CN110414712A - 服务于控制漏损的供水管网优化调度模型建立方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种服务于控制漏损的供水管网优化调度模型建立方法，属于城市供水管网优化调度技术领域，包括：1)将管网供水量分为各用水点的实际需水量与漏损水量两部分，先不考虑漏损水量，以实际需水量作为各节点初始需水量设置；2)建立供水管网直接优化调度模型，运用遗传算法求解当前需水量条件下管网的优化运行方案；3)计算当前方案下管网的漏损水量，得到当前管网的漏损量及漏损率；4)分配各管段漏损水量至管段关联节点，更新节点需水量；5)比较漏损水量变化，当相邻变化值小于允许变化值时，终止计算，输出优化方案，否则返回2)，对节点需水量更新后的管网进行2)至5)的步骤，循环，直至漏损水量变化值满足允许变化值要求。

Description

服务于控制漏损的供水管网优化调度模型建立方法

技术领域

本发明涉及城市供水管网优化调度技术领域，具体地说，涉及一种服务于控制漏损的供水管网优化调度模型建立方法。

背景技术

供水管网监测点布置是指在供水管网中安装一定数量的压力、流量传感器，用于管网模型率定，运行工况检测、压力管理，为管网调度分析提供数据支持。目前关于供水管网监测点优化布置主要包括模糊聚类和灵敏度分析两类。

供水管网的优化调度即在保证供水水量、水压、水质要求的前提下，依据管网运行状态数据，制定出科学、合理的运行调度方案，降低运行费用的同时提高供水可靠性，并且得到良好的经济和社会效益。

随着国内地理信息系统、在线监测系统的建立健全，从实际具体的管网出发，利用管网区域的基础资料等，建立供水管网的水力模型并进行优化调度模型的研究与应用，对于水务公司的科学现代化管理起着尤为重要的作用。

目前对于供水管网优化调度主要分为直接优化调度和间接优化调度，其中直接优化调度可行性更强。

最开始，学者将优化问题转化为拉格朗日对偶问题，采用动态规划进行求解，后不断涌现在分解协调法、水泵特性曲线、目标函数、水龄约束等上做出的改进。

二十一世纪之后，智能算法不断被应用求解优化调度问题，遗传算法、多目标进化算法(SPEA2)、NSGA-П、POS算法等都被应用于管网优化计算。学者们不断在算法、计算时长上做出改进，但是以上的目标函数都只局限于泵站运行费用的极小化，没有考虑到漏损方面造成的经济损失，而管网漏损也是目前国内供水管网运行管理的一大突出问题，其造成的经济损失不容乐观，也应考虑在管网优化运行方案的控制目标之内。

发明内容

本发明的目的为提供一种服务于控制漏损的供水管网优化调度模型建立方法，通过遗传算法用于直接优化调度模型的求解，得到管网优化运行方案，以更好地降低管网管段压力，减少管网漏损水量。

为了实现上述目的，本发明提供的服务于控制漏损的供水管网优化调度模型建立方法包括以下步骤：

1)初始化需水量，设置供水管网当前的供水量，以各用水点实际需水量部分作为管网各节点初始需水量进行设置；

供水管网当前的供水量，主要分为有效供水量即各用水点的实际需水量与管网漏损水量两部分。首先不考虑管网漏损水量部分，以各用水点的实际需水量q_{i_actual}部分作为管网各节点初始需水量。

2)根据分配的管网各节点需水量，建立供水管网直接优化调度模型，运用遗传算法求解当前需水量条件下的供水管网优化运行方案；

应用直接优化调度模型，运用遗传算法求解当前需水量条件下的管网优化运行方案，以最小化水厂泵站电耗费用与管网漏损水量费用之和为目标函数，前半部分为电耗费用，后半部分为漏损费用，如下式所示：

