梯级泵站输水系统优化运行‑控制耦合协调方法及系统

摘要

本发明公开了梯级泵站输水系统优化运行‑控制耦合协调方法及系统；步骤：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；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；基于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；建立梯级泵站输水运行‑控制方案评估模型；建立梯级泵站输水系统优化运行‑控制耦合协调模型；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。为我国南水北调东线工程等类似梯级泵站输水系统优化运行和控制提供技术支持，提高输水效率，降低输水成本。

说明书

技术领域

本发明属于工程运行优化及自动控制领域，涉及一种梯级泵站输水系统优化运行-控制耦合协调方法及系统。

背景技术

近年来，国内外均兴建了多项远距离、跨流域大型串、并联梯级泵站输水工程。如万家寨引黄工程、胶东调水工程、南水北调东线工程等。此类工程总装机容量和能耗较大，相应节能潜力巨大；梯级间多采用渠(管)道刚性、半刚性串联，调蓄能力小，运行及控制难度大。此类工程的优化调度，将创造可观的经济效益。但如果实际运行中泵站、渠段之间调度不当，将造成水量、电力浪费等一系列问题，无法实现安全、经济运行的目标。因此，梯级泵站优化运行及具体实现(控制)问题已经成为制约此类工程高效、节能运行的关键因素。

梯级泵站输水系统包括泵站、节制闸和渠道，所述泵站用于提水，所述渠道用于输水；

所述泵站包括：拦污栅、水泵装置、电机和其他辅助装置；

各级泵站是系统主要控制单元，各个泵站将渠道划分为若干个渠段，泵站之间通过输水河道、管道串联，各站之间的流量、水位互相影响，制约着整个系统的运行。

梯级泵站优化方面国内外研究通常采用建立大系统优化决策模型并求解的方法，即，在泵站机组性能测算和单级泵站优化基础上，首先建立大系统递阶模型，然后再运用优化算法或与水力数值模拟相结合进行优化运行方案求解。常用优化算法主要有动态规划法(DP)，遗传算法(GA)等。目前研究多集中于假定系统静态平衡条件下，对梯级间水位(扬程)，以及时段流量分配的优化。在模型结构、考虑因素全面性存在一定问题，且较少考虑动态输水工况下，优化方案如何实现的问题。此外，目前涉及梯级泵站输水控制的研究较少，由于梯级泵站与自流型渠系输水系统的差异性及边界条件的不同，尚需在现有渠系输水控制研究的基础上，结合梯级泵站输水系统特点，制定相应的控制方案。

现有技术存在如下技术问题需要解决：

①目前，梯级泵站输水系统优化运行模型多采用动态规划法进行求解，该方法虽然简单易行，但在当状态变量的维数增加时，动态规划问题的计算量会呈指数倍增长；

②梯级泵站输水控制模型多采用传统的控制蓄量模型，控制效率和精度有待于提高；

③对计算获得的梯级泵站输水系统优化运行方案和控制方案提出了人工定性评估的理念，但未明确建立梯级泵站输水运行-控制方案评估模型的方法；

④此外，最为核心的一点，目前尚未有研究将梯级泵站输水系统优化运行模型、梯级泵站输水控制模型、梯级泵站输水运行-控制方案评估模型三个子模型进行耦合、协调，建立一套完整的梯级泵站输水系统优化运行-控制耦合、协调模型，制定合理可行的优化运行及控制方案。

发明内容

本发明针对目前梯级泵站输水系统优化运行模中存在的复杂性和动态性的难题，以及现有优化运行模型存在的问题，提出了一种梯级泵站输水系统优化运行-控制耦合协调方法及系统，一方面分别建立了梯级泵站输水系统优化运行模型(子模型1)、梯级泵站输水控制模型—基于蓄量补偿的泵前水位控制模型(子模型2)以及梯级泵站输水系统优化运行-控制方案评估模型(子模型3)。采用模型外部耦合模式，将以上三个独立的模型进行耦合、协调，形成了一套较为完整的梯级泵站输水系统优化运行-控制耦合、协调模型，可直接输出合理可行的优化运行及控制方案，最终实现系统优化运行及控制目标。可为我国南水北调东线工程等类似梯级泵站输水系统优化运行和控制提供技术支持，可有效提高输水效率，降低输水成本5％以上。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

