一种考虑过渡能效的并联供水泵组节能调度方法与流程

1.本发明涉及能源与节能技术领域，具体是一种考虑过渡能效的并联供水泵组节能调度方法。


背景技术：

2.供水泵作为工业生产制造领域广泛应用的动力设备，电力能耗成本较高。目前大部分供水泵仍然是由现场人员根据经验进行调度，或是采用基于pid(比例-积分-微分)方式实现恒压控制，忽略了跟随供水泵组的实际运行工况点，且难以对泵组能耗进行有效的优化。现有的供水泵组调度方法多在保障供水量和供水扬程的同时，以降低泵组在稳定运行状态的常规能耗以减少生产成本，而遗漏了供水泵根据调度指令转换运行状态时的过渡能效。
3.现有申请公布号为cn111325306a，名称为《一种基于abc-pso混合算法的供水泵组调度方法》的发明专利，根据泵组中个体的性能和实际运行状态，结合abc的探索能力和pso算法的求解能力，为各水泵分配合理的供水任务，均衡官网中的压力，在满足用水舒适度的同时，降低供水流量，并且减少管网中的漏损。上述发明专利侧重于改进对供水泵组任务分配的求解算法，保证求解效率和解集精度，而在求解过程中并未考虑各水泵在变换运行状态时的能效。
4.现有申请公布号为cn110500291a，名称为《一种基于遗传算法的多泵并联控制方法》的发明专利，通过建立水泵扬程和功率特性方程，利用遗传算法实现水泵系统运行参数的最优化求解，保证供水系统所需的流量和压力，降低系统总体运行能耗。该发明专利提出了一种针对多泵并联供水系统的变频泵调度方法，然而忽略了目前仍有大量供水泵系统由工频泵与变频泵并联组成的情况，且未将各水泵的过渡能效纳入计算范畴。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种考虑过渡能效的并联供水泵组节能调度方法，在建立并联供水泵组中各供水泵的流量-功率和流量-扬程特性曲线的基础上，提出了以过渡总耗时、过渡总能耗和过渡总供水量为对象的供水泵过渡能效计算方法，更贴近应用实际的节能调度。
6.本发明的技术内容如下：
7.一种考虑过渡能效的并联供水泵组节能调度方法包括如下步骤：
8.步骤一、接入供水泵组历史运行数据；
9.步骤二、建立考虑供水泵过渡能效的供水泵组能效性能模型；
10.步骤三、建立供水泵组节能调度模型，完成泵组运行指令调度和所需能耗计算；
11.所述步骤二中的考虑供水泵过渡能效的供水泵组能效性能模型由供水泵组所包括的m个工频泵能效模型和n个变频泵能效模型组成,m≥0,n≥0,m n》0。
12.进一步地，所述步骤一中的供水泵组历史运行数据可通过工业生产制造scada系统、信息管理系统或工业互联网系统完成数据接入；供水泵组历史运行数据类型包括但不
限于：泵组中包括的各工频供水泵的转速、流量、扬程、功率，泵组中包括的各变频供水泵的实际调速比、调速比指令、最小调速比指令、转速、流量、扬程，供水泵组目标扬程指令和小时供水量指令中的一种或多种。
13.进一步地，所述步骤二中建立工频泵能效模型的具体步骤为：
14.步骤(1).对供水泵组中包括的第m台工频泵，当m＝0时，并联泵组中不存在工频泵，否则，m表示m台工频泵中的任意一台,m＝1,2,
…
,m，利用步骤一中的历史运行数据拟合计算出流量-功率特性曲线和流量-扬程特性曲线多项式的参数，其多项式表达为：
15.pm＝am bmqm cmq
m2
16.hm＝h
m,x-s
m,xqm2
17.上式中，pm代表工频泵的功率(单位为千瓦)，hm代表扬程，qm代表流量(单位为吨/小时)，h
m,x
