1.梯级泵站输水系统优化运行-控制耦合协调方法,其特征是,包括如下步骤:步骤(1):建立梯级泵站输水系统优化运行模型,求解梯级泵站输水系统优化运行方案;
步骤(2):依据步骤(1)优化运行方案中的输水流量及对应水面线为控制目标,建立基于蓄量补偿的泵前水位控制模型,制定各泵站控制方案;
步骤(3):基于步骤(1)的梯级泵站输水系统优化运行模型和步骤(2)的基于蓄量补偿的泵前水位控制模型,建立梯级泵站输水系统优化运行-控制耦合模型;
然后,建立梯级泵站输水运行-控制方案评估模型;
最后,建立梯级泵站输水系统优化运行-控制耦合协调模型;
最终,通过对耦合协调模型耦合及求解获得优化运行方案和对应的控制方案。
2.如权利要求1所述的梯级泵站输水系统优化运行-控制耦合协调方法,其特征是,所述步骤(2)建立基于蓄量补偿的泵前水位控制模型,制定各泵站控制方案;
所述基于蓄量补偿的泵前水位控制模型的控制目标为各级泵站前池水位;控制变量为各机组叶片角度\频率;
所述基于蓄量补偿的泵前水位控制模型包括:蓄量补偿的流量前馈环节和水位-流量串级反馈控制环节。
3.如权利要求2所述的梯级泵站输水系统优化运行-控制耦合协调方法,其特征是,所述蓄量补偿的流量前馈环节采用蓄量补偿的流量前馈算法;蓄量补偿的流量前馈算法的任务是粗调,采用主动蓄量补偿方式保证各梯级达到目标蓄量。
4.如权利要求3所述的梯级泵站输水系统优化运行-控制耦合协调方法,其特征是,所述水位-流量串级反馈控制环节采用水位-流量串级反馈控制算法;水位-流量串级反馈控制算法的任务是微调,用于消除已知或未知的扰动影响,保证不同时刻的目标水位实现。
5.如权利要求4所述的梯级泵站输水系统优化运行-控制耦合协调方法,其特征是,将所述蓄量补偿的流量前馈算法和所述水位-流量串级反馈控制算法的输出叠加后作为所述基于蓄量补偿的泵前水位控制模型的输出:泵站目标控制流量,并可通过泵站机组性能数据反算泵站目标控制流量对应的泵站机组叶片角度或频率。
6.如权利要求3或5所述的梯级泵站输水系统优化运行-控制耦合协调方法,其特征是,所述步骤(2)的蓄量补偿的流量前馈算法:首先,根据步骤(1)的优化运行方案计算各个渠段的目标蓄量;
然后,对比各渠段现状蓄量和目标蓄量之间的差值,判断各渠段的调节状态,考虑泵站约束条件,分别对前馈时间和参与调节泵站数量进行优化,计算各级泵站的前馈流量。
7.如权利要求3或5所述的梯级泵站输水系统优化运行-控制耦合协调方法,其特征是,所述步骤(2)的蓄量补偿的流量前馈算法的步骤为:步骤(2-1):计算各渠段的目标蓄量及现状蓄量:根据步骤(1)梯级泵站输水系统优化运行模型得出的各渠段目标水力状态参数;所述目标水力状态参数是指设定输水流量下对应的目标水面线;目标水面线下的蓄量为各渠段的目标蓄量;各渠段的目标蓄量之和为梯级泵站输水系统目标总蓄量;
步骤(2-2):计算各个渠段的目标蓄量与现状蓄量的差值:各个渠段的蓄量差为:ΔVj=Vj(g)-Vj(s) (8)
系统目标蓄量与现状蓄量差为:
式(5)和(6)中,Vj(g)为第j级泵站和第j+1级泵站间渠段的目标蓄量,Vj(s)为第j级泵站和第j+1级泵站间的渠段的现状蓄量;ΔVj为第j级泵站和第j+1级泵站间渠段现状蓄量与目标蓄量差;ΔV为系统现状蓄量与目标蓄量差;
步骤(2-3):蓄量补偿的前馈流量控制模式及范围确定:
如果系统现状总蓄量小于目标总蓄量, 则需调整首级或末级泵
站流量,进行外部补水调节;
如果系统现状总蓄量大于目标蓄量, 则需调整首级或末级泵站
流量,进行外部放水调节;
如果系统现状总蓄量等于目标蓄量,即 则梯级首级和末级泵站流
量保持不变,仅进行内部蓄量调节;
如果系统中所有渠段的蓄量差均不等于0,则进行全系统的流量调节;