梯级泵站输水系统优化运行-控制耦合协调方法，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。

所述步骤(1)的步骤为：

首先，建立梯级泵站输水系统整体运行效率表达式；

然后，建立梯级泵站输水系统优化运行模型，根据输水工况要求，以梯级泵站输水系统运行效率最高为目标，结合梯级间水位～流量关系，根据泵站机组流量、泵站水位约束条件，采用粒子群算法对梯级泵站输水系统优化运行模型进行求解，确定梯级泵站输水系统优化运行方案。

所述梯级泵站输水系统优化运行方案包括：系统梯级间各渠段目标水力状态参数和各泵站机组参数；所述水力状态参数包括输水流量及对应水面线；所述各泵站机组参数包括开关机组合和角度。

所述步骤(1)中建立梯级泵站输水系统整体运行效率表达式：

对梯级泵站输水系统进行动态解析，将梯级泵站输水系统划分为泵站子系统和输水子系统；所述泵站子系统包括各级泵站；所述输水子系统包括泵站间的输水渠道、节制闸和拦污栅等；采用量纲分析法，计入电机效率、水泵装置效率、建筑物水力损失、水量损失和分水影响，建立梯级泵站输水系统运行效率表达式。

梯级泵站输水系统运行效率表达式：

式中，η_pcs为梯级泵站输水系统运行效率；η_ps为泵站子系统效率；TP_j为水体经过第j级泵站提升所获得的能量；TP_j′为第j级泵站提水所需消耗的能量，第j级泵站内各抽水装置输入功率；h_j′为第j级泵站进水池水位；h_j为第j级泵站出水池水位；H_j为第j级泵站的扬程，H_j＝h_j-h_j′；η_pump(Q,H_j)为泵站流量为Q，扬程为H_j工况下，第j级泵站内各抽水装置联合运行的效率值。

η_cs为输水子系统效率；TP^*为水体经过级间渠道、拦污栅、闸门输送到末级泵站最终获得的净能量；h′_j+1为第j+1级泵站进水池水位；H^*为末级泵站输出水体所获得的有效扬程，S_j,j+1(Q,h′_j+1)为第j和j+1级泵站间水力损失。

所述步骤(1)建立的梯级泵站输水系统运行优化模型：

以梯级泵站输水系统运行效率最高和电费最小为目标，结合梯级间水位～流量关系计算，根据泵站机组流量和泵站水位约束条件，建立梯级泵站输水系统运行优化模型。

所述步骤(1)梯级泵站输水系统运行优化模型：

目标函数：

Maxη_pcs为梯级泵站输水系统最优运行效率；Maxh'_j为第j级泵站进水池最低限制水位；Minh'_j为进水池最高限制水位；Minh_j为第j级泵站出水池最低限制水位；Maxh_j为第j级泵站出水池最高限制水位；Q_min为最小流量；Q_max为最大流量；j为梯级泵站级数；