代表第m台工频泵的虚总扬程，s
m,x
代表第m台工频泵的虚阻系数，am,bm,cm是第m台工频泵多项式的拟合参数；其中a，b，c无特定名称及含义。
18.步骤(2).对供水泵组中包括的第m台工频泵，利用步骤一中的工频泵功率-时间和流量-时间信息，对采样时间曲线积分确定工频泵的过渡能效，所述过渡能效包括开机能效和停机能效；
19.其中开机能效指工频泵由关闭状态s
′m＝0过渡到稳定运行状态sm＝0的过渡总耗时t
m,start
、过渡总能耗e
m,start
和过渡总供水量q
m,start
；停机能效指工频泵由稳定运行状态s
′m＝1过渡到关闭状态sm＝0的过渡总耗时t
m,stop
、过渡总能耗e
m,stop
和过渡总供水量q
m,stop
；其中过渡总耗时以小时计，过渡总能耗以千瓦时计，过渡总供水量以吨计。
20.步骤(3).对供水泵组中包括的第m台工频泵，记前后开关状态相同的过度能效均为0，则工频泵由开关状态s
′m过渡到开关状态sm的过渡总耗时δtm、过渡总能耗δem和过渡总供水量δqm可分别用函数表达，表示过渡总耗时δtm关于前后开关状态量s
′m和sm的函数表达，表示过渡总能耗δem关于前后开关状态量s
′m和sm的函数表达，表示过渡总供水量δqm关于前后开关状态量s
′m和sm的函数表达，具体为：
[0021][0022][0023][0024]
进一步地，所述步骤二中建立变频泵能效模型的具体步骤为：
[0025]
步骤(1).对供水泵组中包括的第n台变频泵，n＝0时，并联泵组中不存在变频泵，否则，n表示n台变频泵中的任意一台,n＝1,2,
…
,n，利用步骤一中的历史运行数据拟合计算出流量-功率特性曲线和流量-扬程特性曲线多项式的参数，其多项式表达为：
[0026]
pn＝anλ
n3
bnλ
n2qn
cnλ
nqn2
[0027]hn
＝h
n,x
λ
n2-s
n,xqn2
[0028]
上式中，pn代表变频泵的功率(单位为千瓦)、hn代表扬程,qn代表流量(单位为吨/小时),h
n,x
为变频泵的虚总扬程，s
n,x
为变频泵的虚阻系数，λn是变频泵实际转速与额定转速的比值即实际调速比，λ
min
为变频泵最小调速比指令，调速比λ
min
≤λn≤1，an,bn,cn是第n台变频泵在转速比λn下的多项式的拟合参数；
[0029]
步骤(2).对供水泵组中包括的第n台变频泵，利用步骤一中的变频泵实际调速比-时间曲线、调速比指令-时间曲线、功率-时间曲线和流量-时间曲线，对采样时间积分确定变频泵的过渡能效，过渡能效包括开机能效、停机能效和调速能效；
[0030]
其中，开机能效指变频泵由关闭状态λ
′n＝0,h
′n＝0过渡到最小调速比且目标稳定运行扬程为hn的状态λn＝λ
min
,hn》0的过渡总耗时，过渡总能耗和过渡总供水量；关机能效指变频泵由最小调速比且稳定运行扬程为hn的状态λ
′n＝λ
min
,h
′n》0过渡到关闭状态λn＝0,hn＝0的过渡总耗时，过渡总能耗和过渡总供水量；调速能效指变频泵由前一调速比指令为λ
′n且稳定运扬程为行h
′n的状态过渡到下一调速比指令为λn且目标稳定运行扬程为hn的状态的过渡总耗时、过渡总能耗和过渡供水量，λ
′n,λn≥λ
min
,h
′n,hn》0；过渡总耗时以小时计，过渡总能耗以千瓦时计，过渡总供水量以吨计；
[0031]
步骤(3).对供水泵组中包括的第n台变频泵，将步骤(2)中的过渡能效数据为基础，以前一调速比指令λ
′n、后一调速比指令λn、前一稳定运行扬程h
