扬程-水位逐次逼近策略优化梯级泵站群级间河道水位

级间输水河道水位优化对降低梯级调水系统运行能耗,提高系统整体优化运行效益意义重大。该文针对各级并联泵站群初始扬程及提水负荷已定条件下的梯级调水系统优化运行数学模型,考虑级间输水河道特点,采用大系统二级分解-动态规划聚合与河网非恒定流模拟相结合的逐次逼近选优策略,开展梯级泵站群整体优化运行下的级间输水河道水位优化研究,获得满足河道防洪除涝、通航、生态等水位要求的各泵站优化运行方案。该方法既可较快确定各级泵站群给定提水扬程及提水负荷下的优化运行费用,又能较好地降低系统输水过程中输水河道水位变化对泵站既定提水扬程的影响,对进一步开展复杂边界条件下梯级输水系统优化运行研究具有一定理论价值。以南水北调东线江苏境内淮安一、二、四站~淮阴一、三站梯级输水系统为典型实例,在淮安站群初始扬程4.13 m、100%负荷,淮阴站群初始扬程2.7 m、100%负荷条件下,4次数模和2次数模相比站上(下)最大水位差最小,平均为6.51 cm,即3次并联站群优化运行下扬程匹配度最高;确定了对应的各级泵站群机组各时段优化运行叶片安放角或机组转速,获得较泵机组定角恒速运行下7.56%的运行效益;且4次数模下各河道水位变幅最小,平均水位变幅14.9 cm;对应的各河道高低水位值及其出现间隔可满足通航及生态水位要求。     

兼顾排涝标准与水质净化要求的农业圩区最优水面率确定

针对农业圩区的排涝以及水环境问题,该研究以江苏里下河地区为研究对象,以满足里下河圩区设计排涝标准与水质净化要求为目标,构建农业圩区坑塘-排水沟道湿地系统最优水面率数学模型.模型以工程系统总费用现值最小为目标函数,以泵站涝水外排能力与圩内水面率、水面率上下限、水环境容量与圩内坑塘与排水沟道系统的关系(主要包括圩内坑塘沟道...     

考虑河道输水损失的大型泵站系统运行优化

大型泵站前池水位变化频繁且变化幅度较大时,机组经常偏离高效区运行,造成能源浪费。泵站系统中除了主机组、辅助设备和输变电设施消耗能量外,河道的输水水量损失和水力损失也综合成泵站所抽提水体的水能损失,进而影响泵站的运行性能。根据水源水位变化,在调水目的地水位一定的情况下,考虑河道输水水力损失与水量损失,首先分别确定调水目的地需要流量与泵站抽水扬程、抽水流量之间的关系,避免了优化计算过程中水位的重复迭代,极大减小了计算量与计算时间。以长江三江营最大潮差、平均潮差、最小潮差3个典型日为例,在南水北调东线淮安站站下水位及需要流量一定的情况下,以系统日运行费用最少为优化目标,建立优化模型,并采用模拟退火-粒子群算法(SA-PSO,simulated annealing-particle swarm optimization)求解,计算结果表明,与水泵设计角度运行方案相比,泵站系统实施变角优化运行,其运行费用可分别节约0.62%~2.26%、0.33%~3.26%和0.22%~0.83%。     

基于混合狼群算法参数优选的泵站群运行优化

对于求解复杂的并联泵站群优化运行模型,狼群算法(wolf pack algorithm,WPA)存在收敛性和鲁棒性差等问题。为改善这些问题,该文以某典型并联泵站群为例,以泵站系统主机组运行能耗最低为优化目标,考虑流量、叶片角度、开机台数等约束条件,建立了并联泵站群优化运行模型。将模拟退火算法引入WPA算法中,提出混合狼群算法(hybrid wolf pack algorithm,HWPA)用于求解建立的优化模型。选择最小值、平均值和标准差作为算法性能的评价指标。相较于粒子群算法(particle swarm optimization,PSO)和WPA算法,HWPA算法求解典型并联泵站群优化运行模型得出的运行能耗最小值平均降低了15.60、10.23 kW,平均值平均降低了36.94、14.30 kW,标准差平均降低了84.82%、72.90%。在HWPA算法的基础上,对算法中的游走步长、奔袭步长、围攻步长的最小值和最大值4个参数进行单因素分析和拉丁超立方抽样设计计算,确定出4个参数的最优组合为0.33、1.53、0.672和4.8×10^5,进而提出改进混合狼群算法(improved hybrid wolf pack algorithm,IHWPA)。相较于HWPA算法,IHWPA算法求解典型并联泵站群优化运行模型得出的运行能耗最小值和平均值平均降低了4.66和13.26 kW,标准差平均降低了94.02%。应用IHWPA算法确定典型并联泵站群6个不同运行工况优化方案,结果表明,采用引入模拟退火算法、优选WPA算法参数的方法提高了算法的全局收敛性与计算鲁棒性,泵站运行最优决策方案较实际方案的运行能耗平均降低9.80%,可为泵站工程提供合理有效的运行方案,降低运行能耗。     

