CN107103139A - 一种梯级泵站输水系统运行调度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种梯级泵站输水系统运行调度控制方法，包括：建立水力学仿真模型；建立渠段的水位—流量—蓄量关系；实时对工况进行判断；对各泵站站前站后水位在极值范围的控制；超过最高运行水位控制；低于最低运行水位控制。所述方法在梯级泵站输水系统中，建立水力学仿真模型，计算渠段的水位—流量—蓄量关系，在实时工况下，根据控制方法制定控制方案：若各泵站站前站后水位在极值范围内，预测泵站站前或站后水位的时间变化规律，给出控制方案；若有泵站站前站后水位超出极值范围，则立即采取控制措施。本发明提出控制方案，为人工调度提供技术支撑，保证梯级泵站输水系统安全运行。

Description

一种梯级泵站输水系统运行调度控制方法

技术领域

本发明涉及一种梯级泵站输水系统运行调度控制方法，是一种长距离输水系统的调节控制方法。

背景技术

梯级泵站输水系统由泵站（拦污栅、水泵装置、电机、其他辅助装置等）、分水口和渠道等设备设施组成，通过泵站提水和渠道（管道）输水的方式，实现水资源的合理配置。

由于梯级泵站输水系统自身的复杂性及运行工况的动态性，其在运行调度及控制过程面临较大难度，目前梯级泵站输水系统自动化水平相对落后，多采用宏观、分散、粗放的人工调度方式，往往为保证安全而牺牲经济效益。对于梯级泵站输水系统运行调度控制问题，已有研究均是针对梯级泵站输水系统运行调度方案的控制目标，使用PI控制算法、ID控制算法、PID控制算法等制定控制方案，往往忽略实际运行调度过程中面临的梯级泵站输水流量不平衡、泵站站前（站后）水位超出极值范围等工况，已有方法无法直接应用于此类工况下的梯级泵站输水系统运行调度控制。

发明内容

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种梯级泵站输水系统运行调度控制方法。所述方法通过建立水力学仿真模型，计算渠段的水位（泵站站前或站后水位）—流量—蓄量关系，在实时工况下，根据控制方法制定控制方案：若各泵站站前站后水位在极值范围内，预测泵站站前（站后）水位的时间变化规律，给出控制方案；若有泵站站前站后水位超出极值范围，则立即采取控制措施。本方法可提出控制方案，为人工调度提供技术支撑，保证梯级泵站输水系统安全运行。

本发明的目的是这样实现的：一种梯级泵站输水系统运行调度控制方法，所述方法调度控制的梯级泵站输水系统为：m个泵站和由m个泵站划分为m-1个渠段；初始状态已知各泵站站前水位、站后水位和流量，连接调蓄池的第一级泵站站前水位和连接调河流、水库的最后一级泵站的站后水位短时间内不变，其中的泵站i-1，流量为Q _i-1、泵站i，流量为Q _i ，初始站前水位为h _i0、泵站i+1，流量为Q _i+1，i=1，2，……，m-1，所述方法的步骤如下：

建立水力学仿真模型的步骤：为计算恒定状态下各渠段的水力损失，同时考虑恒定流与非恒定流计算的相容性，对复杂内部构筑物进行概化，并和恒定流St.Venant方程组结合建立构筑物相容方程组，采用Preissmann格式离散方程组，并用双扫描法求解模型；

建立渠段的水位—流量—蓄量关系的步骤：离散各泵站站前水位区间和流量区间，组合系统运行的全部工况点，利用水力学模型计算各渠段在各水位和流量组合下的蓄量，线性插值得到各渠段的水位—流量—蓄量关系；

