CN113152595A - 一种变频恒压供水系统及其节能控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变频恒压供水系统及其节能控制方法，首先，系统初始化，所述控制器执行结合比例、积分和微分三种环节于一体的控制算法PID算法，改变水泵电机的转速，直至系统进入稳态工作区间；然后，控制器执行流量估算算法，计算每台水泵的输出流量和出水口的总流量；控制器执行寻优算法，按照系统的数学模型，寻找当前系统工况的最佳启泵数目和每台水泵最佳的转速；最后，控制器计算优化方案所需的系统功率与稳态运行系统消耗的功率进行比较，执行功率消耗较小的方案。通过流量估算算法预测出水处的流量，不需使用流量计，有效降低系统成本；通过寻优算法可寻找到最佳的启泵方案，进一步的降低系统的能耗。

Description

一种变频恒压供水系统及其节能控制方法

技术领域

本发明涉及变频恒压供水系统技术领域，尤其是涉及一种变频恒压供水 系统及其节能控制方法。

背景技术

变频恒压供水是目前国内广泛采用的一种节能供水模式，与传统供水设 备相比，具有实时性好，供水稳定，避免水源二次污染等特点。变频恒压供 水模式根据特定工作状态流量和扬程的需求，设计选配投入运行的水泵；通 过改变水泵电机的转速使供水设备出水口处的压力保持恒定，实现满足供水 要求的目的。

目前，变频恒压供水系统多采用PID恒压控制方式，控制启泵台数和水 泵电机的转速达到系统稳压的目的。恒压供水设备通常由多台水泵组成，常 规控制策略是：水压过低时，启动第一台水泵，通过变频器逐渐增大水泵电 机的转速，直到满足系统工况为止；若第一台水泵满转速运行仍不能满足系 统的工况要求，再启动第二台泵，以此类推。水压过大时，通过逐步降低一 台水泵的频率，降至最低运行频率则关闭该台水泵。根据水泵运行特性，同 一个工况点泵组可能存在着多种运行状态。常规控制策略没有考虑水泵组的 运行特性，难以保障系统处于良好的运行状态，节能效果和运行状态有待进 一步改善。

发明内容

鉴于现有技术存在的不足之处，本发明提供的一种变频恒压供水系统及 其节能控制方法，可实现恒压供水设备的水压稳定可靠运行，同时进一步降 低系统的能耗，提高系统运行效率。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：一种变频恒压供水系统，包括 进水口和出水口，在所述进水口和所述出水口之间安装有并联泵组，所述并 联泵组通过水泵电机和变频器连接；所述变频器和控制器通过现场总线通信 连接；所述进水口和所述出水口分别安装压力传感器，所述压力传感器用于 测量管网的实时压差；所述压力传感器和所述控制器通信连接。

进一步的，所述并联泵组包括至少两台水泵，每台所述水泵均配备一台 所述变频器。

进一步的，所述出水口处还设有稳压罐，所述稳压罐用于减小水压波动。

一种变频恒压供水系统的节能控制方法，所述方法包括以下步骤：

第一步，系统初始化，所述控制器执行结合比例、积分和微分三种环节 于一体的控制算法PID算法，改变水泵电机的转速，进而满足用户的用水扬程 需求，直至系统进入系统稳定工作状态区间；其中，所述控制器判断系统是 否处于稳定工作状态，如果是进入第二步；否则，执行第一步；

