CN114320867B - 一种供水泵组变频调速智能化运行方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及供水泵控制技术领域，提出了一种供水泵组变频调速智能化运行方法及系统，泵组变频调速智能化运行方法包括：获得当前总流量需求；根据当前总流量需求，得到当前扬程需求；根据当前总流量需求和当前扬程需求，得到满足当前总流量需求和当前扬程需求的所有水泵组合；进行工况点计算，得出候选水泵组合中所有水泵的工况点数据，并计算候选水泵组合的效率；在候选水泵组合的效率大于最优水泵组合的效率时，将候选水泵组合作为最优水泵组合；切换水泵组合，重复执行工况点计算的步骤；输出最优水泵组合作为推荐水泵组合。通过上述技术方案，将现有的泵组工控系统升级为智能化运行系统，提高了供水泵组的运行效率。
Description
技术领域
本发明涉及供水泵控制技术领域，具体的，涉及一种供水泵组变频调速智能化运行方法及系统。
背景技术
泵站是城市供水不可缺少的组成部分，包括多台并联的水泵机组，在实际运行中，根据不同的水量，控制不同数量的水泵运行。目前，泵站电耗较高，现有的控制能耗下降的措施不理想。因此，如何在现有的工艺和电气设备情况下，进一步降低泵站的能耗，这是我们需要研究和探索的问题。
发明内容
本发明提出一种供水泵组变频调速智能化运行方法及系统，解决了相关技术中泵组变频调速控制系统不能实现高效控制的问题。
本发明的技术方案如下：
第一方面，一种供水泵组变频调速智能化运行方法，包括：
获得当前总流量需求、各定频泵性能参数和各变频泵性能参数；
根据当前总流量需求，利用供水管道系统阻力公式，得到当前扬程需求；
根据当前总流量需求和当前扬程需求，得到满足当前总流量需求和当前扬程需求的所有水泵组合；每个所述水泵组合中的水泵包括定频泵和/或变频泵，每个水泵组合中所有水泵的流量之和≥当前总流量需求，且每一水泵的扬程均≥当前扬程需求；
选择任一水泵组合作为候选水泵组合，对所述候选水泵组合执行工况点计算操作；其中，所述工况点计算操作包括：根据当前总流量需求和当前扬程需求，计算候选水泵组合中所有水泵的工况点数据，并根据所有水泵的工况点数据计算候选水泵组合的效率，所述工况点数据包括频率、效率、功率和单位耗电量；
至少在满足候选水泵组合的效率大于最优水泵组合的效率时，将候选水泵组合作为最优水泵组合，将候选水泵组合的效率作为最优水泵组合的效率；
切换另一水泵组合作为候选水泵组合，重复执行所述工况点计算操作，直到完成所有水泵组合的工况点计算；
输出最优水泵组合作为推荐水泵组合，并控制所述推荐水泵组合中的水泵处于运行状态、控制所述推荐水泵组合以外的水泵处于停机状态。
第二方面，一种供水泵组变频调速智能化运行系统，包括：
第一获得单元，用于获得当前总流量需求、各定频泵性能参数和各变频泵性能参数；
第一计算单元，用于根据当前总流量需求，利用供水管道系统阻力公式，得到当前扬程需求；
第一处理单元，用于根据当前总流量需求和当前扬程需求，得到满足当前总流量需求和当前扬程需求的所有水泵组合；每个所述水泵组合中的水泵包括定频泵和/或变频泵，每个水泵组合中所有水泵的流量之和≥当前总流量需求，且每一水泵的扬程均≥当前扬程需求；
第二计算单元，用于选择任一水泵组合作为候选水泵组合，对所述候选水泵组合执行工况点计算操作；其中，所述工况点计算操作包括：根据当前总流量需求和当前扬程需求，计算候选水泵组合中所有水泵的工况点数据，并根据所有水泵的工况点数据计算候选水泵组合的效率，所述工况点数据包括频率、效率、功率和单位耗电量；
第一判断单元，用于至少在满足候选水泵组合的效率大于最优水泵组合的效率时，将候选水泵组合作为最优水泵组合，将候选水泵组合的效率作为最优水泵组合的效率；
第三计算单元，用于切换另一水泵组合作为候选水泵组合，重复执行所述工况点计算操作，直到完成所有水泵组合的工况点计算；
输出单元，用于输出最优水泵组合作为推荐水泵组合，并控制所述推荐水泵组合中的水泵处于运行状态、控制所述推荐水泵组合以外的水泵处于停机状态。
第三方面，一种计算机可读存储介质，其中，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的供水泵组变频调速智能化运行方法的步骤。
本发明的工作原理及有益效果为：
本发明提出的供水泵组变频调速智能化运行方法，首先根据当前总流量需求和当前扬程需求，得到满足当前总流量需求和当前扬程需求的所有水泵组合；然后依次计算每个水泵组合的效率，选出效率最高的水泵组合作为推荐水泵组合，控制推荐水泵组合中的水泵运行、其他水泵停机，有利于泵组的高效运行。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明方法流程图；
图2为本发明中变频泵工作频率计算过程示意图；
图3为本发明中变频泵的性能参数计算方法流程图；
图4为本发明中水泵在n=45±0.5Hz范围的流量-扬程、流量-效率数据散点图；
图5为本发明中水泵在n=45±0.5Hz、Q=222±14 l/s范围的流量-扬程、流量-效率数据散点图；
图6为本发明中n=45±0.5Hz时，根据高效区间历史记录拟合出的其中一组曲线示意图；
图7为本发明中n=45±0.5Hz时，误差最小的一组流量-扬程、流量-效率曲线；
图8为本发明系统结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都涉及本发明保护的范围。
