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摘要：随着我国经济建设的飞速发展，各个地区对水资源的需求越加迫切，跨流域的梯级调水工程日渐增多。而梯级调水工程的经济运行和优化调度是整个工程的核心，也是工程长期运行的迫切需求，其中制定调度策略和优化调度模型，是提高系统效率、节约成本的关键。本文通过对东深供水工程梯级泵站优化调度问题开展应用分析，在基于大量的工程运行数据的情况下，利用各约束边界的经验公式，充分利用峰谷电价和机组运行效率分析，对系统层和泵站层次分别建立对应的能效公式，通过求解不同机组开机方案下对应的系统能耗，对不同方案比选得到最佳方案，实现基于时段电价的梯级泵站优化调度的方法，并分析该方法的优越性和有效性。
关键词：梯级泵站 优化调度 峰谷电价 方案比选 应用分析
1引言
随着国民经济的发展，对于城市供水的需求更加迫切，但我国水资源分布极不均匀，所以，近年来国家建设了多项调水工程，如南水北调工程、东深供水工程、胶东引黄调水工程等。这类工程以多级泵站组成梯级泵站，在每级泵站内采用多台机组，从而满足调水需求。
对于梯级泵站优化调度的研究很多，但在他们的研究中，一般采用模型求解方法，如动态规划法。这些模型优化方法具有比较强的研究性质和学术性，但是，由于大型的梯级调度系统涉及范围极广，具有很多模型考虑不到的情况或者无法获取模型参数的情况，因此，很多优化模型的适用范围有限，取得的实际效果并不能完全达到用户的需求。在现在主流的“大数据”分析应用的潮流下，我们利用大量的运行数据，找到各项调度优化因素之间的关系，通过计算机编程，实现优化方案的比选，实现了在不同调水总量的情况下的较科学合理的调度计划和方式，通过在东深供水改造工程中应用，取得了很好的经济效益。
2梯级泵站优化调度方法简介
梯级泵站优化调度的问题可分解决为两个层次来考虑：各梯级泵站之间的系统，这些泵站之间为串联连接。在泵站内部，为各个泵组之间的关系，这些机组之间为并联连接。它的结构图如下所示：
优化调度的目标是实现系统运行年动力费成本最低。根据工程运行的实际，动力费成本主要包括六大块分别是：抽水电费成本、其它用电成本、各种用电损耗、基本容量费、力率调整费和电站发电折合电费。其中，对于大型梯级泵站，抽水电费成本一般情况下占了80%以上，其他成本优化空间不大，因此，可认为抽水成本是优化的主要且唯一的方向。
按优化调度的层次来考虑，可分为系统层优化和泵站层优化。系统层优化着重解决的是：在日抽水量一定的情况下，各泵站的抽水流量和时间安排。泵站层优化着重解决的是：各泵站抽水流量和时间安排确定的情况下，各泵站如何提高抽水效率。具体来说就是如何确定开机的台数及如何确定运行机组的流量搭配。
2.1系统层优化
首选，确定系统层优化约束条件：
1、泵站抽水能力受各泵站可用机组数目影响，最小抽水流量等于单机最小抽水流量；
2、机组运行工况不同，其抽水流量不同。机组调节能力指机组在不同工况下运行时，其抽水流量达到的范围；
3、考虑输水建筑物限制（即各典型断面控制水位），如保证调度过程中不发生溢流、不低于最低水位要求等限制；
4、峰谷平时段及电价，这是优化调度最重要的约束条件；
5、其他优化条件，如保证供水连续性等，不同梯级泵站略有不同；
在确定了系统层的约束条件后，分析如何进行方案比选，思路如下：
1、定义全天按最小抽水流量进行抽水的运行方式为初始运行方式（增加的流量通过在不同时间加大流量，达到最终满足日抽水量的要求）。其对应的抽水量、抽水电度数及抽水动力成本分别为：Qc1（0）、E（0）、C（0）。此时第一级泵站各时间变量分别为：t11（0）=0；t12（0）=720；t13（0）=720；t14（0）=1440；（t11（n）——执行第n个子方案时，第一级泵站第一次减流量的开始时间，取数范围0～720，单位为min；t12 （n）——执行第n个子方案时，第一级泵站第一次加流量的开始时间，取数范围0～720，单位为min；t13 （n）——执行第n个子方案时，第一级泵站第二次减流量的开始时间，取数范围720～1440，单位为min；t14 （n）——执行第n个子方案时，第一级泵站第二次加流量的开始时间，取数范围720～1440，单位为min。）