约束条件：

泵站进水池水位范围约束：Minh'_j≤h'_j≤Maxh'_j；

泵站出水池水位约束：Minh_j≤h_j≤Maxh_j；

各级扬程约束：MinH_j≤H_j≤MaxH_j；

级间水位关系约束：h_j+1′＝h_j-S_j,j+1(Q,h_j+1')；

流量约束：Q_min≤Q₁＝Q₂……＝Q_j＝····≤Q_max，各级泵站间不考虑分流及损失。

所述步骤(1)采用粒子群算法对梯级泵站输水系统运行优化模型进行求解，确定梯级泵站输水系统优化运行方案：

以梯级泵站输水系统效率模型中水位变量的优化为例，阐述求解过程。

a粒子群初始设置

以梯级见扬程优化为例，设计粒子编码即是设计粒子的位置和速度表示方法。

优化问题为：梯级净扬程已知(总梯级上、下游水位已知)，以梯级各泵站站上水位为决策变量，求解各级泵站间的水位分配；

所以，粒子i的编码(即位置)设计为一个在n维搜索空间里向量：

式中，为第j级泵站站上水位，i表示粒子序号，n为泵站总个数；

粒子i在n维空间中的飞行速度设计为：

式中，vⁱ为在粒子i在j维方向上的速度。

设粒子群中粒子数为pop，则整个粒子群的空间位置和飞行速度分别为：

X＝(H¹,…Hⁱ,…H^pop)^T，V＝(V¹,…Vⁱ,…V^pop)^T

X和V均为pop×n维搜索空间中的位置向量和速度向量；

初始化粒子群的方法是：在梯级各泵站出水池水位范围(minh_j′,maxh_j′)内随机取值，构成粒子群及其位置向量，X＝(H¹,…Hⁱ,…H^pop)^T，粒子群的初始速度可设定为V＝(0,0,…0)^T；

b适应度函数

粒子在搜索空间中的每一个位置对应梯级泵站优化运行问题的一个潜在解。粒子适应度函数用于判断粒子的位置优劣，由优化问题的目标函数、约束条件等构成，见公式(4)；

c迭代更新

设至第k次迭代为止，粒子i搜索到的最优位置向量记为p_i(k)，整个粒子群搜索到的最优位置向量记为p_g(k)，则第k+1次迭代，粒子i的速度和位置根据下式更新:

vⁱ(k+1)＝w·vⁱ(k)+c₁·r₁·(p_i(k)-Hⁱ(k))+c₂·r₂·(p_g(k)-Hⁱ(k))(5)

Hⁱ(k+1)＝Hⁱ(k)+vⁱ(k+1)(6)

式中，ω为惯性权重因子；r₁、r₂为(0,1)之间的随机数；i＝1、2…，pop；c₁、c₂为学习因子，c₁＝c₂＝2；

d输出结果

如果满足迭代精度要求，则输出水位优化结果；如果不满足迭代精度要求，则重复步骤b～c直至满足迭代精度要求。

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；

所述各泵站控制方案是指各泵站机组叶片角度\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，

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。

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。

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。

所述步骤(2)泵站目标控制流量Q(j,t)：

Q(j,t)＝Q_x(j,t)+Q_f(j,t)(7)

Q_x(j,t)为第j级泵站第t时刻的前馈流量Q_f(j,t)为第j泵站第t时刻的反馈流量；

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。

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：

ΔV_j＝V_j(g)-V_j(s)(8)

系统目标蓄量与现状蓄量差为：

式(5)和(6)中，V_j(g)为第j级泵站和第j+1级泵站间渠段的目标蓄量，V_j(s)为第j级泵站和第j+1级泵站间的渠段的现状蓄量；ΔV_j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，Q_x(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。

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。

ΔQ_f(j,t)＝K_p(j)Δe(j,t)+K₁(j)e(j,t-Δt)(11)

其中ΔQ_f(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，K_p(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。

所述水位-流量串级反馈控制算法：

以A、B两级泵站及之间渠道为例进行说明，控制目标为泵站B前池水位达到或保持目标值，A、B泵站前后均设置水位传感器。当泵站A和泵站B间有分水或其他扰动情况，导致泵站B前池水位变化偏离目标值，将水位误差交与主控制器，主控制器计算出泵站A的目标流量，交与副控制器执行；副控制器根据泵站A目标流量与现状流量的差别，结合A泵站前池水位和出水池水位，计算泵站A泵站机组的运行参数：叶片角度和转速等，并交与机组执行。

所述步骤(2)的建立输水控制仿真模型：

基于圣维南方程组建立梯级泵站输水控制仿真模型，对建立的梯级泵站输水控制模型进行验证。

在Matlab/Simulink环境下，首先采用Preismann四点隐式差分格式对圣维南方程组进行离散化处理，得到差分方程，采用追赶法对节点的水位和流量未知参数进行迭代求解；