实施例一
如图1所示，为本实施例泵组变频调速智能化运行方法流程图，包括：
K100：获得当前总流量需求；
当前总流量需求由外部模块（供水调度系统或水量预测系统）给定，本领域技术人员通过常规的方法即可得到，这里不作赘述。
K200：根据当前总流量需求，利用供水管道系统阻力公式，得到当前扬程需求；
具体包括：
其中，H需为当前扬程需求，Hst为水泵静扬程、本实施例中各水泵为并联，各水泵的静扬程均相等、S为管路阻力系数，Q需为当前总流量需求。
K300：根据当前总流量需求和当前扬程需求，得到满足当前总流量需求和当前扬程需求的所有水泵组合；每个所述水泵组合中的水泵包括定频泵和/或变频泵，每一所述定频泵和变频泵均具有唯一的编号；
具体地，每一水泵组合中所有水泵的流量之和≥Q需，且每一水泵的扬程均≥H需，其中，水泵组合中任一变频泵的流量按照工频下的流量计算，任一变频泵的扬程按照工频下的扬程计算。满足上述条件的所有水泵组合均可作为满足当前总流量需求和当前扬程需求的水泵组合。
K400：选择任一水泵组合作为候选水泵组合，对所述候选水泵组合执行工况点计算操作；其中，所述工况点计算操作包括：根据当前总流量需求和当前扬程需求，计算候选水泵组合中所有水泵的工况点数据，并根据所有水泵的工况点数据计算候选水泵组合的效率，所述工况点数据包括频率、效率、功率和单位耗电量；
具体包括：
K410：对于1#定频泵，
其中，H(1)为当前扬程需求；ρ为水的比重，ρ=1kg/l（千克/升）；g为重力加速度，g=9.8 N / kg；H需为当前扬程需求，Q(1)、η(1)、P(1) 、W(1)分别为该定频泵的流量（单位 l/s）、效率、功率(单位千瓦)和单位耗电量（单位千瓦时），Hx(1)、Sx(1)、η0(1)、Kx(1)、Q0(1)均为该定频泵的性能参数；Q(1)的计算公式根据该定频泵的流量-扬程曲线得到；η(1)的计算公式根据该定频泵的流量-效率曲线得到。
K420：对于2#变频泵，
其中，H(2)为当前扬程需求；ρ为水的比重，g为重力加速度； Q(2)、η(2)、P(2) 、W(2)分别为该变频泵的流量（单位l/s）、效率、功率(单位千瓦)和单位耗电量（单位千瓦时），Hx(2)、Sx(2)、η0(2)、Kx(2)、Q0(2)均为该变频泵在工作频率n调时的性能参数，Q(2)的计算公式根据该变频泵在工作频率n调下的流量-扬程曲线得到；η(2)的计算公式根据该变频泵在工作频率n调下的流量-效率曲线得到。
n调的确定方法具体包括：
K421：根据定频泵性能参数确定候选水泵组合中所有定频泵的流量之和Q定；
K422：根据候选水泵组合中所有定频泵的流量之和Q定、以及当前总流量需求，确定候选水泵组合中所有变频泵的流量之和Q变；
K423：确定候选水泵组合中变频泵的平均流量Q平均= Q变/b，其中，b为变频泵的个数；
K424：确定频率n需，所述频率n需具体为：候选水泵组合中一台中等流量变频泵的流量=平均流量Q平均时，该中等流量变频泵的工作频率；其中，中等流量变频泵为：将候选水泵组合中所有变频泵按照额定流量大小排序时，处于居中位置的变频泵；
K425：初始化n调=n需；
K426：计算候选水泵组合中所有变频泵在频率n调、扬程H需条件下的流量之和Q调；
K427：在Q调和Q变的误差超出设定范围时，更新
；重新计算候选水泵组合
中所有变频泵在频率n调、扬程H需条件下的流量之和Q调；
否则，输出n调的当前值。
例如，当前水泵组合中，变频泵有3台，分别为1#变频泵、2#变频泵和3#变频泵，额定流量分别为200 l/s，300 l/s，400 l/s，3台变频泵的流量之和Q变=750 l/s，工作频率n调的确定过程如下：
（1）计算Q平均：
（2）2#变频泵为中等流量变频泵，2#变频泵的流量为250 l/s、扬程为H需时，确定对应的工作频率n需；
（3）n调=n需；
（4）计算3台变频泵在工作频率n调、扬程H需条件下的流量之和Q调；
（5）计算
，设定精度要求值，精度要求值由研发人员根据泵站实际情况设
定，如果
小于精度要求值，则表明当前工作频率n调合适，输出工作频率n调；否则更新
，重复执行步骤（4）。
本实施例中，精度要求值设定为0.01。
本实施例在确定候选水泵组合中变频泵的工作频率n调时，首先计算变频泵的流量之和Q变，然后计算变频泵的平均流量Q平均，根据Q平均确定一台中等流量变频泵的工作频率n需，作为候选水泵组合中变频泵工作频率n调的初始值。在该初始值的基础上，进行工作频率n调的微调，有利于加速收敛，快速定位符合要求的工作频率n调。
K500：至少在满足候选水泵组合的效率大于最优水泵组合的效率时，将候选水泵组合作为最优水泵组合，将候选水泵组合的效率作为最优水泵组合的效率；其中，最优水泵组合的效率初始值为0，候选水泵组合的效率按照如下公式计算：
其中，η总为候选水泵组合的效率，P为候选水泵组合的功率，P定1，P定2，…P定a分别为a个定频泵的功率，P变1，P变2，…P变b分别为b个变频泵的功率，ρ为水的比重，g为重力加速度。
K600：切换另一水泵组合作为候选水泵组合，重复执行所述工况点计算操作，直到完成所有水泵组合的工况点计算；
K700：输出最优水泵组合作为推荐水泵组合，并控制所述推荐水泵组合中的水泵处于运行状态、控制所述推荐水泵组合以外的水泵处于停机状态。
本实施例提出的泵组变频调速智能化运行方法，首先根据当前总流量需求和当前扬程需求，得到满足当前总流量需求和当前扬程需求的所有水泵组合；然后依次计算每个水泵组合的效率，选出效率最高的水泵组合作为最终的水泵组合，有利于泵组的高效运行。
