高扬程电力提灌工程多梯级泵站优化调度运行方案初探——以西岔电力提灌工程为例.pdf

第 4 9卷第 7期 2 0 1 3 年 7月 甘 肃 水 利 水 电 技 术 GA NS U WA T E R R Es 0U RC E S A N D ⅡY 1 ) R0P oWER T E CⅡ NO L0 GY Vo 1 ． 4 9 ． No ．7 J u 1 ． ， 2 0 1 3 设计与研究 高扬程电力提灌工程多梯级泵站优化调度运行方案初探 —— 以西岔 电力提 灌工程为例 宁兴鹏 ( 西岔电灌工程水利管理局， 甘肃 皋兰7 3 0 2 0 0 ) 摘要： 高扬程多梯级泵站运行调度方案关系到泵站运行的科学性、 调度的准确性和水资源的有效利用。主要通过信息 管理系统数据采集分析， 使得泵站内部和级间优化调度运行， 从而达到有效利用水资源、 降低能耗、 增加效益的目的。 关键词： 电力提灌工程 ； 梯级泵站； 调度运行 ； 信息管理； 西岔电灌工程 中图分类号： T V 6 7 5 文献标志码： B 文章编号： 2 0 9 5 一 o 1 4 4 ( 2 O l O ) O 7 — 0 0 4 5 — 0 3 高扬程多梯级泵站属于由电力提灌泵站 、 输水 工程、 田间配水工程组成的高维复杂水资源利用系 统工程 。每座泵站安装有多台提水机组 ． 泵站内部 安装有水泵电机机组 、 控制阀门 、 高低压开关柜、 现 地监控保护系统、 供电系统等多个工作系统。工程 常涉及多个地 区， 故相邻泵站级间还存在一个或多 个供水片 ， 供水时段存在降水、 用水量的时空地域分 布的不均衡性和随机性。泵站级间存在较强关联约 束。 西岔电力提灌工程属于 由多个泵站组成的泵 站群 ， 始建于 1 9 7 0年 ， 1 9 7 2年基本建成并开始逐级 上水受益 。共建成干渠 3条长 8 6 k m， 支渠 2 9条长 1 8 6 k m。 泵站 1 0 1 座 ， 总装机 2 2 0台套 ， 总装机容量 5 8 6 7 1 k W；工程设计提水流量 6 ． 0 m S ／ s ，加大流量 6 ． 5 m 3 ／ s ，设计 灌溉面积 1 5万亩 ，有效灌 溉 面积 1 5 ． 6 3万亩 ， 分 1 2级提水 ， 总提水 高度 6 3 8 ． 5 0 i n ， 属 高扬程 电力提灌工程。 工程原先 的调度运行系统为人工调度 ， 调度运 行主要靠经验和各水管所的配水需求计划。通讯设 备陈 旧， 方式落后 ， 通信质量无法保证 ， 运行维护费 用很高 ， 电话分机串接严重 ， 一处通话几处铃 响， 造 成通讯混乱 ， 生产调度任务无法顺利下达 ， 稍有不慎 就会造成渠道 、 泵站前池溢水事故。 甚至会导致泵站 厂房进水 ， 既浪费水资源又危及工程安全 。特别是 电网跳闸断电事故停水 时的应急调度更是无法应 付。 从 2 0 0 9年开始实施的大型泵站更新改造项 目。 全部更换为程控交换系统 ， 彻底解决 了泵站调度通 讯落后的问题。同时 ，作为全 国大型灌溉排水泵站 信息化建设试点甘肃唯一单位 ( 全国 1 9家) ， 结合泵 站现地监控保护系统建设 ， 2 0 1 0年建成了信息调度 中心 ，已改造泵站全部接入。主要建设内容 由骨干 通信网络系统 、泵站计算机监控系统 、视频监视系 统 、泵站运行调度决策系统、信息管理业务应用系 统、 信息调度中心办公楼等项 目组成 ； 完成后可实现 信息采集存储 自动化 ， 数据传输处理网络化 ， 调度指 挥现代化 ， 决策数据数字化 ； 达到远程监控 ， 数据共 享 ， 信息远传浏览 ， 通过远程网络 ， 实现遥测 、 遥信 、 遥控 、 遥视等功能。 