第二步，所述控制器执行流量估算算法，计算每台所述水泵的输出流量 和所述出水口的总流量；

第三步，所述控制器执行寻优算法，按照系统的数学模型，寻找当前系 统工况的最佳启泵数目和每台所述水泵最佳的转速；

第四步，第四步，所述控制器计算优化方案所需的系统功率与稳态运行 系统消耗的功率进行比较，执行功率消耗较小的优化方案。

进一步的，所述第二步，所述控制器执行流量估算算法，计算每台水泵 的输出流量和出水口的总流量具体包括以下步骤：

步骤1，所述控制器读取所述进水口、所述出水口的压力值P₁、P₂，计算 稳定工作状态下系统的扬程，具体为：

ρ是水的密度，g是重力加速度，每台水泵的输出扬程为： H_i＝H_sys，下标i表示第i台；

步骤2，所述控制器读取每台所述变频器的输出频率f_i，计算调速比

f_N为额定频率；

步骤3，根据系统预置的每台所述水泵的扬程流量特性，计算每台所述水 泵输出的流量

其中，a_1i、a_2i、a_3i为已知系数， k_i为调速比；

步骤4，计算系统出水口处的总流量

进一步的，所述第三步，控制器执行寻优算法，按照系统的数学模型， 寻找当前系统工况的最佳启泵数目和每台水泵最佳的转速，具体为：

所述控制器读取当前每台所述变频器的输出功率P_i，所述控制器执行寻 优算法，记录寻优算法的结果；所述寻优算法采用改进差分进化算法，求解 最优的启泵方案和对应每台泵的最优调速比；

优化方案所需的系统功率P_opti，记录优化方案的每台水泵的调速比为 k_i·opti；以系统消耗的功率最小为目标，构建数学模型；根据系统工作的实际 情况设置数学模型的约束条件，使得所述并联泵组输出满足系统需求，同时 使每台水泵在高效流量区间运行。

进一步的，所述第四步，控制器计算优化方案所需的系统功率与稳态运 行系统消耗的功率进行比较，执行功率消耗较小的方案，具体为：

判断是否满足P_opti＜P_stead，如果是，执行下一步骤；否则执行所述步骤1， 保持当前运行方案；

计算每台变频器的最佳输出频率f_i·opti，所述控制器通过现场总线方式发 送每台所述变频器的最佳输出频率f_i·opti至对应变频器；当f_i·opti＝k_i·opti·f_N时，系 统执行优化控制方案。

进一步的，所述约束条件包括总流量约束、转速比约束、单泵扬程约束 和单泵流量约束，其数学模型如下：

其中，下标i表示第i台泵，P_i表示第i台泵的输出功率，Q_min、Q_max分别 表示当前调速比下水泵工作在高效流量区的最小、最大流量，其中b_0·i、b_1·i、b_2·i为已知系数。

进一步的，所述的系统稳定工作状态定义为：以T_s为采样周期计算N个采 样周期出水口处压力的平均值

与预设压力值P_set作比较，当满足

时，认为系统处于稳态工作区间。

进一步的，所述的寻优算法采用的所述差分进化算法，其主要流程包括 初始化种群、变异操作、交叉和选择步骤，其中，所述寻优算法的适应度函 数定义为：

其中，σ₁、σ₂、σ₃、σ₄是惩罚因子，W₁、W₂、W₃、W₄是罚函数，

本发明的有益效果：本发明实施例的一种变频恒压供水系统及其节能控 制方法，包括进水口和出水口，在所述进水口和所述出水口之间安装有并联 泵组，所述并联泵组通过水泵电机和变频器连接；所述变频器和控制器通过 现场总线通信连接；所述进水口和所述出水口分别安装压力传感器，所述压 力传感器用于测量官网的实时压差；所述压力传感器和所述控制器通信连接； 所述变频恒压供水系统的节能控制方法：首先，系统初始化控制器执行PID 算法，改变水泵电机的转速，直至系统进入稳态工作区间；然后，控制器执 行流量估算算法，计算每台水泵的输出流量和出水口的总流量；控制器执行 寻优算法，按照系统的数学模型，寻找当前系统工况的最佳启泵数目和每台 水泵最佳的转速；最后，控制器计算优化方案所需的系统功率与稳态运行系 统消耗的功率进行比较，执行功率消耗较小的方案。通过流量估算算法预测 出水处的流量，不需使用流量计，有效降低系统成本；通过寻优算法可寻找 到最佳的启泵方案，进一步的降低系统的能耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实 施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面 描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲， 在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的一种变频恒压供水系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种变频恒压供水系统的具体实施方式中的 结构图；