式中：Q_ij——i泵站j号水泵的供水量；

H_ij——i泵站j号水泵的出水扬程；

η_ij——i泵站j号水泵的效率系数，包括水泵效率和电机效率；

C_i——i泵站的电耗系数，等于电价乘以换算系数；

n——泵站总数；

p——i泵站水泵总数；

ω——水价系数，等于水价乘以换算系数；

M——管网管段总数；

l_m——管段m管长；

B_m——管段漏损系数；

h_fm——管段起始节点的压力；

h_tm——管段终止节点的压力；

α——管段漏损指数。

同时，供水管网直接优化调度模型建立的约束条件如下：

管网水力平衡约束：G(H,Q)＝0；

各水厂泵站供水能力约束：Q_i,min≤Q_i≤Q_i,max；

式中：Q_i,min——i泵站允许最小供水量；

Q_i——i泵站供水量；

Q_i,max——i泵站允许最大供水量；

水泵供水能力约束：

QP_ij,min≤QP_ij≤QP_ij,max

HP_ij,min≤HP_ij≤HP_ij,max

式中：QP_ij,min、HP_ij,min——i泵站j号水泵允许最小供水量、最低扬程；

QP_ij、HP_ij——i泵站j号水泵供水量、扬程；

QP_ij,max、HP_ij,max——i泵站j号水泵允许最大供水量、最高扬程；

水泵数量约束：

NP_i,min≤NP_i≤NP_i,max

式中：NP_i,min——i泵站允许最少开泵数量；

NP_i——i泵站开泵数量；

NP_i,max——i泵站允许最多开泵数量；

变速泵转速约束：

S_i,min≤S_i≤S_i,max

式中：S_i,min——i变速泵最低转速；

S_i——i变速泵转速；

S_i,max——i变速泵最大转速；

用户节点压力约束：

H_k,min≤H_k≤H_k,max

式中：H_k,min——第k节点允许最小压力；

H_k——第k个节点压力；

H_k,max——第k节点允许最大压力。

3)根据步骤2)的供水管网优化运行方案，对在此运行方案下各管段漏损水量和管网总漏损水量进行计算评估，得到当前管网的漏损量及漏损率；

各管段漏损水量q_m-leak的计算公式如下：

其中：

B_m——管段漏失系数，其值由已知的管网现有漏损率和节点水头反算得出；

α——管网漏失指数，可取1.18；

管网总漏损水量Q_leak为各管段漏损水量之和，此时管网总需水量Q_total等于总漏损水量Q_leak与实际总需水量Q_actual之和，即

Q_total＝Q_leak+Q_actual

管网漏损率即为当前漏损水量与总需水量的比值，即：

4)将步骤3)得到的各管段漏损水量分配至管段相关联的节点，更新管网各节点需水量；管网各节点漏损水量q_i-leak为关联管段漏损水量之和的一半，即：

q_{i_leak}＝0.5∑q_{m_leak}

当前节点需水量q_{i_current}更新为：

5)比较相邻两次供水管网优化运行方案中管网总漏损水量变化，当相邻变化值|Q_{i_leak}-Q_{i-1_leak}|即|Q_{i_total}-Q_{i-1_total}|小于允许变化值Q_allow时，终止计算，输出当前优化方案，否则进行步骤6)；

6)返回步骤2)，对各节点需水量更新后的管网进行步骤2)至步骤5)的操作，循环直至总漏损水量相邻变化值小于允许变化值，设置相邻变化值的允许变化值为1L/s，即当|Q_{i_leak}-Q_{i-1_leak}|＜1L/s，|Q_{i_total}-Q_{i-1_total}|＜1L/s时，认为可跳出循环。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明的服务于控制漏损的供水管网优化调度模型建立方法，构建了同时考虑水厂运行能耗与管网漏损水量的目标函数，通过需水量初始化、漏损水量评估、更新需水量等一系列循环操作，应用遗传算法求解优化调度模型，最终产生优化调度方案，有效地降低了运行能耗，并达到降低管网管段压力、减少管网漏损水量的作用。

附图说明

图1为本发明实施例的服务于控制漏损的供水管网优化调度模型建立方法的线框流程图；

图2为本发明实施例的服务于控制漏损的供水管网优化调度模型建立方法中的H市供水管网图；

图3为经过考虑漏损的供水管网优化调度之后最不利监测点优化调度前后压力对比图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。