进一步，任一候选水泵组合中任一单泵运行时间大于第一时间阈值，所述单泵运行时间为候选水泵组合中单个定频泵或单个变频率的连续运行时间。
在每次切换水泵组合时，首先判断候选水泵组合中是否存在连续运行时间过长的水泵，如果有，则放弃该候选水泵组合，再次切换水泵组合，避免同一水泵长时间运行、造成水泵过早老化。
进一步，所述至少在满足候选水泵组合的效率大于最优水泵组合的效率时，将候选水泵组合作为最优水泵组合，将候选水泵组合的效率作为最优水泵组合的效率包括：在候选水泵组合的效率大于最优水泵组合的效率时，判断最优水泵组合的运行时间是否大于第二时间阈值，若是，将候选水泵组合作为最优水泵组合；否则，保持最优水泵组合不变。
当候选水泵组合的效率大于最优水泵组合的效率时，要先判断最优水泵组合的运行时间是否大于第二时间阈值，如果最优水泵组合的运行时间过短、小于第二时间阈值，则暂时保持最优水泵组合不变，避免频繁切换水泵的运行状态，对水泵造成损坏。
需要说明的是，步骤K410中定频泵的性能参数根据定频泵的出厂参数表即可得到，在此不作赘述；步骤K420中变频泵的性能参数Hx(2)、Sx(2)、η0(2)、Kx(2)、Q0(2)通过以下过程得到，如图3所示，具体包括：
S100：获得变频泵历史运行数据，所述历史运行数据包括多条历史记录，每条历史记录均包括一一对应的流量值、频率值、扬程值和效率值；
其中，扬程值根据变频泵出口压力和水池液位计算得到，效率值根据功率值、流量值和扬程值计算得到，这是本领域技术人员的公知常识，这里不再赘述。
每一条历史记录可视为一个点。
S200：将多条所述历史记录按照频率大小分为多组，同一组历史记录包含的频率在相同的频率段内，记为同一频率段的历史记录；
本领域技术人员可根据精度需要，以及变频泵自身的工作频率范围来设计频率段。
变频泵很少运行在工频50Hz，假定某类型变频泵的工作频率范围位于49~35Hz，则可设计频率段为：49±0.5 Hz，48Hz±0.5 Hz，……，以此类推，共M个频段（M由变频泵的工作频率范围以及每一频率段的范围而定），并且最低频率段中取值最小的端点（或中心频点）不低于35Hz即可，不作赘述。则所获取的历史记录在分组后可包括如下历史记录组：
第1组包括49±0.5 Hz范围内的历史记录，第2组包括48±0.5 Hz范围内的历史记录，……，共M组。
S300：根据每组历史记录对应的数据，拟合对应频率段的流量-扬程曲线和流量-效率曲线，得到多个频率段的流量-扬程曲线和流量-效率曲线；
具体地，采用流量值落在高效区间的历史记录拟合该频率段的流量-扬程曲线和流量-效率曲线。任一频率段的高效区间根据变频泵的出厂参数及水泵相似定律公式得到，这里不作赘述。
本实施例的建模方法，应用在变频泵的实际运行控制中时，变频泵大部分时间运行在高效区间，因此，本实施例采用高效区间的历史记录进行各频率段曲线的拟合，有利于提高变频泵在高效区间的运行控制精度。拟合过程具体包括：
S310：将高效区间历史记录按预设的第一流量步长分为多段；
分段后，高效区间历史记录会被分为多段历史记录。其中，同一段内的历史记录所包含的流量值落在同一流量段内，记为同一流量段的历史记录；
本领域技术人员可根据需要，以及变频泵自身的流量范围来灵活设计第一流量步长。例如，可设置10 l/s、20 l/s、30 l/s等，l/s表示升/秒，在此不作赘述。
S320：根据每一流量段的历史记录绘制该流量段对应的流量-效率散点图，并确定每一流量-效率散点图的居中点；多个居中点对应多条居中历史记录。
以某变频泵在45±0.5Hz为例，在该频率段的流量-扬程、流量-效率散点图如图4所示。
可对该频率段的高效区间历史记录按照第一流量步长分段，对每一流量段的历史记录绘制流量-效率散点图，其中，在222±14 l/s（800±50m3/h）这一流量段的流量-扬程、流量-效率散点图如图5所示。
至于居中点，具体地，在每一流量段的散点图中，可从出现点数最多的区域中，选择其中的居中点，得到该流量段的居中点。
仍以前述变频泵为例，在n=45±0.5Hz时，假定该频率段内的历史记录分为r段，各流量段的居中点可以记为：
Q（5，1），H（5，1），P（5，1）， η（5，1）
……
Q（5，r），H（5，r），P（5，r），η（5，r）
其中，Q（5，1）表示第5个频率段、第1个流量段的流量值，H（5，1）表示第5个频率段、第1个流量段的扬程，P（5，1）表示第5个频率段、第1个流量段的功率，η（5，1）表示第5个频率段、第1个流量段的效率。同理，Q（5，r）表示第5个频率段、第r个流量段的流量值，H（5，r）表示第5个频率段、第r个流量段的扬程，P（5，r）表示第5个频率段、第r个流量段的功率，η（5，r）表示第5个频率段、第r个流量段的效率。其他居中点以此类推，不作赘述。
S330：从多个流量段的居中点中选出效率值最高的N个点，根据N个点对应的流量确定高效点提议区间；
N可为大于等于3的正整数。本领域技术人员可灵活设计N的取值，在此不作赘述。
为称呼方便，可将获取的多条历史记录中，其包含的流量落在高效点提议区间的历史记录为高效点提议区间历史记录。
沿用前例，以N=3为例，针对第5个频率段，假定共r个流量段，则可确定出r个居中点。假定r个居中点中的效率值分别为η（5，1），η（5，2），…η（5，r），从中选取最大的三个效率值，这三个效率值所对应的居中点即为效率值最高的N个点，用这三个居中点对应的流量值可确定第5个频率段所对应的高效点提议区间。
