CN108181940A - 适用于串联渠道下游应急断水情况下的闸门调控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于串联渠道下游应急断水情况下的闸门调控方法,涉及控制调节领域。所述方法包括:构建待监测渠道工程的水动力仿真模型;采用三点水位控制方法实时调节发生应急事件的最下游节制闸和该最下游节制闸的所有上级节制闸的关闸速率,直至任意一个节制闸所属渠池的进口流量和其出口流量平衡为止,停止该渠池的节制闸的关闸操作;根据节制闸的实时流量计算该节制闸所属渠池的实时蓄水量,利用当前时刻的实时蓄水量调节下一刻节制闸的流量,直至该渠池的实时蓄水量=该渠池的目标蓄水量为止,完成发生应急事件渠道的闸门调控。本发明实现降低闸前的最大雍水高度,降低漫溢风险,同时能够调整应急结束后的水位,防止稳定后的水位过高。
Description
技术领域
本发明涉及控制调节领域,尤其涉及一种适用于串联渠道下游应急断水情况下的闸门调控方法。
背景技术
调水工程的目的在于给沿线供水,因此其正常运行的目标在于准时的将需水量供给沿线用水户。工程实践表明,干渠水位的较小变化都会引起分水流量的较大变动,直接影响到水量分配的公平和效率。此外,干渠水位快速下降或上升还会破坏渠道衬砌,进而危及到渠道的安全运行。因此,实际渠道是通过控制有限个点的水位确保整个渠道系统的高效、安全运行,这些点通常被称为渠道运行控制点,维持渠道运行控制点处水位稳定是渠道安全运行的首要条件。对于明渠而言,渠道水位控制主要是由节制闸来完成的。而以供水保证为目的渠池通过调节上游闸门以尽可能满足下游流量不变,满足下游供水。
目前明渠输水工程正朝着无人值守、自动化运行的方向发展。目前渠池自动化控制系统包括使用经典的PI控制器、采用预测控制算法或采用最优控制算法进行闸门控制的渠池控制系统,前述渠池自动化控制系统在试验渠池上都能很好的控制水位。现有渠道自动控制系统以实现固定运行状态下的水位精准控制为目标的,尽管上述部分控制系统具有一定鲁棒性,但是如果渠池水面线及输水流量发生较大变化,现有渠道自动控制系统就有可能造成自动控制失效。渠池水面线及输水流量发生较大变化的情况为渠池发生应急事件,比如自然灾害、人为事故或者突然发生的社会事件,因为渠池发生应急事件会影响渠池的正常供水,所以渠池发生应急事件发生时需采取应急调控措施保障工程安全和供水。
一般情况下,某个渠池下游发生应急事件后,需立即中断对下游的供水。但是,该渠池上游段仍然需要进行供水,且由于供水的需要,不能让上游段的供水水位过高。对上游渠池而言,其进口和出口流量发生较大变化,而且其闸门控制过程中还可能会有水位漫溢的风险,现有渠池控制系统不适用于上述情况。因此,不能直接采用水位作为渠池控制系统的输入,而是采用渠池的蓄量进行渠池的水位控制。渠池蓄量控制方法是作为前馈算法引入到渠池控制系统中的,即根据渠池的蓄量差来制定渠池的上、下游节制闸的过闸流量过程。渠池蓄量控制方法最先是由Bautista于2003年提出来的,即在知道下游的分水流量变化的情况下,可根据流量变化前、后的流量以及控制水位目标,计算出渠池的上、下游流量变化过程。
基于渠池蓄量控制方法的渠池上、下游流量控制,本领域技术人员公知渠池蓄量补偿方法要求上游的节制闸提前于下游节制闸动作,故基于渠池蓄量控制方法的渠池上、下游流量控制方法只能用于预知的分水计划,在分水计划实施前进行闸门控制,无法适用于突发的下游断水事件。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于串联渠道下游应急断水情况下的闸门调控方法,从而解决现有渠池自动化控制方法不适用下游突发断水事件时闸门的控制。
为了实现上述目的,本发明所述适用于串联渠道下游应急断水情况下的闸门调控方法,所述方法包括:
S1,构建待监测渠道工程的水动力仿真模型;
S2,关闸过程
获取发生应急事件的渠池和该渠池的节制闸,将该渠池作为最下游渠池、该节制闸作为最下游节制闸,采用三点水位控制方法实时调节最下游节制闸和该最下游节制闸的所有上级节制闸的关闸速率,获得每个节制闸实时流量,直至任意一个节制闸所属渠池的进口流量和其出口流量平衡为止,停止该渠池的节制闸的关闸操作;
S3,蓄量实时调整过程
