Розробка методу енергоефективного керування паралельними насосними агрегатами з використанням стратегії еволюції адаптації коваріаційної матриці

Автор(и)

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2026.351680

Ключові слова:

паралельні насосні агрегати, перетворювач частоти, енергоефективність, оптимізація, CMA-ES, обробка обмежень, MATLAB

Анотація

Об’єктом дослідження є насосна станція з чотирма паралельно з’єднаними відцентровими насосними агрегатами, що приводяться в дію асинхронними електродвигунами. Вирішувана проблема полягає у тому, що сучасні станції, частково оснащені ПЧ (перетворювач частоти), дозволяють лише підтримувати напір без дотримання допустимих режимів, не забезпечуючи надійність та енергоефективність. Це призводить до швидкого зносу обладнання та зниження коефіцієнту корисної дії (ККД). Рішення полягає в оптимізації енергоспоживання та утриманні робочих точок у зоні POR (preferred operating region) для запобігання прискореному зносу.

Суть отриманих результатів полягає у розробці та обґрунтуванні методу енергоефективного управління на базі стратегії CMA-ES, інтегрованої з моделлю в MATLAB (Каліфорнія, США). Експерименти показали, що збалансована стратегія знижує енергоспоживання на 7% при утриманні обладнання в зоні POR протягом 95,8% часу. Порівняльний аналіз показав, що конфігурація з двома ПЧ є раціональним компромісом, обмежуючи перевитрату енергії на рівні 25% відносно систем, повністю оснащених ПЧ.

Ці результати дозволили вирішити вказану проблему завдяки впровадженню блоку, що виконує аналітичну експрес-оцінку необхідного складу агрегатів на основі законів подібності, використанню адаптивних штрафних функцій та налаштуванню CMA-ES. Це дозволило виключити комбінаторний перебір та скоротити час пошуку оптимального рішення до 60–80 секунд, забезпечивши швидкодію, недоступну стандартним генетичним алгоритмам.

Умови, за яких вони можуть бути використані на практиці, передбачають застосування розробленого методу як системи супервізорного управління (SCADA) насосними станціями водопостачання для генерації уставок управління з періодичністю 1–2 хвилини без необхідності повної заміни обладнання.

Біографії авторів

Yuliya Bulatbayeva, Abylkas Saginov Karaganda Technical University

Associate Professor, Doctor of Philosophy in Technical Sciences (PhD)

Department of Automation of Manufacturing Processes

Rauan Kossymbayev, Abylkas Saginov Karaganda Technical University

PhD Student, Master of Technical Sciences

Department of Automation of Manufacturing Processes

Victoria Tsypkina, Tashkent State Technical University named after Islam Karimov

Professor, Doctor of Philosophy in Technical Sciences (PhD)

Department of Engineering of Electric Machines and Drives

Vera Ivanova, Tashkent State Technical University named after Islam Karimov

Associate Professor, Doctor of Philosophy in Technical Sciences (PhD)