S340：将高效点提议区间历史记录按预设的第二流量步长重新分为多段流量细分段历史记录；
本领域技术人员可根据需要设计第二流量步长，一般情况下第二流量步长要小于前述的第一流量步长。举例来讲，第一流量步长为28，则第二流量步长可设计为2、5、10等等。
仍以n=45Hz为例，假如高效点提议区间为[208，236]（这里，流量单位为l/s，相当于[750m3/h，850m3/h]），设定第二流量步长为1.4 l/s（相当于5 m3/h），则对高效点提议区间[208，236]所对应的历史记录，按1.4步长重新分组，得到的流量细分段为166±0.7 l/s，167.4±0.7 l/s，168.8±0.7 l/s，… 。
S350：从每一段流量细分段历史记录中各选取一条历史记录，得到多条提议历史记录；
从任一流量细分段历史记录中选取提议历史记录的方法与步骤S320中的方法类似，即根据该流量细分段的历史记录绘制该流量细分段对应的流量-效率散点图，确定每一流量-效率散点图的居中点，作为提议历史记录。在此不作赘述。
S360：从多条提议历史记录中，确定一条高效点历史记录。
其中，所述高效点历史记录包含的效率大于其他提议历史记录包含的效率；也即，从多条提议历史记录中选择了效率最高的一条历史记录作为高效点历史记录。
具体地，多条提议记录也可以称为多个点，按照第二流量步长在高效点提议区间内选出多个点。
结合步骤S340和S350举例：将高效点提议区间的点（历史记录）按预设的第二流量步长1.4重新分为（236-208）/1.4=20段流量细分段历史记录，然后，从各段流量细分段历史记录中各选取居中点作为提议点（提议历史记录），一共得到20个提议点；之后，从20个提议点中选择效率最高的一点作为高效点（也即高效点历史记录）。
对应n=45Hz，高效点记为：Q（5,0）、H（5,0）、P（5,0），η（5,0）。
除了上述方法外，也可直接按照第二流量步长对任一频率段进行分段，计算每个流量段的居中点，进而确定高效点，这样的方法不仅运算速度慢，而且数据处理量大、难度大也易出错。采用本实施例的方法，首先按照第一流量步长（第一流量步长大于第二流量步长）对任一频率段进行分段，得到效率最高的3个点确定高效点提议区间，再按照第二流量步长对高效点提议区间进行细化，得到高效点，不仅提高了运算速度，而且减低了难度。
S370：执行至少两次拟合操作，根据所述至少两次拟合操作的执行结果，确定最终的流量-扬程曲线和流量-效率曲线；
其中，每一次拟合操作包括：
从候选记录目标组中选择任意多条历史记录作为多条候选历史记录；所述候选记录目标组包括：所述多条所述居中历史记录中除所述高效点历史记录以外的居中历史记录；所述多条候选历史记录包括高效点前的候选历史记录和高效点后的候选历史记录，所述高效点前的候选历史记录包括：流量值小于高效点流量值的候选历史记录，所述高效点后的候选历史记录包括：流量值大于高效点流量值的候选历史记录；所述高效点流量值为所述高效点历史记录包含的流量值；
使用所述多条候选历史记录和所述高效点历史记录，进行频率段流量-扬程曲线和流量-效率曲线的拟合，得到拟合曲线组；所述拟合曲线组包括频率段流量-扬程曲线和流量-效率曲线；
使用所述候选记录目标组中剩余的历史记录，对得到的拟合曲线组根据最小二乘法进行验证，得到误差值；
每一次拟合操作的操作结果包括：误差值和拟合曲线组；
所述最终的流量-扬程曲线和流量-效率曲线包括：误差值最小的拟合曲线组中的流量-扬程曲线和流量-效率曲线。
本领域技术人员可根据需要设计所选择的候选历史记录的条数，例如两条、三条等等，在此不作赘述。
以选择任意两条为例，现沿用步骤S360所举前例，并结合步骤S340-S360进行举例说明：
候选历史记录目标组包括19条候选历史记录（即19个候选点），
在每一次拟合操作中：从这19个候选点中任意选择两个点，其中一个点位于高效点前，另一个点位于高效点后，两个点和高效点一起拟合出一组拟合曲线组（包含流量-扬程曲线和流量-效率曲线）；
以剩余的17个候选点作为验证点，对拟合曲线进行验证，得到误差值；
切换任意两个点的组合，进行多次拟合操作，得到多组拟合曲线组和对应的误差值；
选择误差值最小的拟合曲线组中的两曲线，作为最终的流量-扬程曲线和流量-效率曲线。
最终的流量-扬程曲线具体包括：
其中，H为扬程，Q为流量，Hx(m,0)和Sx(m,0)均为系数，Hx(m,0)表示Q=0时的虚总扬程，Sx(m,0)为泵体内虚阻耗系数，(m,0)表示任一频率段，m为自然数，Hx(m,0)包括：高效点前的虚总扬程Hx1(m,0)和高效点后的虚总扬程Hx2(m,0)；Sx(m,0)包括：高效点前的泵体内虚阻耗系数Sx1(m,0)和高效点后的泵体内虚阻耗系数Sx2(m,0)；下标x表示系数，Sx1(m,0)的下标1表示高效点前，Sx2(m,0)的下标2表示高效点后；
高效点前：
高效点后：
其中，(H0，Q0)、(H1，Q1)、(H2，Q2)分别代表拟合所述最终的流量-扬程曲线所采用的三条历史记录，其中，(H0，Q0)代表所述高效点历史记录中的扬程值和流量值，Q1<Q0< Q2。
最终的流量-效率曲线具体包括：