以泵站为边界将梯级泵站输水系统分为若干渠段，渠段内部采用圣维南方程组求解各水力要素，渠段之间以泵站机组扬程-流量-角度关系作为边界条件进行耦合。考虑建筑物的局部水头损失及流量守恒，按内部边界处理，建立水力仿真模型；所述建筑物包括节制闸、分水口和倒虹吸；

然后在水力仿真模型中嵌入基于蓄量补偿的泵前水位控制模型，建立输水控制仿真模型，对整个控制过程进行仿真，验证梯级泵站输水控制模型的合理性。

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。

所述步骤(3)的建立梯级泵站输水系统优化运行-控制耦合模型步骤为：将步骤(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外部数据交换方式进行耦合，梯级泵站输水系统优化运行模型为基于蓄量补偿的泵前水位控制模型提供数据输入。首先通过梯级泵站输水系统优化运行模型计算不同输水工况下的优化运行方案(梯级间水位、流量参数)，然后利用基于蓄量补偿的泵前水位控制模型计算控制方案，通过控制方案的执行，使梯级泵站系统在不同的输水工况下处于不同的优化运行状态，并完成不同运行状态之间的转换。

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。

所述步骤(3)的建立梯级泵站输水优化运行-控制耦合协调模型的步骤为：

在梯级泵站输水系统优化运行-控制耦合模型基础上，嵌套梯级泵站输水运行-控制方案评估模型，形成梯级泵站输水系统优化运行-控制耦合协调模型。

所述步骤(3)的建立梯级泵站输水优化运行-控制耦合协调模型包括：梯级泵站输水优化运行模型(子模型1)、基于蓄量补偿的泵前水位控制模型(子模型2)和梯级泵站输水运行-控制方案评估模型(模型3)三个模型耦合组成，三个模型之间按一定的次序采用数据外部交换的方式耦合。

各模型分工如下：梯级泵站输水优化运行模型(子模型1)负责计算不同时段的优化运行方案；基于蓄量补偿的泵前水位控制模型(子模型2)负责计算不同时段的控制方案；梯级泵站输水运行-控制方案评估模型(子模型3)负责对优化运行方案和对应的控制方案进行评估，最终计算出优化运行及控制方案。

所述步骤(3)的梯级泵站输水系统优化运行-控制耦合协调模型的耦合及求解流程为：

①首先根据泵站机组性能参数和梯级间水力参数，通过梯级泵站输水系统优化运行模型(子模型1)计算不同输水工况下的梯级泵站输水系统优化运行方案，包括梯级各渠段目标水位-流量参数，以及各泵站机组运行方案(开关机组合、叶片角度)；

②以梯级泵站输水优化运行模型(子模型1)中的计算获得的包括梯级各渠段目标水位-流量参数为输入条件，结合当前梯级间水位、流量状态，利用基于蓄量补偿的泵前水位控制模型(子模型2)计算不同时段的控制方案；

③将优化运行方案和控制方案作为梯级泵站输水运行-控制方案评估模型(子模型3)的数据输入；梯级泵站输水运行-控制方案评估模型负责判定优化运行-控制方案可行性，输出各方案优劣度值，根据方案优劣度然后做出优化完成或返回梯级泵站输水优化运行模型重新计算的决策。

④如需要返回梯级泵站输水优化运行模型，则根据计算步骤①次优化运行方案，然后重复②③步骤，直到达到可以接受的优劣度值。找到能够满足运行安全和经济的优化运行方案和控制方案。

梯级泵站输水系统优化运行-控制耦合协调系统，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。

本发明的有益效果：

(1)建立了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、梯级泵站输水运行-控制方案评估模型，三个模型可独立运行，分别提供梯级泵站输水系统优化运行方案、控制方案和评估结果，服务于梯级泵站调水工程调度运行；

(2)梯级泵站输水系统优化模型较以往模型在模型构建和求解方式上有较大改进；

(3)建立的基于蓄量补偿的泵前水位控制模型较已有输水控制模型在控制效率和效果上有一定优势；

(4)建立的梯级泵站输水运行-控制方案评估模型可实现运行-控制方案的定量评估。

(5)本发明按照一定的次序，采用模型外部耦合模式，将以上三个独立的模型进行耦合、协调，形成了一套较为完整的梯级泵站输水系统优化运行-控制耦合、协调模型，可直接输出合理可行的优化运行及控制方案。