如果仅有部分渠段蓄量差不同,则仅对部分渠段进行蓄量差调节,从部分渠段的上游或下游开始逐级调整相应泵站,未参与调节的渠段及泵站维持现状运行状态,从而减少参与调节的泵站及受干扰的渠段数;
步骤(2-4):蓄量补偿前馈控制时间及流量计算:
首先根据系统现状蓄量与目标蓄量差ΔV,确定首级和末级泵站的调节流量,然后依次确定除了首级和末级泵站以外的其他泵站调节流量;设定前馈控制时间,使各个渠段同时达到目标蓄量,则对于第j级泵站和第j+1级泵站间的渠段:
其中,Qx(j,t)为第j级泵站在t时刻蓄量补偿前馈控制流量;Δt为前馈控制时间。
8.如权利要求4所述的梯级泵站输水系统优化运行-控制耦合协调方法,其特征是,所述步骤(2)的水位-流量串级反馈控制算法:以各泵站前水位为控制目标,其中主控制器为水位反馈控制器,副控制器为流量反馈控制器,执行器为泵站机组,在水位反馈控制器的基础上增加副控制器-流量反馈控制器,形成水位-流量串级反馈结构;其中水位反馈控制器采用增量式比例积分PI控制,水位反馈控制器的流量增量输出交与流量反馈控制器;流量反馈控制器根据已知的泵站性能数据,输出机组叶片角度增量;
ΔQf(j,t)=Kp(j)Δe(j,t)+K1(j)e(j,t-Δt) (11)其中ΔQf(j,t)反馈算法输出的第j泵站在t时刻的流量,K1(j)为第一个比例积分系数,Kp(i)为第p个比例积分系数,用Ziegler-Nichols法整定;e为每个时段内泵站前目标水位与实际水位误差,Δe为每个时段内泵站前目标水位与实际水位增量。
9.如权利要求1所述的梯级泵站输水系统优化运行-控制耦合协调方法,其特征是,所述步骤(3)的步骤为:基于步骤(1)的梯级泵站输水系统优化运行模型和步骤(2)的基于蓄量补偿的泵前水位控制模型,采用数据外部耦合方式,将梯级泵站输水系统优化运行模型和基于蓄量补偿的泵前水位控制模型进行耦合,建立梯级泵站输水系统优化运行-控制耦合模型,实现输水工况、优化运行方案和控制方案的自动计算;
建立梯级泵站输水运行-控制方案评估模型,对优化运行方案和控制方案进行定量评估;
将梯级泵站输水系统优化运行模型、基于蓄量补偿的泵前水位控制模型和梯级泵站输水运行-控制方案评估模型;按照次序进行集成、耦合和协调,建立梯级泵站输水系统优化运行-控制耦合协调模型,利用耦合协调模型建立输水工况、优化运行方案、控制方案、方案评估和执行/重新返回优化的计算流程,最终获得优化运行方案和对应的控制方案;
或者,
所述步骤(3)的建立梯级泵站输水运行-控制方案评估模型步骤为:选取梯级泵站输水系统控制性能和响应能力,选取单位输水成本、梯级间各渠段水位、流量参数控制完成时间、泵站调节频次作为评价指标,利用层次分析法确定各指标权重,采用模糊综合评价法建立评价矩阵,计算梯级泵站输水运行-控制方案的优劣度,从而选择最佳的优化运行及控制方案。
10.梯级泵站输水系统优化运行-控制耦合协调系统,其特征是,包括:梯级泵站输水系统优化运行模型建立模块:建立梯级泵站输水系统优化运行模型,求解梯级泵站输水系统优化运行方案;
基于蓄量补偿的泵前水位控制模型建立模块:依据优化运行方案中的输水流量及对应水面线为控制目标,建立基于蓄量补偿的泵前水位控制模型,制定各泵站控制方案;
梯级泵站输水系统优化运行-控制耦合模型建立模块:基于梯级泵站输水系统优化运行模型和基于蓄量补偿的泵前水位控制模型,建立梯级泵站输水系统优化运行-控制耦合模型;
梯级泵站输水运行-控制方案评估模型建立模块:建立梯级泵站输水运行-控制方案评估模型;
梯级泵站输水系统优化运行-控制耦合协调模型建立模块:建立梯级泵站输水系统优化运行-控制耦合协调模型;通过耦合协调模型获得优化运行方案和对应的控制方案。