CN113705120B - 一种调水工程泵后阀最优调控方案制定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种调水工程泵后阀最优调控方案制定方法，涉及调水工程水力设施调控技术领域，该方法包括以下步骤：获取沿线流量、压力、水位以及水泵、泵后阀运行状态等水情、水力机械监测数据，率定并验证得到符合调水工程实际运行的水力学仿真模型；根据加压提水调水工程瞬变过程安全的需求，建立耦合水力学仿真模型的调水工程泵后阀优化调控模型；利用并行算法和NSGA‑Ⅱ优化算法确定并行域及求解耦合水力学仿真模型的调水工程泵后阀优化调控模型的步骤，寻求泵后阀优化调控方案集。本发明有效提高了水力学模拟模型的准确性，提高了优化调控方案的切实性、可操作性，且提高了方案制定的高效性。

Description

一种调水工程泵后阀最优调控方案制定方法

技术领域

本发明涉及调水工程水力设施调控技术领域，具体地涉及一种调水工程泵后阀最优调控方案制定方法。

背景技术

为了均衡水资源空间配置，缓解缺水地区水资源短缺，促进社会、经济以及生态等方面的协调发展，使得调水工程的建设成为必然。但由于地形地质等因素的限制，很多调水工程采用泵站加压提水的方式输水。因此，在实际运行中，不可避免的泵、阀等正常运行调度操作以及事故应急操作，都会导致复杂的水力瞬变，引起调水工程流量、管道压力、机组转速等剧烈变化。其中，系统的瞬时压力最大可能达正常稳态运行压力的数倍甚至数十倍，远远超过管道的承受能力，进而引起爆管、阀门损坏等事故；最小可能降至对应环境温度下的水体汽化压力，使得管道局部呈现真空状态，进而可能造成管道压瘪、坍塌，或引发水柱分离和弥合现象，造成严重的破坏。同时，瞬变过程还可能引发水泵倒转、振动、空化空蚀等。虽然在调水工程设计前期会形成相应的水锤防护方案，但在施工过程中又不可避免的存在一些变更，使得实际运行的工程与设计阶段存在一定的差异，设计前期形成的水锤防护方案难以完全适用。且对于水锤防护工程措施难以调整，因此，根据实际运行情况，可靠的反应工程运行状态，寻求影响加压提水调水工程压力极值以及机组转速的泵后阀最优调控方案制定方法，对有效指导调水工程调度具有重要的应用价值和科学意义。

利用优化算法结合水力学模拟模型制定泵后阀最优调控方案往往耗时长，难以满足决策的需求，因此，亟需一种利用监测数据、结合耦合水力学模型的泵后阀优化调控模型高效地制定泵后阀最优调控方案的方法。

发明内容

本发明的发明目的在于克服现有技术存在的缺点，提出设计一种调水工程泵后阀最优调控方案制定方法，以解决现有方法耗时长，难以满足决策需求的问题。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：

一种调水工程泵后阀最优调控方案制定方法，包括以下步骤：

S1，整理沿线流量、压力、水位以及水泵、泵后阀运行状态等水情、水力机械监测数据，率定并验证得到符合调水工程实际运行的水力学仿真模型；

S2，根据加压提水调水工程瞬变过程安全的需求，建立耦合水力学仿真模型的调水工程泵后阀优化调控模型，优化调控模型生成的决策变量为水力学模型的输入，水力学模型计算的瞬变过程系统最大压力、最小压力、机组最大倒转速为优化调控模型的目标函数所需变量；

S3，利用并行算法和NSGA-Ⅱ优化算法求解耦合水力学仿真模型的调水工程泵后阀优化调控模型，确定并行域及求解步骤，寻求泵后阀优化调控方案集。

优选地，步骤S1具体包括：

S11，结合调水工程拓扑结构图，利用特征线法建立加压提水调水工程管道内部节点数学模型、管道连接边界、水泵边界、空气阀边界、泵后阀边界以及上、下游水池边界等模型；

S12，分别选取两组包含工况变化的持续10分钟的步长为0.01秒的水情、水力机械监测数据，并以其中一组上、下游水池水位监测数据作为上、下游边界，沿线各监测点流量、压力作为率定管道糙率、阀门以及水泵特性的参考，另外一组作为验证，并控制验证误差在10％以内，以得到符合调水工程实际运行的水力学仿真模型。

优选地，步骤S2具体包括：

S21，根据加压提水调水工程瞬变过程安全的需求，确立瞬变过程系统最大压力最小化、最小压力最大化、机组最大倒转速最小化三个目标函数：

(1)系统最大压力最小化：

min(H_max)

(2)系统最小压力最大化：

max(H_min)

(3)机组最大倒转速最小化：

max(n_min)