实时对工况进行判断的步骤：对梯级泵站输水系统的各个泵站的站前水位进行观测，得到初始站前水位h _i0，并判断各泵站的站前水位是否在极值范围内，即：低于最高控制水位h _{i max} ，并高于最低控制水位h _{i min} ；如果在极值范围内，即：h _{i max} ＞h _i0＞h _{i min} 的范围内则进入“对各泵站站前站后水位在极值范围的控制的步骤”，如果h _i0＞h _{i max} 则进入“对各泵站站前水位超过最高运行水位控制的步骤”，如果h _i0＜h _{i min} 则进入“对各泵站站前水位低于最低运行水位控制的步骤”；

对各泵站站前站后水位在极值范围的控制的步骤：本步骤包含梯级泵站输水系统多个渠段的控制，其中单个渠段的上下级泵站的控制包括如下子步骤：

水位预测的子步骤：

两级泵站间渠道初始蓄量V ₀，可利用水位—流量—蓄量关系线性插值得到：

；

运行一段时间T后渠道蓄量为V ₁：

，

则反算出运行一段时间T后泵站i站前水位h _i1：

，

计算泵站站前水位超出极值约束时间的子步骤：

若，那么：

，

，

式中：△V为单渠池蓄量变化；△T’为泵站i的站前水位达到最高控制水位h _imax 的时间；

若，那么：

，

，

式中：△T为泵站i的站前水位达到最低控制水位h _imin 的时间；

计算出m-1级泵站的ΔT之后，找出最小值min(△T)及其对应泵站；

调控提前时间确定的子步骤：调控提前时间的计算如下：

，

式中：△t为提前调控时间；L _i 为渠段长度；K为权重系数，取k∈（0，0.5）；v为初始时刻水流在渠道中的平均流速，c为移动波相对于水流的传播速度：

式中：A 为断面面积；B 为水面宽度；其中“ +”号表示波由上游向下游顺着流程传播，“—”号表示波由下游向上游逆着流程传播；

因此，开始调控时间T _k 为：

；

调控的子步骤：

当时：

若，则调控泵站i-1的流量，使得；

若，则调控泵站i的流量，使得；

当时：

若，则调控泵站i的流量，使得；

若，则调控泵站i-1的流量，使得；

超过最高运行水位控制的步骤：

这时，泵站i站前水位为h _i0＞h _{i max} ，必须立即进行调控；

将泵站i的流量增大至Q1，同时将泵站i-1的流量减小至Q2，直至泵站i的站前水位回落至预设水位h _i1时，将梯级泵站输水流量调至Q，继续稳定运行；

由初始状态水位和流量以及末状态水位和流量即可确定出蓄量变化值△V，从而可计算出调控过程的时间T：

，

，

其中：t ₁为调控开始时刻；t ₂为调控结束时刻；

低于最低运行水位控制的步骤：

这时，泵站i站前水位为h _i0＜h _{i min} ，必须立即进行调控；

将泵站i-1的流量增大至Q1，同时将泵站i的流量减小至Q2（图5），直至泵站i站前水位提升至预设水位h _i1时，将梯级泵站输水流量调至Q，继续稳定运行；

由初始状态水位和流量以及末状态水位和流量确定出蓄量变化值△V，从而计算出调控过程的时间T：

，

。

进一步的，所述的“建立渠段的水位—流量—蓄量关系的步骤”中的插值法为蓄量插值：

当前某渠段的流量为Q，下级泵站站前水位为H，则：

若Q _i ≤ Q<Q _i+1，H _j ≤ H<H _j+1，则此流量Q和水位H对应的渠段蓄量为：

，

式中：为和对应的蓄量；为和对应的蓄量；为和对应的蓄量；为和对应的蓄量，1≤ j ≤n，n为水位值的数量。

进一步的，所述的“建立渠段的水位—流量—蓄量关系的步骤”中的插值法为站前水位插值：

设当前某渠段的蓄量为V，流量为Q，则插值计算水位的方法如下：

若Q _i≤ Q<Q _i+1，V _i,j ≤ V<V _i+1 , _j+1，则此流量Q和蓄量V对应的站前水位为：

。

本发明产生的有益效果是：所述方法在梯级泵站输水系统中，建立水力学仿真模型，计算渠段的水位—流量—蓄量关系，在实时工况下，根据控制方法制定控制方案：若各泵站站前站后水位在极值范围内，预测泵站站前或站后水位的时间变化规律，给出控制方案；若有泵站站前站后水位超出极值范围，则立即采取控制措施。本发明提出控制方案，为人工调度提供技术支撑，保证梯级泵站输水系统安全运行。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明实施例一所述方法所调控的梯级泵站输水系统；

