一种基于数学规划的二次供水整体错峰调度方法

技术领域

本发明属于智慧水务对二次供水调度方法技术领域，更具体地，涉及一种基于数学规划的二次供水整体错峰调度方法。

背景技术

错峰供水是二次供水行业近年来的研究热点之一。错峰供水的核心目的是缓解高峰期用水紧张和抢水欠压问题，有效利用水厂低峰期时的富余供水能力，同时稳定管网波动、降低管网漏损风险。它主要利用具备储水能力的终端水箱，在供水低峰期时将部分水储存在水箱中，而在供水高峰期时优先使用水箱内的水供给高层用户。根据这一原理，使用自动化控制方式，可以实现以单个水箱自身用水需求为调节目标的错峰供水。例如，设定一天内的早晚用水高峰期时段，在高峰期开始时将阀门开度减小，在高峰期结束后将阀门开度增大，增减的幅度可根据水箱液位进行动态调整。

然而，在实际应用中，单个小区水箱的错峰供水，无法与其他小区水箱形成联动，补水周期的不确定性导致了大量补水冲突的产生，没有从根本上实现错峰供水的目的。解决上述单个小区水箱错峰供水问题的思路，是采用全局视角的区域性错峰供水方法，统筹调度区域内的所有小区泵房水箱。在这一决策问题上，现有技术尚未形成有效的解决方案。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供了一种基于数学规划的二次供水整体错峰调度方法，该调度方法解决了原有单个小区水箱错峰供水方法补水冲突的问题，以各个小区在各个时刻的水箱进水流量为决策变量，以供水总量在各个时刻的标准差为目标方程，以水箱进水流量上限等为优化约束，建立全局视角的区域性错峰供水数学规划模型，实现错峰供水，缓解高峰期用水紧张和抢水欠压问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于数学规划的二次供水整体错峰调度方法，包括：

从数据库中获取数据，并将获取数据输入到二次供水整体错峰调度数学规划模型中；

通过所述二次供水整体错峰调度数学规划模型输出各个小区的目标流量调度指令，用于调节各个小区的水箱的调节阀；

所述目标流量调度指令，使用水箱进水流量赤字和最优解第1时刻中的较大值作为所述目标流量调度指令。

可选地，所述二次供水整体错峰调度数学规划模型的构建步骤包括：

设定决策变量；

设定目标液位值；

设定优化约束；

计算水箱进水流量赤字；

设定目标方程；

生成初始解；

迭代求解使目标方程值最小的最优解；

确定所述目标流量调度指令。

可选地，所述设定决策变量，为各个小区各个时刻的水箱进水流量。

可选地，所述设定目标液位值，为各个小区执行指令序列后水箱最后一个时刻的液位值。

可选地，所述设定优化约束，包括各个水箱各个时刻进水流量小于等于其历史上限值、各个水箱各个时刻液位值应介于水箱液位预设上限值和预设下限值之间，以及最后一个时刻的水箱液位值与目标液位值相等。

可选地，所述计算水箱进水流量赤字，为至下一时刻达到水箱最低液位所需的最小水箱进水流量。

可选地，所述设定目标方程，为所有小区直供区域预测用水量和水箱进水流量在各个时刻总和的标准差。

可选地，所述生成初始解，为优化迭代的决策变量初始值。

可选地，所述迭代求解使目标方程值最小的最优解，即求解数学规划问题：

公式中：

可选地，各个小区的所述目标流量调度指令，用于调节各个小区的水箱的调节阀的步骤包括：

读取水箱入口流量计实时流量；

根据PID方法计算目标流量与实时流量的比例误差、积分误差和差分误差，分别乘以事先调校的比例系数、积分系数和差分系数，并对三者求和，算得流量增量值；

将流量增量值乘以事先调校的转换系数，并与阀门开度当前值相加，求得阀门开度设定值；

通过PLC下发阀门开度设定值，控制水箱入口电动调节阀调节至阀门开度设定值；

每间隔固定时间重复一次以上所有步骤，直至目标流量与实时流量的比例误差绝对值小于等于事先设定的误差范围。

本发明提供了一种基于数学规划的二次供水整体错峰调度方法，其有益效果在于：在进行二次供水调度时，与单个水箱错峰调度方法不同，本发明从全局视角统筹调度区域内所有小区水箱，通过建立数学规划模型，将模型输出的目标流量调度指令作为各个小区泵房水箱的执行指令，并使用PID方法不断调节水箱入口电动调节阀，从而控制水箱进水流量；在建立的数学规划模型中，使用区域用水总量（包括直供区域预测用水量与水箱进水流量）在各个时刻的标准差作为目标方程，通过使该目标方程最小化，达到区域内各个时刻用水量尽可能地平均，避免了用水量过高或过低，从而实现了整个区域的错峰供水；本发明公开的方法具有可扩展性，能够根据实际应用需求，增减优化约束项，调整指令生成的时间间隔，以解决不同场景、不同需求的二次供水调度问题。

本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了根据本发明的一个实施例的一种基于数学规划的二次供水整体错峰调度方法的流程示意图。

图2示出了根据本发明的一个实施例的调控前后某个小区泵房水箱液位变化对比图。

图3示出了根据本发明的一个实施例的调控前后所有小区总进水流量变量对比图。

图4示出了根据本发明的一个实施例的调控前后小区附近某个管网压力测点数据变化对比图。

具体实施方式

下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

本发明提供了一种基于数学规划的二次供水整体错峰调度方法，从数据库中获取数据，并将获取数据输入到二次供水整体错峰调度数学规划模型中，通过二次供水整体错峰调度数学规划模型输出各个小区的目标流量调度指令，用于调节各个小区的水箱的调节阀，构建二次供水整体错峰调度数学规划模型的步骤包括：