(6)本发明可应用于南水北调东线梯级泵站调水工程及其他类似梯级泵站调水工程中。一方面以可减少输水运行成本5％～10％。以南水北调东线梯级泵站输水系统为例，假定每年运行电费成本1亿元，可节约电费成本500～1000万元以上；另一方面可提高梯级间水位控制效率10％，缩短水位控制时间1/3，可实现系统的经济和安全运行，具有重大的社会和经济效益。对于其它类似梯级调水工程调度运行也具有借鉴作用，具有较高的社会效益和环境效益。

附图说明

图1梯级泵站输水系统组成示意图；

图2梯级泵站输水系统结构示意图(三级泵站为例)；

图3基于蓄量补偿的泵前水位控制系统结构图；

图4水位-流量串级反馈控制系统组成；

图5梯级泵站输水系统优化运行-控制耦合协调模型结构图；

图6梯级泵站输水系统优化运行-控制耦合协调模型耦合-求解方法图；

图7韩庄运河段梯级泵站输水系统平面布置图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

涉及一种梯级泵站输水系统优化运行-控制耦合协调方法及系统。梯级泵站输水工程一般通过泵站提水，渠道输水，是由泵站(拦污栅、水泵装置、电机、其他辅助装置等)、节制闸和渠道等设备、设施组成的复杂的输水系统(以下称梯级泵站输水系统)，见图1。各级泵站是系统主要控制单元，各个泵站将渠道划分为若干个渠段，泵站之间通过输水河道、管道串联，各站之间的流量、水位互相影响，制约着整个系统的运行。本发明针对目前梯级泵站输水系统优化运行模中存在的复杂性和动态性的难题，以及现有优化运行模型存在的问题，一方面分别建立了梯级泵站输水系统优化运行模型(子模型1)、梯级泵站输水控制模型—基于蓄量补偿的泵前水位控制模型(子模型2)以及梯级泵站输水系统优化运行-控制方案评估模型(子模型3)。其中，梯级泵站输水系统优化模型较以往模型在结构和求解方式上有较大改进，建立的基于蓄量补偿的泵前水位控制模型较已有输水控制模型在控制效率和效果上有一定优势；建立的梯级泵站输水运行-控制方案评估模型可实现运行-控制方案的定量评估，改变以往定性评估的现状。三个模型可独立运行，分别提供梯级泵站输水系统优化运行方案、控制方案和方案评估结果，服务于梯级泵站调水工程调度运行；另一方面，本发明按照一定的次序，采用模型外部耦合模式，将以上三个独立的模型进行耦合、协调，形成了一套较为完整的梯级泵站输水系统优化运行-控制耦合、协调模型，可直接输出合理可行的优化运行及控制方案，最终实现系统优化运行及控制目标

(1)建立梯级泵站输水系统运行优化模型及应用

基于系统工程理论和大系统分解协调方法，将系统中多级泵站、渠段、拦污栅等设备、设施作为一个整体，划分为泵站系统和输水子系统，见图2。建立梯级泵站输水系统整体运行效率表达式；在此基础上，建立梯级泵站输水系统优化运行模型，根据输水工况要求，以梯级泵站输水系统运行效率最高为目标，结合梯级间水位～流量关系计算，根据泵站机组流量、泵站水位约束条件，采用粒子群算法对优化模型进行求解，确定系统优化运行方案：包括系统梯级间各渠段目标水力状态参数(水位、流量)和各泵站机组参数(开关机组合和角度)。

(2)建立基于蓄量补偿的泵前水位控制模型及应用

以梯级泵站输水系统优化运行方案中的梯级间各渠段目标水力状态参数(水位、流量)为控制目标，提出基于蓄量补偿的泵前水位控制模型，制定各泵站控制方案。即，该算法核心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或频率(根据泵站调节方式确定)。该模型包含蓄量补偿的流量前馈环节和水位-流量串级反馈控制环节，分别提出蓄量补偿的流量前馈算法和水位-流量串级反馈控制算法两大部分。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基本达到目标蓄量。水位-流量串级反馈控制算法的任务是“微调”，用以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。前馈控制和反馈控制算法的输出叠加后作为模型的输出-泵站目标控制流量，并可反算对应的泵站机组叶片角度或频率。