图2是本发明实施例一所述方法的流程图；

图3是本发明实施例一所述方法的单渠池运行示意图；

图4是本发明实施例一所述方法的超过最高运行水位控制示意图；

图5是本发明实施例一所述方法的低于最低运行水位控制示意图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种梯级泵站输水系统运行调度方法，所述方法调控的梯级泵站输水系统如图1所示。初始状态已知各泵站站前水位、站后水位和流量，假设第一级泵站（连接调蓄池）站前水位和最后一级泵站（连接调河流、水库等）的站后水位短时间内不变。则梯级泵站输水系统由m个泵站划分为m-1个渠段，其中的泵站i-1，流量为Q _i-1、泵站i，流量为Q _i ，初始站前水位为h _i0、泵站i+1，流量为Q _i+1，i=1，2，……，m-1。

针对上述调水工程，本实施例在调控过程中，首先建立水力学仿真模型，然后计算并建立渠段的水位（泵站站前或站后水位）— 流量—蓄量关系，在实时工况下，根据各泵站站前站后水位是否在极值范围，分别制定相应的调控措施。所述方法的流程如图2所示，具体步骤如下：

（一）建立水力学仿真模型的步骤：为计算恒定状态下各渠段的水力损失，同时考虑恒定流与非恒定流计算的相容性，略去St.Venant方程组中各因变量对时间的偏导项，即得恒定流St.Venant方程组：

，

式中：x为空间坐标；α为动量修正系数；Q为断面流量；A为断面过水面积；Z为水位；S _f 和S ₀分别为水力坡度渠道底坡。

对复杂内部构筑物（如桥梁、渐变段，等）进行概化，和恒定流St.Venant方程组结合建立构筑物相容方程组，采用Preissmann格式离散方程组，并用双扫描法求解模型。

（二）建立渠段的水位—流量—蓄量关系的步骤：离散各泵站站前水位区间（n+1个水位值）和流量区间（m+1个流量值），组合系统运行的全部工况点，利用水力学模型计算各渠段在各水位和流量组合下的蓄量，得到各渠段的水位—流量—蓄量关系；

其中：Q为当前某渠段的流量，H为下级泵站站前或者上级泵站站后水位。应当说明的是：后文均以泵站站前水位为例，泵站站后水位的控制方法同理。

渠段蓄量均由各渠段的水位（泵站站前或站后水位）—流量—蓄量关系线性插值得到。差值的方法有多种，如：蓄量插值、站前水位插值等。

（三）实时对工况进行判断的步骤：对梯级泵站输水系统的各个泵站的站前水位进行观测，得到初始站前水位h _i0，并判断各泵站的站前水位是否在极值范围内，即：低于最高控制水位h _{i max} ，并高于最低控制水位h _{i min} ；如果在极值范围内，即：h _{i max} ＞h _i0＞h _{i min} 的范围内则进入“对各泵站站前站后水位在极值范围的控制的步骤”，如果h _i0＞h _{i max} 则进入“对各泵站站前水位超过最高运行水位控制的步骤”，如果h _i0＜h _{i min} 则进入“对各泵站站前水位低于最低运行水位控制的步骤”。

本步骤是在梯级泵站输水系统运行过程中定时或不定时的对各个泵站的站前水位进行观测，并不断的判断是否需要调控。在渠道系统运行过程中必须是水流的水位保持在极值范围内，既不能太高也不能太低，太高或太低都可能出现故障，影响渠道系统的正常运行。对比超过极值范围过高的水位和过低的水位必须立即进行调控，以保持输水系统的正常运行，而不发生事故。

