1.3　国内外研究现状

1.3.1　单级泵站节能研究现状

单级泵站节能研究是梯级泵站节能研究的基础。单级泵站的节能研究主要目标是寻求泵站内各机组的优化技术与决策。目前，国内外研究的重点包括泵站机组的性能分析，最优工况的确定以及装置配套优化等。

1.3.1.1　国外研究进展

20世纪以来，国外的学者采用多种优化方法对泵站节能进行了研究。Vilas Nitivattan-anon针对单级泵站的实时调度运行问题，在满足输水流量要求下，提出了基于动态规划的优化模型，有效减少开、停机次数，每年可节约20%运行费用。Srinivasa Lingiredd针对单级泵站运行，以运行效率最高为目标，采用遗传算法对水泵转速进行了优化决策，并定量计算了应用变速调节所节约的提水成本。Zheng Wu采用遗传算法对单级泵站进行了优化调度，并对时段内流量、扬程及开、停机等决策进行了优化，以获得其最大运行效率。Dritan Nace根据日需水量，在满足运行约束条件下，寻找出最优调水流量方案，在优化过程中采用了线性规划法。S.Pezeshkt将适应性搜索算法应用于供水系统优化，该算法是一种离散的优化搜索模型，在实际优化计算中利用综合影响系数及管网压力作为控制参数，来决定泵的开、停机策略，可在一定程度上实现实时控制，提高输水效益。

1.3.1.2　国内研究进展

从20世纪80年代开始，国内的学者就针对单级泵站节能开展了相关探索与研究，并取得了一系列的研究成果。1987年，湖南省水利厅的路辛幕等针对农田排灌系统优化问题，以机电排灌运行能耗最少为目标，采用系统分析方法进行了探讨和研究。1998年，刘家春等采用系统分析的方法，根据轴流泵站的运行情况，建立了单级泵站经济节能的数学模型，并探讨了其求解方法。

进入21世纪以后，随着泵站建造和运行管理技术的不断改进，国内的学者对单级泵站的能耗问题的研究越来越深入。2001年，武汉大学的周龙才等针对变速调节泵站，以单位水量能耗最小为目标，满足一定流量等约束条件，提出了泵站内多台机组联合变速节能模型，并给出了模型详细的求解方法，优化效果较为明显。2003年，河海大学水利工程学院的陈守伦等针对变角和变速泵站的实际运行情况，以经济效益最优为目标，在满足日抽水总量约束下，采用动态规划的方法对各个时段和各台机组的流量过程进行优化。同年，河海大学的程芳等针对泰州泵站中转桨式和定桨式轴流泵机组联合节能问题，根据调度目标和任务，结合现有机组设备，应用大系统分解协调技术，建立了包含两层结构的泵站节能模型，并在每层釆用相应的优化方法进行求解。2004年，武汉大学机械学院的龙新平等利用拟合算法建立了装置效率、叶片角度与装置扬程和流量的关系曲面以及连续函数，可确定任意工况下，一定扬程和流量所对应的装置效率、叶片角度、转速等，为泵站节能决策提供了基础。2007年，扬州大学的鄢碧鹏等针对叶片可调节泵站，将遗传算法和神经网络应用于泵站经济节能研究，以泵站总能耗最小为优化目标，建立了泵站内经济运行优化数学模型，并以优化仿真结果为样本案例，采用人工神经网络对其相似工况进行预测，结果表明：遗传算法和神经网络联合应用求解的精度和可靠性较高，可较好的对泵站节能问题进行求解。2010年，扬州大学程吉林等采用动态规划法建立了叶片可调节单机组日运行优化模型，以输水费用最小为目标，时段内的抽水量要求等为约束条件，根据峰谷电价与站上、下游水位变化过程划分阶段变量，以各阶段水泵叶片角为决策变量，寻求各时段最优运行方案。扬州大学袭懿等针对泵站多机组叶片全调节日节能问题，建立了大系统分解—动态规划聚合模型，并给出了相应求解方法。以单位水量运行费用最小为目标，各机组提水量为决策变量，将总模型分解为多个单机组叶片全调节日节能子模型，模型采用动态规划方法求解。

1.3.2　梯级泵站节能降耗研究现状

梯级泵站输水工程可实现更高的提水高度、满足更大范围的供水任务。由于梯级泵站输水系统是一项工程结构复杂、内部相互关联、影响因素众多的复杂系统工程，其运行及控制难度较大。随着多个梯级泵站工程逐渐投入使用，对其节能研究也得到了较快发展和进步，人们逐渐意识到梯级泵站工程并不只是简单的单个泵站的叠加，对其优化问题仅考虑各级泵站内部节能是不够的。在梯级泵站输水系统中，各级泵站之间通过渠道（管道）连接，存在较为密切的水力联系，各站的流量、水位相互影响，共同决定了整个梯级泵站输水系统的运行状态。因此，梯级泵站输水系统的节能不仅要求对各级泵站内部各机组进行联合运行优化，还要考虑各梯级之间的水力优化组合问题。目前，国内外学者均针对这一问题开展了研究，并取得了一定成果。

