基于峰谷电价的感潮河段泵站日优化运行研究

赵方玲，张 谨，王 津，仇宝云，曹海桦

（1.扬州大学水利科学与工程学院，江苏 扬州 225009；2.江苏省太湖地区水利工程管理处，江苏 苏州 215128；3.扬州大学电气与能源动力工程学院，江苏 扬州 225127）

大型泵站由于长时间大量抽水，对环境及能源造成了一定影响［1-2］。其中，沿海、沿江地区泵站运行期间存在能源浪费问题［3-4］。感潮河段受长江潮位涨落影响，水位在1 个潮汐周期内剧烈变化［5-7］，感潮河段泵站运行期间耗费大量能源。因此，研究感潮河段泵站节能技术至关重要。

近年来，国内外学者对不同系统中泵机组运行方案进行优化，节能效果显著。肖若富等［8］以泵站运行能耗最小为目标，以机组运行种类及台数为变量，结果表明单位时间内泵站运行能耗可节约18.6%；Manuel等［9］采用蚁群优化算法对供水系统泵机组开机方案进行优化，研究发现，通过合理安排泵的运行时间可以降低系统运行能耗，从而获得最大的节能效果；朱博文等［10］根据峰谷电价划分泵站运行时段优化泵站运行方案，结果表明较常规运行方案提水费用有所节约；Hyung 等［11］提出了应用遗传算法求解考虑季节性和时差电价的最优供水抽水系统模型，冬季、夏季7 d分别可节约费用4.5%和5.1%。以上研究均表明，模型中引入峰谷电价后，低电价期间运行泵站增多，高电价期间减少泵站运行，引入峰谷电价是有效降低泵站系统运行费用的重要措施之一。

同时，泵站运行能耗还受水位变化等因素的影响，赵晓东［12］发现当扬程发生变化时，合理调整叶片角度，可以降低系统运行成本约5.64%～12.13%。而感潮河段水位受潮汐的影响极大且变化剧烈，若泵站长时间按固定方案运行，将浪费大量能源。因此，感潮河段泵站运行不能忽视水头的变化，本文提出根据长江水位及峰谷电价调节泵站运行方案。以系统运行能耗最小为目标，以系统全天的开机方案为变量，在泵机组安全运行的前提下，建立满足引水水量要求的感潮河段泵站日运行优化模型。

1 工程概况

当太湖缺水或突发水污染事件时，需从长江应急引水入太湖［13］。新沟河是连接长江与太湖重要河道之一，受潮汐运动影响，在1 d中水位变幅大且呈规律性变化，出现2次高潮位、2次低潮位。新沟河泵站位于新沟河入江口处，装配有3 座型号为3150ZLKQ30-3.23的立式轴流泵机组。

泵站信息资料如表1 所示，泵装置性能曲线如图1所示。

图1 引泵装置性能曲线（引水机组）

表1 泵站信息资料

由于新沟河泵站位于新沟河入江处，长江侧水位变化剧烈，1 个潮水周期内出现1 次高潮位、1 次低潮位。当内河水位低于长江侧水位时，泵站停止运行；当内河水位高于长江水位时，泵站开始运行，且泵站运行期间耗费大量电力资源。

2 泵站日优化模型建立

在满足泵站安全及引水要求的前提下，根据水位变化规律调节泵站运行方案，使泵站运行费用最少。

泵站日引水量计算式为

式中：Vp为泵站实际日引水量，m3；q为单台水泵流量，m3/s，是叶轮叶片安装角α和泵装置扬程Hz的函数；αi为叶片角度（°）；Ni为开机台数；ΔtPi为泵站运行时间，h；m为泵站运行的时段数；下标i为第i个时段，i=1，2，3，…，m。

泵装置叶片安装角调节范围为

式中，αmin和αmax分别为水泵的允许最小、最大叶片角度。

水泵机组安全运行，则水位限制为

式中，Hzmin和Hzmax分别为水泵的允许最小、最大运行扬程，m。

泵站日运行能耗计算式为

式中：P为泵机组能耗，kW；ρ为水体密度，kg/m3；g为重力加速度，m2/s；ηz为泵装置效率，%；ηdr为传动效率，%；ηmot为电机效率，%；下标i为第i个时段，i=1，2，3，…，m。

由电网资料可知，泵站运行耗费大量电力资源，同时也增加了电网的负担。因此，引入峰谷电价后泵站日运行优化模型为

式中：F为基于分时电价的泵机组运行费用，元；Pi为第i时段泵机组能耗，kW；fi为第i时段单位电价，元/kW·h；ηz为泵装置效率；ηdr为传动效率；ηmot为电机效率；下标i为第i个时段；αmin和αmax分别为水泵的允许最小、最大叶片角度（°）；N为泵机组的运行台数；Nmax为泵机组装机台数；根据峰谷电价与水位变化将1 d 划分为若干个子周期，则m为泵站运行子周期数量。

