，即：

V_1下+V_2下≤V₁+V₂≤V_1上+V_2上

在V1和V2之和达到上下限之和时，则应对G1水泵组进行相关 操作，使水槽液位相应地上升或者下降。当V1和V2之和达到上限之 和时，应减小G1水泵组的输出流量，使水槽液位下降；当V1和V2 之和达到下限之和时，应增大G1水泵组的输出流量使水槽液位上升；其他时刻G1水泵组的输出流量不变，为恒定值。

用t1表示G1水泵组的输出流量不变所能保持的最长时间,此时 间内保持F1不变，直到V1、V2槽中的水达到上限或下限时，才改变 一次F1，同时开始重新计算积分，并且更新V_1剩、V_2剩。用0至t1时 刻的总入水量加上在之前V1和V2槽中剩余的水量V_1剩和V_2剩，可求 得本时段内的入水，直到达到V1和V2上下限之和时，才会改变F1 的流量，从而求得t1时间。公式可总结如下：

V_1下+V_2下＝∫₀ ^t1(F1-F3)dt+V_1剩+V_2剩

或

∫₀ ^t1(F1-F3)dt+V_1剩+V_2剩＝V_1上+V_2上

所以，G1在当前变化量下，维持的最长时间是T1＝t1。

2)对于G2泵组

G2水泵组应该负责保证V1和V2之间的平衡关系，即通过G2 的流量来保证V1、V2槽中水不见底和不溢出。

用t2、t3表示在V1、V2槽中G2水泵组的输出流量不变所能保 持的最长时间。由于两个水槽大小的限制，对于V1水槽有如下表达 式，直到V1槽的入水量加之前的存水量达到上下限时，需要经过t2 时间，经过t2时间后，才会改变F2的大小。

V_1下＝∫₀ ^t2(F1-F2)dt+V_1剩

或

∫₀ ^t2(F1-F2)dt+V_1剩＝V_1上

通过以上表达式可以求得t2时间大小。

同理，对于V2水槽有：

V_2下＝∫₀ ^t3(F2-F3)dt+V_2剩

或

∫₀ ^t3(F2-F3)dt+V_2剩＝V_2上

通过以上表达式可以求得t3大小。

所以，G2在当前变化量下，维持的最长时间是T2＝min{t2，t3}。 在T2时间后，才改变F2的大小，从而调节V1、V2槽中的液位高度。

3)对于G3泵组

由于G3泵组与水厂入口直接相连，受水厂入口的直接控制，随 水厂用水需求调节，故不能用来调节。

依照上述步骤得到对于某一水泵组的调节切换时，考虑到水泵组 内的水泵存在因工作时间过长而出现发热的情况，本实施例设置额定 最大工作时间T₀，当某一台抽水电机达到或超过该额定最大工作时间 T₀后，都应关闭并休息一段时间后，才能继续工作。