图3为本发明实施例提供的一种变频恒压供水系统的节能控制方法的步 骤流程图；

图4为本发明实施例提供的是本发明实施例提出的节能优化控制策略的 流程图；

图5为本发明实施例提供的差分进化算法的流程图；

图6为本发明提出的节能控制方法与常规PID控制方法节能效果对比图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种变频恒压供水系统及其节能控制方法，可实现 恒压供水设备的水压稳定可靠运行，同时进一步降低系统的能耗，提高系统 运行效率。

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将 结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整 地描述，显然，下面所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而非全部的 实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳 动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

请参考图1，图1为本发明实施例的一种变频恒压供水系统的示意图，如 图1所示，一种变频恒压供水系统，包括进水口和出水口，在所述进水口和 所述出水口之间安装有并联泵组，所述并联泵组通过水泵电机和变频器连接； 所述变频器和控制器通过现场总线通信连接；所述进水口和所述出水口分别 安装压力传感器，所述压力传感器用于测量管网的实时压差；所述压力传感 器和所述控制器通信连接。

具体的，设计了一种变频恒压供水系统，变频恒压供水系统主要包括进 水口、出水口、控制器、变频器、并联泵组、稳压罐、开关阀门以及压力传 感器等组成。进水口和出水口分别安装压力传感器测量管网实时的压差，与 预设的期望压差比较。控制器控制变频器、压力传感器，通过流量估算算法 预测出水处的流量，不需使用流量计，有效降低系统成本；通过寻优算法可 寻找到最佳的启泵方案，进一步的降低系统的能耗。

进一步的，所述并联泵组包括至少两台水泵，每台所述水泵均配备一台 所述变频器。

具体的，并联泵组由两台或者多台水泵组成，每一台水泵分别配备一台 变频器，水泵驱动电机与变频器连接，变频器和控制器通过现场总线方式实 现相互间信息的传递。

进一步的，所述出水口处还设有稳压罐，所述稳压罐用于减小水压波动。

具体的，在出水口处设有稳压罐用于减小水压波动。

进一步的，一种变频恒压供水系统的节能控制方法，所述方法包括以下 步骤：如图3所示，

步骤S1：第一步，系统初始化，所述控制器执行结合比例、积分和微分 三种环节于一体的控制算法PID算法，改变水泵电机的转速，进而满足用户的 用水扬程需求，直至系统进入系统稳定工作状态区间；其中，所述控制器判 断系统是否处于稳定工作状态，如果是进入第二步；否则，执行第一步；

步骤S2：第二步，所述控制器执行流量估算算法，计算每台所述水泵的 输出流量和所述出水口的总流量；

步骤S3：第三步，所述控制器执行寻优算法，按照系统的数学模型， 寻找当前系统工况的最佳启泵数目和每台所述水泵最佳的转速；

步骤S4：第四步，所述控制器计算优化方案所需的系统功率与稳态运 行系统消耗的功率进行比较，执行功率消耗较小的优化方案。

具体的通过以上四个步骤，并通过流量估算算法预测出水处的流量， 不需使用流量计，有效降低系统成本；通过寻优算法可寻找到最佳的启泵方 案，进一步的降低系统的能耗。

在具体的实施例中，以3台水泵的变频恒压供水系统为例，如图2所示，

首先，第一步，系统初始化，所述控制器执行常规PID算法，改变水泵 电机的转速，进而满足用户的用水扬程需求，直至系统进入稳态工作区间； 其中，所述控制器判断系统是否处于稳定工作状态，如果是进入所述第二步； 否则，执行所述第一步。