1 总体构 架 西岔电力提灌工程泵站信息化系统采用分层 、 分管理权限分布式结构 ， 总体分为管理局调度 中心 、 水管所分中心、泵站现地监控系统 3层结构体系 。 在建设管理局调度中心和水管所分中心计算机局域 网的基础上． 通过公网与专用光纤 网相结合的方式 ， 建设链接管理局调度中心、 水管所 、 泵站现地、 主要 分水 口的通信信息网络系统． 运用先进的数据采集 、 传输和处理手段实现数据交换、 信息共享 、 视频传输 功能， 为泵站现地监测 、 远程遥控 、 视频监视、 智能分 析、 实时处理、 故障判断、 越限报警 、 优化调度提供安 全可靠的信息网络平台。实现覆盖整个泵站及其相 关地区、 以信息采集系统为基础、 通信传输系统为保 障、计算机网络系统为依托、决策支持系统为核心 的， 能提高泵站管理水平、 促进泵站技术优化和提高 用水效率的水利管理信息系统 ，为泵站水资源的优 化配置、合理利用和环境保护提供调度运行决策支 收稿 日期 ： 2 0 1 3 — 0 7 — 1 0 作者简介： 宁兴鹏( 1 9 7 8 一 ) ， 男 ， 甘肃皋兰人， 工程师 ， 主要从事水利水电工程建设管理。 4 5 2 0 1 3年第 7期 甘肃水利水 电技术 第 4 9卷 持 。 2科学调度运行、 优化决策方案 对于西岔电灌这样的多梯级泵站和多级渠道组 成的提引水工程系统中， 各梯级泵站和级间渠道之 间存在着必要 的密切水力关 系， 各级泵站的提水流 量 、 进水池、 出水池和渠道运行水位相互影响且制约 着整个供水系统的运行。 梯级泵站运行调度的优化 ， 既要考虑优化单座泵站内的机组匹配 ， 更重要的是 要 考虑梯级 间泵站之间决定性水力要 素的优化组 合。 泵站是否达到最优运行标准 ， 取决于泵站 中的 机械设备 、 电气设备、 金属结构等各类装置的基本技 术参数、 运行特性， 特别是各主要机电设备问的流量 或扬程的最优匹配。西岔提灌泵站水泵机组工况一 般均属于不可调节 ， 因此， 对于这样的泵站工程 ， 要 通过优化调度运行 ， 实现各梯级间的流量最优平衡 ， 就不能依靠调节机组运行工况来实现 ． 只能采取水 量调蓄、 干支渠斗 口分流控制等其他方法。 由于西岔灌 区灌溉面积呈树枝状分布 ， 即俗称 的鱼骨形， 上下级泵站的流量是直接关联的 ， 上一级 泵站 的提水 流量 除 了满 足后一级 泵站所 需 的提水 流 量 以外 。 还需供给两级泵站之间级间控制灌溉面积 所 需 的水 量 。 因此 。 除了本站内机组优化外 ， 对于梯级泵站之 间 的优化可以考虑采用水位 ( 扬程 ) 作为参数来优 化 ， 控制水位就是控制泵站进水前池水位， 也就是泵 站取水水位。进水前池不同的水位决定了相连的两 级 泵 站 的运行 扬程 发 生变化 ． 泵 站 机组 的运行 工 况 不 同， 能源单耗也随之变化。 3站 内优 化调 度 根据泵站流量提取的特点 ， 在泵站最优运行工 况点确定后 ， 分别确定单台机组运行工况点和多台 机组并联运行工况点 ， 各泵站内部机组之间的连接 方式分为单台机组和同型号两台机组并联 。在确定 一 定扬程和流量的工况下 ， 单座泵站内部机组运行 台数 ， 机组型号可有多种不同组合 ， 对应的总运行功 率也不同， 但必定存在一种运行最经济的组合 ， 应用 测试手段和建立数学模型可以找到并验证这种最优 运行组合方案 ， 据此对机组进行调度优化， 提高泵站 运行效率 ， 降低能源单耗 ， 减少和避免水资源浪费 ， 达到经济运行的目的。 