本实施例的水泵组内部调度方法基于前述的具有调节出水量功 能的各类水泵，方法包括：

S1：根据多级水泵和多级水槽的调度方式确定某级水泵组所需改 变得到的目标输出水量，并根据该级当前运行水泵计算调节水量作为 后续水泵调度的标准。

S2：根据大泵、小泵、变频泵的效率-流量特性曲线η_变频泵拟合相 关公式得：

η_变频泵(Q)＝c₁Q²+c₂Q+c₃

其中，为进一步优化，使各类水泵的效率处于最佳值附近，设定 所有的变频泵的输出流量都应处于工作效率在c％-d％的范围之内。

同时通过加大或减小阀门开度来改变恒流泵流量时，会相应增加 或降低恒流泵的效率，设所有的大泵和小泵工作在一定流量范围内， 保证效率在a％-b％之间。

S3：根据每一个水泵的全寿命周期成本-使用时间曲线H(t)拟合相 关公式得：

如图1，并根据其处于的时间段设定权值α1，α2，α3，以此权值 作为随机选择相应时间段内水泵的概率。本实施例中，α1＞α2＞α3， α1+α2+α3＝1。

考虑到水泵平均效率会随运行时间的增加而减小，所以对于各类 水泵处于各个时间段的平均效率存在以下关系：

η₁＞η₂＞η₃

其中η_i(i＝1,2,3)表示处于第i个时间段的水泵平均效率。

S4：采用泵组合算法，合理调度各个泵的使用，泵组合算法的具 体流程如下：

1.规定相关参数如下：

①每个水泵额定输出流量为Q_额定输出，

②变频泵规定最小休息时间为T1，

③某级水泵组所需改变得到的输出流量为Q_目标，

④当前相应工作水泵数目为n，

⑤一个大泵额定输出流量为Q_{大泵额定输出}，

⑥一个小泵额定输出流量为Q_{小泵额定输出}，

⑦一个恒流泵额定输出为Q_{恒流泵额定输出}，

⑧一个变频泵以规定最小效率c％工作时所输出流量为最低 输出为

Q_{变频泵最低输出}，

⑨当前泵阀组合所有额定输出流量之和为最大输出水量

⑩当前正在休息的所有小泵的额定流量之和为

当前泵阀组合中恒流泵以额定流量输出，变频泵以规定最 小效率c％输出时所能输出的流量和为最小输出

Q_差值1＝Q_目标-Q_最大输出，

Q_差值2＝Q_最小输出-Q_目标。

2.当多级水泵中的某一级水泵组需要通过改变流量，判断该级水 泵组当前流量与所需改变得到的流量间的关系。

3.根据该级水泵组与Q_目标间的关系判断，执行相应的加减泵操作。

1)当Q_差值1＞0，即水量供不应求,需要加泵，加泵判断规则如下：

①流量补充判断

当

a)判断是否有达到规定休息时间T1的变频泵，若有，则选择变 频泵进行水量补充；

b)若无满足条件的变频泵，判断是否有空闲大泵，若有，则选择 大泵进行水量补充；

c)若无空闲大泵，选择多个小泵组合工作以满足水量补充；

当Q_差值1＜Q_{大泵额定输出}

a)判断与Q_差值1的关系，若 则选择一个大泵进行水量补充；

b)若则选择多个小泵进行水量补充；

②根据需补充流量在变频泵、大泵和小泵三个类别中选择了 加泵类别后按如下条件选择加泵：

根据不同权值引起的不同概率在处于三个不同寿命周期时 间段的该类水泵中随机选择处于某一寿命周期时间段的水泵；

在随机选择到的处于同一寿命周期时间段的该类水泵中选 择休息时间最长的水泵开启。

2)当Q_差值2＞0，即水量供过于求，需要减泵，减泵判断规则如 下：

①流量减少判断

当

a)判断是否有运行的大泵，若有，则选择关闭大泵；

b)若无运行的大泵，则判断是否有运行中的变频泵，若有，则选 择关闭变频泵；

c)若无运行中的变频泵，则选择多个满足水量要求的小泵关闭。

当

a)判断是否有小泵工作，若有，则选择关闭小泵；

b)若无小泵正在工作，则由变频泵或阀门开度变化进行自行调 节；

若满足Q_差值2＜Q_{小泵额定输出}，由变频泵或阀门开度变化进行 自行调节，在变频泵的规定效率c％～d％范围内能够满足Q_差值2要 求时，优先考虑使用变频泵调节。

②根据需减少流量在变频泵、大泵和小泵三个类别中选择了 减泵类别后按如下条件选择减泵：

根据不同权值引起的不同概率在处于三个不同寿命周期时 间段的该类水泵中随机选择处于某一寿命周期时间段的水泵；

在随机选择到的处于同一寿命周期时间段的该类水泵中选 择工作时间最长的水泵关闭。

4.同时，实时判断电机工作时间是否达到或超过额定最大工作时 间T₀，若已达到，则进行切换水泵，切换水泵时的选择规则如下，为 适应不同水厂设备，分三种场景：

1)当水厂中不存在变频泵，只有可分为大、小泵的恒流泵

当恒流泵工作时间达到T₀，选择条件依次为：

若水泵额定输出流量满足当前水泵输出流量，则执行ii操 作，若所有休息状态的水泵额定流量都无法满足当前水泵的输出 流量，或者无休息状态的水泵，则让当前工作的水泵继续工作， 直到下一次检测判断；