（四）对各泵站站前站后水位在极值范围的控制的步骤：本步骤包含梯级泵站输水系统多个渠段的控制，由于整个输水系统的有多个渠段构成，研究一个渠段调控，即可以获得对整个系统调控概念，进而对整个系统形成调控。单个渠段（如图3）的上下级泵站的控制过程包括如下子步骤：

（1）水位预测的子步骤：

假设初始状态泵站i-1和泵站i的抽水流量分别为和，泵站i的站前水位为h _i0。

两级泵站间渠道初始蓄量，可利用水位-流量-蓄量关系线性插值得到：

，

其中：V为渠段蓄量和流量、水位对应的函数关系；

运行一段时间T后渠道蓄量为：

，

则可反算出运行一段时间T后泵站i站前水位：

。

（2）计算泵站站前水位超出极值约束时间的子步骤：

若，那么

式中：△V为单渠池蓄量变化；△T为泵站i的站前水位达到最高控制水位的时间。

若，那么

。

表示泵站i的站前水位在△T 时间后会达到最低控制水位。

计算出m-1级泵站的△T之后，找出最小值min(△T)及其对应泵站。

（3）调控提前时间确定的子步骤：

泵站流量改变会导致渠段的水位波动，为使泵站在min(△T)时稳定到控制水位范围内，需提前进行调控。理想的提前调控时间应大于移动波（以上级泵站调控为例）向下游传播的时间，计算方法如下：

式中：△t为提前调控时间；L _i 为渠段长度；K为权重系数，一般取k∈（0，0.5），具体值可通过仿真计算确定；v和c分别为初始时刻渠道的平均流速和波速；

式中：A为断面面积；B为水面宽度；其中“+”号表示波由上游向下游顺着流程传播，“—”号表示波由下游向上游逆着流程传播。

因此，开始调控时间T _k 为：

（4）调控的子步骤：

以泵站i-1（流量Q _i-1）、泵站i（流量Q _i ）和泵站i+1（流量Q _i+1）的抽水流量的相互关系来决定调控方法，逐步使得梯级泵站流量达到平衡。

1）当时：

若，则调控泵站i-1的流量，使得。

若，则调控泵站i的流量，使得。

2）当时：

若，则调控泵站i的流量，使得。

若，则调控泵站i-1的流量，使得。

对各泵站站前水位超出极值范围的控制：水位超出极值范围包括超过最高控制水位和低于最低水位两种情况，控制方法分别如下：

（五）超过最高运行水位控制的步骤：

当有泵站站前水位超过其最高控制水位时，应立即采取控制措施，将水位降低至设计水位范围。

以单渠池（如图3）为例，假设初始状态泵站i-1（见图3中的件号2）和泵站i （见图3中的件号1）流量分别为Q _i-1和Q _i；泵站i站前水位为h _i0（大于h _{i max} ）。

将泵站i的流量增大至Q1，同时将泵站i-1的流量减小至Q2（Q1、Q2见图4中的标注）。至泵站i站前水位回落至预设水位h _i1（在控制范围内）时，将梯级泵站输水流量调至Q（Q见图4中的标注），工程继续稳定运行，泵站i-1和泵站i 流量控制过程如图4所示。

由初始状态水位和流量以及末状态水位和流量即可确定出蓄量变化值△V，从而可计算出调控过程的时间T。

，

，

其中：t ₁为调控开始时刻；t ₂为调控结束时刻。

为简化闸门操作，泵站i-1上游泵站和泵站i下游泵站在调控时间T内，在原来抽水流量不变的基础上，若泵站站前水位在运行控制范围内，则其余泵站流量不进行调控；否则进行调控，调控方法同水位在极值范围内的控制步骤。

