CN109857157A - 一种区域性加压泵站进水流量调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种区域性加压泵站进水流量调度方法，包括：S1：基于同一时间的历史用水量数据预测出未来调度周期内各个时间的用水量；S2：再识别所述未来调度周期内的用水量高峰期或是用水量低谷期；预测用水量高于平均预测用水量时属于用水量高峰期；预测用水量低于或等于平均预测用水量时属于用水量低谷期；S3：按照用水量高峰期和用水量低谷期的进水流量调节规律控制在各个用水量高峰期和用水量低谷期内加压泵站进水流量，其中高峰期将蓄水池放空，低谷期往蓄水池中蓄水，充分发挥蓄水池的辅助供水功能，降低进水口的进水波动，平稳进水。

Description

一种区域性加压泵站进水流量调度方法

技术领域

本发明属于水务控制领域，具体涉及一种区域性加压泵站进水流量调度方法。

背景技术

当前，我国城市规模在不断扩大，城市供水管网系统也在不断扩展，在城市偏远郊区或者地势较高的区域，会出现管网水压不够而无法正常给当地居民供水的现象。通常采用增设区域性加压泵站进行二次加压的方法来解决该区域的供水问题,但是区域性加压泵站在运行调度方面如果不科学调度运行则会造成加压站进水口附近管网压力波动大并对自来水厂二泵房运行造成不利影响。

当前针对供水系统优化调度的研究工作主要是通过采集相关的供水信息进行模型的搭建，对某一时段的用水量进行预测，并结合供水管网工况和水泵运行工况，得到最终的优化调度方案。由于每个地方水务智能化程度参差不齐，信息孤岛现象普遍存在，很难建立统一的智能控制系统，因此这种方案难以得到推广，目前很多加压站依然是根据经验调节进水阀，用水高峰期，蓄水池液位降低速度加快，加压站操作人员会把进水阀门开度加大以加快补充蓄水，由于进水管道管径较大，其进水流量也比较大，用水高峰期本来进水管周边管网压力就不高，加压站阀门大开度蓄水会对周边管网压力产生极其不利的影响，导致进水口附近压力降低明显，使得自来水厂送水泵房必须加车以保持设定压力。而过了用水高峰期，加压站蓄水池满，加压站操作人员把进水阀开度减小以防止蓄水池溢流，管网压力就会迅速上升，使得自来水厂送水泵房必须减车以保持设定压力。这样的调度方式会带来以下四个问题：(1)蓄水池时常保持在较高的水位，没有充分利用蓄水池的调蓄能力；(2)在用水高峰期采用大流量蓄水方式会导致附近管网压力骤然降低，周围居民用水不能得到有效保障。(3)用水高峰期，供水管网压力下降，加压站大流量蓄水会加速管网压力下降，增加了自来水厂送水泵房的水泵启停次数，不利于二泵房水泵设备运行，降低了其使用寿命。(4)自来水厂送水泵房水泵的频繁启停，会使得管网压力波动较大，容易造成爆管的风险。

发明内容

针对现有技术中因经验调节进水阀而存在的问题，本发明的目的是提供一种区域性加压泵站进水流量调度方法，其在满足供水量要求的前提下保证进水口平稳进水，避免出现进水口流量过大造成进水口处主干管网压力波动较大，增加爆管的风险，同时以“高峰补水，低峰蓄水”为原则即用水高峰期尽可能多的使用蓄水池的水量进行供水，减小蓄水池进水口流量，用水低谷期对蓄水池进行蓄水以应对高峰期的流量需求，充分发挥清水池的调蓄能力，在保障加压站蓄水量安全的前提下，最大程度减小加压站蓄水对进水口附近管网压力的影响，也防止水泵因管网压力而频繁启停。