实施例

参见图1，本实施例的服务于控制漏损的供水管网优化调度模型建立方法的具体步骤如下：

步骤S100、初始化需水量。

如图2所示，本实施例以H市为例，共有水源水厂3个，节点2228个，管段2607个，水厂流量及出厂压力已知如表1。

表1初始方案下各水厂流量、压力

水厂编号	1	2	3
				流量(L/s)	2249	369	430
压力(m)	27.4	29.2	25.1

根据水厂供水量和管网监测点信息，应用节点用水量反演算法，计算得到各节点需水量；根据H市的相关统计报告，现状漏损率为22％，节点各时段初始需水量即实际需水量设置为原始需水量的78％，利用EPANET工具箱对各节点的需水量进行初始重新设定。

步骤S200、优化调度模型应用。

应用直接优化调度模型，运用遗传算法求解当前需水量条件下的管网优化运行方案，以最小化水厂泵站电耗费用与管网漏损水量费用之和为目标函数，前半部分为电耗费用，后半部分为漏损费用，如下式所示：

步骤S300、评估当前漏损量/漏损率。

对在步骤2后得到的当前优化方案下管网的漏损水量进行计算评估，并求得当前漏损率。

管网总漏损水量Q_leak为各管段漏损水量之和，如下式：

此时管网总需水量Q_total等于总漏损水量Q_leak与实际总需水量Q_actual之和：

Q_total＝Q_leak+Q_actual

管网漏损率即为当前漏损水量与总需水量的比值：

步骤S400、节点需水量更新。

将漏损水量分配至各管段关联节点，以更新需水量。节点漏损水量q_i-leak为关联管段漏损水量和的一半：

q_{i_leak}＝0.5∑q_{m_leak}

当前节点需水量q_{i_current}更新为：

q_{i_current}＝q_{i_leak}+q_{i_actual}

步骤S500、比较漏损水量变化。

计算相邻漏损水量变化值|Q_{i_leak}-Q_{i-1_leak}|即|Q_{i_total}-Q_{i-1_total}|，对漏损水量允许变化值Q_allow设定为1L/s，即循环跳出条件为：

|Q_{i_leak}-Q_{i-1_leak}|<1L/s

|Q_{i_total}-Q_{i-1_total}|<1L/s

当循环跳出时，输出当前优化方案，否则返回步骤2，对节点需水量更新后的供水管网进行步骤2至步骤5的操作，循环，直至满足循环跳出条件。最终优化方案下各水厂流量、压力情况如下表2。

表2优化方案下各水厂流量、压力

水厂编号	1	2	3
				流量(L/s)	1274.52	424.42	1223.08
压力(m)	25.66	26.41	26.46

初始方案与最终优化方案供水总量对比情况如下表3。

表3供水总量对比情况

初始方案与最终优化方案电耗对比情况如下表4。

表4电耗对比情况

并得到最不利监测点优化调度前后压力对比图如图3

考虑漏损的供水管网优化调度模型的建立可以通过寻求优化方案，降低水厂供水压力，对管网压力起到降低和均衡作用，以达到减少管段漏损水量的目的，减少原有实际方案的供水量，并同时取得显著的节能降耗效果。

Claims (7)

1.一种服务于控制漏损的供水管网优化调度模型建立方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)初始化需水量，设置供水管网当前的供水量，以各用水点实际需水量部分作为管网各节点初始需水量进行设置；

2)根据分配的管网各节点需水量，应用供水管网直接优化调度模型，运用遗传算法求解当前需水量条件下的供水管网优化运行方案；

3)根据步骤2)的供水管网优化运行方案，对在此运行方案下各管段漏损水量和管网总漏损水量进行计算评估，得到当前管网的漏损量及漏损率；

4)将步骤3)得到的各管段漏损水量分配至管段相关联的节点，更新管网各节点需水量；

5)比较相邻两次供水管网优化运行方案中管网总漏损水量变化，当相邻变化值小于允许变化值时，终止计算，输出当前优化方案，否则进行步骤6)；

6)返回步骤2)，对各节点需水量更新后的管网进行步骤2)至步骤5)的操作，循环直至总漏损水量相邻变化值小于允许变化值。

2.根据权利要求1所述的服务于控制漏损的供水管网优化调度模型建立方法，其特征在于，步骤1)中，供水管网当前的供水量分为各用水点实际需水量部分和管网漏损水量部分，其中，各用水量实际需水量计算步骤如下：