根据权值不同引起的概率不同在处于三个不同寿命周期时 间段的水泵中随机选择处于某一寿命周期时间段的水泵；

在随机选择到的处于同一寿命周期时间段的水泵中选择休 息时间最长的水泵切换。

2)当水厂中只有一台变频泵和多台恒流泵

①当变频泵工作时间达到T₀，则选择水泵条件依次为：

水泵额定输出流量满足变频泵当前输出流量，则执行ii操 作，若所有休息状态的水泵额定流量都无法满足当前水泵的输出 流量，或者无休息状态的水泵，则让当前工作的水泵继续工作， 直到下一次检测判断；

根据权值不同引起的概率不同在处于三个不同寿命周期时 间段的水泵中随机选择处于某一寿命周期时间段的水泵；

在随机选择到的处于同一寿命周期时间段的水泵中选择休 息时间最长的水泵切换。

②当恒流泵工作时间达到T₀，选择条件依次为：

判断是否有变频泵达到规定休息时间T1，同时在变频泵规 定效率c％-d％内，满足当前水泵输出流量，若有，则选择变频泵 切换；

若无满足条件的变频泵，则按无变频泵时的规则选择恒流泵 进行切换；

3)当水厂中有多台变频泵和多台恒流泵

无论是变频泵还是恒流泵工作时间达到T₀，选择切换泵的条件相 同，依次为：

若有空闲变频泵，在变频泵效率为c％-d％，满足当前泵输出 流量时，选择休息时间最长的变频泵进行切换；

若无空闲变频泵，则按无变频泵时的规则选择恒流泵进行切 换。

具体地：设定两个水槽容量大小同为V₁＝V₂＝8000m³，其水量 下限设定为V_1下＝V_2下＝1000m³,上限设为V_1上＝V_2上＝7000m³， 相应地，两个水槽的总容量为V₁+V₂＝16000m³，总下限为V_1下+ V_2下＝2000m³,总上限为V_1上+V_2上＝14000m³,若此时F3变化为 2100m³/h，G1水泵组当前输出流量F1为1800m³/h，G2水泵组当前 输出流量F2为2500m³/h，水槽1当前所剩水量V_1剩＝2000m³/h， 水槽2当前所剩水量V_2剩＝1000m³/h，相应地，两个水槽总的当前 剩余水量V_1剩+V_2剩＝3000m³/h。

对于G1水泵组，F1＜F3,即若不改变F1，经过一段时间后将会发 生两个水槽水量达到下限，具体为

V_1下+V_2下＝∫₀ ^t1(F1-F3)dt+V_1剩+V_2剩

2000＝∫₀ ^t1(1800-2100)dt+2000+1000

即G1水泵组维持当前输出流量的最大时间为小时，要使其在小时后F3仍为2100m³/h时，满足两个水槽不见底则需改变流量达到 2100m³/h，使得两个水槽水量输入输出平衡。

对于G2水泵组，F1＜F2,F2＞F3,即若不改变F2，经过一段时间后 将会发生水槽1水量达到下限或是水槽2达到上限，具体为

V_1下＝∫₀ ^t2(F1-F2)dt+V_1剩

1000＝∫₀ ^t2(1800-2500)dt+2000

∫₀ ^t3(F2-F3)dt+V_2剩＝V_2上

∫₀ ^t3(2500-2100)dt+1000＝7000

t3＝15h

即G2水泵组维持当前输出流量的最大时间为小时，要使其在小时后F3仍为2100m³/h时，满足水槽1不见底则需改变流量达到 1800m³/h,使得水槽1水量输入输出平衡。

