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油田注水系统是一大规模复杂流体网络系统，随着油田进入高含水开发阶段，注水系统耗能日益严重，如何优化系统运行已成为当务之急。本文从工业实际应用出发，提出了注水系统仿真、优化与控制集成方案，建立了注水系统仿真、优化与实时最优控制的数学模型，给出了相应的节点压力平衡仿真计算方法、约束变尺度优化计算方法及模式搜索最优控制方法，并首次将大功率高压变频器应用到油田注水系统，同时，注水站采用微机巡控技术以确保注水泵管压差控制在合理范围内，通过大庆杏南油田注水系统的应用，现场测试结果表明，本文所建立的数学模型正确，计算方法合理，计算精度能够满足油田实际工程应用，生产应用节能效果显著。