淮安-淮阴段梯级泵站群运行优化

为了探索大型跨流域调水工程优化运行方法,充分挖掘梯级系统优化运行效益,针对梯级泵站群优化运行数学模型,引入并联泵站群日优化运行模型和一维明渠非恒定流模型,分别采用大系统二级分解-动态规划聚合方法和追赶法求解,考虑区间用水户用水过程,进行各级并联站群日均扬程优化,以淮安-淮阴梯级泵站群为例,采用淮安站群日均扬程4.15 m、80%负荷,淮阴站群日均扬程3.9 m、100%负荷,且淮阴站群推迟2 h的优化运行过程作为淮安-淮阴梯级泵站群优化运行方案。该方案下淮安站群、淮阴站群单位提水费用分别为79.33元/万m3、84.60元/万 m3,较各站群定角恒速运行单位提水费用分别节省25.06%、7.3%,初步获得了梯级泵站群优化运行方案。该研究可为跨流域梯级调水系统优化调度特别是级间输水系统水位优化提供参考。     

大型泵站系统运行优化模型与节能效果比较

为了解大型泵站系统运行优化节能效果,分析了大型泵站优化运行方案的研究优化范围。以泵装置效率最高为优化目标,建立了单台机组变角运行优化模型和变速运行优化模型;在抽水流量和装置扬程一定的情况下,以运行费用最低为优化目标,建立了单座泵站、并联泵站运行优化模型;在抽水体积一定的情况下,考虑扬程变化和分时电价,以运行费用最低为优化目标,建立了单座泵站、并联泵站、并联泵站系统和梯级泵站系统的运行优化模型。3个应用实例考虑的优化范围与影响因素不同,优化计算结果表明,单台机组最优叶片角度下泵装置效率较设计角度最高可提高4.21个百分点;实行分时电价、变角调节的单座泵站系统运行优化方案和梯级泵站系统运行优化方案分别较设计方案节约电费5.64%和6.83%。提出了大型泵站系统运行优化建模时应综合考虑输变电、泵站和河道输水三方面能量损失。优化范围与考虑的因素越全面,节能与节约电费效果越显著。     

一种横磁通风力发电机的建模及参数优化设计

在横磁通风力发电机的设计与测试研究中,高质量的输出电压对风电机组背靠背变流器的可靠运行具有重要的影响作用。该文将正交设计、支持向量机非线性回归分析以及粒子群智能优化算法相结合,提出了一种以输出电压谐波最小为优化目标的横磁通发电机优化设计方法。首先,在基于标量磁位求解的三维有限元模型基础上,确定对发电机空载反电势敏感度较高的设计参数作为优化变量;其次,通过正交试验建立参数样本空间,并运用最小二乘支持向量机实现电机电磁模型的非线性回归建模,为电机优化所需的大规模迭代运算提供高效的计算模型;最后利用粒子群算法良好的全局优化特性进行寻优操作。通过一台1.5kW聚磁式横磁通永磁同步发电机设计,优化方案的空载输出电压谐波含量为14.36%,比初始方案有所降低,证明了建模和优化方案的正确性和工程实用价值。     

感潮河网地区城镇化对排涝模数的影响分析

随着城镇化发展,感潮河网地区下垫面原有的透水层逐渐被不透水层替代,涝水的产汇流过程发生了改变;同时排涝期间受外江潮水位顶托,涝灾风险加剧,合理的确定排涝模数对于涝灾治理具有重要意义。针对感潮河网地区的排水特点,建立了区域二层排涝模数计算模型。模型将全区域划分为城镇子排区和农业子排区,在子排区层面分别利用SWMM模型和广东综合单位线法进行建模,然后在子排区共同的排水通道(内河道)层面建立全排区的河网区水动力学模型。利用该模型,以广州市大岗排区为背景,研究了城镇化对该排区排涝模数的影响。结果表明:2003-2012年,大岗排区城镇化面积占有率由9.69%提高到24.25%,在20年一遇的同等排涝标准下,排涝模数由1.766 m3/(s·km2)提高到2.808 m3/(s·km2),泵站设计流量需由122 m3/s提高到194 m3/s;当排涝模数均为1.766 m3/(s·km2)时,2003年能够满足20年一遇的排涝标准,而2012年只能满足约15年一遇的排涝标准,同一排涝模数下,城镇化降低了排区的排涝标准。该研究可为城镇化背景下感潮河网地区排涝模数的计算方法选择及其合理取值提供参考。     