然后，第二步，控制器执行流量估算算法，计算每台水泵的输出流量和 出水口的总流量具体包括以下步骤：

步骤1，所述控制器读取所述进水口、所述出水口的压力值P₁、P₂，计算 稳定工作状态下系统的扬程，具体为：

ρ是水的密度，g是重力加速度，每台水泵的输出扬程为： H_i＝H_sys，下标i表示第i台；

步骤2，所述控制器读取每台所述变频器的输出频率f_i，分别记作 f₁、f₂、f₃；计算调速比

f_N为额定频率；

根据公式

计算每台水泵的调速比k₁、k₂、k₃；

步骤3，根据系统预置的每台所述水泵的扬程流量特性，计算每台所述水 泵输出的流量

其中，a_1i、a_2i、a_3i为已知系数， k_i为调速比；以3台水泵的变频恒压供水系统为例：

计算每台泵的输出流量Q₁、Q₂、Q₃；

其中a_1i、a_2i、a_3i为水泵的扬程流量特性系数， 本文中下标i表示第i台水泵，i＝1,2,3；

计算系统出水口处的总流量

具体的，计算系统出水口处的总 流量Q_sys＝Q₁+Q₂+Q₃。

进一步的，如图4所示，之后第三步，控制器执行寻优算法，按照系统 的数学模型，寻找当前系统工况的最佳启泵数目和每台水泵最佳的转速，具 体为：

所述控制器读取当前每台所述变频器的输出功率P_i，所述控制器执行寻 优算法，记录寻优算法的结果；所述寻优算法采用改进差分进化算法，求解 最优的启泵方案和对应每台泵的最优调速比；

优化方案所需的系统功率P_opti，记录优化方案的每台水泵的调速比为 k_i·opti；以系统消耗的功率最小为目标，构建数学模型；根据系统工作的实际 情况设置数学模型的约束条件，使得所述并联泵组输出满足系统需求，同时 使每台水泵在高效流量区间运行。

具体为，控制器读取当前每台变频器的输出功率，分别记作P₁、P₂、P₃。 控制器执行寻优算法，记录寻优算法的结果。优化方案所需的系统功率P_opti， 记录优化方案的每台水泵的调速比为k_1·opti、k_2·opti、k_3·opti。

进一步的，执行第四步，控制器计算优化方案所需的系统功率与稳态运 行系统消耗的功率进行比较，执行功率消耗较小的方案，具体为：

判断是否满足P_opti＜P_stead，如果是，执行下一步骤；否则执行所述步骤1， 保持当前运行方案；

计算每台变频器的最佳输出频率f_i·opti，所述控制器通过现场总线方式发 送每台所述变频器的最佳输出频率f_i·opti至对应变频器；当f_i·opti＝k_i·opti·f_N时，系 统执行优化控制方案。

进一步的，所述约束条件包括总流量约束、转速比约束、单泵扬程约束 和单泵流量约束，其数学模型如下：

其中，下标i表示第i台泵，P_i表示第i台泵的输出功率，Q_min、Q_max分别 表示当前调速比下水泵工作在高效流量区的最小、最大流量，其中b_0·i、b_1·i、b_2·i为已知系数。

进一步的，所述的系统稳定工作状态定义为：以T_s为采样周期计算N个采 样周期出水口处压力的平均值

与预设压力值P_set作比较，当满足

时，认为系统处于稳态工作区间。

进一步的，所述的寻优算法采用的所述差分进化算法，其主要流程包括 初始化种群、变异操作、交叉和选择步骤，其中，所述寻优算法的适应度函 数定义为：

其中，σ₁、σ₂、σ₃、σ₄是惩罚因子，W₁、W₂、W₃、W₄是罚函数，

具体的，差分进化算法对系统的数学模型进行寻优计算，差分进化算法 是一种简单、高效、快速的全局搜索进化算法，不依赖问题的特征信息，借 助种群个体之间的差分信息对个体形成扰动来搜索整个种群空间，并利用贪 婪机制进行优化，寻求问题的最优解。

图5是差分进化算法的流程图，主要流程包括初始化种群、变异、交叉 和选择操作。

以罚函数和惩罚因子的乘积的形式附加在目标函数上，将约束问题转化 为无约束问题。寻优算法的适应度函数为：

其中，σ₁、σ₂、σ₃、σ₄是惩罚因子，W₁、W₂、W₃、W₄是罚函数，下标i分别 表示第i台泵，本例中m＝3。

其中，初始化种群：种群初始化采用均匀分布的随机函数来生成，初代 的第个个体的第维参数值如下：x_j,i,0＝rand_j(0,1)·(a_j,U-a_j,L)+a_j,U