本发明提供的一种区域性加压泵站进水流量调度方法，包括如下步骤：

S1：基于同一时间的历史用水量数据预测出未来调度周期内各个时间的用水量；

S2：根据预测出的用水量计算平均预测用水量，并基于所述平均预测用水量识别所述未来调度周期内的用水量高峰期或是用水量低谷期；

其中，预测用水量高于平均预测用水量时属于用水量高峰期；预测用水量低于或等于平均预测用水量时属于用水量低谷期；

S3：按照用水量高峰期和用水量低谷期的进水流量调节规律控制在各个用水量高峰期和用水量低谷期内加压泵站进水流量；

所述加压泵站内进水阀一端连通蓄水池，另一端连通总管网；

其中，按照预设调节频率将各个用水量高峰期和用水量低谷期均分为J个小时段，J为正整数，所述进水流量调节规律为：

处于用水量低谷期时，用水量低谷期内小时段的加压泵站进水流量的计算公式为：

处于用水量高峰期时，用水量高峰期内小时段的加压泵站进水流量的计算公式为：

式中，M_ij为用水量高峰期或用水量低谷期内第j个小时段T_ij内加压泵站进水流量，N_ij表示小时段T_ij时段的预测用水量；V_ij表示低谷期内小时段T_ij开始时蓄水池的剩余容量，V_ij ^*表示高峰期内小时段T_ij开始时蓄水池的可用水量；Vmax、Pmin分别为低谷期内进水阀最大流量值、高峰期进水阀最小流量值，所述低谷期进水阀最大流量值Vmax大于或等于平均预测用水量，所述高峰期进水阀最小流量值Pmin小于或等于平均预测用水量。

本发明为了保证在满足供水量要求的前提下进水口平稳进水，首先是对未来用水量进行了预测，然后基于预测结果识别未来时段是属于高峰期还是低谷期，若是高峰期，目的是将蓄水池放空，充分发挥蓄水池的辅助供水能力；若是在低谷期，则目的是在保证供水量要求基础上还要往蓄水池中蓄水，真正做到“高峰补水，低峰蓄水”，避免蓄水池时常保持在较高的水位。基于此，本发明提供了上述高峰期和低谷期的进水流量公式，低谷期公式中对一个时段低谷期T_i的J个小时段的预测流量取均值，其是为了让蓄水池进水口以该均值流量进水，进水口流量尽可能平稳，另外低谷期还要将蓄水池蓄满的任务平分到T_i剩余的各个小时段中去，因此低谷期进水口的进水量要满足实时用水和蓄满蓄水池两个要求；同时设置Vmax参数是因为在小低谷期(低谷期持续时间很短)开始时，蓄水池可能存在比较大的剩余空间，在短时间内难以蓄满，考虑供水稳定性以及泵站实际运行情况，不能把进水口流量设置的非常大，这里通过设置低谷期进水口最大流量值Vmax进行控制。高峰期公式中，对高峰期T_i的J个小时段的预测流量取均值也是为了让蓄水池进水口以该均值流量进水，进水口流量尽可能平稳，另外高峰期还要将蓄水池放空(充分发挥蓄水池的辅助供水能力)的任务平分到T_i剩余的各个小时段中去，因此低谷期进水口的进水量要满足实时用水和放空蓄水池两个要求，设置Pmin参数是因为在小高峰期(高峰期持续时间很短)开始时，蓄水池可能处于比较满的状态，但为了应对后面可能出现的持续时间更长的高峰期，进水流量无需调得太小，这里通过设置高峰期进水口最小流量值Pmin进行控制。

综上所述，基于高峰期和低谷期的调节控制，充分发挥蓄水池的辅助供水能力，且在满足供水量要求的前提下保证进水口平稳进水，避免出现进水口流量过大造成进水口处主干管网压力波动较大，解决现有经验调节操作中所存在的问题。

进一步优选，所述低谷期进水阀最大流量值Vmax的取值范围为[N，4N/3]；所述高峰期进水阀最小流量值Pmin的取值范围为[2N/3，N]，其中，N为平均预测用水量。

进一步优选，步骤S1中未来各个时间的用水量获取过程如下：

首先，采集同一时间的历史用水量数据，并基于时间先后顺序将采集的历史用水量数据组成待预测时间的历史用水量序列；

其次，基于所述待预测时间的历史用水量序列按照如下公式计算出待预测时段的用水量；

式中，y_t、分别表示待预测时间的历史用水量序列中排第t期的历史用水量实际值、用水量预测值，y₁、分别表示待预测时间的历史用水量序列中排第一期的历史用水量实际值、用水量预测值；λ为平滑系数。