其中，η为效率，Q为流量，η0(m,0)为该频率段的最大效率值，Q0(m,0)为最大效率值对应的流量值，Kx(m,0)为水泵效率系数，Kx(m,0)包括高效点前的水泵效率系数Kx1(m,0)和高效点后的水泵效率系数Kx2(m,0)，（m，0）表示任一频率段，m为自然数，下标x表示系数，Kx1(m,0)的下标1表示高效点前，Kx2(m,0)的下标2表示高效点后：
高效点前：
高效点后：
其中(η0，Q0)、(η1，Q1)、(η2，Q2)分别代表拟合所述最终的流量-效率曲线所采用的三条历史记录，(η0，Q0)代表所述高效点历史记录中的效率值和流量值，Q1<Q0< Q2。
如表1所示，为上述变频泵在49Hz—39Hz各频率段拟合用的3个点的一个示例。
表1 各频率段拟合用的3个点
其中，针对某一个频率段，（Q0 ，H0 ，η0）、（Q1 ，H1 ，η1）、（Q2 ，H2 ，η2）分别代表该频率段拟合用的3个点。
本实施例中，根据上述公式（1）-（6）得到变频泵在各频率段的性能参数如表2所示。
表2 变频泵在各频率段的性能参数
根据任一频率段的水泵性能参数，即可得到该频率段的流量-扬程曲线和流量-效率曲线。以n=45±0.5Hz为例，根据表2的数据，该频率段的流量-扬程曲线为：
高效点前Q-H：
高效点后Q-H：
该频率段的流量-效率曲线为：
高效点前Q-η：
高效点后Q-η：
其中，η0(5,0) 、Q0(5,0) 、Hx1(5,0)、Sx1(5,0)、Kx1(5,0)、Hx2(5,0)、Sx2(5,0)、Kx2(5,0)均为n=45±0.5Hz频率段的水泵性能参数，η0(5,0) 、Q0(5,0)分别等于该频率段高效点的流量和效率，Hx1(5,0)、Sx1(5,0)、Kx1(5,0)、Hx2(5,0)、Sx2(5,0)、Kx2(5,0)根据公式（1）-公式（6）计算得到。
如图6所示，为在n=45±0.5Hz频率段、根据高效区间历史记录拟合出的多组曲线中的其中一组，从多组拟合曲线组中选择误差最小的一组作为n=45±0.5Hz频率段的拟合曲线，如图7所示。
S400：根据每一频率段的流量-扬程曲线、流量-效率曲线、结合水泵相似定律公式，各计算一组水泵工频性能参数；
所述水泵相似定律公式具体包括：
其中，n与n1代表不同的频率，Q、H分别代表频率n对应的流量和扬程；Q1、H1分别代表频率n1对应的流量和扬程；
一组水泵工频性能参数包括：在工频段的最大效率值η0(0,0) ，最大效率值对应的流量值Q0(0,0)，虚总扬程Hx(0,0)，泵体内虚阻耗系数Sx(0,0)和水泵效率系数Kx(0,0)；所述Hx(0,0)包括高效点前的虚总扬程Hx1(0,0)和高效点后的虚总扬程Hx2(0,0)，所述 Sx(0,0)包括高效点前的泵体内虚阻耗系数Sx1(0,0)和高效点后的泵体内虚阻耗系数Sx2(0,0)，所述Kx(0,0)包括高效点前的水泵效率系数Kx1(0,0)和高效点后的水泵效率系数Kx2(0,0)；其中，（0，0）表示工频段；下标x表示系数，各参数的下标1表示高效点前，下标2表示高效点后；
所述根据每一频率段的流量-扬程曲线、流量-效率曲线、结合水泵相似定律公式，各计算一组水泵工频性能参数，具体包括：
高效点前：
高效点后：
其中，50为工频频率，η0(m,0) 、Q0(m,0) 、Hx1(m,0)、Sx1(m,0)、Kx1(m,0)、Hx2(m,0)、Sx2(m,0)、Kx2(m,0)分别为任一频率段的效率最大值、效率最大值对应的流量值、高效点前的虚总扬程、高效点前的泵体内虚阻耗系数、高效点前的水泵效率系数、高效点后的虚总扬程、高效点后的泵体内虚阻耗系数、高效点后的水泵效率系数。
需要说明的是，在不同频率下，变频泵的高效点的效率相同，但是在低频运行时效率略有降低，η0(0,0)的公式由“η0(0,0) =η0(m,0)”修正为前述的公式：
根据表2的数据，结合水泵相似定律，得到多组水泵工频性能参数，如表3所示。
表3 不同频率段得到的多组水泵工频性能参数
S500：根据多个频率段得到的多组水泵工频性能参数，确定一组水泵工频性能参数，作为最终的工频性能参数。
具体地，对任一参数，从多个频率段得到该参数的多个取值，如表3所示，以Q0为例，Q0的多个取值分别为：245.92，246.88，246.81，246.74，246.67，246.59，246.51，246.43，246.34，247.50，247.44，取多个值的平均值246.71作为50Hz时Q0的最终取值。
根据实际需要，也可以根据任一参数的多个取值，绘制散点图，从出现点数最多的区域中，选择其中的居中点，作为该参数的最终取值。
S600：根据最终的工频性能参数、结合水泵相似定律，得到变频泵在任一频率的性能参数Hx（2）、Sx（2）、Kx（2）、η0（2）、Q0（2），具体计算方式包括：
其中Hx（2）、Sx（2）、Kx（2）包括：高效点前的Hx1（2）、Sx1（2）、Kx1（2）和高效点后Hx2（2）、Sx2（2）、Kx2（2），
高效点前：
高效点后：
需要说明的是，在步骤K400中，2#变频泵的计算公式如下：
以Q(2)为例，优先以高效点后的参数取值进行计算，即首先将Hx(2)= Hx2(2)带入上述公式计算Q(2)，如果计算得到的Q(2)< Q0(2)，则说明变频泵当前运行点位于高效点之前，再将Hx(2)= Hx1(2)带入上述公式，重新计算Q(2)，η(2)的计算过程同理。