1.3.2.1　国外研究现状

国外学者早在20世纪50年代就开始了针对梯级泵站节能调度的研究，所采用的方法主要包括数学规划、模拟技术、大系统理论等方法。主要研究思路为：建立系统简化模型或大系统优化决策模型，采用多种优化算法，并与仿真模拟技术相结合，得到最优的工程运行决策方案。

1982年，Weiner＆Arie Ben-Zvi针对Mediterranean Dead Sea Project跨流域梯级泵站调水工程，采用动态规划法建立了节能模型，研究了其节能问题。1984年，Marino＆Loaiciga等用POA法对美国中央河谷工程中的水库群联合运行方案进行了优化求解。Dragan A.Savict J采用遗传算法，对多个大型配水系统的设计进行优化研究，并提出了相应的优化设计要素（管道、水库、泵站），实践表明，釆用优化方案可减少30%～40%的运行费用。I.Pulido.Calvo应用神经网络系统预测日需水量，与多级衰减和单一时间连续分析法相比，神经网络系统预测结果更为精确。K.Takeuchi将随机DP和逐次逼近的搜索式法相结合，对美国加利福尼亚中央河谷工程中的两个并联水库的泄水方案进行优化，获得最优的泄水方案。

1.3.2.2　国内研究现状

20世纪70年代以后，国内学者也开始了对大型复杂工程采用系统优化的方法进行分析研究，其中也包括梯级泵站工程的节能研究。需要指出的是，20世纪80年代之前，我国已建的多数泵站受制于自身制造条件，大多安装的是工况不可调节的水泵机组，所以关于梯级泵站工程节能调度的研究，主要集中在如何实现梯级间流量平衡方面。

随着计算机技术迅速发展，自动化设备性能的不断提高以及多项跨流域调水工程的建设，高扬程梯级泵站工程的优化调度研究成果得到了进一步的发展和应用。1990年，中国水利水电科学研究院的高占义以大禹渡梯级泵站为研究对象，建立节能的泵站物理模型和数学模型，并运用动态规划方法结合模拟技术进行求解，优化后可节能7.55%左右。2000年，扬州大学的刘正祥等针对梯级泵站工程，以系统总能耗最小为目标，采用动态规划法确定各级泵站内各机组联合最优开机组合，并对系统级间渠道运行进行数值模拟，同时确定梯级间的最优水位组合。2001年，江苏省国营淮海农场的张文渊开展了梯级泵站的流量和水位（扬程）优化研究，针对由工况可调和不可调泵站组成的梯级泵站系统，采用动态规划法对梯级泵站运行进入稳态后的水位（扬程）进行优化，结果证明可显著提高系统的运行效率及效益。2002年，北京理工大学的李世芳等在对梯级间流量平衡进行分析探讨的基础上，建立了扬程优化调度的数学模型及动态规划求解的方法。在满足泵站流量、扬程的前提条件下，对各级泵站的调蓄水位进行动态优化，寻找出最优的调蓄水位，使供水系统工作在最优状态。

2005年，武汉大学的朱劲木针对东深供水工程优化运行问题，采用大系统分解协调方法，考虑了不同地区、不同时间段的电价对优化调度的影响，寻求梯级各泵站联合优化运行方案。武汉大学的熊晓明等发表了“梯级泵站的实时优化调度研究”，以输水成本最小为目标，考虑了电价波动和级间弃水等影响因素，提出了实时流量优化的方案，并将优化方案在东深供水梯级泵站水力仿真模拟系统上进行了验证，结果表明，经济效益明显，大大减小了系统弃水量。

2006年，扬州大学的仇宝云等针对南水北调东线工程梯级泵站的特点，分析比较大型水泵机组各种变工况方式，并提出了南水北调东线源头泵站宜釆用变速、变角运行方式；进、出湖泵站宜采用变频变速或变角运行方式；中间泵站宜采用机械式运行全调节变角运行方式等结论。2008年，扬州大学的冯晓莉等针对江都排灌站扬程变化幅度大、变化频繁的特点，以输水效益最高为目标，在满足日提水总量的前提下，考虑分时电价等相关约束条件，建立泵站运行优化数学模型，并采用遗传算法求解，确定泵站各时段的最优开机台数和机组运行工况（叶片调节角度），结果表明，优化运行方案可显著降低运行费用。