需要说明的是，历史用水量序列是基于时间先后顺便构成的，从上述公式可知，序列中后一位的用水量预测值是基于前一位的用水量实际值和预测值计算的。因此也可知，序列中任一位的用水量预测值实质上与前面所有的用水量实际值相关，即的展开式为：0≤n≤t-1，从展开式可看出，权重系数随间隔时间增大呈指数衰减。

同理，待求时刻的用水量预测值是由序列最后一组数据计算出的，即序列中最后一个的用水量实际值和预测值计算的。

进一步优选，步骤S1中以一小时为单位计算未来调度周期内每小时的用水量。

进一步优选，步骤S3预设调节频率为每小时调节f次，f的取值范围为[1,3]，其中，J＝T×f，T为用水量高峰期或用水量低谷期的时长。

需要说明的是，本发明中步骤S1中计算各个时间的预测用水量时，以小时为单元计算的，即计算未来调度周期每小时的用水量，因此，J得到是正整数。

有益效果

本发明首先是对未来用水量进行了预测，然后基于预测结果识别未来时段是属于高峰期还是低谷期，再基于高峰期和低谷期的进水流量调节规律控制进水流量。其中，本发明所设定的进水调流调节规律是基于“高峰补水，低峰蓄水”以及保证进水口平稳进水为目的，因此其具有如下效果：

1、本发明设计的高峰期调节公式，其是将蓄水池放空，充分发挥蓄水池的辅助供水能力，避免经验操作中高峰期还以蓄水为目的而导致加压站阀门大开度，最终使得进水口附近压力明显下降而加车；于此同时，调节过程中一个时段划分为多个小时段，对高峰期T_i的J个小时段的预测流量取均值使得蓄水池进水口以该均值流量进水，进水口流量尽可能平稳，同时将蓄水池放空(充分发挥蓄水池的辅助供水能力)的任务平分到T_i剩余的各个小时段中去，进一步保证进水口平稳进水。

2、本发明设计的低谷期调节公式，其是在保证供水量要求基础上还要往蓄水池中蓄水，同时，调节过程中也是将一个时段划分为多个小时段，对低谷期T_i的J个小时段的预测流量取均值，其是为了让蓄水池进水口以该均值流量进水，进水口流量尽可能平稳，另外低谷期还要将蓄水池蓄满的任务平分到T_i剩余的各个小时段中去，使进水口流量尽可能平稳。

3、本发明设定Vmax参数以及Pmin参数，其中，因为在小低谷期(低谷期持续时间很短)开始时，蓄水池可能存在比较大的剩余空间，在短时间内难以蓄满，考虑供水稳定性以及泵站实际运行情况，不能把进水口流量设置的非常大，这里通过设置低谷期进水口最大流量值Vmax进行控制；又因为在小高峰期(高峰期持续时间很短)开始时，蓄水池可能处于比较满的状态，但为了应对后面可能出现的持续时间更长的高峰期，进水流量无需调得太小，这里通过设置高峰期进水口最小流量值Pmin进行控制。

附图说明

图1是本发明提供的为加压泵站结构图；

图2是本发明提供的一种区域性加压泵站进水流量调度方法的流程图；

图3是本发明提供的采集的连续10个工作日的用水量曲线图；

图4是本发明提供的下一天24小时的用水量预测曲线；

图5是本发明提供的Vmax＝N+100，Pmin＝N-100的进水流量调度曲线图和蓄水池液位曲线图，其中，(a)图为进水流量调度曲线图，(b)图为蓄水池液位曲线图；

图6是本发明提供的Vmax＝N+100，Pmin＝N的进水流量调度曲线图和蓄水池液位曲线图，其中，(a)图为进水流量调度曲线图，(b)图为蓄水池液位曲线图；

图7是本发明提供的Vmax＝N+100，Pmin＝N+100的进水流量调度曲线图和蓄水池液位曲线图，其中，(a)图为进水流量调度曲线图，(b)图为蓄水池液位曲线图；

