基于蟻群算法和變角相似關(guān)系的泵站優(yōu)化運行研究.pdf

1、泵站的調(diào)水能夠有效地解決水資源時空分布不均的問題，但調(diào)水過程會消耗大量的能量，從而導(dǎo)致泵站運行的成本很高。因此，研究泵站系統(tǒng)的運行優(yōu)化，獲得較佳的運行方案，以降低泵站的運行成本，具有重大意義。要對泵站系統(tǒng)的運行進(jìn)行優(yōu)化是一個復(fù)雜的問題，涉及的因素眾多，尤其是多機(jī)組、多泵站并聯(lián)運行時，問題計算的規(guī)模較大，運行方案的決策困難，這就對問題模型的可靠性以及計算方法的高效性、穩(wěn)定性提出了要求。
　　泵站運行時常用的工況調(diào)節(jié)方式是變角調(diào)節(jié)和變

2、速調(diào)節(jié)。有研究表明，考慮到變頻裝置的使用壽命和價格，利用變速調(diào)節(jié)來實現(xiàn)泵站的優(yōu)化運行時得到的運行方案經(jīng)濟(jì)性并不明顯，因而本文僅研究通過變角調(diào)節(jié)來輔助泵站的優(yōu)化運行，對水泵變角調(diào)節(jié)時的機(jī)理及可能存在的相似關(guān)系進(jìn)行了探討。計算泵站優(yōu)化運行問題時，傳統(tǒng)的確定性算法雖然可以找到問題的最優(yōu)解，但是求解效率比較低;近似性算法在泵站優(yōu)化運行問題中已有的研究僅限于能夠應(yīng)用，著重于優(yōu)化運行方案與原設(shè)計運行方案之間的比較，對算法中關(guān)鍵信息如何針對問題本身的

3、特性進(jìn)行改進(jìn)，避免算法因陷入局部最優(yōu)而遺漏全局最優(yōu)，以及進(jìn)一步提高算法求解效率等方面的研究較少。因此，本研究將致力于探索蟻群算法和水泵的變角相似關(guān)系在泵站優(yōu)化運行問題中的應(yīng)用，以期能以較好的策略求解問題，獲得優(yōu)化后的運行方案來輔助泵站的日常運行管理，具體研究的內(nèi)容和成果如下。
　　(1)對水泵變角調(diào)節(jié)時可能存在的相似關(guān)系進(jìn)行了研究。通過分析變角調(diào)節(jié)前后水泵進(jìn)出口速度三角形的變化關(guān)系，結(jié)合水泵內(nèi)部水流運動的特性，推導(dǎo)出流量、揚(yáng)程隨葉

4、片安放角變化的相似關(guān)系式，提出以試驗性能為依據(jù)，水泵變角相似關(guān)系式計算結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)間的誤差平方和最小為目標(biāo)函數(shù)，通過數(shù)值逼近求解相似關(guān)系式中流量指數(shù)和揚(yáng)程指數(shù)的方法。據(jù)此構(gòu)造水泵的變角相似關(guān)系計算模塊并列舉應(yīng)用算例驗證其性能，該模塊可依據(jù)設(shè)計角度(0°)的精確測試結(jié)果較準(zhǔn)確地計算常規(guī)變角范圍內(nèi)任意角度下的水泵性能，照此可對模型試驗結(jié)果中人為操作的調(diào)角誤差導(dǎo)致的性能誤差進(jìn)行修正，使得調(diào)角性能更接近真實結(jié)果。
　　(2)蟻群算法是M

5、arco Dorigo等學(xué)者在真實螞蟻覓食行為啟發(fā)下提出的一種元啟發(fā)式優(yōu)化算法，在一些組合優(yōu)化調(diào)度問題中已有應(yīng)用。泵站優(yōu)化運行同屬組合優(yōu)化調(diào)度問題，論文根據(jù)此類問題的共性，結(jié)合蟻群算法的特點合理設(shè)定目標(biāo)函數(shù)和約束條件，建立泵站單機(jī)組日優(yōu)化運行的蟻群算法數(shù)學(xué)模型。結(jié)合模型的成分有效地設(shè)定問題求解的結(jié)點模式圖，由人工蟻搜索尋找問題的可行解集，通過分析模型的特性改進(jìn)蟻群算法中啟發(fā)式信息和信息素更新的方式，利用狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)則和信息素更新逐步逼近最