1-1)根据水厂供水量和管网监测点信息，应用节点用水量反演算法，计算得到各节点需水量；

1-2)根据管网当前漏损率，将步骤1-1)计算得到的各节点需水量均按该漏损率扣除漏损水量，得到各节点实际需水量q_{i_actual}。

3.根据权利要求1所述的服务于控制漏损的供水管网优化调度模型建立方法，其特征在于，步骤2)中，供水管网直接优化调度模型建立的目标函数如下：

以最小化水厂泵站电耗费用与管网漏损水量费用之和为目标函数，前半部分为电耗费用，后半部分为漏损费用，其中：

Q_ij——i泵站j号水泵的供水量；

H_ij——i泵站j号水泵的出水扬程；

η_ij——i泵站j号水泵的效率系数，包括水泵效率和电机效率；

C_i——i泵站的电耗系数，等于电价乘以换算系数；

n——泵站总数；

p——i泵站水泵总数；

ω——水价系数，等于水价乘以换算系数；

M——管网管段总数；

l_m——管段m管长；

B_m——管段漏损系数；

h_fm——管段起始节点的压力；

h_tm——管段终止节点的压力；

α——管段漏损指数。

4.根据权利要求3所述的服务于控制漏损的供水管网优化调度模型建立方法，其特征在于，供水管网直接优化调度模型建立的约束条件如下：

管网水力平衡约束：G(H,Q)＝0；

各水厂泵站供水能力约束：Q_i,min≤Q_i≤Q_i,max；

式中：Q_i,min——i泵站允许最小供水量；

Q_i——i泵站供水量；

Q_i,max——i泵站允许最大供水量；

水泵供水能力约束：

QP_ij,min≤QP_ij≤QP_ij,max

HP_ij,min≤HP_ij≤HP_ij,max

式中：QP_ij,min、HP_ij,min——i泵站j号水泵允许最小供水量、最低扬程；

QP_ij、HP_ij——i泵站j号水泵供水量、扬程；

QP_ij,max、HP_ij,max——i泵站j号水泵允许最大供水量、最高扬程；水泵数量约束：

NP_i,min≤NP_i≤NP_i,max

式中：NP_i,min——i泵站允许最少开泵数量；

NP_i——i泵站开泵数量；

NP_i,max——i泵站允许最多开泵数量；

变速泵转速约束：

S_i,min≤S_i≤S_i,max

式中：S_i,min——i变速泵最低转速；

S_i——i变速泵转速；

S_i,max——i变速泵最大转速；

用户节点压力约束：

H_k,min≤H_k≤H_k,max

式中：H_k,min——第k节点允许最小压力；

H_k——第k个节点压力；

H_k,max——第k节点允许最大压力。

5.根据权利要求1所述的服务于控制漏损的供水管网优化调度模型建立方法，其特征在于，步骤3)中，各管段漏损水量q_m-leak的计算公式如下：

其中：

B_m——管段漏失系数，其值由已知的管网现有漏损率和节点水头反算得出；

α——管网漏失指数，可取1.18；

管网总漏损水量Q_leak为各管段漏损水量之和，此时管网总需水量Q_total等于总漏损水量Q_leak与实际总需水量Q_actual之和，即

Q_total＝Q_leak+Q_actual

管网漏损率即为当前漏损水量与总需水量的比值，即：

。

6.根据权利要求1所述的服务于控制漏损的供水管网优化调度模型建立方法，其特征在于，步骤4)中，管网各节点漏损水量q_i-leak为关联管段漏损水量之和的一半，即：

q_{i_leak}＝0.5∑q_{m_leak}

当前节点需水量q_{i_current}更新为：

。

7.根据权利要求1所述的服务于控制漏损的供水管网优化调度模型建立方法，其特征在于，步骤5)中，设置相邻变化值的允许变化值为1L/s。