式中，为[0,1]之间的随机数；是分别是个体的第维度最大、最小边 界值。本实施例的个体由9维，表达式如下：X＝[s₁；k₁；Q₁；s₂；k₂；Q₂；s₃；k₃；Q₃]

变异操作：在进化的每一代，每个目标个体通过变异操作保持种群的多 样性。变异算子采用DE/rand/2方式生成：V_i＝X_r1+F(X_r2-X_r3)+F(X_r4-X_r5)

式中，V_i是变异向量；F是缩放因子；r₁≠r₂≠r₃≠r₄≠r₅≠i为种群中随机 选择的5个个体。

交叉操作：采用二项式杂交，杂交算子把通过变异算子产生变异向量V_i与 父个体向量X_i进行离散杂交得到向量U_i。

式中，CR是交叉概率。

选择操作：通过变异和交叉操作产生子群体后，采用一对一选择算子将 子个体与相应的父个体进行比较，选自适应度较优的保存到下一代群体中。

本实施例中，供水系统由3台不同的水泵组成，所以系统有7种启泵方 案，即s₁s₂s₃＝001、010、100、011、101、110、111。运用差分进化算法对7种方案进行 寻优计算，选择适应度最小的方案，并记录此方案的最优调速比 k_1·opti、k_2·opti、k_3·opti和最优功率P_opti。

图6是本发明具体实施方式中采用节能控制方法与常规PID控制方法的 功率对比图，可以看出节能控制方法所消耗的功率低于常规PID控制方法， 但是在高流量段两者所消耗的功率基本一致。

综上所述，本发明实施例的一种变频恒压供水系统及其节能控制方法， 包括进水口和出水口，在所述进水口和所述出水口之间安装有并联泵组，所 述并联泵组通过水泵电机和变频器连接；所述变频器和控制器通过现场总线 通信连接；所述进水口和所述出水口分别安装压力传感器，所述压力传感器 用于测量官网的实时压差；所述压力传感器和所述控制器通信连接；所述变 频恒压供水系统的节能控制方法：首先，系统初始化控制器执行常规PID算 法，改变水泵电机的转速，直至系统进入稳态工作区间；然后，控制器执行 流量估算算法，计算每台水泵的输出流量和出水口的总流量；控制器执行寻 优算法，按照系统的数学模型，寻找当前系统工况的最佳启泵数目和每台水 泵最佳的转速；最后，控制器计算优化方案所需的系统功率与稳态运行系统 消耗的功率进行比较，执行功率消耗较小的方案。通过流量估算算法预测出 水处的流量，不需使用流量计，有效降低系统成本；通过寻优算法可寻找到 最佳的启泵方案，进一步的降低系统的能耗。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制； 尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应 当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其 中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案 的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种变频恒压供水系统，其特征在于，包括进水口和出水口，在所述进水口和所述出水口之间安装有并联泵组，所述并联泵组通过水泵电机和变频器连接；所述变频器和控制器通过现场总线通信连接；所述进水口和所述出水口分别安装压力传感器，所述压力传感器用于测量管网的实时压差；所述压力传感器和所述控制器通信连接。

2.根据权利要求1所述的变频恒压供水系统，其特征在于，所述并联泵组包括至少两台水泵，每台所述水泵均配备一台所述变频器。

3.根据权利要求1所述的变频恒压供水系统，其特征在于，所述出水口处还设有稳压罐，所述稳压罐用于减小水压波动。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的一种变频恒压供水系统的节能控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

第一步，系统初始化，所述控制器执行结合比例、积分和微分三种环节于一体的控制算法PID算法，改变水泵电机的转速，进而满足用户的用水扬程需求，直至系统进入系统稳定工作状态区间；其中，所述控制器判断系统是否处于稳定工作状态，如果是进入第二步；否则，执行第一步；