考虑灌排运行特点的南方平原圩区分布式水文模拟

为探究适合中国南方平原圩区的水文模型及平原圩区建模与参数率定方法，把握平原圩区内部水循环规律，该研究以巢湖流域庐北大圩为研究区，基于改进SWAT(soil and water assessment tool)模型，提出了一种基于“burn-in”算法与模型河网及子流域人工修正手段的空间离散方法，考虑圩区灌排运行特点后，通过添加虚拟水库，构建了平原圩区多水源灌溉系统，通过对不同大小及特征圩区进行分类，提出了以月尺度为主的多目标参数率定方法。模拟结果表明，大部分圩区出口月径流的相对误差在±15%以内，决定系数大于0.65，纳什效率系数大于0.6，模拟效果处于中等或良好水平，表明改进SWAT模型及该研究提出的平原圩区建模与参数率定方法适用于庐北大圩的水文模拟。水量平衡与灌溉用水模拟分析结果表明，研究区的降水与外河引水主要转化为径流和蒸散发，外河引水量近似等于泵站抽排量，径流系数相对较小，大圩外河是主要灌溉水源，不同时间段内不同水源的可供水量差异明显。考虑灌排运行特点的分布式水文模型为中国南方平原圩区水管理提供了一种有效的手段。     

平原湖区外江水位变化对排涝流量的影响

为准确模拟排区涝水产汇流过程及水量,以湖北省四湖流域螺山排区为例,通过耦合SCS和MIKE11模型来建立排区尺度的涝水产汇流模型,分别采用1980年、1983年和1991年、1996年螺山泵站站前的实测水位数据对模型进行率定和验证,并通过设置不同设计暴雨和外江水位的组合,以评估外江水位变化对排涝流量的影响。结果表明:率定期1980年和1983年模拟水位和实测水位的相对误差分别为-0.20%和-0.40%,相关系数分别为0.980和0.952,效率系数分别为0.949和0.849;验证期1991年和1996年模拟水位和实测水位的相对误差分别为-0.10%和1.70%,相关系数分别为0.919和0.967,效率系数分别为0.782和0.906,表明耦合模型模拟效果较好,适用于螺山排区产汇流模拟。根据5年一遇、10年一遇3日暴雨与5年一遇、10年一遇汛期最高5日平均水位、泵站设计外江水位组合下排涝流量的模拟可知,在相同的设计暴雨下,外江水位越高,泵站的抽排流量越小,并且对内涝造成的不利影响越大。如按排涝泵站水泵的性能曲线进行模拟,精度将提高19.6%~53.8%。     

灌区沟水再利用泵站工程经济评价与结构模式探讨

在排水沟上建立不同型式的沟水再利用泵站是开源补灌的主要工程措施,为探讨灌区沟水再利用适宜的泵站工程模式,该文采用面上调查和理论评价分析相结合,对沟水再利用泵站的适宜规模、基本结构模式及布局形式进行了理论探讨和经济评价。结果表明,对于沟水补充灌溉泵站工程,1 500元/hm2左右的泵站投资规模易于推广和应用,对于纯沟水灌溉泵站工程,6 000元/hm2左右投资规模可以作为推荐采用类型;根据沟水流量大小和沟道规模,可采用跨沟式或旁侧式布局形式,对于纯沟水灌溉用水方式,为进行适时适量灌溉,以保证作物正常生长,宜采用能调控水位的跨沟式泵站工程。该研究为制订当地水资源合理利用规划提供了依据,并为今后进一步发展灌区沟水灌溉提供了理论基础。     

基于模糊隶属度的多站点多机协同即时响应调度系统

为了实现多农机站联合调配完成农户的实时作业订单，该研究针对农田与农机的匹配与调度需求问题，综合考虑农户满意度、多农机站协同、订单数量、农田面积和位置坐标等因素，建立带有模糊时间窗并以调度总时长最小和调度农机数量最少为目标的多农机站即时响应调度数学模型。并设计了基于保留优秀父代基因的改进遗传算法的农机调度系统，完成多农机站响应多农田的同时作业需求的任务，在最短时间里即时调配农机按照最短路径至各农田完成作业要求。以武汉周边某地区的3个农机站和35个农田作业订单为例，验证所提出的模型和智能优化算法，并进行可视化界面展示。试验表明，当模糊隶属度为0.8时，调度总路程减少率为9.89%，农机数量降低率为15.38%；针对该地区各农机站农机数量的实际情况，在不影响农户满意度的前提下，单个农机站接受实时订单数量以不超过20为最佳。该研究实现了多农机站对多农田精准调度作业，有助于科学合理调度农机，提高农机作业效率，节约成本投入。     

农村水电站电能生产动态不确定性优化调度模型

农村水电站由于存在模糊动力特性、瞬时给定负荷和不确定检修计划等动态不确定因素,故不能采用确定环境下的全局优化调度模型,针对该问题构架了基于网络控制系统的动态不确定优化调度模型,该模型由环境预测数据库、滚动时窗、时窗优化模件、时窗驱动器、反馈校正器等组成。结合农村水电站电能生产的具体过程对该模型进行软件编制,构建了基于I/O调度触发器的环境预测数据库,设计了混合确定与不确定约束的滚动时窗,研制了按周期滚动优化的时窗优化模件,开发了由定时器和事件驱动器组成的时窗驱动器,形成了具有不确定因素补偿功能的反馈校正器。优化调度运行与实际仅凭经验运行的对比结果表明,该模型可以有效地解决农村水电站电能生产的动态不确定问题,明显地提高了水电站的发电效益