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明做进一步的说明。

如图1所示，本发明是对区域性加压泵站进水流量进行调节控制。如图1所示，加压泵站的进水阀一端连通蓄水池，另一端连接总管网，因此，通过控制进水阀的流量来控制加压泵站的进水量。

基于图1所示的加压泵站，本实施例提供如图2所示的一种区域性加压泵站进水流量调度方法，包括如下步骤：

S1：采用预测算法对历史用水量数据进行分析并预测出下一天24小时的用水量；其中，将多天同一时间的历史用水量数据组成一个基于时间的历史用水量序列，再采用预测算法来预测下一天同一时间的用水量。

本实施例中，调度控制以一天为单元，一天又以1小时为单元划分为24个小时，基于历史用水量数据预测未来一天24小时的用水量，即预测未来一天的用水量是均采用该方法，应当理解，与待预测一天越近的历史数据对待预测一天的用水量预测值的影响越大，因此用于计算的历史数据不应当离待预测一天太远。譬如待预测一天为2月第12号，当前是11号，由于第11天数据还不完整，预测12号时可以采用2月1-10的历史数据。譬如，采集连续10个工作日的用水量数据如图3所示(以长沙尖山加压站为例)，并将10天同一时段的用水量数据取出分别作为一个时段的历史用水量序列，总共24小时对应24个历史用水量序列，再对每个历史用水量序列采用简单指数平滑法预测对应时段的用水量，得到如图4所示的下一天24小时用水量预测曲线。

其中，某一时段的用水量计算公式如下：

式中，y_t、分别表示待预测时间的历史用水量序列中排第t的历史用水量实际值、用水量预测值，y₁、分别表示待预测时间的历史用水量序列中排第一的历史用水量实际值、用水量预测值；λ为平滑系数。考虑时间间隔对事件发展的影响，各期权重系数随时间间隔的增大而呈指数衰减。

S2：根据预测出的各个时段的用水量计算平均预测用水量，并基于所述平均预测用水量识别各个时段属于用水量高峰期或是用水量低谷期。

如图4所示，得到未来一天24小时的用水量后计算出平均预测用水量，再以平均预测用水量直线与用水量预测曲线的交点为划分点，平均值以上为高峰期，平均值以下为低谷期，等于平均值也为低谷期，其可以最大限度提高蓄水池在高峰期发挥的辅助供水作用。

因此，预测用水量高于平均预测用水量时属于用水量高峰期，预测用水量低于或等于平均预测用水量时属于用水量低谷期。故而得到该一天划分为T₁、T₂、T₃、T₄、T₅5个时段，其中T₁、T₃、T₅为用水低谷期，T₂、T₄为用水高峰期。

随后，根据进水阀调节次数对各个高峰期和低谷期进行小时段的划分，每小时调节f次则将对应高峰期或低谷期平均划分为J个小时段，本实施中选择每小时调节1次，其他可行的实施例中，每小时可以选择调节2次或3次。应当理解，每个高峰期或低谷期的时长不同，因此每个高峰期和低谷期对应的小时段个数也可能不同。

S3：按照用水量高峰期和用水量低谷期的进水流量调节规律控制在各个时段内加压泵站进水流量。

进水流量调节规律为：

处于用水量低谷期时，其小时段的加压泵站进水流量的计算公式为：

处于用水量高峰期时，其小时段的加压泵站进水流量的计算公式为：

式中，M_ij为用水量高峰期或低谷期内第j个小时段T_ij内加压泵站进水流量，N_ij表示小时段T_ij时段的预测用水量；V_ij表示低谷期的小时段T_ij开始时蓄水池的剩余容量，V_ij ^*表示高峰期的小时段T_ij开始时蓄水池的可用水量；Vmax、Pmin分别为低谷期进水阀最大流量值、高峰期进水阀最小流量值，本实施中，低谷期进水阀最大流量值Vmax的取值范围为[N，4N/3]；所述高峰期进水阀最小流量值Pmin的取值范围为[2N/3，N]。