江阴地区峰谷电价信息如表2所示。

表2 江阴地区峰谷电价

3 鲸鱼优化算法原理

鲸鱼优化算法（whale optimization algorithm，WOA）是一种新型群体智能优化算法。模拟鲸鱼的泡泡网捕食行为，通过鲸鱼群体的包围、追捕、攻击猎物等过程实现优化搜索。WOA 算法开始在搜索空间中随机产生N个鲸鱼个体组成初始种群，然后在进化过程中，根据当前最优鲸鱼个体或随机选取1 个鲸鱼个体更新各自的位置，最后根据随机产生的数r决定鲸鱼个体进行螺旋或包围运动，概率均为0.5，通过循环迭代直至WOA 算法满足终止条件。

4 计算结果与分析

4.1 水位资料及泵站运行时段划分方案

当太湖水位呈持续下降趋势并逼近太湖旱警水位，或太湖突发污染事件时，需要向太湖应急引水。以某典型日为例，内河水位为3.1 m，长江侧水位、内河侧水位如图2所示。由图2看出，根据长江侧与内河侧水位差可将1 d划分泵站运行时段和非泵站运行时段，分别以“on”和“off”表示泵站运行状态。其中泵站运行时段又可以根据峰谷电价划分为6个时段，分别标记为Ⅰ～Ⅴ。

图2 长江侧水位、内河侧水位及泵站运行时间分区

4.2 感潮河段站优化方案计算结果

满足需要日均流量30～80 m3/s 时，对应水量为2 592×103m3～6 912×103m3。求解基于峰谷电价的泵站日运行优化模型，确定泵站最优运行方案的费用及最优开机方案。将鲸鱼算法用于本文基于峰谷电价的日优化模型的求解，其中鲸群数量设置为200，迭代次数设置为150，程序独立运行5 次，优化结果如表3、表4所示。

表3 泵站日运行费用及水量

表4 泵站日优化运行方案

4.3 结果分析

由表4（优化运行方案）可以看出，优化方案在电价低谷时段（0：00～2：40 和5：10～8：00）站内机组全部运行，且随着日均需要流量Qx的增大，机组叶片角度随之增大（最小0.2°、最大2°），即泵站偏向电价低谷期增加运行负荷，增加抽水量。在电价高峰时段减少泵站抽水负荷，当日均需要流量增大到70 m3/s 后，泵站仍能满足抽水量要求，但机组在电价高峰时段需要加入运行，运行费用增加。图3为优化运行方案不同日均需要流量时各时段运行费用，可以看出，泵站在电价高峰时段运行费用远远高于电价低谷时段和平价时段。电价相同时（低谷时段0：00～2：40、5：10～8：00，平价时段12：00～14：00、17：40～21：00、21：00～24：00），泵站开机方案与水位相关，其中平价时段开机方案受水位影响更大。

图3 优化运行方案不同日均需要流量时各时段运行费用

当泵机组全天以设计角度（0°）运行时，泵站运行费用及运行方案如表5、表6所示。其中，表6为设计角度运行方案，与优化方案相同的是机组在电价高峰时段也减少运行，但不同日均需要流量时泵站开机台数均大于或等于2台，设计方案在电价低谷时段和平价时段的差异较小。优化方案与设计方案见表7。

表5 泵站设计角度（0°）运行费用及水量

表6 泵站设计角度（0°）运行方案

表7 优化方案与设计方案对比

可以看出，与设计方案相比，优化方案运行费用大幅减少，优化方案节约泵站运行费用11.40%～50.79%。结果表明，根据峰谷电价调节泵站运行方案可以大幅降低泵站运行费用，峰谷电价的引入使泵站在电价低谷时段增大抽水负荷，在电价高峰时段减小抽水负荷。基于峰谷电价优化泵站运行方案不仅能有效节约泵站运行费用，同时也降低了电网的供电压力。

5 结 语

感潮河段泵站由于长时间大量抽水，对环境和电网供电压力造成一定影响。考虑感潮河段受潮汐运动影响，在1 d中水位变幅大且呈规律性变化，出现2次高潮位、2次低潮位，本文提出根据长江水位及峰谷电价优化泵站运行方案。

优化方案在电价低谷时段增加抽水负荷，而在电价高峰时段降低泵站抽水负荷。当日均需要流量增大到70 m3/s后，机组需要在电价高峰时段增加抽水负荷来满足抽水要求，导致运行费用增加。电价相同时，泵站开机方案与水位相关，其中平价时段开机方案受水位影响更大。

与设计方案相比，优化方案节约泵站运行费用11.40%～50.79%。峰谷电价的引入不仅能有效减少泵站运行费用，同时也能降低用电高峰时段电网供电压力。