′s和目标稳定运行扬程hs为输入，以过渡总耗时δtm、过渡总能耗δem和过渡总供水量δqm分别为输出，建立过渡总耗时回归模型过渡总能耗回归模型和过渡总供水量回归模型其中回归模型的构建方法包括但不限于支持向量机、决策回归树、人工神经网络；
[0032]
步骤(4).对供水泵组中包括的第n台变频泵，将步骤(2)中的过渡能效数据按比例划分为训练集和测试集，并添加前后调速比相同且工作扬程相同的过渡能效均为0的理论数据到训练集，完成调速总耗时回归模型调速总电耗回归模型和调速总供水量回归模型三个模型的训练和测试。其中，训练集和测试集的划分比例通常取8:2或7:3。
[0033]
步骤(5).对供水泵组中包括的第n台变频泵，则变频泵由调速比指令为λ
′n且工作扬程h
′n的状态过渡到调速比指令为λn且目标稳定运行养成为hn的状态的过渡总耗时δtm、过渡总能耗δem和过渡总供水量δqm可分别由回归模型表达为：
[0034][0035][0036][0037]
进一步地，所述步骤三中并联供水泵组的调度指定生效时刻为每小时整点，调度指令时间间隔为一小时，调度指令内容是供水泵组包括的各工频泵在本小时的开关状态sm，以及各变频泵在本小时的开关状态sn和调速比λn的运行组合参数；其中工频泵或变频泵为开机状态时,sm或sn为1，停机时sm或sn为0，且变频泵的开关状态和调速比满足调速比约束：
[0038][0039]
进一步地，所述步骤三中并联供水泵组的调度目标是在满足目标供水量为qs(吨)和目标稳定工作扬程hs的供水要求下，减少供水泵组的总电耗。
[0040]
进一步地，所述步骤三的具体步骤为：
[0041]
步骤(1).根据供水泵组本小时的目标稳定工作扬程hs，根据并联连接建立供水泵
组扬程约束：
[0042][0042][0043]
步骤(2).根据供水泵组中各工频泵在上一小时的开关状态s
′m，则工频泵在本小时的调度指令下的电耗em(千瓦时)和供水量qm(吨)可表达为：
[0044][0045][0046]
上式中，pm代表工频泵稳定运行sm＝1且扬程为hs时的功率，,qm代表工频泵稳定运行sm＝1且扬程为hs时的流量，数值关系可由步骤二中的工频泵的流量-功率曲线和流量-扬程曲线多项式表达确定；
[0047]
步骤(3).根据供水泵组中各变频泵在上一小时的开关状态s
′n和调速比λ
′n，则变频泵在本小时的调度指令下的电耗en(千瓦时)和供水量qn(吨)可表达为：
[0048][0049][0050]
上式中，pn,代表变频泵在调速比为λn，扬程为hs时的功率，qn代表变频泵在调速比为λn，扬程为hs时的流量，数值关系可由步骤二中的变频泵的流量-功率曲线和流量-扬程曲线多项式表达确定；
[0051]
步骤(4).根据供水泵组本小时的目标供水量qs，利用步骤(2)和步骤(3)中各水泵的供水量表达式建立供水泵组供水量约束：
[0052][0053]
步骤(5).根据节能目标，利用步骤(2)和步骤(3)中各水泵的电耗表达式建立最小化供水泵组能耗的目标函数：
[0054][0055]
步骤(6).建立启发式算法求解模型，将步骤(5)中的目标函数、调速比约束、步骤(1)中的扬程约束和步骤(4)中的供水量约束代入启发式算法对各工频泵在本小时的开关状态sm以及各变频泵在本小时的开关状态sn和调速比λn进行迭代求解；其中启发式算法的构造方法包括但不限于遗传算法、退火算法和粒子群算法；
[0056]
步骤(7).将步骤(6)求解到的能满足供水泵组供水扬程和供水量，且拥有最小泵组能耗的各工频泵在本小时的开关状态s