基于蓄量补偿的泵前水位控制模型结构见图3。

所述步骤(2)的水位-流量串级反馈控制算法：以各泵站前池水位为控制目标，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，水位-流量串级反馈控制系统结构见图4。

(3)建立梯级泵站输水系统优化运行-控制耦合、协调模型及应用

建立梯级泵站输水优化运行-控制耦合、协调模型，实现优化运行和控制方案耦合、协调，最终获得最可行的优化运行方案和对应的控制方案。详细方法：基于步骤的优化运行模型(子模型1)和步骤2的输水控制模型(子模型2)，采用数据外部耦合方式，建立梯级泵站输水优化运行-控制耦合模型，实现输水工况-优化运行方案-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(子模型3)，对优化运行方案和控制方案进行评估；将以上模型(1)、(2)、(3)进行耦合、协调，最终形成梯级泵站输水系统优化运行-控制耦合协调模型，利用该模型可实现输水工况-优化运行方案-控制方案-方案评估-执行/重新优化的计算流程，最终获得合理可行的优化运行方案和对应的控制方案。

所述步骤(3)的建立梯级泵站输水优化运行-控制耦合协调模型的步骤为：

将梯级泵站输水优化运行模型(子模型1)、基于蓄量补偿的泵前水位控制模型(子模型2)和梯级泵站输水运行-控制方案评估模型(子模型3)采用数据外部交换的方式进行耦合、集成，形成梯级泵站输水系统优化运行-控制耦合、协调模型，模型结构见图5。

梯级泵站输水系统优化运行-控制耦合协调模型的耦合及求解流程为：

①首先根据泵站机组性能参数和梯级间水力参数，通过梯级泵站输水系统优化运行模型(子模型1)计算不同输水工况下的梯级泵站输水系统优化运行方案，包括梯级各渠段目标水位-流量参数，以及各泵站机组运行方案(开关机组合、叶片角度)；

②以梯级泵站输水优化运行模型(子模型1)中的计算获得的包括梯级各渠段目标水位-流量参数为输入条件，结合当前梯级间水位、流量状态，利用基于蓄量补偿的泵前水位控制模型(子模型2)计算不同时段的控制方案；

③将优化运行方案和控制方案作为梯级泵站输水运行-控制方案评估模型(子模型3)的数据输入；梯级泵站输水运行-控制方案评估模型负责判定优化运行-控制方案可行性，输出各方案优劣度值，根据方案优劣度然后做出优化完成或返回梯级泵站输水优化运行模型重新计算的决策。

④如需要返回梯级泵站输水优化运行模型，则根据计算步骤①次优化运行方案，然后重复②③步骤，直到达到可以接受的优劣度值，优化结束，确定能够满足运行安全和经济的优化运行方案和控制方案。模型耦合及求解方式见图6。

以南水北调东线韩庄运河段为实例，介绍本发明基本实现步骤如下

(1)韩庄段梯级泵站输水系统及典型输水工况介绍

韩庄运河段工程是南水北调东线一期工程连接骆马湖和南四湖输水干线的关键性工程。该工程利用韩庄运河现有河道输水，经新建的台儿庄、万年闸和韩庄三级泵站提水，将骆马湖的引江水量送入南四湖下级湖，工程输水规模为125m³/s，。根据泵站可将输水渠道分为台儿庄～万年闸段、万年闸～韩庄段，长度分别为16km和17km，见图7。台儿庄、万年闸和韩庄泵站均装机5台(含备用1台)。文中台儿庄、万年闸和韩庄泵站分别以编号1、2、3表示。

如图7所示，选取典型工况如下：台儿庄站下水位为21.8m，韩庄站上水位为33.1m，梯级净扬程为11.3m，输水流量125m³/s，应用本发明计算系统的优化运行及控制方案。