Department of Engineering of Electric Machines and Drives

Felix Bulatbayev, Abylkas Saginov Karaganda Technical University

Associate Professor, Dean, Candidate of Technical Sciences

Department of Energy Systems

Посилання

  1. Electric Motor Systems Annex Overview 2019-2024. EMSA. Availbable at: https://www.iea-4e.org/wp-content/uploads/2022/06/EMSA_Policy_Brief_0_updated_2022.pdf
  2. van Werkhoven, M., Werle, R. (2016). Policy Guidelines for Motor Driven Units. 4E Executive Committee. Available at: https://www.iea-4e.org/wp-content/uploads/2020/12/PGmdu_oct2016.pdf
  3. Energy-Efficiency Policy Opportunities for Electric Motor-Driven Systems (2011). International Energy Agency (IEA). Available at: https://iea.blob.core.windows.net/assets/d69b2a76-feb9-4a74-a921-2490a8fefcdf/EE_for_ElectricSystems.pdf
  4. de Almeida, A. T., Ferreira, F. J. T. E., Fong, J. (2023). Perspectives on Electric Motor Market Transformation for a Net Zero Carbon Economy. Energies, 16 (3), 1248. https://doi.org/10.3390/en16031248
  5. Zdor, G. N., Sinitsyn, A. V., Avrutin, O. A. (2017). Pump group automatic control for reducing its energy consumption. Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 60 (1), 54–66. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2017-60-1-54-66
  6. SINAMICS G120X converter. Operating Instructions (2021). Siemens. Available at: https://cache.industry.siemens.com/dl/files/512/109801512/att_1078791/v1/G120X_op_instr_0621_en-US.pdf
  7. Altivar Process ATV600. Programming Manual (2025). Schneider Electric. Available at: https://download.schneider-electric.com/files?p_Doc_Ref=EAV64318&p_enDocType=User+guide&p_File_Name=ATV600_Programming_Manual_EN_EAV64318_13.pdf
  8. Barbul, M. L., Staroverov, S. V. (2018). Method for controlling multi-pump stations considering current water consumption. The Eurasian Scientific Journal, 5 (10).
  9. Elovik, V. L. (2019). Calculation and analyses methodology of the working conditions of pumping units, equipped with adjustable drive. Trudy BGTU, 2 (2), 204–213.
  10. Voitov, I., Yalovik, V. (2022). Modern methods for calculation and analysis of the operating modes of centrifugal pumps with variable drive as a part of water supply and water drainage systems. Herald of Polotsk State University. Series F. Civil Engineering. Applied Sciences, 31 (8), 2–9. https://doi.org/10.52928/2070-1683-2022-31-8-2-9
  11. Koor, M., Vassiljev, A., Koppel, T. (2014). Optimal Pump Count Prediction Algorithm for Identical Pumps Working in Parallel Mode. Procedia Engineering, 70, 951–958. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2014.02.106
  12. Wu, P., Lai, Z., Wu, D., Wang, L. (2015). Optimization Research of Parallel Pump System for Improving Energy Efficiency. Journal of Water Resources Planning and Management, 141 (8). https://doi.org/10.1061/(asce)wr.1943-5452.0000493
  13. Olszewski, P. (2016). Genetic optimization and experimental verification of complex parallel pumping station with centrifugal pumps. Applied Energy, 178, 527–539. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2016.06.084
  14. Olszewski, P., Arafeh, J. (2018). Parametric analysis of pumping station with parallel-configured centrifugal pumps towards self-learning applications. Applied Energy, 231, 1146–1158. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2018.09.173
  15. Oshurbekov, S., Kazakbaev, V., Prakht, V., Dmitrievskii, V. (2021). Increasing Service Life and System Efficiency of Parallel Pumps Using Combined Pump Regulation. Water, 13 (13), 1808. https://doi.org/10.3390/w13131808
  16. Gao, Q., Xue, J., Yan, H. (2022). Optimization Analysis of Full Life Cycle Energy Efficiency Multi-Objective Parallel Pump Sets. IEEE Access, 10, 105578–105588. https://doi.org/10.1109/access.2022.3209381
  17. Qin, X., Luo, Y., Chen, S., Chen, Y., Han, Y. (2022). Investigation of Energy-Saving Strategy for Parallel Variable Frequency Pump System Based on Improved Differential Evolution Algorithm. Energies, 15 (15), 5360. https://doi.org/10.3390/en15155360
  18. Sun, X., Feng, X. (2024). Application of intelligent algorithms in optimal operation of pumping stations. Journal of Physics: Conference Series, 2854 (1), 012044. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2854/1/012044
  19. Hansen, N. (2016). The CMA Evolution Strategy: A Tutorial. arXiv. https://doi.org/10.48550/arXiv.1604.00772
  20. Usachev, A. P. (2018). Metodika otsenki effektivnosti chastotnogo regulirovaniya proizvoditelnosti nasosnykh agregatov. Vodosnabzhenie i sanitarnaya tekhnika, 7, 57–63.
Розробка методу енергоефективного керування паралельними насосними агрегатами з використанням стратегії еволюції адаптації коваріаційної матриці

##submission.downloads##

Опубліковано

2026-04-29

Як цитувати

Bulatbayeva, Y., Kossymbayev, R., Tsypkina, V., Ivanova, V., & Bulatbayev, F. (2026). Розробка методу енергоефективного керування паралельними насосними агрегатами з використанням стратегії еволюції адаптації коваріаційної матриці. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2(8 (140), 29–40. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2026.351680

Номер

Том 2 № 8 (140) (2026): Енергозберігаючі технології та обладнання

Розділ

Енергозберігаючі технології та обладнання

Ліцензія

Авторське право (c) 2026 Yuliya Bulatbayeva, Rauan Kossymbayev, Victoria Tsypkina, Vera Ivanova, Felix Bulatbayev

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.