式中：H_max、H_min分别为系统在瞬变过程中沿线最大压力和最小压力，n_min为泵站机组事故停电时水泵的最大倒转速，倒转速为负值。

S22，根据泵后阀的制造要求以及泵站事故停机、阀门拒动工况下0流量出现的时刻，得到泵后阀关闭规律中决策变量快关斜率、快关时间以及总关闭时间的约束条件：

(1)泵后阀快关时长t₁应大于可操控的最短时长t_{c_min}，总关闭时长t₂应小于可实现的最长操控时长t_{c_max}：

(2)对于先快后慢关闭规律，为减少不必要的搜索，还需满足：

其中，k为快关斜率；

(3)对于系统的极值，需要满足规范的要求：

H_max≤H_{s_max}＝1.3H_{w_max}

H_min＞-7.5m

n_min＞-1.2n_r

式中，H_{w_max}为沿线稳态最大压力值，n_r为水泵额定转速；

S23，通过将优化调控模型生成的决策变量传递给水力学仿真模型，将水力学仿真模型计算的瞬变过程系统最大压力、最小压力、机组最大倒转速传递给优化调控模型，实现模型间的耦合。

优选地，步骤S3具体包括：

S31，确定求解耦合水力学仿真模型的调水工程泵后阀优化调控模型的并行域；

S32，确定基于并行和NSGA-Ⅱ优化算法的求解流程；

S33，计算得到泵后阀优化调控方案集。

本发明的技术效果：

与现有技术相比，本发明的一种基于并行和优化算法的调水工程泵后阀最优调控方案制定方法，获取沿线流量、压力、水位以及水泵、泵后阀运行状态等水情、水力机械监测数据，率定并验证得到符合调水工程实际运行的水力学仿真模型；根据加压提水调水工程瞬变过程安全的需求，建立耦合水力学仿真模型的调水工程泵后阀优化调控模型；利用并行算法和NSGA-Ⅱ优化算法确定并行域及求解耦合水力学仿真模型的调水工程泵后阀优化调控模型的步骤，寻求泵后阀优化调控方案集。采用该方法可以有效提高水力学模拟模型的准确性，提高优化调控方案的切实性、可操作性，且提高方案制定的高效性，从而可以及时的指导实际工程的调控运行，避免造成事故。

附图说明

图1为本发明的方法流程示意图；

图2为本发明调水工程泵后阀优化调控模型与水力学仿真模型耦合关系图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合说明书附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例1：

本实施例涉及的一种调水工程泵后阀最优调控方案制定方法，包括以下步骤：

S1，整理沿线流量、压力、水位以及水泵、泵后阀运行状态等水情、水力机械监测数据，率定并验证得到符合调水工程实际运行的水力学仿真模型。

具体的，步骤S1包括：

S11、结合调水工程拓扑结构图，利用特征线法建立加压提水调水工程管道内部节点数学模型、管道连接边界、水泵边界、空气阀边界、泵后阀边界以及上、下游水池边界等模型。

S12、由于加压提水调水工程瞬变过程对于安全运行影响大，时间极短，因此，为保证瞬变过程模拟的准确性，监测数据的采集频次需精确到0.01秒级。且为切实模拟瞬变过程，选取的模拟时段应包含工况的变化，并需完成率定及验证过程。因此，本实施例分别选取两组包含工况变化的持续10分钟的步长为0.01秒的水情、水力机械监测数据，并以其中一组上、下游水池水位监测数据作为上、下游边界，沿线各监测点流量、压力作为率定管道糙率、阀门以及水泵特性的参考，另外一组作为验证，并控制验证误差在10％以内，以得到符合调水工程实际运行的水力学仿真模型。

S2，根据加压提水调水工程瞬变过程安全的需求，建立耦合水力学仿真模型的调水工程泵后阀优化调控模型，优化调控模型生成的决策变量为水力学模型的输入，水力学模型计算的瞬变过程系统最大压力、最小压力、机组最大倒转速为优化调控模型的目标函数所需变量。

具体的，步骤S2包括：

S21，根据加压提水调水工程瞬变过程安全的需求，确立瞬变过程系统最大压力最小化、最小压力最大化、机组最大倒转速最小化三个目标函数：

(1)系统最大压力最小化：

min(H_max)

(2)系统最小压力最大化：

max(H_min)

(3)机组最大倒转速最小化：

max(n_min)

式中：H_max、H_min分别为系统在瞬变过程中沿线最大压力和最小压力，n_min为泵站机组事故停电时水泵的最大倒转速，倒转速为负值。

S22，根据泵后阀的制造要求以及泵站事故停机、阀门拒动工况下0流量出现的时刻，得到泵后阀关闭规律中决策变量快关斜率、快关时间以及总关闭时间的约束条件：

(1)泵后阀快关时长t₁应大于可操控的最短时长t_{c_min}，总关闭时长t₂应小于可实现的最长操控时长t_{c_max}：

(2)对于先快后慢关闭规律，为减少不必要的搜索，还需满足：

其中，k为快关斜率。

(3)对于系统的极值，需要满足规范的要求：

H_max≤H_{s_max}＝1.3H_{w_max}

H_min＞-7.5m

n_min＞-1.2n_r

式中，H_{w_max}为沿线稳态最大压力值，n_r为水泵额定转速。

S23，通过将优化调控模型生成的决策变量传递给水力学仿真模型，将水力学仿真模型计算的瞬变过程系统最大压力、最小压力、机组最大倒转速传递给优化调控模型，实现模型间的耦合。