(2)建立韩庄段梯级泵站输水系统优化运行模型及应用

①建立韩庄段梯级泵站输水系统整体运行效率表达式

对韩庄段梯级泵站输水系统进行动态解析，将系统中3级泵站、2个渠段、拦污栅等设备、设施作为一个整体，划分为泵站系统和输水子系统，采用量纲分析法，计入电机效率、水泵装置效率、建筑物水力损失、水量损失和分水影响等多种因素，建立梯级泵站输水系统运行效率表达式

式中，η_pcs为梯级泵站输水系统运行效率；

η_ps为泵站子系统效率；TP_j为水体经过第j级泵站提升所获得的能量；TP_j′为第j级泵站提水所需消耗的能量，即泵站内各抽水装置输入功率；h_j′为第j级泵站进水池水位；h_j为第j级泵站出水池水位；H_j为第j级泵站的扬程，H_j＝h_j-h_j′；η_pump(Q,H_j)为泵站流量为Q，扬程为H_j工况下，第j级泵站内各抽水装置联合运行的效率值。

η_cs为输水子系统效率；TP^*为水体经过级间渠道、拦污栅、闸门输送到末级泵站最终获得的净能量；h′_j+1为第j+1级泵站进水池水位；H^*为末级泵站输出水体所获得的有效扬程，S_j,j+1(Q,h′_j+1)为第j和j+1级泵站间水力损失。

利用上述方法，计算典型工况下韩庄运河段梯级泵站输水系统运行效率表1。

表1 典型工况下韩庄运河段梯级泵站输水系统现状运行效率计算成果表

②建立韩庄段梯级泵站输水系统优化运行模型并求解

根据建立的梯级泵站输水系统整体运行效率，以系统整体运行效率最优为目标，考虑各泵站水位、流量和梯级间水位关系等约束，建立梯级泵站输水系统优化运行模型，求解设定工况下，梯级间各渠段水力(水位、流量)优化方案，以及对应的各泵站内优化运行方案(开机台数、叶片角、转速)等。

目标函数

约束条件：三级泵站站上、站下水位约束见表2。

表2 三级泵站站上、站下水位约束

③模型求解

应用粒子群算法对韩庄段梯级泵站输水系统优化运行模型进行求解，梯级间水位参数为优化变量，求解各梯级间水位最优分配。典型工况下韩庄段梯级泵站输水系统优化运行方案成果见表3。

表3 韩庄运河梯级泵站输水系统典型工况下优化运行方案

(3)梯级泵站输水(水位、流量)控制模型及应用

以韩庄段梯级泵站输水优化运行方案(表3)中的水位、流量参数为控制目标，基于蓄量补偿的泵前水位控制模型：该模型包含蓄量补偿流量前馈和水位流量串级反馈(PI)环节的控制算法，前馈控制和反馈控制环节的输出叠加后作为泵站控制流量，即，Q(j,t)＝Q_x(j,t)+Q_f(j,t)。泵站控制流量对应的机组叶片角度、频率等通过机组性能曲面反算。由此制定水力控制方案：系统在4个小时之内完成控制目标，整个控制过程中各泵站流量过程见表4。

表4 韩庄运河段各泵站控制流量表

(4)韩庄段梯级泵站输水系统优化运行-控制耦合协调模型及应用

首先应用韩庄段梯级泵站输水系统运行优化模型制定了优化运行方案，然后根据输水控制模型计算了对应的控制方案，根据梯级泵站输水运行-控制方案评估模型对制定的优化运行方案和控制方案分别从经济效益及控制过程两个方面分别进行了评估，表明该运行及控制方案可在满足系统运行要求的条件下，最大限度节约输水成本。其中，执行优化运行-控制方案后的单位运行费用(0.0309元/m³)，比未优化前(0.0345元/m³)降低了10％。由此可得，该优化运行-控制方案是合理可行的，见表5。

表5 韩庄运河梯级泵站输水系统优化运行及控制方案评估计算成果

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。