m,opt
以及各变频泵在本小时的开关状态s
n,opt
和调速比λ
n,opt
的运行组合参数作为调度指令，并输出最小泵组能耗j
opt
，完成供水泵组运行指令调度和所需能耗计算。
[0057]
本发明的有益效果如下：
[0058]
1、本发明面向工频泵和变频泵分别建立了考虑供水泵过渡能效的供水泵能效性能模型，提出了以过渡总耗时、过渡总能耗和过渡总供水量为对象的供水泵过渡能效计算
方法，通过时间曲线积分和基于人工智能方法建立回归模型的方式，避免了过渡过程中的复杂理论计算，可以实现对各供水泵在转变运行状态中的所需时间、所需能耗和供水产出的量化。
[0059]
2、本发明将供水泵在稳定运行状态的常规能耗和在转变运行状态中的过渡能耗结合，给出了一种更为精确的供水泵能耗计算方法，利用启发式算法建立了以供水泵组包括的各工频泵在每小时的开关状态，以及各变频泵在每小时的开关状态和调速比为对象的运行参量调度方法，可以保障供水泵组的供水扬程和供水量，达到更贴近实际应用场合的供水泵组节能目标。
附图说明
[0060]
图1为一种考虑过渡能效的并联供水泵组节能调度方法的流程图。
具体实施方式
[0061]
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合附图通过具体实施例进行进一步的说明，需要注意的是本发明技术方案包括但不限于以下实施例。
[0062]
实施例1
[0063]
参见图1所示，一种考虑过渡能效的并联供水泵组节能调度方法包括如下步骤：
[0064]
步骤一、接入供水泵组历史运行数据；
[0065]
步骤二、建立考虑供水泵过渡能效的供水泵组能效性能模型；
[0066]
步骤三、建立供水泵组节能调度模型，完成泵组运行指令调度和所需能耗计算；
[0067]
所述步骤二中的考虑供水泵过渡能效的供水泵组能效性能模型由供水泵组所包括的m个工频泵能效模型和n个变频泵能效模型组成,m≥0,n≥0,m n》0。
[0068]
本发明面向工频泵和变频泵分别建立了考虑供水泵过渡能效的供水泵能效性能模型，提出了以过渡总耗时、过渡总能耗和过渡总供水量为对象的供水泵过渡能效计算方法，通过时间曲线积分和基于人工智能方法建立回归模型的方式，避免了过渡过程中的复杂理论计算，可以实现对各供水泵在转变运行状态中的所需时间、所需能耗和供水产出的量化。
[0069]
实施例2
[0070]
参见图1所示，一种考虑过渡能效的并联供水泵组节能调度方法，包括如下步骤：
[0071]
步骤一、接入供水泵组历史运行数据；
[0072]
步骤一中的供水泵组历史运行数据可通过工业生产制造scada系统、信息管理系统或工业互联网系统完成数据接入。供水泵组运行数据类型包括但不限于：泵组中包括的各工频供水泵的转速、流量、扬程、功率，泵组中包括的各变频供水泵的实际调速比、调速比指令、最小调速比指令、转速、流量、扬程，供水泵组目标扬程指令、小时供水量指令。
[0073]
步骤二、建立考虑供水泵过渡能效的供水泵组能效性能模型。
[0074]
步骤二中的考虑供水泵过渡能效的供水泵组能效性能模型由供水泵组所包括的m个工频泵能效模型和n个变频泵能效模型组成,m≥0,n≥0,m n》0。
[0075]
进一步地，所述步骤二中建立工频泵能效模型的具体步骤为：
[0076]
步骤(1).对供水泵组中包括的第m台工频泵，利用步骤一中的历史运行数据拟合
计算出流量-功率特性曲线和流量-扬程特性曲线多项式的参数，其多项式表达为：