由于西岔电灌泵站水泵角度不可调 ， 电机转速 也不可调 ， 因此 ， 泵站内部优化调度以泵站的耗能最 小为总 目标 。通过动态规划方法 ， 可 以求 出阶段变 量的第 1阶段至第 几阶段 ， 求 出 台机组并联运行 46 时的最小耗能组合 ，对应 的运行机组配备与组合即 为最优运行组合。 4 梯 级泵 站联合调 度 泵站梯级间的运行优化 ， 就是通过软件计算 ， 要 力求达到一种最佳的调蓄容积 ，也就是最优的进水 前池与出水池水位 ，在进水池容积一定 的情况下使 用水位直观反映蓄水量 。使得梯级泵站供水系统的 总体耗能最小。水位是联系和决定梯级泵站实际运 行参数可供选择的唯一水力要素，而流量是联系同 级泵站群的可选择的水力要素 。因此，梯级泵站的 运行优化主要是水位( 扬程) 的优化。 在实际运行 中梯级泵站的提水调度优化受各种 因素的制约，还要根据整个供水系统工程中输水渠 道和隧洞 、 水闸、 渡槽、 桥涵等渠系建筑物的技术参 数和输水能力 ，采用科学系统的观点和最优的理论 建立西岔电灌泵站的多梯级提灌泵站运行调度数学 模型 ， 对模型采用动态规划求解 ， 可以得出一个调度 周期 内每级泵站机组开停的最佳时段 ，既减少开停 机的次数 ， 又使运行成本最小。 5梯 级泵站 级间调度 优化模 型确 定 梯级泵站系统运行时级间和单座泵站内部运行 优化是通过调整优化扬程来完成的，因为扬程不仅 影响单站 内的机组能耗和效率 ，而且影响上下相邻 级间泵站的运行机组能耗和效率 ， 因此 ， 泵站的优化 运行主要就是水位的优化，即泵站扬程的优化。所 以．要建立优化调度模型。就 以各泵站的提水扬程 且 为关系变量 ， 建立模型 ( 图 1 ) ， 模拟计算后优化梯 级泵站运行方案。 图 1 西岔电灌泵站梯级调水水位示意图 优化计算首先要求关系变量 i 在模型内通过 水位变化从而在允许变化范围内进行离散。泵站的 扬程实际上是由进水前池水位和出水池水位组合确 定的，需要根据水位实际变幅合理确定决策扬程间 隔大小 ． 从而求出各级泵站在对应扬程 凰 的最小运 第 7期 宁兴鹏 ： 高扬程 电力提灌工程多梯级泵站优化调度运行方案初探 第 4 9卷 行功率， 也就是达到耗电最小 ， 成本最低 。 5 ． 1 目标函数的确定 西岔电灌泵站梯级调水优化的 目标 函数建立很 明显 ， 以梯级泵站系统总轴功率最小为 目标 函数 。 目 的是使西岔 电灌泵站总的运行能耗最小 。 5 ． 2 运 行调 度必 要约束 条件 ( 1 ) 级间水量平衡约束 。相邻两级站之间必须 满足水量平衡 ， 即前一级泵站的提水水量等于后一 级泵站提水量和两级泵站级间配水量之和。 ( 2 ) 输水渠道水深约束 。 级站渠道的最低、 最高 水深。 ( 3 ) 最大开机台数约束 。包含梯级间每座泵站 的装机台数与运行 台数。 ( 4 ) 扬程平衡约束。 在一次计算 中， 第一级泵站 的进水池水位 凰 ，和最后一级泵站 的出水池水位 日 看作 固定不变。 ( 5 ) 流量约束。各级泵站的实际提水 流量应大 于配水计划 的最小流量 。 并小 于由泵站提水能力决 定的加大流量。同时 ． 要求前一级泵站流量大于或 等于后一级泵站流量 。 ( 6 ) 相关预案和决策约束 。各级泵站的扬程由 泵站调度指令 广 一 -- -- 一一 一- - ． ． 一、 。。 ：防洪调度指令 下 达 指 令 兰 = ◆ ⋯⋯⋯．J ：泵 站 调 度 指令 l 日 卜 一 _ _- 一 - - 卜 ．． ：防 洪 调 度指 令 接 收 放 水 请 求 L ． ◆ 各 自的进、出水池水位决定。