2、从初始运行方式开始逐步加大抽水量时，在不同的抽水量范围内，实现增加水量的方案主要有四类分别是：1）增大t11；2）减小t12；3）增大t13；4）减小t14。
3、对于不同方案类根据增加单位水量时所增加的单位动力费成本的不同又可分成不同的子方案；这些子方案存如下特性：1）其单位动力费成本是固定的；2）其最大持续时间是固定的；3）它属于某一方案类；
4、根据各区段等效延迟时间及电网时段的划分情况（峰谷平情況），可分别列出各方案类的子方案，再计算出各子方案的单位动力费成本，将各子方案按单位动力费成本从低到高排定次序；
5、根据各子方案按单位动力费成本从低到高的排序结果，就可确定从初始运行方式到最终运行方式过程中按不同单位抽水成本运行时抽水量的变化范围。
按上述分析进行计算机编程，很容易求出不同抽水量Qc1时的各泵站抽水时间安排。
2.2泵组层
系统层优化把各泵站作为整体来处理，其结果是各泵站日抽水计划安排表。泵站层的优化就是此基础上，进行各泵站抽水效率优化。具体来说就是如何确定开机的台数、如何确定运行机组的流量搭配及加减流量过程优化处理。根据实际运行的经验，加减流量的策略主要有下列三种：
第一种策略是“泵站进水池水位控制”：就是严格按泵站进水池目标控制水位来加减流量；第二种策略是“时间预测”：根据上游泵站的运行情况，对下游泵站进水池的来水规律进行科学的预测，按预测的时间逐步进行加减流量；第三种策略：将第一、二种相结合，优先采用预测加减流量时间的方法进行加减流量，同时将进水池水位控制范围作为限制条件，当水位高于最高控制水位就增加泵站抽水流量，当水位低于最低控制水位就减小泵站抽水流量；所不同的是，此时应将进水池水位的控制范围设定的较第一种情况更宽一些。
采用第三种策略加减流量时，各特征断面的平均流速较采用第一种策略加减流量时的平均流速要大些，因此采用第三种策略运行时的延迟时间较短些。按照2.1章节的有关分析，我们知道加减流量过程持续时间的长短将直接影响到对电网峰谷时段的利用率，也将直接影响优化的效果。持续时间越短，利用率越高；持续时间越长，利用率越低。因此采用第三种策略加减流量时其系统运行的经济性要好些。
3应用情况分析
东深供水工程从东江太园泵站开始提水，经莲湖、旗岭、金湖三个供水泵站以及专用供水水道和生物硝化工程后，进入深圳水库，再由深圳水库向深圳、香港供水。全长69km，沿线设有36个分水点。工程设计水平年为2010年，工程设计流量为100m3/s，设计年总供水量为24.23亿m3，设计供水保证率P=99%，供水对象为香港、深圳及东莞部分地区（8镇），总供水人口约2000万人。
通过和供水局日常抄表数据的对比分析，每日抽取550万方的水量，通过优化调度系统后，成本可节省在4-7万左右，在实际应用中获得了很好的经济效益。各时段的电量及费用见下图。
4结语
梯级泵站经济运行和优化调度是非常必要和迫切需要的，但目前能够在工程中得到应用的并不多见。本文根据工程实践，在原有方法基础上提出了更贴合实际的优化方法，并将其与工程实践相结合，并通过实例验证了方法的有效性和工程的可行性 。
参考文献：
[1] 朱劲木，龙新平，刘梅清，周龙才.东深供水工程梯级泵站优化调度.水力发电学报.2005，24（3）：124～127.
[2] 李继珊，刘光临，潘为平.多级泵站的优化调度及经济运行研究[J].水利学报.1992，（12）：18～26.