设定决策变量；

设定目标液位值；

设定优化约束；

计算水箱进水流量赤字；

设定目标方程；

生成初始解；

迭代求解使目标方程值最小的最优解；

确定目标流量调度指令。

具体的，该二次供水整体错峰调度方法中，从数据库中获取的数据包括参与调度的小区个数、每小时数据个数、每小时调度指令个数，每个小区的二次供水区域用水量预测数据、直供区域用水量预测数据、水箱液位数据、水箱液位预设上限值和预设下限值、水箱底面积、水箱最大进水流量。

二次供水整体错峰调度数学规划模型的构建具体步骤包括：

设定决策变量，为各个小区各个时刻的水箱进水流量，用

设定目标液位值，为各个小区执行指令序列后水箱最后一个时刻的液位值，设定值应介于水箱液位预设上限值和预设下限值之间：

公式中：

设定优化约束，包括各个水箱各个时刻进水流量小于等于其历史上限值：

公式中：

各个水箱各个时刻液位值应介于水箱液位预设上限值和预设下限值之间：

公式中：

最后一个时刻的水箱液位值与目标液位值相等：

公式中：

进一步地，通过下列公式将以上包含液位值的优化约束转化为包含决策变量的优化约束：

公式中：

计算水箱进水流量赤字，为至下一时刻达到水箱最低液位所需的最小水箱进水流量：

公式中：

设定目标方程，为所有小区直供区域预测用水量和水箱进水流量在各个时刻总和的标准差：

公式中：

生成初始解，为优化迭代的决策变量初始值，可采用随机法生成满足优化约束的

迭代求解使目标方程值最小的最优解，即求解数学规划问题：

公式中：

确定目标流量调度指令，使用水箱进水流量赤字和最优解第

公式中：

进一步地，在使用数学规划模型确定各个小区目标流量调度指令后，将模型输出的各个小区目标流量调度指令下发至参与调控的各个小区泵房，调节水箱入口电动调节阀的具体步骤为：

读取第

根据PID方法计算目标流量与实时流量的比例误差、积分误差和差分误差，分别乘以事先调校的比例系数、积分系数和差分系数，并对三者求和，算得流量增量值：

公式中：

将流量增量值乘以事先调校的转换系数，并与阀门开度当前值相加，求得阀门开度设定值：

公式中：

通过PLC下发阀门开度设定值，控制水箱入口电动调节阀调节至阀门开度设定值；

每间隔固定时间重复一次以上所有步骤，直至目标流量与实时流量的比例误差绝对值小于等于事先设定的误差范围：

公式中：

实施例

如图1所示，本发明提供了一种基于数学规划的二次供水整体错峰调度方法，从数据库中获取数据，并将获取数据输入到二次供水整体错峰调度数学规划模型中，通过二次供水整体错峰调度数学规划模型输出各个小区的目标流量调度指令，用于调节各个小区的水箱的调节阀。

从数据库中获取数据，包括参与调度的小区个数

二次供水整体错峰调度数学规划模型的构建具体步骤包括：

设定决策变量，为各个小区各个时刻的水箱进水流量，用

设定目标液位值，为各个小区执行指令序列后水箱最后一个时刻的液位值，设定值应介于水箱液位预设上限值和预设下限值之间：

公式中：

设定优化约束，包括各个水箱各个时刻进水流量小于等于其历史上限值：

公式中：

各个水箱各个时刻液位值应介于液位设定上限值和液位设定下限值之间：

公式中：

最后一个时刻的水箱液位值与目标液位值相等：

公式中：

进一步地，通过下列公式将以上包含液位值的优化约束转化为包含决策变量的优化约束：

公式中：

计算水箱进水流量赤字，为至下一时刻达到水箱最低液位所需的最小水箱进水流量：

公式中：

设定目标方程，为所有小区直供区域预测用水量和水箱进水流量在各个时刻总和的标准差：

公式中：

生成初始解，为优化迭代的决策变量初始值，可采用随机法生成满足优化约束的

迭代求解使目标方程值最小的最优解，即求解数学规划问题：

公式中：

确定目标流量调度指令，使用水箱进水流量赤字和最优解第1时刻中的较大值作为目标流量调度指令：

公式中：

进一步地，在使用数学规划模型确定各个小区目标流量调度指令后，将模型输出的各个小区目标流量调度指令下发至参与调控的各个小区泵房，调节水箱入口电动调节阀的具体步骤为：

读取第

根据PID方法计算目标流量与实时流量的比例误差、积分误差和差分误差，分别乘以事先调校的比例系数、积分系数和差分系数，并对三者求和：

公式中：

将流量增量值乘以事先调校的转换系数，并与阀门开度当前值相加，求得阀门开度设定值：

公式中：

通过PLC下发阀门开度设定值，控制水箱入口电动调节阀调节至阀门开度设定值；

每间隔

公式中：

在本实施例中，每

小区泵房水箱未调控时，水箱入口电动调节阀始终处于全开状态，即电动调节阀开度保持

通过统计调控前后小区总进水量的变化，如图3所示，可明显看出本方法所实现的区域性削峰填谷效果；通过统计调控前后管网压力测点的变化，如图4所示，可明显看出本方法能够稳定管网压力波动，尤其是在早晚用水高峰期时，能够提升管网压力。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。