根据以上场景中水泵组的当前流量和所需要改变达到的流量，并 在水厂设备中所配置的变频泵数量为0台、1台、多台三种情况下基 于水泵全寿命周期的水泵调度方式进行水泵调度讨论。

设单台变频泵效率最高时的输出流量为700m³/h，为让其工作在 效率最佳值附近，如规定变频泵工作效率在70％-80％时，进而使变频 泵有±200m³/h的调节范围，即单台变频泵的输出流量范围为 (500-900)m³/h。设定单台恒流大泵的额定输出流量为700m³/h， 单台恒流小泵的额定输出流量为400m³/h。变频泵效率-流量曲线如 图3所示：

由于α1＞α2＞α3，α1+α2+α3＝1，故设置α1＝0.5，α2＝ 0.3，α3＝0.2。

设大泵处于全寿命周期第一寿命周期时间段的平均效率为 80％，处于全寿命周期第二寿命周期时间段的平均效率为70％， 处于全寿命周期第三寿命周期时间段的平均效率的为60％。并 设大泵每小时的功耗为S_大泵实际＝0.3度/m³。

设变频泵处于全寿命周期第一寿命周期时间段的平均效率

为78％，处于全寿命周期第二寿命周期时间段的平均效率

为75％，处于全寿命周期第三寿命周期时间段的平均效率

的为72％。并设变频泵每小时的功耗为S_{变频泵实际}＝0.25度/m³。

设小泵处于全寿命周期第一寿命周期时间段的平均效率为 75％，处于全寿命周期第二寿命周期时间段的平均效率为65％， 处于全寿命周期第三寿命周期时间段的平均效率的为55％。并 设大泵每小时的功耗为S_小泵实际＝0.15度/m³。

1.无变频泵，多台处于不同寿命周期时间段恒流大泵，多台处于 不同寿命周期时间段恒流小泵

1)加泵情况

若小时后F3仍为2100m³/h，当前G1水泵组有两台大泵和一 台小泵工作，且当前无水泵工作时间已经达到最大工作时间T₀。

a)加减泵方面

则

得

Q_目标＝2100m³/h

Q_差值1＝Q_目标-Q_最大输出＝300m³/h

比较Q_差值1与Q_{大泵额定输出}关系，得

Q_差值1＜Q_{大泵额定输出}

则进一步比较判断与Q_差值1的关系，计算得出

故应选择一个小泵进行水量补充。

然后根据权值α1＝0.5，α2＝0.3，α3＝0.2引起的不同概率随 机选择三种处于不同寿命周期时间段的小泵进行替换，并选择处于同 一寿命周期时间段中休息时间最长的。

b)切泵方面

由于此时所有泵都未达到最大工作时间T₀，故不考虑切泵。

2)减泵情况

若小时后F3仍为2100m³/h，当前G2水泵组有三台大泵和一 台小泵工作，且当前有一台大泵达到最大工作时间T₀。

a)加减泵方面，此时

此时泵阀组合最小的流量输出

进一步，

Q_差值2＝Q_最小输出-Q_目标＝2500-1800＝700m³/h，

则比较Q_差值2与关系，得

Q_差值2＝Q_{大泵额定输出}，

则在工作状态中的大泵中选择工作时间最长的大泵关闭。

b)切泵方面

检测是否有满足当前大泵输出流量的空闲大泵，检测到有，则在 休息状态中的大泵中以此权值α1＝0.5，α2＝0.3，α3＝0.2，概率 来选择休息时间最长的大泵开启。

2.一台变频泵，多台处于不同寿命周期时间段恒流大泵，多台处 于不同寿命周期时间段恒流小泵

1)加泵情况

若小时后F3仍为2100m³/h，当前G1水泵组有一台变频泵、 三台小泵工作，且当前的有一小泵工作时间已经达到最大工作时间T₀。

a)加减泵方面

则

得

Q_目标＝2100m³/h

Q_差值1＝Q_目标-Q_最大输出＝0m³/h

故可以直接通过变频泵的调节进行水量补充。

b)切泵方面

首先判断有无已达到休息时间的变频泵，检测到没有，进一步， 判断是否有满足变频泵此时输出流量的恒流小泵，检测到有，则在休 息状态中的大泵中以此权值α1＝0.5，α2＝0.3，α3＝0.2，概率来 选择休息时间最长的大泵开启。