2010年，扬州大学的冯晓莉、仇宝云等以南水北调东线高港泵站为研究对象，以泵站主机组耗用电费最少为目标，在满足日抽水量的前提下，考虑不同时段装置扬程和分时电价的变化，建立高港泵站运行优化模型，模型采用遗传算法求解，并用退火算法处理约束条件，优化结果可显著降低运行费用。2011年扬州大学的龚懿等开展了南水北调东线泵站（群）运行的相关优化方法研究，考虑峰谷电价影响，针对泵站多机组、并联泵站群、梯级泵站群开展了全面的研究，提出了一套优化运行理论方法，采用大系统分解、动态规划聚合优化方法，分别建立了单机组、泵站多机组、并联泵站群优化运行模型，并同级间输水渠道一维明渠非恒定流模拟相结合，提出了上、下梯级泵站提水扬程与泵站运行（开机台数、叶片角度、机组转速等）的综合优化方法。

1.3.3　梯级泵站系统水力模拟与控制研究现状

梯级泵站输水工程一般输水线路长，涉及范围广，输水建筑物种类繁多，为实现整个输水系统优化运行的目标，需要建立相应的水力仿真数学模型，对各种可能发生运行工况进行模拟分析，确定输水系统的水位、流速、流量等水力参数的变化规律，寻找可靠、经济合理的输水方案和运行控制方案，为梯级泵站输水系统的运行及控制提供参考。目前，国内外专家学者针对输水水力模拟及控制等方面已经进行了大量研究，取得了一系列的成果。

天津大学的练继建等建立了明渠—管道—明渠复杂输水系统的瞬变流计算数值仿真模型，并采用变时步的方法进行处理计算，可对实际输水中的水力过渡过程获得较为精确的模拟结果；中国水利水电科学研究院的杨开林等提出了线性变换求解渠道输水非恒定流模型，并利用该方法模拟了东深供水改造工程中—太园录站出水池莲湖泵站进水池之间的水力过渡过程，模拟效果较为精确；杨开林等针对引黄入晋输水工程变速泵的调节特性，还研究了同步电动机的调速模型及前池水位的自动控制模型，分析探讨了PID水位调节器的控制参数对水位调节效果的影响。武汉大学的刘梅清运用瞬变流的基本理论和数值计算方法，建立了复杂抽水系统水力过渡过程计算的数学模型，包括长管道输水系统中的两相瞬变流计算模型，泵、管、渠、池复杂抽水系统瞬变流计算模型及梯级泵站调水系统联合运行瞬变流计算模型，并以此为计算平台，建立了空气阀、调压塔、单向调压塔及水柱分离及再弥合水锤计算边界条件模型，提出了长距离输水系统的水锤防护策略，为瞬变流计算理论的完善与发展及大型调水工程的优化设计和运行提供了技术依据。

2003年，广东粤港供水有限公司的潘志权针对东深供水工程水力过渡过程的特点，建立了管、渠、泵系统联合水力过渡过程计算的数学模型，并进行了大量的分析、计算与测试研究，研究内容包括正常工况泵站流量关联和匹配研究，泵组叶片角度的优化配置与调节研究；分析事故工况下水力过渡过程中可能存在的薄弱环节。同年，清华大学的樊红刚建立了梯级泵站全系统的仿真模型，根据各级泵站不同位置提出了两种系统流量平衡调节方法。通过调节叶片角度改变泵站流量，使中间泵站保持其前池水位不变，从而实现系统的流量自动调节平衡。

2007年，太原理工大学的寇姝静、段富等以万家寨引黄工程为研究对象，研究系统运行仿真及优化调度。其主要思路是在系统分析的基础上，采用水力学模拟软件Mouse，建立梯级泵站及其管网组成的综合仿真模型。同时，将大系统分解—协调模型应用于各级泵站联合运行的优化调度中，以输水能量消耗最小为目标，综合考虑目标区域需水量、输水流量约束等相关因素，求出各泵站各机组节能方案。并将运行方案在建立的综合仿真模型上进行验证，最终可实现系统的节能调度仿真。

目前，部分梯级泵站系统水力模拟及控制研究成果已经应用到现行跨流域调水工程中，山西万家寨引黄入晋输水工程采用丹麦DHI咨询公司的Mouse模型，建立了优化运行及仿真系统，并开发了一整套调度运行软件；武汉大学、清华大学、中国水利水电科学研究院对东深供水工程改造工程泵站及全系统水力过渡过程进行了计算分析，对该工程的水力过渡过程及调节控制方式进行了分析及评估，提出了工程调度运行的最佳模式及方案，并开发了输水系统过渡过程、系统流量平衡等仿真软件等。