CN101551677A - 水位自动控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水库水位自动控制方法：使用水位压力变送器测量库区当前水位，计算出水位测量值与给定值的偏差系数ΔH，同时计算出水位涨速S，带入PID算法中，得到闸门的变化开度ΔL，加上闸门原来开度L0，即得到闸门目标开度L；通过PLC实现PID参数的预置、计算以及数学模型的处理，同时通过PLC的输出来控制闸门的开度。本发明的积极效果是：测量方便，调节品质优秀，在闸门动作次数较少的情况下，就能让水位快速控制在设定范围内的水位自动控制方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种水电站水库水位或者沉沙池水位自动控制的方法。
背景技术
目前在水库水位的自动控制中，常规的控制方式是使用浮子开关或者简单的水位测量变送器判断水位的方式来控制闸门的开和关，水位的控制速度和精度远远不能满足控制要求，而且也不能实现有多个闸门联合调节的情况，更不能实现复杂的控制策略。在这种简单的控制方式下，当遇到水位快速上升或下降时，既不能快速稳定水位减少弃水量，也不能有效防止异常情况下漫坝事故的发生，且工人的劳动强度高。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供了一种测量方便，调节品质优秀，在闸门动作次数较少的情况下，就能让水位快速控制在设定范围内的水位自动控制方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种水位自动控制方法：
第一步，使用水位压力变送器测量库区当前水位，计算出水位测量值与给定值的偏差系数ΔH，同时计算出水位涨速S；
第二步，根据设定的时间间隔T，机组负荷P、水库或沉沙池转换系数M、运行方式N、开度基数K以及应急处理程序X，建立库水位与闸门开度数学模型：
ΔL＝(K+2*S*T)*ΔH*P*M*N*X
带入PID算法中，得到闸门的变化开度ΔL，加上闸门原来开度L0，即得到闸门目标开度L；
第三步：通过PLC实现PID参数的预置、计算以及数学模型的处理，同时通过PLC的输出来控制闸门的开度。
还可以过PLC对所述水位测量值进行数字滤波。
水位测量值还可以是根据在多个不同地点测量的多个水位值，按照多选一的原则执行最优水位算法选出的最佳水位测量值。
与现有技术相比，本发明的积极效果是：利用水位传感器、PLC可编程控制器、监控计算机等为硬件设备，通过引入各种前馈量，例如：水流量、水位涨速、闸门开度/流量曲线及不同的运行工况等，采用模糊PID控制算法，在闸门动作次数较少的情况下，让水位快速控制在设定的范围内。本发明具有测量方便，调节品质优秀，水位快速稳定等优点，既减少了弃水量又防止了漫坝的事故发生。同时为了更方便的进行参数设定，本发明可以实现设定值的参数化、工况的参数化、图表集成、水位高报警、紧急开门、对闸门进行远程操作等功能。本发明对于多个闸门的情况，还可以实现多对象联合调节控制，满足用户多种控制要求以及实现多种复杂控制策略。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明。
图1是本发明系统配置连接图；
图2是本发明闸门全自动调节原理框图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
如图2所示，本发明是通过以下步骤来实现的：
第一步：使用水位压力变送器测量库区当前水位，通过PLC数字滤波减少瞬时水位波峰和波谷的干扰，计算出水位测量值与给定值的偏差系数ΔH，同时计算出水位涨速S。
对水位的测量使用水位变送器，实时在线测量当前水库的水位值。为了提高可靠性，可以同时测量几个不同地点的水位值，根据多选一的原则执行最优水位算法，选出最佳水位测量值，丢弃错误水位值。
第二步：建立库水位与闸门开度数学模型
根据设定的时间间隔T，机组负荷P、水库或沉沙池转换系数M、运行方式N、开度基数K以及应急处理程序X，带入PID算法中，得到闸门的变化开度ΔL，加上闸门原来开度L0，即得到闸门目标开度L，具体的计算公式为：
ΔL＝(K+2*S*T)*ΔH*P*M*N*X
L＝L0+ΔL
其中：
ΔH：测量值与给定值的偏差系数，影响开度比较大，为水位测量值与给定值的差与最大允许偏差值的比值，当水位测量值高于给定值时，ΔH为正，当水位测量值低于给定值时，ΔH为负；
S：水位涨速，影响闸门开度比较大，水位变化越快，闸门开度变化越大，单位是厘米/分，S为正；
T：设定的时间间隔，根据现场调试结果确定，默认为1分；
P：电站机组负荷系数，对闸门开度影响比较小，默认为1，对于水电站用户可根据需要在上位机设定；
M：水库或沉沙池转换系数，默认为1，控制沉沙池水位时，取值为负，数值范围根据现场情况确定；
N：运行方式，用于区分枯水季节或丰水季节对闸门开度的影响，用户可在上位机选择当前处于枯水季节或丰水季节，取值范围根据现场情况确定，由用户根据需要在上位机设定；
K：开度基数，根据水库的实际库容量和开度/流量曲线计算得到，一般取值3-50厘米，现场根据调节结果确定，K为正；
X：出现大流量洪峰时的应急处理程序和策略，根据规程规定得到，默认为1，当出现水位快速上涨或者库水位超过警戒水位后，X无条件转入应急程序值，根据超过警戒水位的差值大小，X一般取值范围根据现场情况确定；