S3，利用并行算法和NSGA-Ⅱ优化算法求解耦合水力学仿真模型的调水工程泵后阀优化调控模型，确定并行域及求解步骤，寻求泵后阀优化调控方案集。

具体的，步骤S3包括：

S31，根据求解过程中并行性的分析，确定求解耦合水力学仿真模型的调水工程泵后阀优化调控模型的并行域为：种群约束条件处理、目标函数的计算过程以及NSGA-Ⅱ优化算法生成子代过程中的变异计算过程；

S32，确定基于并行和NSGA-Ⅱ优化算法的求解流程为：种群初始化、种群约束条件并行处理、种群目标函数并行计算、非支配等级排序、拥挤距离计算、二元锦标联赛选择、交叉算子、变异过程并行计算生成子代、父代子代融合、新父代的生成；

S33，计算得到泵后阀优化调控方案集。

上述具体实施方式仅是本发明的具体个案，本发明的专利保护范围包括但不限于上述具体实施方式的产品形态和式样，任何符合本发明权利要求书且任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应落入本发明的专利保护范围。

Claims (3)

1.一种调水工程泵后阀最优调控方案制定方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1，整理沿线流量、压力、水位以及水泵、泵后阀运行状态、水力机械监测数据，率定并验证得到符合调水工程实际运行的水力学仿真模型；

S2，根据加压提水调水工程瞬变过程安全的需求，建立耦合水力学仿真模型的调水工程泵后阀优化调控模型，优化调控模型生成的决策变量为水力学模型的输入，水力学模型计算的瞬变过程系统最大压力、最小压力、机组最大倒转速为优化调控模型的目标函数所需变量；

S3，利用并行算法和NSGA-Ⅱ优化算法求解耦合水力学仿真模型的调水工程泵后阀优化调控模型，确定并行域及求解步骤，寻求泵后阀优化调控方案集；

步骤S1具体包括：

S11，结合调水工程拓扑结构图，利用特征线法建立加压提水调水工程管道内部节点数学模型、管道连接边界、水泵边界、空气阀边界、泵后阀边界以及上、下游水池边界模型；

S12，分别选取两组包含工况变化的持续10分钟的步长为0.01秒的水情、水力机械监测数据，并以其中一组上、下游水池水位监测数据作为上、下游边界，沿线各监测点流量、压力作为率定管道糙率、阀门以及水泵特性的参考，另外一组作为验证，并控制验证误差在10％以内，以得到符合调水工程实际运行的水力学仿真模型；

步骤S2具体包括：

S21，根据加压提水调水工程瞬变过程安全的需求，确立瞬变过程系统最大压力最小化、最小压力最大化、机组最大倒转速最小化三个目标函数：

(1)系统最大压力最小化：

min(H_max)

(2)系统最小压力最大化：

max(H_min)

(3)机组最大倒转速最小化：

max(n_min)

式中：H_max、H_min分别为系统在瞬变过程中沿线最大压力和最小压力，n_min为泵站机组事故停电时水泵的最大倒转速，倒转速为负值；

S22，根据泵后阀的制造要求以及泵站事故停机、阀门拒动工况下0流量出现的时刻，得到泵后阀关闭规律中决策变量快关斜率、快关时间以及总关闭时间的约束条件；

S23，通过将优化调控模型生成的决策变量传递给水力学仿真模型，将水力学仿真模型计算的瞬变过程系统最大压力、最小压力、机组最大倒转速传递给优化调控模型，实现模型间的耦合；

所述泵后阀关闭规律中决策变量快关斜率、快关时间以及总关闭时间的约束条件为：

(1)泵后阀快关时长t₁应大于可操控的最短时长t_{c_min}，总关闭时长t₂应小于可实现的最长操控时长t_{c_max}：

(2)对于先快后慢关闭规律，为减少不必要的搜索，还需满足：

其中，k为快关斜率；

(3)对于系统的极值，需要满足规范的要求：

H_max≤H_{s_max}＝1.3H_{w_max}

H_min＞-7.5m

n_min＞-1.2n_r

式中，H_{w_max}为沿线稳态最大压力值，n_r为水泵额定转速。

2.根据权利要求1所述的调水工程泵后阀最优调控方案制定方法，其特征在于：步骤S3具体包括：

S31，确定求解耦合水力学仿真模型的调水工程泵后阀优化调控模型的并行域；

S32，确定基于并行和NSGA-Ⅱ优化算法的求解流程；

S33，计算得到泵后阀优化调控方案集。

3.根据权利要求2所述的调水工程泵后阀最优调控方案制定方法，其特征在于：确定基于并行和NSGA-Ⅱ优化算法的求解流程位：种群初始化、种群约束条件并行处理、种群目标函数并行计算、非支配等级排序、拥挤距离计算、选择、交叉算子、变异过程并行计算生成子代、父代子代融合、新父代的生成。