6、優(yōu)解，并構(gòu)造泵站單機(jī)組日優(yōu)化運行的蟻群求解模塊。實例計算表明，單機(jī)組優(yōu)化運行蟻群求解模塊的求解效率高，計算結(jié)果與同等離散情況下的動態(tài)規(guī)劃法和商業(yè)軟件進(jìn)化求解算法的計算結(jié)果相同。
　　(3)泵站多機(jī)組優(yōu)化運行問題的數(shù)學(xué)模型比較復(fù)雜，需要尋求更高效的求解途徑。論文建立了包含機(jī)組開停機(jī)約束的泵站多機(jī)組日優(yōu)化運行問題的數(shù)學(xué)模型，并提出了求解模型的蟻群遞階優(yōu)化算法。將總的抽水量離散后分配至單臺機(jī)組，視單機(jī)組為子系統(tǒng)，先利用單機(jī)組優(yōu)化運行計算

7、模塊對子系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化求解，再根據(jù)系統(tǒng)總的目標(biāo)，考慮各子系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)，協(xié)調(diào)修改子系統(tǒng)的輸入和輸出，最終實現(xiàn)全局優(yōu)化。同時選取運行電費、葉片調(diào)節(jié)次數(shù)、泵機(jī)組運行時間、運行效率和消耗的功率作為評價指標(biāo)，建立泵站優(yōu)化運行方案的投影尋蹤選優(yōu)決策模型，得到多個運行方案的優(yōu)劣順序，進(jìn)行決策，以便更全面地分析泵站優(yōu)化運行問題，得到與實際運行的情況貼切、實施方便的泵站運行方案。據(jù)此構(gòu)造泵站多機(jī)組日優(yōu)化運行蟻群遞階求解的計算模塊，列舉應(yīng)用算例來檢驗?zāi)K的

8、性能，結(jié)果顯示，變量同等離散的情況下，利用泵站多機(jī)組優(yōu)化運行蟻群遞階模塊計算的結(jié)果運行成本低，且對應(yīng)的運行方案中葉片調(diào)節(jié)次數(shù)少，機(jī)組運行時間短，兼顧常規(guī)運行時的多個影響因素，與日常運行的情況貼切。
　　(4)論文建立了泵站群日優(yōu)化運行問題的數(shù)學(xué)模型，提出了求解模型的蟻群遞階優(yōu)化算法。將總的抽水量離散后分配至單座泵站，視單座泵站為子系統(tǒng)，先利用泵站多機(jī)組日優(yōu)化運行計算模塊對子系統(tǒng)進(jìn)行求解，再根據(jù)系統(tǒng)總的目標(biāo)，考慮各子系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)，

9、協(xié)調(diào)修改子系統(tǒng)的輸入和輸出，實現(xiàn)全局優(yōu)化。
　　將泵站群日優(yōu)化運行問題的求解過程與水泵變角性能的相似計算模塊結(jié)合起來，構(gòu)造泵站群日優(yōu)化運行的計算模塊。該模塊可應(yīng)用于泵站日常運行范圍內(nèi)不同葉片角度的性能換算，并且可根據(jù)泵站的實際調(diào)節(jié)能力來設(shè)定不同的葉片角度調(diào)節(jié)步長進(jìn)行優(yōu)化運行的計算，使求解得到的運行方案更加貼切于泵站實際的日常運行操作。通過應(yīng)用算例檢驗泵站群日優(yōu)化運行模塊的計算性能，其優(yōu)化效果明顯，說明論文提出的泵站群日優(yōu)化運行計算