水泵站系统节能优化算法研究

水泵站系统节能优化算法研究

于智

天津泰达道桥建设有限公司  天津  300450

摘要：尽管我国的水利泵站保有量巨大，但是因技术和管理方面的原因，泵站的运行效率低下，资源浪费的现象，消耗了大量的能源，泵站的水量和扬程不足，降低了水利泵站的工程效益。为了更好地调配资源，实现水利泵站的节能运行，目前在学界研究出了众多的数学理论计算模型和优化算法。

关键词：泵站系统;耗电量;寻优测试;ABC算法

引言

随着人工智能算法的快速发展，许多学者将其应用在泵站系统的节能优化研究中，并取得了不错的成果。YAZDI等深入研究了如何优化排水泵站系统的运行，借助混合和声搜索算法计算优化模型，获取最佳的系统调度方案，大大增加了泵站的工作效率。在众多算法里，KAＲABOGA等完整提出了人工蜂群算法(ABC算法)，通过测试它的适用性发现，其能够较好地处理有约束条件的优化问题，因此这种算法也常常应用在泵站调度优化研究中。

1水利泵站优化的理论模型

根据不同的泵站优化运行准则，可以建立不同的数学模型，下面分别列举出几种基本的泵站优化模型1)泵站能耗最低准则在一些大型泵站内，主机组消耗的功率占整个泵站的百分之九十以上，一些能耗较小的设备对泵站优化的计算结果影响较小，不考虑进计算中。假设泵站总流量为QT，第i台泵机的流量为Qi，泵机扬程为H，泵站组共有m台泵机。使得泵机组功率最低的目标函数式为：11000miiigQHNminρ=η=其中ρ为水密度1000Kg/m3，g为重力加速度9.8m/s2；ηi为第i台泵的效率。约束条件：①单泵的抽水流量约束：QQQiii,min,max≤≤②泵机组总流量约束：1mTiiQQ==③叶片角度约束：θθθiii,min,max≤≤④扬程约束：2HHQ=+iiiλ，其中λi为损失系数⑤开机台数约束：max0<≤mm2)运行费用最低准则泵站的运行费用主要包括运行所消耗的电费、维修费用、行政费用以及员工工资等。假设泵站总流量为QT，第i台泵机的流量为Qi，泵机扬程为H，单位时间的电费为P，泵机一定时间产生的其他费用综合为Mi，泵站组共有m台泵机，以泵站运行费用最低建立目标函数表达式为：11000mitiigQHPtF=minMρ=η约束条件与能耗最低模型的约束条件相同。3)泵站装置效率最高准则泵站的效率是衡量泵站性能的一个综合指标，其中包括了电动机、泵机、传动装置、管道装置以及进出水池的效率，传动装置的功率一般认为是百分百。

2ABC算法的寻优和优势

2.1ABC算法的寻优

按照不同的分工，能够把蜂群分成不同的类型:侦查蜂、跟随蜂以及引领蜂。其采蜜寻优的各个时期具体如下:1)首先是蜂群初始化时期。在这个时期，对ABC算法的参数进行初始化设置，如停止限制次数、变量维数、种群规模等。在搜索开始之前，所有蜜蜂的种类均是侦查蜂，对区域内的蜜源不存在认知，同时在蜂巢周围对蜜源进行随机搜寻。对适应度值根据先大后小的顺序进行排序，把适应度值比较低的一般蜜蜂当作跟随蜂，剩下一半蜜蜂则当作引领蜂。2)接着是引领蜂搜索时期。在这个时期，可行解空间里的每一只引领蜂仅能采集一个蜜源，相应的每个蜜源也仅能被一只引领蜂采集，引领蜂与蜜源的数量一致。3)然后是跟随蜂搜索时期，在引领蜂进行采蜜工作的时候，跟随蜂在蜂巢周围等待，引领蜂完成采蜜工作返回后，以跳“8”字舞的方式来把搜索到的蜜源信息传递给跟随蜂。通过分析比较全部引领蜂所传递的各个蜜源资料，跟随蜂在引领蜂里以一定的概率选择出一只引领蜂，这只引领蜂所搜索到的蜜源质量较高，之后跟随蜂随着引领蜂前往该处蜜源周围，来对新蜜源进行搜索。4)最后是侦查蜂搜索时期。这个时期里，在ABC算法里提前对停止限制次数进行设置。当某个蜜源被采集多次，而解的质量并没有更新时，就会放弃这个蜜源，此时对应的引领蜂就会改变为侦查蜂，同时会重新随机选择蜜源。

2.2ABC算法的性能优势

为了对ABC算法的优势进行更加直观的判断和检验，采用优化领域的4个标准测试函数来对GA、PSO、ABC算法进行测试。这4个函数分别是Ackley、Ｒosenbrock、Sphere、Ｒastri－gin，同时选择最优值和平均值来对各算法的性能进行评价。各算法都独立运行20次，并获取最优值20个，求出这20个最优值的均值来对算法的稳定性和精准性进行评判。

3泵站系统优化计算

以上述项目为例，对寻优方法进行验证此次优化方案有两种:第一个是单调速方案，即B#水泵恒速运行，而A#水泵为变频调速运行;另一种为全调速方案，即两水泵均保持变频调速运行。在第一个单调速方案里，B#水泵在保持恒速运行时没有较高的效率;但在第二个全调速方案里，B#和A#水泵在工作时都可以保持高效率，而且单调速方案中B#水泵的单位产量耗电量要高于全调速方案。在达到各个约束条件(调速比、流量、扬程)的情况下，对两种方案采取以上泵站耗电量最低的优化数学模型来开展优化计，在系统需要的供水流量不超过325.15m

3/h时，仅打开A#水泵的变频调速对其进行调节就能够达到供水需求;而在系统需要的供水流量提升至325.15m3/h以上时，要想达到供水需求，需要同时打开A#和B#水泵的变频调速。系统在未改造时，单位产量平均耗电量为11.95kW·h/m3;系统在单调速改造和全调速改造之后，单位产量平均耗电量分别为6.33和6.09kW·h/m3。E1、E2为两个改造方案的节电率，分别如下:E1=11.95kW·h/m3－6.33kW·h/m311.95kW·h/m3×100%=47.04%E2=11.95kW·h/m3－6.09kW·h/m311.95kW·h/m3×100%=48.99%与未改造时的阀门调节相比，上述方案根据耗电量优化了泵站的运行，让各水泵都可以保持较高的运行效率，达到了供水泵站根据系统需求改变进行节能降耗和精准调节的目的，表明上述两种优化方案是有效可行的。但全调速方案的节电率要略高于单调速方案，如果将改造成本等问题考虑在内，性价比更好的则是单调速方案。

结束语

为了减小供水泵站系统运行期间的耗电量，同时保证其高效率运行，本文以实际工程为例，以泵站运行优化为角度开展了目标耗电量的节能研究，借助2种标准测试函数对不同算法开展了寻优测试，结论如下1)采用4个标准测试函数对GA、PSO、ABC算法进行测试，与GA算法、PSO算法相比，ABC算法拥有更好的寻优结果和较快的收敛速度，可以在较短时间内收敛至理论最优值，同时拥有跳出局部极小值的能力，能够较好地用来优化多模态、多变量函数。2)以单位产量耗电量最低模型为基础，拟定两个节能方案，通过数值计算软件和ABC算法进行求解发现，系统在单调速改造和全调速改造之后的节电率分别为47.04%和48.99%，节能效果显著，表明泵站优化运行计算中ABC算法有很好的有效性和适用性。

参考文献

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