2)减泵情况

若小时后F3仍为2100m³/h，若当前G2水泵组有一台变频泵、 两台大泵和一台小泵工作，且当前有变频泵达到最大工作时间T₀。

a)加减泵方面，此时

此时泵阀组合最小的流量输出

进一步，

Q_差值2＝Q_最小输出-Q_目标＝2300-1800＝500m³/h，

则比较Q_差值2与关系，得

Q_{小泵额定输出}＜Q_差值2＜Q_{大泵额定输出}，

则在工作状态中的小泵中选择工作时间最长的小泵关闭。此时 Q_差值2＝500-400＝100m³/h，

余下的部分流量可使用关闭阀门来调节。

b)切泵方面

检测是否有满足变频泵此时输出流量的恒流大泵，检测到有，则 在休息状态中的大泵中以此权值α1＝0.5，α2＝0.3，α3＝0.2，概 率来选择休息时间最长的大泵开启。

3.当水厂中有多台处于不同寿命周期时间段的变频泵和多台处 于不同寿命周期时间段的恒流泵时

1)加泵情况

若小时后F3仍为2100m³/h，当前G1水泵组有两台变频泵工 作，且当前的某一变频泵工作时间已经达到最大工作时间T₀。

根据上述的泵组合算法：

a)加减泵方面，此时

Q_差值1＝Q_目标-Q_最大输出＝2100-1800＝300m³/h。

Q_差值1＜Q_{大泵额定输出}＝400m³/h

进一步判断与Q_差值1的关系：

故应选择一个小泵进行水量补充。

然后根据权值α1＝0.5，α2＝0.3，α3＝0.2引起的不同概率来 选择三种处于不同寿命周期时间段的小泵进行替换，并选择处于同一 寿命周期时间段的小泵中休息时间最长的。

b)切泵方面

由于当前的变频泵工作时间已经达到最大工作时间T₀，故应切泵， 根据权值α1＝0.5，α2＝0.3，α3＝0.2引起的不同概率来选择处于 某一寿命周期时间段的休息时间最长的变频泵进行切换。

2)减泵情况

若小时后F3仍为2100m³/h，若当前G2水泵组有两台变频泵、 一台大泵和一台小泵工作，且当前的所有泵都未达到最大工作时间T₀。

根据上述的泵组合算法

a)加减泵方面，此时

Q_差值2＝Q_最小输出-Q_目标＝2100-1800＝300m³/h

Q_{小泵额定输出}＞Q_差值2

此时可以通过改变阀门开度来减小输出流量。

b)切泵方面

由于此时所有泵都未达到最大工作时间T₀，故不考虑切泵。

现选取单变频泵、多恒流泵时根据权值引起的不同概率选择减泵 后的水泵组合情况，即一台变频泵、两台恒流大泵及一台恒流小泵时 在距离下一水泵组合变化的时间内所产生的总能耗。

以本方案水泵管理调度方法选择加减水泵或切换水泵，则其根据 权值引起的不同概率选择水泵后的效率期望值E₁分别为：

以现有调度方式的无约束条件选择水泵，则选到三种处于不同寿 命周期的水泵权值概率相同，均为1/3，则其根据权值概率选择水泵 后的效率期望值E₂分别为：

计算本方案中t时间段内总能耗值

即本实施例中：

S_水厂共1＝S_变频泵共+S_大泵共+S_小泵共＝0.342t+2*0.395t+ 0.221t＝1.353t

计算现有调度方式下t时间段内总能耗值

即现有调度方式下

S_水厂共2＝S_变频泵共+S_小泵共+S_大泵共＝0.357t+0.4t+0.231t＝ 1.388t

比较本方案与现有调度方式下的S_水厂共，即1.353t＜1.388t,可知 在此次t时间间隔范围内，利用本方案中的权值引起的不同概率选择 水泵所产生的总能耗小于现有调度方式下的总能耗。同理，对于每一 段t时间范围都可以按照以上方式比较，最终证明得：本方案比现有 方案更优，能够实现本发明的目的。