根据节制闸在关闸过程中以及停止关闸后的实时流量计算该节制闸所属渠池的实时蓄水量,利用当前时刻的实时蓄水量调节下一刻节制闸的流量,直至该渠池的实时蓄水量=该渠池的目标蓄水量为止,完成发生应急事件渠道的闸门调控;
其中,采用三点水位控制方法实时调节最下游节制闸和该最下游节制闸的所有上级节制闸的关闸速率,具体为:
a1,对最下游节制闸和该最下游节制闸的所有上级节制闸采取同步联动调节;
a2,在各个节制闸的关闸过程中,采用三点水位控制方法对各个节制闸的闸门关闸速率进行修正,修正过程为:
设任意一个节制闸的正常运行水位为该节制闸初始水位,在该节制闸正常运行过程中允许出现的最大水位为该节制闸警戒水位,在应急事故情况下,造成渠道漫溢的水位为该节制闸预警水位;三点水位控制方法中的节制闸的下限水位为初始水位、中间水位为警戒水位、上限水位为预警水位-0.1m;
当任意一个节制闸处于关闸过程中的实时实际水位在下限水位和中间水位之间时,不对闸门关闸速率修正;
当任意一个节制闸处于关闸过程中的实时实际水位在中间水位和上限水位之间时,闸门关闸速率逐步减半;
当任意一个节制闸处于关闸过程中的实时实际水位在上限水位以上时,闸门关闸速率为零,停止关闭操作;
a3,在修正后的闸门关闸速率的基础上,根据水动力仿真模型中节制闸处的水位流量关系获取每次闸门关闸速率修正后各个节制闸的实时流量,直至每个渠池的进口流量和其出口流量平衡为止,完成关闭闸门的操作。
优选地,a2中闸门关闭速率的修正计算公式:
设任意一个节制闸处于关闸过程中闸前的实时实际水位在中间水位时的闸门关闭速率为 u0,则实时实际水位在三点水位区间时,闸门关闭速率u的计算公式为:
k按照公式(2)计算:
zie表示上限水位,zi0表示中间水位。
优选地,S3中,调节节制闸的实时流量,直至每个渠池的实时蓄水量=该渠池的目标蓄水量为止,具体为:
S31,流量调节
b1,设任意一个节制闸关闸完成时的实时流量为该节制闸所属渠池i在当前时刻的实时进口流量
b2,在所述渠池i实时进口流量基础上,计算所述渠池i在当前时刻的蓄量与所述渠池 i目标蓄量Vtarget之间蓄量差,根据所述蓄量差计算流量差
b3,将流量差实时进口流量和所述渠池i的分水口流量之和作为所述渠池i的出口流量即公式(3);
S32,估计下一时刻实时蓄量
在当前时刻渠池i的蓄量和蓄量校正时间Δt的基础上,采用公式(4)估计下一时刻实时蓄量
判断与目标蓄量Vtarget是否相同,如果是,流量修正值为0,所述渠池i的进、出口流量平衡;如果否,则进入S33;
S33,将S32中计算得到的实时蓄量作为当前时刻的蓄量返回b2进行流量调节;
式中,为当前时刻t渠池i的实时进口流量,为当前时刻t渠池i的实时出口流量,为当前时刻t渠池i的分水口流量,Δt为蓄量校正时间,t=0,1,2……,n;t=0时,表示渠池i在初始状态下的蓄量。
本发明的有益效果是:
本发明所述方法尤其适用于应急闸门关闭情况下,造成渠池的运行流量变化大,同时对闸门调控后的水位有要求的工况。
针对串联多渠池渠道,本发明提出了基于蓄量调整的闸门控制方法,以进行应急情况下的节制闸调控,达到应急过程中水位雍高的控制和稳定后水位的控制。本发明所述方法能够尽可能的降低闸前的最大雍水高度,降低漫溢风险,同时能够调整应急结束后的水位,防止稳定后的水位过高。
附图说明
图1是单渠池内蓄量补偿算法原理示意图;
图2是远程节制闸控制方式示意图;
图3是适用于串联渠道下游应急断水情况下的闸门调控方法的流程示意图;
图4是实施例1中采用本申请所述方法下的水位控制过程示意图;
图5是实施例1中采用人工流量同步关闸过程下的水位控制过程示意图;
图6是实施例1中采用关闸过程+PI控制下的水位控制过程示意图;
图4、图5和图6中各条曲线的含义:线1表示刁河节制闸的水位控制过程曲线;线2表示端河节制闸的水位控制过程曲线;线3表示严陵河节制闸的水位控制过程曲线;线4表示淇河节制闸的水位控制过程曲线;线5表示十二里河节制闸的水位控制过程曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
关于本申请所述适用于串联渠道下游应急断水情况下的闸门调控方法的几点说明:
(一)关于待监测渠道工程的水动力仿真模型;