本实施例通过将海量的水泵历史运行数据按照频率大小分组，用每个频率段的历史记录拟合该频率段的流量-扬程曲线和流量-效率曲线；再根据水泵相似定律，由每一频率段的流量-扬程曲线和流量-效率曲线各自计算一组水泵工频性能参数，得到多组水泵工频性能参数；最后根据多组水泵工频性能参数，确定一组参数作为最终的工频性能参数，在水泵实际运行中，该工频性能参数可用于计算水泵在任一频率下的流量-扬程曲线、及水泵在任一频率下的流量-效率曲线，根据该曲线进行水泵运行的智能化寻优控制和调度，有利于提高水泵运行效率。
其中，本实施例分别根据各个频率段的历史记录，得到多组水泵工频性能参数；然后根据多组水泵工频性能参数，综合得出最终的水泵工频性能参数，保证最终的水泵工频性能参数的准确性。最终的水泵工频性能参数用于计算水泵在任一频率下的流量-扬程曲线、及水泵在任一频率下的流量-效率曲线，因此，准确的水泵工频性能参数有利于准确计算水泵在任一频率下的流量-扬程曲线、及水泵在任一频率下的流量-效率曲线。
实施例二
本实施例提出了一种泵组变频调速智能化运行系统，包括：
第一获得单元，用于获得当前总流量需求、各定频泵性能参数和各变频泵性能参数；
第一计算单元，用于根据当前总流量需求，利用供水管道系统阻力公式，得到当前扬程需求；
第一处理单元，用于根据当前总流量需求和当前扬程需求，得到满足当前总流量需求和当前扬程需求的所有水泵组合；每个所述水泵组合中的水泵包括定频泵和/或变频泵，每个水泵组合中所有水泵的流量之和≥当前总流量需求，且每一水泵的扬程均≥当前扬程需求；
第二计算单元，选择任一水泵组合作为候选水泵组合，对所述候选水泵组合执行工况点计算操作；其中，所述工况点计算操作包括：根据当前总流量需求和当前扬程需求，计算候选水泵组合中所有水泵的工况点数据，并根据所有水泵的工况点数据计算候选水泵组合的效率，所述工况点数据包括频率、效率、功率和单位耗电量；
第一判断单元，至少在满足候选水泵组合的效率大于最优水泵组合的效率时，将候选水泵组合作为最优水泵组合，将候选水泵组合的效率作为最优水泵组合的效率；
第三计算单元，切换另一水泵组合作为候选水泵组合，重复执行所述工况点计算操作，直到完成所有水泵组合的工况点计算；
输出单元，用于输出最优水泵组合作为推荐水泵组合，并控制所述推荐水泵组合中的水泵处于运行状态、控制所述推荐水泵组合以外的水泵处于停机状态。
进一步，还包括：
第四计算单元，用于根据当前总流量需求，利用供水管道系统阻力公式，计算当前扬程需求，具体包括：
其中，H需为当前扬程需求，Hst为水泵静扬程、S为管路阻力系数，Q需为当前总流量需求。
进一步，还包括：
第五计算单元，用于计算候选水泵组合中所有水泵的工况点数据，具体包括：
对于1#定频泵，
其中，H(1)为当前扬程需求；ρ为水的比重，ρ=1kg/l（千克/升）；g为重力加速度，g=9.8 N / kg；H需为当前扬程需求，Q(1)、η(1)、P(1)分别为该定频泵的流量（单位 l/s）、效率和功率(单位千瓦)，Hx(1)、Sx(1)、η0(1)、Kx(1)、Q0(1)均为该定频泵的性能参数；
对于2#变频泵，
其中，H(2)为当前扬程需求；ρ为水的比重，g为重力加速度； Q(2)、η(2)、P(2)分别为该变频泵的流量（单位l/s）、效率、和功率(单位千瓦)，Hx(2)、Sx(2)、η0(2)、Kx(2)、Q0(2)均为该变频泵在工作频率n调的性能参数；
工作频率n调的确定方法具体包括：
根据定频泵性能参数确定候选水泵组合中所有定频泵的流量之和Q定；
根据候选水泵组合中所有定频泵的流量之和Q定、以及当前总流量需求，确定候选水泵组合中所有变频泵的流量之和Q变；
确定候选水泵组合中变频泵的平均流量Q平均= Q变/b，其中，b为变频泵的个数；
确定频率n需，所述频率n需具体为：候选水泵组合中一台中等流量变频泵的流量=平均流量Q平均时，该中等流量变频泵的工作频率；
初始化n调=n需；
计算候选水泵组合中所有变频泵在频率n调、扬程H需条件下的流量之和Q调；
在Q调和Q变的误差满足设定范围时，输出n调的当前值。
进一步，还包括：
第六计算单元，用于根据所有水泵的工况点数据计算候选水泵组合的效率，具体包括：
其中，η总为候选水泵组合的效率，P为候选水泵组合的功率，P定1，P定2，…P定a分别为a个定频泵的功率，P变1，P变2，…P变b分别为b个变频泵的功率，ρ为水的比重，g为重力加速度。
进一步，还包括：
第二判断单元，用于判断候选水泵组合中任一单泵运行时间是否大于第一时间阈值，若是，则跳转至切换水泵组合的步骤。
进一步，还包括：
第三判断单元，用于判断最优水泵组合的运行时间是否大于第二时间阈值，若是，将候选水泵组合作为最优水泵组合；否则，保持最优水泵组合不变。
前述实施例一中的智能化运行方法的各种变化方式和具体实例同样适用于本实施例的智能化运行系统，通过前述智能化运行方法的详细描述，本领域技术人员可以清楚的知道本实施例中智能化运行系统的实施方法，所以为了说明书的简洁，在此不再详述。
实施例三
本实施例提出了一种计算机可读存储介质，其中，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的泵组变频调速智能化运行方法的步骤。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种供水泵组变频调速智能化运行方法，应用于供水泵组变频调速智能化运行系统，其特征在于，包括：
获得当前总流量需求、各定频泵性能参数和各变频泵性能参数；
根据当前总流量需求，利用供水管道系统阻力公式，得到当前扬程需求；