[3] 蒋绍阶，陈金锥，张智.多级串联加压泵站供水系统优化调度研究.给水排水.2006，32（11）：96～99.
[4] 刘德祥，何忠人，郑玉春，汪益三.大岗坡—石台寺多级泵站群优化调度模型研究.水电能源科学.1995，13（4）：236～241.
关键词：梯级泵站 优化调度 峰谷电价 方案比选 应用分析
1引言
随着国民经济的发展，对于城市供水的需求更加迫切，但我国水资源分布极不均匀，所以，近年来国家建设了多项调水工程，如南水北调工程、东深供水工程、胶东引黄调水工程等。这类工程以多级泵站组成梯级泵站，在每级泵站内采用多台机组，从而满足调水需求。
对于梯级泵站优化调度的研究很多，但在他们的研究中，一般采用模型求解方法，如动态规划法。这些模型优化方法具有比较强的研究性质和学术性，但是，由于大型的梯级调度系统涉及范围极广，具有很多模型考虑不到的情况或者无法获取模型参数的情况，因此，很多优化模型的适用范围有限，取得的实际效果并不能完全达到用户的需求。在现在主流的“大数据”分析应用的潮流下，我们利用大量的运行数据，找到各项调度优化因素之间的关系，通过计算机编程，实现优化方案的比选，实现了在不同调水总量的情况下的较科学合理的调度计划和方式，通过在东深供水改造工程中应用，取得了很好的经济效益。
2梯级泵站优化调度方法简介
梯级泵站优化调度的问题可分解决为两个层次来考虑：各梯级泵站之间的系统，这些泵站之间为串联连接。在泵站内部，为各个泵组之间的关系，这些机组之间为并联连接。它的结构图如下所示：
优化调度的目标是实现系统运行年动力费成本最低。根据工程运行的实际，动力费成本主要包括六大块分别是：抽水电费成本、其它用电成本、各种用电损耗、基本容量费、力率调整费和电站发电折合电费。其中，对于大型梯级泵站，抽水电费成本一般情况下占了80%以上，其他成本优化空间不大，因此，可认为抽水成本是优化的主要且唯一的方向。
按优化调度的层次来考虑，可分为系统层优化和泵站层优化。系统层优化着重解决的是：在日抽水量一定的情况下，各泵站的抽水流量和时间安排。泵站层优化着重解决的是：各泵站抽水流量和时间安排确定的情况下，各泵站如何提高抽水效率。具体来说就是如何确定开机的台数及如何确定运行机组的流量搭配。
2.1系统层优化
首选，确定系统层优化约束条件：
1、泵站抽水能力受各泵站可用机组数目影响，最小抽水流量等于单机最小抽水流量；
2、机组运行工况不同，其抽水流量不同。机组调节能力指机组在不同工况下运行时，其抽水流量达到的范围；
3、考虑输水建筑物限制（即各典型断面控制水位），如保证调度过程中不发生溢流、不低于最低水位要求等限制；
4、峰谷平时段及电价，这是优化调度最重要的约束条件；
5、其他优化条件，如保证供水连续性等，不同梯级泵站略有不同；
在确定了系统层的约束条件后，分析如何进行方案比选，思路如下：
1、定义全天按最小抽水流量进行抽水的运行方式为初始运行方式（增加的流量通过在不同时间加大流量，达到最终满足日抽水量的要求）。其对应的抽水量、抽水电度数及抽水动力成本分别为：Qc1（0）、E（0）、C（0）。此时第一级泵站各时间变量分别为：t11（0）=0；t12（0）=720；t13（0）=720；t14（0）=1440；（t11（n）——执行第n个子方案时，第一级泵站第一次减流量的开始时间，取数范围0～720，单位为min；t12 （n）——执行第n个子方案时，第一级泵站第一次加流量的开始时间，取数范围0～720，单位为min；t13 （n）——执行第n个子方案时，第一级泵站第二次减流量的开始时间，取数范围720～1440，单位为min；t14 （n）——执行第n个子方案时，第一级泵站第二次加流量的开始时间，取数范围720～1440，单位为min。）