[0077]
pm＝am bmqm cmq
m2
[0078]hm
＝h
m,x-s
m,xqm2
[0079]
上式中，pm,hm,qm分别代表工频泵的功率(千瓦)、扬程和流量(吨/小时)，h
m,x
,s
m,x
分别为第m台工频泵的虚总扬程和虚阻系数，am,bm,cm是第m台工频泵多项式的拟合参数；
[0080]
步骤(2).对供水泵组中包括的第m台工频泵，利用步骤一中的工频泵功率-时间和流量-时间信息，对采样时间曲线积分确定工频泵的过渡能效，包括开机能效和停机能效。其中开机能效指工频泵由关闭状态s
′m＝0过渡到稳定运行状态sm＝0的过渡总耗时t
m,start
，过渡总能耗e
m,start
和过渡总供水量q
m,start
；停机能效指工频泵由稳定运行状态s
′m＝1过渡到关闭状态sm＝0的过渡总耗时t
m,stop
，过渡总能耗e
m,stop
和过渡总供水量q
m,stop
。过渡总耗时以小时计，过渡总能耗以千瓦时计，过渡总供水量以吨计；
[0081]
步骤(3).对供水泵组中包括的第m台工频泵，记前后开关状态相同的过度能效均为0，则工频泵由开关状态s
′m过渡到开关状态sm的过渡总耗时δtm、过渡总能耗δem和过渡总供水量δqm可分别用函数表达为：
[0082][0083][0084][0085]
步骤二中建立变频泵能效模型的具体步骤为：
[0086]
步骤(1).对供水泵组中包括的第n台变频泵，利用步骤一中的历史运行数据拟合计算出流量-功率特性曲线和流量-扬程特性曲线多项式的参数，其多项式表达为：
[0087]
pn＝anλ
n3
bnλ
n2qn
cnλ
nqn2
[0088]hn
＝h
n,x
λ
n2-s
n,xqn2
[0089]
上式中，pn,hn,qn分别代表变频泵的功率(千瓦)、扬程和流量(吨/小时),h
n,x
,s
n,x
分别为变频泵的虚总扬程和虚阻系数，λn是变频泵实际转速与额定转速的比值即实际调速比，λ
min
为变频泵最小调速比指令，调速比λ
min
≤λn≤1，an,bn,cn是第n台变频泵在转速比λn下的多项式的拟合参数；
[0090]
步骤(2).对供水泵组中包括的第n台变频泵，利用步骤一中的变频泵实际调速比-时间曲线、调速比指令-时间曲线、功率-时间曲线和流量-时间曲线，对采样时间积分确定变频泵的过渡能效，包括开机能效、停机能效和调速能效。其中，开机能效指变频泵由关闭状态(λ
′n＝0,h
′n＝0)过渡到最小调速比且目标稳定运行扬程为hn的状态(λn＝λ
min
,hn》0)的过渡总耗时，过渡总能耗和过渡总供水量；关机能效指变频泵由最小调速比且稳定运行扬程为hn的状态(λ
′n＝λ
min
,h
′n》0)过渡到关闭状态(λn＝0,hn＝0)的过渡总耗时，过渡总能耗和过渡总供水量；调速能效指变频泵由前一调速比指令为λ
′n且稳定运扬程为行h
′n的状态过渡到下一调速比指令为λn且目标稳定运行扬程为hn的状态的过渡总耗时、过渡总能耗和过渡供水量，λ
′n,λn≥λ
min
,h
′n,hn》0。过渡总耗时以小时计，过渡总能耗以千瓦时计，过渡总供水量以吨计；
[0091]
步骤(3).对供水泵组中包括的第n台变频泵，将步骤(2)中的过渡能效数据为基础，以前一调速比指令λ
′n、后一调速比指令λn、前一稳定运行扬程h
′s和目标稳定运行扬程hs
为输入，以过渡总耗时δtm、过渡总能耗δem和过渡总供水量δqm分别为输出，建立过渡总耗时回归模型过渡总能耗回归模型和过渡总供水量回归模型其中回归模型的构建方法包括但不限于支持向量机、决策回归树、人工神经网络；