L0：闸门当前开度，单位厘米
ΔL：闸门变化开度，单位厘米
L：闸门目标开度，单位厘米
第三步：通过PLC实现PID参数的预置、计算以及数学模型的处理，同时通过PLC的输出来控制闸门的开度。
当水位上涨，超过设定值死区后，PID算法计算过程触发，计算出闸门的目标开度，通过PLC的输出，控制闸门上升到目标开度；当水位下降到设定值以下后，PID算法计算过程触发，计算出闸门的目标开度，通过PLC的输出，控制闸门下降到目标开度。如果出现水位快速上涨，PID算法计算过程触发，计算出闸门的目标开度，通过PLC的输出，控制闸门上升到目标开度；当水位下降到设定值以下后，PID算法计算过程触发，计算出闸门的目标开度，通过PLC的输出，控制闸门下降到目标开度。这样，通过PLC输出控制闸门较大幅度的快速调整，迅速满足水位控制要求。
一般来说，对于库容量比较大的水库水位比较好控制一些，但对于那些没有调节能力，水位变化幅度较大，例如：没有库容量或者库容量很小的水库，水位调节是一个比较难于解决的问题。难点在于既要保证水库水位稳定，要减少弃水量，增加效益，要防止漫坝的情况发生，还要尽量减少闸门动作次数，增加闸门电机无故障运行时间。根据水库水位控制特点，当水库水位上涨超过设定水位后，需要加大闸门开度；当水位下降超过设定水位后，需要减少闸门开度；通过数学模型根据PID算法计算出的闸门开度值，可以体现当前水位、流量、涨速、控制模式对应的闸门目标开度，实现在闸门动作次数比较少的情况下快速调整水位到设定值。
在沉沙池水位需要控制的情况下，闸门一般用作供水门，这种情况下是通过控制闸门的开度，控制沉沙池的水位，既要保证沉沙池的弃水量比较少，又要保证沉沙池水位不能过低。例如，对于引水式电站，如果隧洞口水位过低将吸进空气影响机组运行。根据这种沉沙池水位控制特点，当时沉沙池水位过高时，需要减少供水门的开度来降低沉沙池的水位；当沉沙池水位过低时，需要增加供水门开度来增加沉沙池水位。
通过引入当前沉沙池水位、水库水位、水位涨速、机组负荷系数、控制模式等参数后，计算出闸门目标开度值，再通过PLC输出来控制闸门实现对沉沙池水位的调节。
为了让用户更能够比较理想的实现一些控制策略、监视闸门开度情况以及出现紧急情况报警等，如图1所示，我们将PLC通过TCP/IP方式接入以太网网络，使用MODBUS TCP/IP协议与上位机通讯，在计算机中监视水库与闸门的实时数据。在上位机画面中，可以监视水库水位、沉沙池水位以及各个闸门的开度情况，这样的话就更能直观的监视水库的控制情况。在上位机画面中还能实现通过人工点击画面按钮的方式来升降闸门到人工设定开度。
由于每个水库的实际情况都不一样，其中包括来水量、库容量的不同等等，控制方式也是千差万别。因此在上位机界面中，通过设置各个参数值可以实现各种参数的细微调整。同时通过一段时间的运行后，可以为水位控制获得一组理想的最佳参数，达到快速稳定水位的目的。
PLC输出控制闸门的执行机构，一般是电动机带动闸门的升降。既可以使用普通的交流接触器控制闸门电机的运行，也可以使用软启动控制闸门电机的运行，根据具体的实际情况选择即可。
如图1所示，本发明还可选用带以太网口的PLC，通过以太网TCP/IP方式使用MODBUSTCP/IP协议与上位机组网通讯。在上位机画面中模拟了闸门的实际情况，根据这些画面可以监视水库水位、水库水位历史数据、闸门当前开度、闸门电机运行情况等，同时还可以在画面中选择手动/自动控制方式对闸门进行控制。例如选择手动模式时，即可人工输入某个闸门目标开度，再使用鼠标点击画面中的升或降按钮，当闸门运行到该开度后即停止，这样可以人工实现闸门比较方便和精确控制。如果选择自动模式时，那么闸门的开度调节就根据水库水位测量值采用PID算法自动调节闸门的开度。
在上位机界面中，可以非常方便的设置一些必要的参数，例如修改水位测量的海拔基数，水位报警参数，水位控制设定值，切换控制方式和修改控制策略等等，满足用户的多种控制要求。在上位机中还可以根据不同的用户设定不同的权限，限制用户的监视和操作，方便用户对运行人员和系统的管理。
使用光纤通讯，还可实现闸门的远程控制。如图1所示的远程工作站。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (3)
1.一种水位自动控制方法，其特征在于：
第一步，使用水位压力变送器测量库区当前水位，计算出水位测量值与给定值的偏差系数ΔH，同时计算出水位涨速S；
第二步，根据设定的时间间隔T，机组负荷P、水库或沉沙池转换系数M、运行方式N、开度基数K以及应急处理程序X，建立库水位与闸门开度数学模型：
ΔL＝(K+2*S*T)*ΔH*P*M*N*X
带入PID算法中，得到闸门的变化开度ΔL，加上闸门原来开度L0，即得到闸门目标开度L；
第三步，通过PLC实现PID参数的预置、计算以及数学模型的处理，同时通过PLC的输出来控制闸门的开度。
2.根据权利要求1所述的水位自动控制方法，其特征在于：通过PLC对所述水位测量值进行数字滤波。
3.根据权利要求1或2所述的水位自动控制方法，其特征在于：所述水位测量值是根据在多个不同地点测量的多个水位值，按照多选一的原则执行最优水位算法选出的最佳水位测量值。
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