2、从初始运行方式开始逐步加大抽水量时，在不同的抽水量范围内，实现增加水量的方案主要有四类分别是：1）增大t11；2）减小t12；3）增大t13；4）减小t14。
3、对于不同方案类根据增加单位水量时所增加的单位动力费成本的不同又可分成不同的子方案；这些子方案存如下特性：1）其单位动力费成本是固定的；2）其最大持续时间是固定的；3）它属于某一方案类；
4、根据各区段等效延迟时间及电网时段的划分情况（峰谷平情況），可分别列出各方案类的子方案，再计算出各子方案的单位动力费成本，将各子方案按单位动力费成本从低到高排定次序；
5、根据各子方案按单位动力费成本从低到高的排序结果，就可确定从初始运行方式到最终运行方式过程中按不同单位抽水成本运行时抽水量的变化范围。
按上述分析进行计算机编程，很容易求出不同抽水量Qc1时的各泵站抽水时间安排。
2.2泵组层
系统层优化把各泵站作为整体来处理，其结果是各泵站日抽水计划安排表。泵站层的优化就是此基础上，进行各泵站抽水效率优化。具体来说就是如何确定开机的台数、如何确定运行机组的流量搭配及加减流量过程优化处理。根据实际运行的经验，加减流量的策略主要有下列三种：
第一种策略是“泵站进水池水位控制”：就是严格按泵站进水池目标控制水位来加减流量；第二种策略是“时间预测”：根据上游泵站的运行情况，对下游泵站进水池的来水规律进行科学的预测，按预测的时间逐步进行加减流量；第三种策略：将第一、二种相结合，优先采用预测加减流量时间的方法进行加减流量，同时将进水池水位控制范围作为限制条件，当水位高于最高控制水位就增加泵站抽水流量，当水位低于最低控制水位就减小泵站抽水流量；所不同的是，此时应将进水池水位的控制范围设定的较第一种情况更宽一些。
采用第三种策略加减流量时，各特征断面的平均流速较采用第一种策略加减流量时的平均流速要大些，因此采用第三种策略运行时的延迟时间较短些。按照2.1章节的有关分析，我们知道加减流量过程持续时间的长短将直接影响到对电网峰谷时段的利用率，也将直接影响优化的效果。持续时间越短，利用率越高；持续时间越长，利用率越低。因此采用第三种策略加减流量时其系统运行的经济性要好些。
3应用情况分析
东深供水工程从东江太园泵站开始提水，经莲湖、旗岭、金湖三个供水泵站以及专用供水水道和生物硝化工程后，进入深圳水库，再由深圳水库向深圳、香港供水。全长69km，沿线设有36个分水点。工程设计水平年为2010年，工程设计流量为100m3/s，设计年总供水量为24.23亿m3，设计供水保证率P=99%，供水对象为香港、深圳及东莞部分地区（8镇），总供水人口约2000万人。
通过和供水局日常抄表数据的对比分析，每日抽取550万方的水量，通过优化调度系统后，成本可节省在4-7万左右，在实际应用中获得了很好的经济效益。各时段的电量及费用见下图。
4结语
梯级泵站经济运行和优化调度是非常必要和迫切需要的，但目前能够在工程中得到应用的并不多见。本文根据工程实践，在原有方法基础上提出了更贴合实际的优化方法，并将其与工程实践相结合，并通过实例验证了方法的有效性和工程的可行性 。
参考文献：
[1] 朱劲木，龙新平，刘梅清，周龙才.东深供水工程梯级泵站优化调度.水力发电学报.2005，24（3）：124～127.
[2] 李继珊，刘光临，潘为平.多级泵站的优化调度及经济运行研究[J].水利学报.1992，（12）：18～26.
[3] 蒋绍阶，陈金锥，张智.多级串联加压泵站供水系统优化调度研究.给水排水.2006，32（11）：96～99.
[4] 刘德祥，何忠人，郑玉春，汪益三.大岗坡—石台寺多级泵站群优化调度模型研究.水电能源科学.1995，13（4）：236～241.