根据当前总流量需求和当前扬程需求，得到满足当前总流量需求和当前扬程需求的所有水泵组合；每个所述水泵组合中的水泵包括定频泵和/或变频泵，每个水泵组合中所有水泵的流量之和≥当前总流量需求，且每一水泵的扬程均≥当前扬程需求；其中，水泵组合中任一变频泵的流量按照工频下的流量计算，任一变频泵的扬程按照工频下的扬程计算；
选择任一水泵组合作为候选水泵组合，对所述候选水泵组合执行工况点计算操作；其中，所述工况点计算操作包括：根据当前总流量需求和当前扬程需求，计算候选水泵组合中所有水泵的工况点数据，并根据所有水泵的工况点数据计算候选水泵组合的效率，所述工况点数据包括频率、效率和功率；
至少在满足候选水泵组合的效率大于最优水泵组合的效率时，将候选水泵组合作为最优水泵组合，将候选水泵组合的效率作为最优水泵组合的效率；
切换另一水泵组合作为候选水泵组合，重复执行所述工况点计算操作，直到完成所有水泵组合的工况点计算；
输出最优水泵组合作为推荐水泵组合，并控制所述推荐水泵组合中的水泵处于运行状态、控制所述推荐水泵组合以外的水泵处于停机状态；
所述计算候选水泵组合中所有水泵的工况点数据，具体包括：
对于1#定频泵，
其中，H(1)为当前扬程需求，ρ为水的比重，g为重力加速度，H需为当前扬程需求，Q(1)、η(1)、P(1)分别为该定频泵的流量、效率和功率，Hx(1)、Sx(1)、η0(1)、Kx(1)、Q0(1)均为该定频泵的性能参数；Q(1)的计算公式根据该定频泵的流量-扬程曲线得到；η(1)的计算公式根据该定频泵的流量-效率曲线得到；
对于2#变频泵，
其中，H(2)为当前扬程需求，Q(2)、η(2)、P(2)分别为该变频泵的流量、效率和功率，Hx(2)、Sx(2)、η0(2)、Kx(2)、Q0(2)均为该变频泵在工作频率n调的性能参数，Hx(2)为Q=0时的虚总扬程，Sx(2) 为泵体内虚阻耗系数，η0(2) 为在工作频率n调的最大效率值，Q0(2) 为最大效率值对应的流量值，Kx(2) 为水泵效率系数；Q(2)的计算公式根据该变频泵在工作频率n调下的流量-扬程曲线得到；η(2)的计算公式根据该变频泵在工作频率n调下的流量-效率曲线得到；
工作频率n调的确定方法具体包括：
根据定频泵性能参数确定候选水泵组合中所有定频泵的流量之和Q定；
根据候选水泵组合中所有定频泵的流量之和Q定、以及当前总流量需求，确定候选水泵组合中所有变频泵的流量之和Q变；
确定候选水泵组合中变频泵的平均流量Q平均= Q变/b，其中，b为变频泵的个数；
确定频率n需，所述频率n需具体为：候选水泵组合中一台中等流量变频泵的流量=平均流量Q平均时，该中等流量变频泵的工作频率；其中，所述中等流量变频泵为：将候选水泵组合中所有变频泵按照额定流量大小排序时，处于居中位置的变频泵；
初始化n调=n需；
计算候选水泵组合中所有变频泵在频率n调、扬程H需条件下的流量之和Q调；
在Q调和Q变的误差满足设定范围时，输出n调的当前值。
2.根据权利要求1所述的一种供水泵组变频调速智能化运行方法，其特征在于，所述根据当前总流量需求，利用供水管道系统阻力公式，得到当前扬程需求，具体包括：
其中，H需为当前扬程需求，Hst为水泵静扬程、S为管路阻力系数，Q需为当前总流量需求。
3.根据权利要求1所述的一种供水泵组变频调速智能化运行方法，其特征在于，还包括：
更新n调的步骤：在Q调和Q变的误差超出设定范围时，更新
；
重新计算候选水泵组合中所有变频泵在频率n调、扬程H需条件下的流量之和Q调；
在Q调和Q变的误差满足设定范围时，输出n调的当前值，否则重复执行更新n调的步骤。
4.根据权利要求1所述的一种供水泵组变频调速智能化运行方法，其特征在于，候选水泵组合包括a个定频泵和b个变频泵，所述根据所有水泵的工况点数据计算候选水泵组合的效率，具体包括：
其中，η总为候选水泵组合的效率，P为候选水泵组合的功率，P定1，P定2，…P定a分别为a个定频泵的功率，P变1，P变2，…P变b分别为b个变频泵的功率，ρ为水的比重，g为重力加速度。
5.根据权利要求1所述的一种供水泵组变频调速智能化运行方法，其特征在于，任一候选水泵组合中任一单泵运行时间大于第一时间阈值，所述单泵运行时间为候选水泵组合中单个定频泵或单个变频率的连续运行时间。
6.根据权利要求1所述的一种供水泵组变频调速智能化运行方法，其特征在于，所述至少在满足候选水泵组合的效率大于最优水泵组合的效率时，将候选水泵组合作为最优水泵组合，将候选水泵组合的效率作为最优水泵组合的效率包括：在候选水泵组合的效率大于最优水泵组合的效率时，判断最优水泵组合的运行时间是否大于第二时间阈值，若是，将候选水泵组合作为最优水泵组合；否则，保持最优水泵组合不变。
7.一种供水泵组变频调速智能化运行系统，其特征在于，包括：
第一获得单元，用于获得当前总流量需求；
第一计算单元，用于根据当前总流量需求，利用供水管道系统阻力公式，得到当前扬程需求；
第一处理单元，用于根据当前总流量需求和当前扬程需求，得到满足当前总流量需求和当前扬程需求的所有水泵组合；每个所述水泵组合中的水泵包括定频泵和/或变频泵，每个水泵组合中所有水泵的流量之和≥当前总流量需求，且每一水泵的扬程均≥当前扬程需求；其中，水泵组合中任一变频泵的流量按照工频下的流量计算，任一变频泵的扬程按照工频下的扬程计算；
第二计算单元，用于进行工况点计算：选择任一水泵组合作为候选水泵组合，根据当前总流量需求和当前扬程需求，计算候选水泵组合中所有水泵的工况点数据，并根据所有水泵的工况点数据计算候选水泵组合的效率，所述工况点数据包括频率、效率和功率；