实施例2

本实施例是在实施例1的基础上，主要不同是对如图5的“四泵 三槽”的描述，其余部分内容类似。

1)对于G1泵组

需保证三个水槽中存水总量既不大于V1、V2和V3水槽的上限 之和也不应该小于V1、V2和V3水槽下限之和，即：

V_1下+V_2下+V_3下≤V₁+V₂+V₃≤V_1上+V_2上+V_3上

在保持F1从不变到需要改变时，有：

V_1下+V_2下+V_3下＝∫₀ ^t1(F1-F3)dt+V_1剩+V_2剩+V_3剩

或

∫₀ ^t1(F1-F3)dt+V_1剩+V_2剩+V_3剩＝V_1上+V_2上+V_3上

计算出G1水泵组的输出流量不变所能保持的最长时间t1。所以， G1在当前变化量下，维持的最长时间是T1＝t1。

2)对于G2泵组

对于G2泵组，既需考虑前级V1水槽的液位情况，有：

V_1下＝∫₀ ^t2(F1-F2)dt+V_1剩

或

∫₀ ^t2(F1-F2)dt+V_1剩＝V_1上

从而可以解出G2水泵组的输出流量不变所能保持的最长时间t2。

也同实施例1的水泵组G1一样，要考虑后续两级水槽的情况， 即：

V_2下+V_3下＝∫₀ ^t3(F2-F4)dt+V_2剩+V_3剩

或

∫₀ ^t3(F2-F4)dt+V_2剩+V_3剩＝V_2上+V_3上

计算出G2水泵组的输出流量不变所能保持的最长时间t3。

所以，G2在当前变化量下，维持的最长时间是T2＝min{t2，t3}。 在经过了T2时间后，才修改F2的大小。

3)对于G3泵组

通过G3泵组，可以协调水槽V2和V3的液位高度，对于V2槽， 有：

V_2下＝∫₀ ^t4(F2-F3)dt+V_2剩

或

∫₀ ^t4(F2-F3)dt+V_2剩＝V_2上

计算出t4。

对于V3槽，有：

V_3下＝∫₀ ^t5(F3-F4)dt+V_3剩

或

∫₀ ^t5(F3-F4)dt+V_3剩＝V_3上

计算出t5。G3在当前变化量下，维持的最长时间是T3＝min{t4，t5}。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本 技术领域的技术人员能够理解本发明，但是本发明不仅限于具体实施 方式的范围，对本技术领域的普通技术人员而言，只要各种变化只要 在所附的权利要求限定和确定的本发明精神和范围内，一切利用本发 明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (10)

1.一种水泵管理调度方法，其特征在于：所述水泵管理调度方法用于N+1级水泵组和N级水槽串联的多级水泵组级联系统，包括：

步骤1，实时检测N个水槽的水量V；

步骤2，根据步骤1的检测结果，判断N+1个水泵组中任一水泵组切换状态的目标输出水量，其中第N+1级数水泵组G_N+1的目标输出水量与水厂用水量相同。

2.根据权利要求1所述的水泵管理调度方法，其特征在于：所述判断N+1个水泵组中任一水泵组切换状态的目标输出水量中，第一个水泵组G1输出流量不变所能保持的最长时间t1为：

或

3.根据权利要求1所述的水泵管理调度方法，其特征在于：所述判断N+1个水泵组中任一水泵组的切换状态的目标输出水量中，第i(1＜i≤N)个水泵组G_i的输出流量不变所能保持的最长时间T_i＝min{t2，t3}；