除第一级泵站的进水 池位和最后一级泵站的出水池水位在一次计算 中看 作不变值外 ，其余各泵站进出水池水位均随泵站级 间的调蓄状况 ( 充满程度 ) 而定。 通过模型计算 ，最后得出所有可能组合情况下 的最小能耗值 ．从而选择出并且最终确定出能耗最 小情况下的机组匹配组合 。使满足提水要求的机组 运行能耗达到最小。为调度决策提供有力的技术支 持和科学参考。 6 运行优化调度管理 系统需在统筹规划后严格按照最优调度方案供 水 。通过降雨预报 、 来水分析 、 现行水 位、 实时流量 等因素进行供水运行优化调度方案定制 ，根据供水 预案执行调度指令 ， 确保精确供水。 泵站调度的流程是 ：首先由泵站管理单位接收 控制站需要提水的请求 ，其次泵站管理局根据请求 发送调度指令 ，下达指令到控制站，控制站执行指 令 。 执行后再次返回执行指令信息。 灌溉调度分为两种模式 ( 图 2 ) ： 第一种为在电 话调度模式基础上 的信息化处理 ( 示意图 a ) ； 另一 种为网络调度模式( 示意图 b ) 。 WE B服务器 ( 存储调 度指令 ) 信息资源共享、 历 史记录归档 用水量统计 、 征 费依 据 区茎 囡 ( a )在 电话调度 基础上的信息化处理示意 图 ／ ／ 接收放水请求 _ 泵站调度指令 下达指令 -r⋯⋯—。 + WE B服务器 ⋯⋯ l 网J曼佰 令 ( 记录／ 处理 L - 一一 一一 一一 一- + 调度指令) 返 回执行结 果 ( b )网络调度模式示意图 图 2 灌溉调度模式 7结语 按照水利部以需求为导向， 以促进泵站的优化 发送放水请求 ● — - — - — — — - — 一 接受指令 一_-一_-一_ l ● — — — — — — — - — — - — 一 执行指令 调度 ， 保证工程的安全运行 ， 提高管理效率 的实际 需要 为出发点 ， 以信息技术为手段 ， ( 下转第 5 0页) 47 2 0 1 3年第 7期 甘肃水利水 电技术 第 4 9 卷 砾石层 ， 渗透系数 4 0 m ／ d ， 物探地震波测试 ， 纵波速 度 。 ≤1 5 0 0 m ／ s ， 剪切波速度 v , = 4 0 0 m ／ s 。 第③层： 1 3 ～ 4 2 m ， 颗粒较小 ， 级配良好密实砂 卵砾石层 ， 局部夹少量 l 0 — 3 0 c m的薄层状含土砂砾 石层， 砂卵砾石呈次圆一 次棱状， 较上部第①层颗粒 变小 ， 大蛮石、 卵石粗大颗粒含量减少。地震波纵波 速度 。 = l 5 0 0 ～ 2 O 0 0 m ／ s ，剪切波波速 v , = 5 0 0 — 1 0 0 0 m ／ s ； 内摩擦角 4 0 。 ， 渗透系数 1 7 m ／ d左右 ， 根据钻孔 资料 ，该河床在 l 4 ～ 4 2 m多处夹薄层含 泥砂卵砾 石 ， 呈土灰黄色 ， 结构密实 ， 厚度较小。根据河床钻 孔资料分析 ． 该层顺河方向延伸长度较连续 。 在垂直 河床方向为透镜体 ， 透镜体延伸长度长度 2 O ～ 3 0 m， 透水性相对较小 ． 作 为砂卵砾石层中的相对隔水层。 第④层 ： 4 2 m 以下 ， 岩性为含泥碎石层 ， 呈灰色 泥状 ， 靠上部部 分夹砂砾石 ， 性质差 ， 纵波波速 。 = 2 1 0 0 ～ 2 3 0 0 m ／ s ， 剪切波波速 B = 1 0 0 0 ～ 1 1 0 0 m ／ s ， 结 构密实。 坝址河床覆盖层均 以卵砾石粗颗粒为主 ， 粗颗 粒起到了骨架支撑作用 ， 砂和粉粒含量少 ， 充填于粗 颗粒的空隙中。 