（六）低于最低运行水位控制的步骤：

当有泵站站前水位低于其最低控制水位时，应立即采取控制措施，将水位提升至设计水位范围。

仍以单渠池（如图3）为例，假设初始状态泵站i-1和泵站i流量分别为Q _i-1和Q _i；泵站i站前水位为h _i0（小于h _{i min} ）。

将泵站i-1的流量增大至Q1，同时将泵站i的流量减小至Q2（Q1、Q2见图5中的标注）。至泵站i站前水位提升至预设水位h _i1（在控制范围内）时，将梯级泵站输水流量调至Q（Q见图5中的标注），工程继续稳定运行，泵站i-1和泵站i 流量控制过程如图5所示。

由初始状态水位和流量以及末状态水位和流量即可确定出蓄量变化值△V，从而可计算出调控过程的时间T。

，

。

为简化闸门操作，泵站i-1上游泵站和泵站i下游泵站在调控时间T内，在原来抽水流量不变的基础上，若泵站站前水位在运行控制范围内，则其余泵站流量不进行调控；否则进行调控，调控方法同水位在极值范围内的控制步骤。

实施例二：

本实施例是实施例一的改进，是上述实施例一关于插值法的细化。本实施例所述的“建立渠段的水位—流量—蓄量关系的步骤”中的插值法为蓄量插值：

当前某渠段的流量为Q，下级泵站站前水位为H，则：

若Q _i ≤ Q<Q _i+1，H _j ≤ H<H _j+1，则此流量Q和水位H对应的渠段蓄量为：

式中：为和对应的蓄量；为和对应的蓄量；为和对应的蓄量；为和对应的蓄量。

蓄量插值为一元线性插值法，应用条件是要求水位—流量—蓄量关系中水位和流量的离散步长较小（即：数据点多），优点是简单易懂、求解方便。

实施例三：

本实施例是实施例一的改进，是上述实施例一关于插值法的细化。本实施例所述的“建立渠段的水位—流量—蓄量关系的步骤”中的插值法为站前水位插值：

设当前某渠段的蓄量为V，流量为Q，则插值计算水位的方法如下：

若Q _i≤ Q<Q _i+1，V _i,j ≤ V<V _i+1 , _j+1，则此流量Q和蓄量V对应的站前水位为：

。

水位插值为一元线性插值法，应用条件是要求水位—流量—蓄量关系中水位和流量的离散步长较小（即：数据点多），优点是简单易懂、求解方便。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案（比如步骤的先后顺序、约束条件的设定、参数取值范围等）进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种梯级泵站输水系统运行调度控制方法，所述方法调度控制的梯级泵站输水系统为：m个泵站和由m个泵站划分为m-1个渠段；初始状态已知各泵站站前水位、站后水位和流量，连接调蓄池的第一级泵站站前水位和连接调河流、水库的最后一级泵站的站后水位短时间内不变，其中的泵站i-1，流量为Q _i-1、泵站i，流量为Q _i ，初始站前水位为h _i0、泵站i+1，流量为Q _i+1，i=1，2，……，m-1，其特征在于，所述方法的步骤如下：

建立水力学仿真模型的步骤：为计算恒定状态下各渠段的水力损失，同时考虑恒定流与非恒定流计算的相容性，对复杂内部构筑物进行概化，并和恒定流St.Venant方程组结合建立构筑物相容方程组，采用Preissmann格式离散方程组，并用双扫描法求解模型；

建立渠段的水位—流量—蓄量关系的步骤：离散各泵站站前水位区间和流量区间，组合系统运行的全部工况点，利用水力学模型计算各渠段在各水位和流量组合下的蓄量，线性插值得到各渠段的水位—流量—蓄量关系；