第二步，所述控制器执行流量估算算法，计算每台所述水泵的输出流量和所述出水口的总流量；

第三步，所述控制器执行寻优算法，按照系统的数学模型，寻找当前系统工况的最佳启泵数目和每台所述水泵最佳的转速；

第四步，所述控制器计算优化方案所需的系统功率与稳态运行系统消耗的功率进行比较，执行功率消耗较小的优化方案。

5.根据权利要求4所述的变频恒压供水系统的节能控制方法，其特征在于，所述第二步，控制器执行流量估算算法，计算每台水泵的输出流量和出水口的总流量具体包括以下步骤：

步骤1，所述控制器读取所述进水口、所述出水口的压力值P₁、P₂，计算稳定工作状态下系统的扬程，具体为：

ρ是水的密度，g是重力加速度，每台水泵的输出扬程为：H_i＝H_sys，下标i表示第i台；

步骤2，所述控制器读取每台所述变频器的输出频率f_i，计算调速比

f_N为额定频率；

步骤3，根据系统预置的每台所述水泵的扬程流量特性，计算每台所述水泵输出的流量

其中，a_1i、a_2i、a_3i为已知系数，k_i为调速比；

步骤4，计算系统出水口处的总流量

6.根据权利要求4所述的变频恒压供水系统的节能控制方法，其特征在于，所述第三步，控制器执行寻优算法，按照系统的数学模型，寻找当前系统工况的最佳启泵数目和每台水泵最佳的转速，具体为：

所述控制器读取当前每台所述变频器的输出功率P_i，所述控制器执行寻优算法，记录寻优算法的结果；所述寻优算法采用改进差分进化算法，求解最优的启泵方案和对应每台泵的最优调速比；

所述优化方案所需的系统功率P_opti，记录所述优化方案的每台水泵的调速比为k_i·opti；以系统消耗的功率最小为目标，构建数学模型；根据系统工作的实际情况设置数学模型的约束条件，使得所述并联泵组输出满足系统需求，同时使每台水泵在高效流量区间运行。

7.根据权利要求4所述的变频恒压供水系统的节能控制方法，其特征在于，所述第四步，控制器计算优化方案所需的系统功率与稳态运行系统消耗的功率进行比较，执行功率消耗较小的方案，具体为：

判断是否满足P_opti＜P_stead，如果是，执行下一步骤；否则执行所述步骤1，保持当前运行方案；

计算每台变频器的最佳输出频率f_i·opti，所述控制器通过现场总线方式发送每台所述变频器的最佳输出频率f_i·opti至对应变频器；当f_i·opti＝k_i·opti·f_N时，系统执行优化控制方案。

8.根据权利要求6所述的节能控制方法，其特征在于，所述约束条件包括总流量约束、转速比约束、单泵扬程约束和单泵流量约束，其数学模型如下：

s.t.①

②0.6≤k_i≤1

③H_i＝a_1iQ²+a_2ik_iQ+a_3ik_i ²

④Q_minik_i＜Q_i＜Q_maxik_i

其中，下标i表示第i台泵，P_i表示第i台泵的输出功率，Q_min、Q_max分别表示当前调速比下水泵工作在高效流量区的最小、最大流量，其中b_0·i、b_1·i、b_2·i为已知系数。

9.根据权利要求4所述的变频恒压供水系统节能控制方法，其特征在于，所述的系统稳定工作状态定义为：以T_s为采样周期计算N个采样周期出水口处压力的平均值

与预设压力值P_set作比较，当满足

时，认为系统处于稳态工作区间。

10.根据权利要求6所述的变频恒压供水系统节能控制方法，其特征在于，所述的寻优算法采用的所述差分进化算法，其主要流程包括初始化种群、变异操作、交叉和选择步骤，其中，所述寻优算法的适应度函数定义为：

其中，σ₁、σ₂、σ₃、σ₄是惩罚因子，W₁、W₂、W₃、W₄是罚函数，

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