需要说明的是，本发明在小低谷期(低谷期持续时间很短)开始时，蓄水池可能存在比较大的剩余空间，在短时间内难以蓄满，考虑供水稳定性以及泵站实际运行情况，不能把进水口流量设置的非常大，这里通过设置低谷期进水口最大流量值Vmax进行控制；在小高峰期(高峰期持续时间很短)开始时，蓄水池可能处于比较满的状态，但为了应对后面可能出现的持续时间更长的高峰期，进水流量无需调得太小，这里通过设置高峰期进水口最小流量值Pmin进行控制。

为了验证本发明设置Vmax与Pmin的效果，本发明设定Vmax＝N+100，并Pmin设定为N-100，N，N+100进行仿真得到如图5-7的进水口流量调度曲线以及蓄水池液位曲线图，其中的蓄水池液位变化曲线中直线分别表示为最高和最低液位限制。从中可以看出这里设置Vmax＝N+100、Pmin＝N(N表示该天预测平均用水量)时比较合理，此时蓄水池液位波动小，蓄水池液位变化很大，蓄水池调蓄能力充分发挥出来了。

需要强调的是，本发明所述的实例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明不限于具体实施方式中所述的实例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，不脱离本发明宗旨和范围的，不论是修改还是替换，同样属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种区域性加压泵站进水流量调度方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1：基于同一时间的历史用水量数据预测出未来调度周期内各个时间的用水量；

S2：根据预测出的用水量计算平均预测用水量，并基于所述平均预测用水量识别所述未来调度周期内的用水量高峰期或是用水量低谷期；

其中，预测用水量高于平均预测用水量时属于用水量高峰期；预测用水量低于或等于平均预测用水量时属于用水量低谷期；

S3：按照用水量高峰期和用水量低谷期的进水流量调节规律控制在各个用水量高峰期和用水量低谷期内加压泵站进水流量；

所述加压泵站内进水阀一端连通蓄水池，另一端连通总管网；

其中，按照预设调节频率将各个用水量高峰期和用水量低谷期均分为J个小时段，J为正整数，所述进水流量调节规律为：

处于用水量低谷期时，用水量低谷期内小时段的加压泵站进水流量的计算公式为：

处于用水量高峰期时，用水量高峰期内小时段的加压泵站进水流量的计算公式为：

式中，M_ij为用水量高峰期或用水量低谷期内第j个小时段T_ij内加压泵站进水流量，N_ij表示小时段T_ij时段的预测用水量；V_ij表示低谷期内小时段T_ij开始时蓄水池的剩余容量，V_ij ^*表示高峰期内小时段T_ij开始时蓄水池的可用水量；Vmax、Pmin分别为低谷期内进水阀最大流量值、高峰期进水阀最小流量值，所述低谷期进水阀最大流量值Vmax大于或等于平均预测用水量，所述高峰期进水阀最小流量值Pmin小于或等于平均预测用水量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述低谷期进水阀最大流量值Vmax的取值范围为[N，4N/3]；所述高峰期进水阀最小流量值Pmin的取值范围为[2N/3，N]，其中，N为平均预测用水量。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S1中未来调度周期内各个时间的用水量获取过程如下：

首先，采集同一时间的历史用水量数据，并基于时间先后顺序将采集的历史用水量数据组成待预测时间的历史用水量序列；

其次，基于所述待预测时间的历史用水量序列按照如下公式计算出待预测时段的用水量；

式中，y_t、分别表示待预测时间的历史用水量序列中排第t期的历史用水量实际值、用水量预测值，y₁、分别表示待预测时间的历史用水量序列中排第一期的历史用水量实际值、用水量预测值；λ为平滑系数。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S1中以一小时为单位计算未来调度周期内每小时的用水量。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：步骤S3预设调节频率为每小时调节f次，f的取值范围为[1,3]，其中，J＝T×f，T为用水量高峰期或用水量低谷期的时长。