«Автоматизация и информатизация ТЭК»

Задача и методы оптимального управления режимами работы автономных систем водоснабжения

УДК: 519.857:628.12
DOI: -

Авторы:

¹ Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН, Иркутск, Россия

Ключевые слова: динамическая оптимизация, насосная станция, комбинация насосов, системы водоснабжения, траектория смены режимов, энергоэффективность

Аннотация:

В статье представлена постановка задачи динамической двухкритериальной оптимизации режимов работы насосных станций систем водоснабжения. Динамика режимов функционирования водоснабжающей сети связана с непостоянством водопотребления и требует непрерывного управления работой насосных станций. В статье показано, что в суточном разрезе существует огромное число вариантов включения насосов. Рассмотрены два наиболее важных критерия оптимизации: минимум переключений насосов и минимум суммарного энергопотребления. Предложен алгоритм поиска траектории смены комбинаций включения насосных агрегатов на заданном интервале времени, который обеспечивает минимальное число переключений. Показано, что для данного числа переключений имеется возможность выбора траектории смены комбинаций с минимальным энергопотреблением. Кроме оптимального решения алгоритм позволяет формировать множество допустимых решений и предоставляет пользователю возможность выбирать компромиссное решение в зависимости от конкретной ситуации. Выполнена программная реализация предложенного алгоритма в виде вычислительного модуля для информационно-вычислительного комплекса "Ангара-ВС". Апробация алгоритма на примере реальной системы водоснабжения показала высокую вычислительную эффективность.

Список литературы:

1. Energy Consumption Comparison of a Single Variable-Speed Pump and a System of Two Pumps: Variable-Speed and Fixed-Speed / S. Oshurbekov, V. Kazakbaev, V. Prakht [et al.] // Applied Sciences. – 2020. – Vol. 10, Issue 24. – P. 8820. – DOI: 10.3390/app10248820
2. Мельников В.Ю. Повышение эффективности использования электрической энергии объектами городского водоснабжения: учеб. пособие. – Павлодар: Инновац. Евраз. ун-т, 2015. – 120 с.
3. Николаев В.Г. Энергосберегающие методы управления режимами работы насосных установок систем водоснабжения и водоотведения: автореф. дис. … д-ра техн. наук: 05.23.04. – М., 2010. – 48 с.
4. Лезнов Б.С. Энергосбережение и регулируемый привод в насосных и воздуходувных установках. – М.: Энергоатомиздат, 2006. – 360 с.
5. Еловик В.Л., Войтов И.В., Седлухо Ю.П. Расчет и анализ режимов работы центробежных насосов с частотно-регулируемым электроприводом. – Минск: БГТУ, 2022. – 110 с.
6. Штейнмиллер О.А. Оптимизация насосных станций систем водоснабжения на уровне районных, квартальных и внутридомовых сетей: автореф. дис. … канд. техн. наук: 05.23.04. – СПб., 2010. – 23 с.
7. Карамбиров С.Н. Математическое моделирование систем подачи и распределения воды в условиях многорежимности и неопределенности: моногр. – М.: Моск. гос. ун-т природообустройства, 2004. – 196 с.
8. Николенко И.В., Рыжаков А.Н. Нелинейная модель оптимизации параметров силовых агрегатов насосной станции подкачки системы водоснабжения // Изв. вузов. Стр-во. – 2019. – № 4(724). – С. 47–63.
9. Карамбиров С.Н., Трикозюк С.А. Реализация генетического алгоритма для оптимизации водохозяйственных систем // Природообустройство. – 2009. – № 5. – С. 69–74.
10. Евдокимов А.Г., Тевяшев А.Д., Дубровский В.В. Моделирование и оптимизация потокораспределения в инженерных сетях. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Стройиздат, 1990. – 364 с.
11. López-Ibáñez M., Devi Prasad T., Paechter B. Ant Colony Optimization for Optimal Control of Pumps in Water Distribution Networks // J. of Water Resources Planning and Management. – 2008. – Vol. 134, Issue 4. – P. 337–346. – DOI: 10.1061/(ASCE)0733-9496(2008)134:4(337)
12. An algorithm for minimization of pumping costs in water distribution systems using a novel approach to pump scheduling / A.M. Bagirov, A.F. Barton, H. Mala-Jetmarova [et al.] // Mathematical and Computer Modelling. – 2013. – Vol. 57, Issue 3-4. – P. 873–886. – DOI: 10.1016/j.mcm.2012.09.015
13. Giustolisi O., Laucelli D., Berardi L. Operational Optimization: Water Losses versus Energy Costs // J. of Hydraulic Engeniring. – 2012. – Vol. 139, Issue 4. – P. 410–423. – DOI: 10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0000681
14. Marlim M.S., Kang D. Energy intensity-based metric for optimal design of water distribution systems // Applied Water Science. – 2023. – Vol. 13. – Article No. 185. – DOI: 10.1007/s13201-023-01998-z
15. Новицкий Н.Н., Алексеев А.В., Епифанов С.П. Расчет технологически допустимых гидравлических режимов трубопроводных систем // Изв. РАН. Энергетика. – 2006. – № 6. – С. 125–135.
16. Alekseev A.V. Study of the forecasting problem of energy consumption of water pumping station // E3S Web of Conf. Vol. 102. Mathematical Models and Methods of the Analysis and Optimal Synthesis of the Developing Pipeline and Hydraulic Systems 2019, Irkutsk, June 16–22, 2019. – EDP Sciences, 2019. – P. 03001. – DOI: 10.1051/e3sconf/201910203001
17. Анализ применимости различных методов машинного обучения для прогнозирования почасового газопотребления в разрезе газотранспортных обществ / С.Н. Панкратов, А.С. Казак, А.Н. Лобанов, Д.В. Горлов // Автоматизация и информатизация ТЭК. – 2023. – № 6(599). – С. 5–14. – DOI: 10.33285/2782-604X-2023-6(599)-5-14
18. Меренков А.П., Хасилев В.Я. Теория гидравлических цепей / отв. ред. М.Г. Сухарев. – М.: Наука, 1985. – 278 с.
19. Новицкий Н.Н., Алексеев А.В., Баринова С.Ю. Информационно-вычислительный комплекс "АНГАРА-ВС" для моделирования крупных систем водоснабжения // Информ. и мат. технологии в науке и управлении: тр. XVI Байкал. Всерос. конф., Иркутск, Россия, 01–10 июля 2011 г. – Иркутск: Ин-т систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН, 2011. – С. 192–199.
20. Alexeev A., Novitsky N. The information and computing complex "ANGARA-VS" for end-to-end modeling of water supply systems when developing development schemes, scheduling modes, and dispatching management // MATEC Web of Conf. Vol. 212. 2018 Int. Scientific Conf. "Investment, Construction, Real Estate: New Technologies and Special-Purpose Development Priorities", Irkutsk, April 26–27, 2018. – Irkutsk: EDP Sciences, 2018. – P. 06001. – DOI: 10.1051/matecconf/201821206001