城市供水原水系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度理論及應用研究.pdf

1、城市供水原水系統(tǒng)是城市供水系統(tǒng)的重要組成部分，是隨著城市的發(fā)展，為滿足不同歷史時期的城市供水需求而逐步形成的多水源、多種輸配水工程、多級提升設備組合構(gòu)成的復雜系統(tǒng)。不同水源的原水價格和不同輸配水工程輸配水的能耗成本組成了原水系統(tǒng)的供水成本，并成為城市供水系統(tǒng)運營成本的重要部分。以原水系統(tǒng)供水成本最小化為目標的城市供水原水系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度理論和應用研究具有重要的經(jīng)濟和科學意義。城市供水原水系統(tǒng)可以描述為從各水源單元輸送、分配原水到

2、各用水單元的過程系統(tǒng)，是一個由各種輸水過程單元(泵站單元、水池單元、管道單元、渠道單元等)按照一定的方式相互聯(lián)結(jié)在一起形成的動量傳遞過程系統(tǒng)。城市供水原水系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度理論研究是水資源開發(fā)利用研究的重要內(nèi)容，課題研究的廣義目標是基于社會和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展，從社會、經(jīng)濟效益的觀點出發(fā)，使水資源的開發(fā)和利用與經(jīng)濟和環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展，其優(yōu)化調(diào)度一般是包括經(jīng)濟、環(huán)境和社會的多目標、多層次的優(yōu)化目標。原水系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度課題的狹義目標是研究原水

3、系統(tǒng)(包括河流、泵站、水庫、渠道、輸水管網(wǎng)等)運行調(diào)度的優(yōu)化模型、優(yōu)化技術和調(diào)度決策，即用系統(tǒng)工程的觀點和系統(tǒng)分析的方法對原水系統(tǒng)的運行調(diào)度方案進行綜合分析，在滿足社會需求的前提下，在一個調(diào)度周期(一年)內(nèi)，保證供應城市供水所需原水量的多水源聯(lián)合調(diào)度運行最優(yōu)化方案，使原水系統(tǒng)的綜合運行成本(包括水資源費、電費)最低，即是本論文研究的內(nèi)容。本論文針對原水系統(tǒng)的特點，運用圖論分析原水系統(tǒng)的供水路徑數(shù)、流量平衡、最大(或最經(jīng)濟)

4、輸水能力、配比因子等系統(tǒng)特性。提出了適合原水系統(tǒng)調(diào)度運行決策的概化仿真模型和建模方法。城市供水原水系統(tǒng)的輸入(來水量)和輸出(需水量)的預測是原水系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度的基礎，本論文研究了適用于原水系統(tǒng)調(diào)度運行中不同時間尺度(年、月、日)需水量的預測方法以及隨機水源單元—水庫來水量的預測方法，并在廈門市原水系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度的研究課題中進行了運用研究。城市供水原水系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度的核心問題是針對水資源時空分布不均的特征，在已有原水系統(tǒng)水力設施

5、不變條件下，將不同地區(qū)、不同時段和具有不同來水規(guī)律的各類水源統(tǒng)一調(diào)度，保證滿足城市供水的原水需求量，尋求原水系統(tǒng)整體運行費用最低的決策方案。優(yōu)化調(diào)度的模型的求解思路為在時間和空間上進行二層優(yōu)化分配，首先是水源單元在一個調(diào)度周期(年)的時間內(nèi)采用動態(tài)規(guī)劃的方法對各個水源單元的原水量進行優(yōu)化分配，然后在空間上采用非線性規(guī)劃方法對各輸水單元進行優(yōu)化流量分配，建立時間和空間上的兩層優(yōu)化數(shù)學模式，這部分的研究是本論文研究的重要成果。

6、本論文研究采用開環(huán)迭代控制策略，即在整個決策過程中，單月控制可看作簡單的開環(huán)策略，每個月末根據(jù)反饋調(diào)整則可看作閉環(huán)控制，以低計算量將開環(huán)策略和閉環(huán)策略加以結(jié)合，在控制過程中有很好的魯棒性，在一年的決策期中，根據(jù)實際情況不斷修正最優(yōu)化問題中的參數(shù)，實現(xiàn)原水系統(tǒng)滾動優(yōu)化調(diào)度的動態(tài)控制策略。城市供水原水系統(tǒng)中包括有大量的抽水泵站和輸水泵站子系統(tǒng)，泵站子系統(tǒng)分為調(diào)速泵站與定速泵站。本論文針對優(yōu)化問題數(shù)學模型非線性和帶有約束條件的特

7、點，采用遺傳算法求解調(diào)速原水泵站的優(yōu)化調(diào)度決策問題，以廈門市大型原水泵站江東泵站的優(yōu)化控制運行為應用實例，具有顯著的優(yōu)化節(jié)能效果。城市供水原水系統(tǒng)中蓄水單元(水庫)的年末余留庫容是原水系統(tǒng)調(diào)度的年末狀態(tài)，本論文運用模糊數(shù)學對水庫年末余留庫容的確定方法進行了探討，并對水庫調(diào)度運行的控制線的確定進行了探討，以廈門市坂頭水庫的實例說明了該方法的可行性。 城市供水原水系統(tǒng)可以描述為從各水源單元輸送、分配原水到各用水單元的過程

8、系統(tǒng)，是一個由各種輸水過程單元(泵站單元、水池單元、管道單元、渠道單元等)按照一定的方式相互聯(lián)結(jié)在一起形成的動量傳遞過程系統(tǒng)。本論文通過對原水系統(tǒng)典型環(huán)節(jié)的研究，對原水系統(tǒng)的系統(tǒng)過程進行分析、研究原水系統(tǒng)的控制要求、對象特性、干擾因素、約束條件等，選擇適合于原水系統(tǒng)靜態(tài)和動態(tài)特性的控制方案。并采用廣義預測控制理論，以廈門市原水系統(tǒng)模型進行了計算機輔助優(yōu)化調(diào)度與控制的應用研究。創(chuàng)新內(nèi)容和成果如下：本論文在國內(nèi)較早提出了城市供水

9、原水系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度問題，并進行了全面、系統(tǒng)的研究；確立了城市供水原水系統(tǒng)在時間和空間上二層優(yōu)化調(diào)度的數(shù)學模式；運用圖論原理分析原水系統(tǒng)的系統(tǒng)特性；研究采用開環(huán)迭代控制策略，實現(xiàn)原水系統(tǒng)滾動優(yōu)化調(diào)度的動態(tài)控制；采用模糊數(shù)學運用于原水系統(tǒng)年末余留狀態(tài)的確定方法；采用廣義預測控制理論，以廈門市原水系統(tǒng)模型進行了計算機輔助優(yōu)化調(diào)度與控制的應用研究。本論文研究成果應用于廈門城市供水原水系統(tǒng)的實際調(diào)度工作中，取得了顯著的優(yōu)化效果。本