[0092]
步骤(4).对供水泵组中包括的第n台变频泵，将步骤(2)中的过渡能效数据按比例划分为训练集和测试集，并添加前后调速比相同且工作扬程相同的过渡能效均为0的理论数据到训练集，完成调速总耗时回归模型调速总电耗回归模型和调速总供水量回归模型三个模型的训练和测试。其中，训练集和测试集的划分比例通常取8:2或7:3。
[0093]
步骤(5).对供水泵组中包括的第n台变频泵，则变频泵由调速比指令为λ
′n且工作扬程h
′n的状态过渡到调速比指令为λn且目标稳定运行养成为hn的状态的过渡总耗时δtm、过渡总能耗δem和过渡总供水量δqm可分别由回归模型表达为：
[0094][0095][0096][0097]
步骤三、建立供水泵组节能调度模型，完成泵组运行指令调度和所需能耗计算；步骤三中并联供水泵组的调度指定生效时刻为每小时整点，调度指令时间间隔为一小时，调度指令内容是供水泵组包括的各工频泵在本小时的开关状态sm，以及各变频泵在本小时的开关状态sn和调速比λn的运行组合参数。其中工频泵或变频泵为开机状态时,sm或sn为1，停机时为0，且变频泵的开关状态和调速比满足调速比约束：
[0098][0099]
步骤三中并联供水泵组的调度目标是在满足目标供水量为qs(吨)和目标稳定工作扬程hs的供水要求下，减少供水泵组的总电耗。
[0100]
步骤三的具体步骤为：
[0101]
步骤(1).根据供水泵组本小时的目标稳定工作扬程hs，根据并联连接建立供水泵组扬程约束：
[0102][0102][0103]
步骤(2).根据供水泵组中各工频泵在上一小时的开关状态s
′m，则工频泵在本小时的调度指令下的电耗em(千瓦时)和供水量qm(吨)可表达为：
[0104][0105][0106]
上式中，pm,qm分别代表工频泵稳定运行sm＝1且扬程为hs时的功率和流量，数值关系可由步骤二中的工频泵的流量-功率曲线和流量-扬程曲线多项式表达确定；
[0107]
步骤(3).根据供水泵组中各变频泵在上一小时的开关状态s
′n和调速比λ
′n，则变频泵在本小时的调度指令下的电耗en(千瓦时)和供水量qn(吨)可表达为：
[0108][0109][0110]
上式中，pn,qn分别代表变频泵在调速比为λn，扬程为hs时的功率和流量，数值关系可由步骤二中的变频泵的流量-功率曲线和流量-扬程曲线多项式表达确定；
[0111]
步骤(4).根据供水泵组本小时的目标供水量qs，利用步骤(2)和步骤(3)中各水泵的供水量表达式建立供水泵组供水量约束：
[0112][0113]
步骤(5).根据节能目标，利用步骤(2)和步骤(3)中各水泵的电耗表达式建立最小化供水泵组能耗的目标函数：
[0114][0115]
步骤(6).建立启发式算法求解模型，将步骤(5)中的目标函数、调速比约束、步骤(1)中的扬程约束和步骤(4)中的供水量约束代入启发式算法对各工频泵在本小时的开关状态sm以及各变频泵在本小时的开关状态sn和调速比λn进行迭代求解。其中启发式算法的构造方法包括但不限于遗传算法、退火算法和粒子群算法；
[0116]
步骤(7).将步骤(6)求解到的能满足供水泵组供水扬程和供水量，且拥有最小泵组能耗的各工频泵在本小时的开关状态s
m,opt
以及各变频泵在本小时的开关状态s
n,opt
和调速比λ
n,opt
的运行组合参数作为调度指令，并输出最小泵组能耗j
opt
，完成供水泵组运行指令调度和所需能耗计算。