第一判断单元，用于在候选水泵组合的效率大于最优水泵组合的效率时，将候选水泵组合作为最优水泵组合，将候选水泵组合的效率作为最优水泵组合的效率；
第三计算单元，用于切换水泵组合，重复执行工况点计算的步骤，直到完成所有水泵组合的工况点计算；
输出单元，用于输出最优水泵组合作为推荐水泵组合，
第五计算单元，用于计算候选水泵组合中所有水泵的工况点数据，具体包括：
对于1#定频泵，
其中，H(1)为当前扬程需求，ρ为水的比重，g为重力加速度，H需为当前扬程需求，Q(1)、η(1)、P(1)分别为该定频泵的流量、效率和功率，Hx(1)、Sx(1)、η0(1)、Kx(1)、Q0(1)均为该定频泵的性能参数；Q(1)的计算公式根据该定频泵的流量-扬程曲线得到；η(1)的计算公式根据该定频泵的流量-效率曲线得到；
对于2#变频泵，
其中，H(2)为当前扬程需求，Q(2)、η(2)、P(2)分别为该变频泵的流量、效率和功率，Hx(2)、Sx(2)、η0(2)、Kx(2)、Q0(2)均为该变频泵在工作频率n调的性能参数，Hx(2)为Q=0时的虚总扬程，Sx(2) 为泵体内虚阻耗系数，η0(2) 为在工作频率n调的最大效率值，Q0(2) 为最大效率值对应的流量值，Kx(2) 为水泵效率系数；Q(2)的计算公式根据该变频泵在工作频率n调下的流量-扬程曲线得到；η(2)的计算公式根据该变频泵在工作频率n调下的流量-效率曲线得到；
工作频率n调的确定方法具体包括：
根据定频泵性能参数确定候选水泵组合中所有定频泵的流量之和Q定；
根据候选水泵组合中所有定频泵的流量之和Q定、以及当前总流量需求，确定候选水泵组合中所有变频泵的流量之和Q变；
确定候选水泵组合中变频泵的平均流量Q平均= Q变/b，其中，b为变频泵的个数；
确定频率n需，所述频率n需具体为：候选水泵组合中一台中等流量变频泵的流量=平均流量Q平均时，该中等流量变频泵的工作频率；其中，所述中等流量变频泵为：将候选水泵组合中所有变频泵按照额定流量大小排序时，处于居中位置的变频泵；
初始化n调=n需；
计算候选水泵组合中所有变频泵在频率n调、扬程H需条件下的流量之和Q调；
在Q调和Q变的误差满足设定范围时，输出n调的当前值。
8.根据权利要求7所述的一种供水泵组变频调速智能化运行系统，其特征在于，还包括：
第四计算单元，用于根据当前总流量需求，利用供水管道系统阻力公式，计算当前扬程需求，具体包括：
其中，H需为当前扬程需求，Hst为水泵静扬程、S为管路阻力系数，Q需为当前总流量需求。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-6任一项所述的供水泵组变频调速智能化运行方法的步骤。
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| CN114320867A (zh) | 2022-04-12 |
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Inventor after: Zhang Zili Inventor after: Niu Yuhai Inventor after: Yuan Yanming Inventor after: Tian Zhimin Inventor after: Zhang Juan Inventor after: Zhang Jing Inventor after: Wang Zemin Inventor after: Zhang Xing Inventor after: Lang Huawei Inventor before: Zhang Zili Inventor before: Tian Zhimin Inventor before: Zhang Juan Inventor before: Wang Zemin Inventor before: Zhang Xing Inventor before: Lang Huawei Inventor before: Zhang Jing |
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| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Application publication date: 20220412 Assignee: Hebei Jiantou Xinkai Environmental Development Co.,Ltd. Assignor: HEBEI CONSTRUCTION & INVESTMENT WATER INVESTMENT Co.,Ltd.|Hebei xiong'an Ruitian Technology Co.,Ltd. Contract record no.: X2024980003597 Denomination of invention: An intelligent operation method and system for variable frequency speed regulation of water supply pump units Granted publication date: 20220524 License type: Common License Record date: 20240329 |