或

4.根据权利要求1-3任一所述的水泵管理调度方法，其特征在于：所述方法还包括根据N+1个水泵组中任一水泵组的目标输出水量进行水泵组内部调度，包括：

步骤3，记录每一个水泵的工作时间和休息时间，计算出水厂中每一个水泵的全寿命周期成本-使用时间的函数曲线H(t)，并赋相应权值：

步骤4，根据水泵组的目标输出水量，水泵组内当前运行的水泵计算调节水量；

步骤5，根据调节水量判断水泵调节方式，按照优先级锁定需调节的目标水泵顺序；优先级为泵的类别、步骤1中的权值和水泵的工作时间。

5.根据权利要求4所述的水泵管理调度方法，其特征在于：所述泵的类别包括变频泵，大泵及小泵。

6.根据权利要求5所述的水泵管理调度方法，其特征在于：所述步骤4包括：

当调节水量大于0时，则进行加泵调节：

判断调节水量与大泵额定输出流量的关系，若调节水量不小于大泵额定输出流量，则：

先判断是否有达到规定休息时间T1的变频泵，若有达到规定休息时间T1的变频泵，则选择变频泵进行水量补充；若无满足条件的变频泵，再判断是否有空闲的大泵，若有空闲的大泵，则选择大泵进行水量补充；

若调节水量小于大泵额定输出流量，则继续判断调节水量与小泵额定输出流量的关系：

若调节水量大于所有休息状态小泵额定输出流量之和，则选择大泵进行加泵调节；若调节水量小于所有休息状态小泵额定输出流量之和，则选择小泵进行加泵调节。

7.根据权利要求5所述的水泵管理调度方法，其特征在于：所述步骤4还包括：

当调节水量小于0时，则进行减泵调节：

判断调节水量与大泵额定输出流量的关系，若调节水量不小于大泵额定输出流量，则：

先判断工作时间最长的大泵，则选择工作时间最长的大泵进行减泵操作；若没有正在运行的大泵，则继续判断是否有正在运行的变频泵，若有正在运行的变频泵则选择变频泵做减泵操作，若无正在运行的变频泵则选择小泵做减泵操作；

若调节水量小于大泵额定输出流量同时大于小泵额定输出流量时，则：

先判断是否有小泵工作，若有小泵工作，则选择关闭小泵进行减泵操作；若无小泵工作，则由变频泵调节实时输出流量控制进行等效减泵调节；

若调节水量小于小泵额定输出流量时，则：

直接由变频泵调节实时输出流量控制进行等效减泵调节。

8.根据权利要求5所述的水泵管理调度方法，其特征在于：所述步骤5还包括：根据权值与概率函数，选择处于某一个寿命周期时间段的水泵族；

在水泵族中选择休息时间最长的水泵进行加泵操作，或者选择运行时间最长的水泵进行减泵操作。

9.根据权利要求4所述的水泵管理调度方法，其特征在于：所述水泵管理调度方法还包括判断当前运行的水泵中存在任一水泵工作时间达到或超过额定最大工作时间T₀则执行切换水泵。

10.根据权利要求9所述的水泵管理调度方法，其特征在于：所述执行切换水泵包括：

步骤A，判定变频泵数量，变频泵数量为小于2则执行步骤C，变频泵数量为2以上则执行步骤B；

步骤B，判定是否有空闲变频泵，若有空闲变频泵，在变频泵效率为c％-d％，满足当前泵输出流量时，选择休息时间最长的变频泵进行切换；若无空闲的变频泵，则执行步骤D；

步骤C，判定所需切换的泵种类，若为变频泵需切换则：判断水泵额定输出流量是否满足变频泵当前输出流量，若所有休息状态的水泵额定流量均无法满足变频泵当前输出流量，则不予执行水泵切换，返回执行步骤A；

步骤D，若满足则根据权值与概率函数，选择处于某一个寿命周期时间段的水泵族；在水泵族中选择休息时间最长的水泵进行切换操作。