实时对工况进行判断的步骤：对梯级泵站输水系统的各个泵站的站前水位进行观测，得到初始站前水位h _i0，并判断各泵站的站前水位是否在极值范围内，即：低于最高控制水位h _{i max} ，并高于最低控制水位h _{i min} ；如果在极值范围内，即：h _{i max} ＞h _i0＞h _{i min} 的范围内则进入“对各泵站站前站后水位在极值范围的控制的步骤”，如果h _i0＞h _{i max} 则进入“对各泵站站前水位超过最高运行水位控制的步骤”，如果h _i0＜h _{i min} 则进入“对各泵站站前水位低于最低运行水位控制的步骤”；

对各泵站站前站后水位在极值范围的控制的步骤：本步骤包含梯级泵站输水系统多个渠段的控制，其中单个渠段的上下级泵站的控制包括如下子步骤：

水位预测的子步骤：

两级泵站间渠道初始蓄量V ₀，可利用水位—流量—蓄量关系线性插值得到：

，

运行一段时间T后渠道蓄量为V ₁：

，

则反算出运行一段时间T后泵站i站前水位h _i1：

，

计算泵站站前水位超出极值约束的时间的子步骤：

若，那么：

，

，

式中：△V为单渠池蓄量变化；△T’为泵站i的站前水位达到最高控制水位h _imax 的时间；

若，那么：

，

，

式中：△T为泵站i的站前水位达到最低控制水位h _imin 的时间；

计算出m-1级泵站的ΔT之后，找出最小值min(△T)及其对应泵站；

调控提前时间确定的子步骤：调控提前时间的计算如下：

，

式中：△t为提前调控时间；L _i 为渠段长度；K为权重系数，取k∈（0，0.5）；v为初始时刻水流在渠道中的平均流速，c为移动波相对于水流的传播速度，

式中：A 为断面面积；B 为水面宽度；其中“ +”号表示波由上游向下游顺着流程传播，“—”号表示波由下游向上游逆着流程传播；

因此，开始调控时间T _k 为：

；

调控的子步骤：

当时：

若，则调控泵站i-1的流量，使得；

若，则调控泵站i的流量，使得；

当时：

若，则调控泵站i的流量，使得；

若，则调控泵站i-1的流量，使得；

超过最高运行水位控制的步骤：

这时，泵站i站前水位为h _i0＞h _{i max} ，必须立即进行调控；

将泵站i的流量增大至Q1，同时将泵站i-1的流量减小至Q2，直至泵站i的站前水位回落至预设水位h _i1时，将梯级泵站输水流量调至Q，继续稳定运行；

由初始状态水位和流量以及末状态水位和流量即可确定出蓄量变化值△V，从而可计算出调控过程的时间T：

，

，

其中：t ₁为调控开始时刻；t ₂为调控结束时刻；

低于最低运行水位控制的步骤：

这时，泵站i站前水位为h _i0＜h _{i min} ，必须立即进行调控；

将泵站i-1的流量增大至Q1，同时将泵站i的流量减小至Q2，直至泵站i站前水位提升至预设水位h _i1时，将梯级泵站输水流量调至Q，继续稳定运行；

由初始状态水位和流量以及末状态水位和流量确定出蓄量变化值△V，从而计算出调控过程的时间T：

，

。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的“建立渠段的水位—流量—蓄量关系的步骤”中的插值法为蓄量插值：

当前某渠段的流量为Q，下级泵站站前水位为H，则：

若Q _i ≤ Q<Q _i+1，H _j ≤ H<H _j+1，则此流量Q和水位H对应的渠段蓄量为：

式中：为和对应的蓄量；为和对应的蓄量；为和对应的蓄量；为和对应的蓄量，1≤ j ≤n，n为水位值的数量。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的“建立渠段的水位—流量—蓄量关系的步骤”中的插值法为站前水位插值：

设当前某渠段的蓄量为V，流量为Q，则插值计算水位的方法如下：

若Q _i≤ Q<Q _i+1，V _i,j ≤ V<V _i+1 , _j+1，则此流量Q和蓄量V对应的站前水位为：

。