卵砾石地层密实度 自上而下逐渐增 高 ， 波速 自上 而下逐 渐增 大 。 5承压水 成 因分析 5 ． 1 承压 水 出露 、 径 流特征 在前期勘察工作 中。 在钻孑 L 钻进过程中． 在部分 钻孑 L 内有承压水 自孔 E l 溢 出。承压水埋藏深度为 1 4 m以下 ， 为河床覆盖层 中的第③层 ， 承压水水头 高度( 高于地面) 0 4 — 2 ． 4 m， 流量为 2 ． 2 3 ～ 6 ． 2 8 Us 。 在 防渗墙施工造孔过程 中， 槽孔固壁泥浆受到局部承 压水及地下动水的稀释和扰动 ， 局部出现塌孔现象。 对河床覆盖层 中的承压水及地表水取样进行水 质分析 ， 根据分析结果 ， 河床地表水与河床覆盖层中 承压水水化学类型均为 C 1 一 S O 一 N a — C a型 ，为同一 类型水 ， 河床覆盖层 中的承压水为河床地表水从上 游经过垂直渗流及地下水平径流进入下层砂卵砾石 中。 5 ． 2成 因分 析 承压水出现在覆盖层中的第③层，出露高度为 1 4 m以下 。在河床覆盖层的形成过程 中， 受上游左 岸 1号冲沟的影响下 ， 在洪水季节 ， 1号冲沟洪积物 进人河床 ．使河床中局部夹有薄层含土砂砾石 ( 碎 石) ， 由于河床高程的差异 ， 在垂直河床方向形成透 镜体 ； 在河床水流的冲刷与沉积的作用下 ， 形成了砂 卵砾石的随机性和层理性 。 粗细颗粒相间 ， 局部夹有 透镜体。透镜体岩性为含土砂砾石 ，渗透系数远远 小于河床该层的砂砾石透水性 ，为河床砂卵砾石中 的相对隔水层。由于河道纵坡较大，上游地表水渗 入河床砂卵石 内部 ．局部上层细颗粒的渗透系数小 于下部 砂砾 石 ， 形成 浅层 承压水 。 6结语 二塘沟水库河床段深厚覆盖层中局部可见浅层 承压水 ， 表明在河床深厚覆盖层的形成过程中， 具有 一 定的随机性和层理性 。 在本工程中。 受上游 1 号冲 沟的洪积物影响，河床覆盖层中第③层砂卵砾石中 局部 夹薄层 含土 砂砾石 。 当不 同岩层 的上 、下层 透 水性差异大、 河床纵坡较大时。 易形成河床覆盖层浅 层承压水。 本工程河床覆盖层采用槽孔防渗墙进行防渗处 理。受承压水的影响． 在槽孑 L 混凝土施工过程中， 由 于承压水的存在 ，使成槽困难加大 ，易造成槽孔垮 孑 L ， 施工中采取增大护壁泥浆比重 ， 在防渗墙施工过 程 中取得 了较好 的效果 。 参考文献： [ 1 ]中国地质调查局． 水文地质手册[ K] ． 第 2版． 北京 ： 地质 出版社， 2 0 1 2 ． [ 2 ]G B 5 0 4 8 7 — 2 0 0 8 ， 水利水电工程地质勘察规范[ s 1 ． [ 3 ]S L 3 2 6 — 2 0 0 5 ， 水利水电工程物探规程[ s ] ． [ 4 ]S L 3 2 0 — 2 0 0 5 ， 水利水电工程钻孔抽水试验规程[ s ] ． ( 上接 第 4 7页) 坚持“ 科学规划 、 分步实施 、 因地制 宜、 注重实效” 的原则 ， 西岔电灌泵站正在努力探索、 实践 ， 逐步积极稳妥地推进泵站信息资源的高效利 用与共享。实现泵站管理的现代化。通过先进的信 息技术 ， 深入开发和广泛利用信息资源， 实现泵站管 理信息收集和处理的数字化 、 集成化和智能化． 初步 5 0 建立起能提高泵站自动化水平、促进泵站技术升级 和工程安全运行的管理信息系统 。全面提升泵站为 国民经济和社会发展服务的能力和水平。准确及时 地采集各个泵站的实时运行数据和信息 ，并进行分 析处理 ， 科学调度 ， 安全运行 ， 获得最大的经济效益 和社会效益。