所述水动力仿真模型中渠道处的水位流量关系描述公式为圣维南方程,见式(a-1),闸门处水位流量关系描述为过闸流量计算公式,见式(a-2):
式(a-1)中,x和t为空间和时间坐标;A为过流面积;Q为流量;h为水深;S0为渠道底坡;g为重力加速度;Sf为摩擦坡度,定义为Sf=Q|Q|/K2,K为流量模数。
式(a-2)中,Qup和Qdown为闸前、后流量;h0、hs为闸前、后流量;f为过闸流计算公式;e为闸门开度。
此外,为满足式(a-1)和式(a-2)中方程组的定解条件,需要增加外部边界,见式(a-3)。
式中,Z1、Zn表示渠段的计算边界为水位边界;Z1(t)、Zn(t)表示水位随时间变化过程。
(二)关闸门过程中各个节制闸的流量变化过程
假设所有节制闸的应急调节开始时间为0、最下游节制闸的初始流量为Q、最下游节制闸的关闸时间为时间tclose、最下游节制闸的流量变化过程为QN,在关闸调节过程中最下游节制闸的流量变化过程QN为:
在关闸调节过程中,任意一个上级节制闸的进口流量和出口流量的关系式:
Qi-1=Qi+di i=1,2,....,N-1 (a-5)。
(三)关于三点水位控制方法
三点水位控制方法a1步骤是中:对最下游节制闸和该最下游节制闸的所有上级节制闸同步联动调节;更具体的为:最下游节制闸和该最下游节制闸的所有上级节制闸采用相同的时间进行关闭,则各个节制闸的初步关闸速率可用关闭前的开度除以关闭时间得到。
在各个节制闸的关闸过程中,若出现水位过高,则进行闸门关闸速率修正,即在应急流量同步关闸过程中加入三点水位控制对节制闸的关闸速率进行微调,通过降低关闸速率来降低雍水高度。通过三点水位控制+流量同步调控方式共同构成指导闸门的调控。
为了减小应急工况下的节制闸雍水高度,对关闸过程中的节制闸关闭速率进行修正。三点水位控制方式即在不同的闸前水位区间对粗调关闸速率进行修正。根据实际需要对节制闸的闸前水位及实时实际水位设定不同的运行区间,假设任意一个节制闸的正常运行水位为初始水位,在正常运行过程中允许出现的最大水位为警戒水位,而在事故情况下,可能会造成渠道漫溢的水位为预警水位。根据实际水位所在的区间对实时的关闸速率进行修正。这里选定的三点水位控制中的下限水位、中间水位、上限水位分别为初始水位、警戒水位、以及预警水位-0.1m。实际水位在下限水位到达中间水位之间不采取闸门动作修正,实际水位在中间水位和上限水位之间的情况下逐步减半闸门降速,而在上限水位时,闸门停止操作,这样,就可以实现变速度闸门关闸,减小闸前雍水。
现有常规的水位控制方式为远程节制闸调控,即通过调节渠池的上游节制闸的过闸流量来进行下游的水位调控。该种控制方式的弊端是控制效果的滞后性,如果下游发生水位变化,上游节制闸进行动作来进行水位调控,其对下游节制闸闸前的影响时间具有滞后性,而在应急工况下由于水位变化较为剧烈。因此,本申请将上述的控制方式转换为当地闸门控制,并采用三点水位控制方式进行闸门开度修正。
(四)关闸过程中各个节制闸所属渠池蓄水量的计算
1)渠池i在初始状态下的蓄量为
在初始状态下,渠池基本处于恒定流运行状态。因此,其蓄水量可以通过水面线进行计算。即通过步骤一建立的模型推导出水面线,即可完成水面线计算,从而推导出初始时刻的蓄量
2)渠池i在关闸过程中的蓄量计算
在应急关闸过程中,可以将流量信息反馈,采用实测流量值来进行蓄量计算。设t步的估计蓄量为根据蓄量平衡方程:
式中,为t时刻渠池i进口流量,为t时刻渠池i出口流量,为t时刻渠池i的分水口流量,ΔT为蓄量校正时间。即采用每一步的进、出口流量即可进行蓄量计算。由于初始的蓄量为已知的,这样,只要知道每一步的节制闸流量,就可以进行每一时刻t的渠池蓄水量计算。目前的大型输水明渠,大多在节制闸处安装有节制闸流量监测计,这样,即可根据实时的流量监测值进行实时的蓄量计算。
(五)关闸完成后的实时蓄量调控
假设在应急调节后的目标状态下的蓄量为同样可通过应急完成后的目标水面线进行计算得到由(四)中的内容可知,节制闸的每一时刻的均通过实时流量监测值进行计算。在不等于时,则可以通过让上、下游的节制闸流量的不相等来达到调控渠池蓄量的目的。这个流量差值即为修正流量
式(a-7)中,时间△T为蓄量校正时间。对于蓄量调整过程,时间为蓄量校正时间,由式(a-7)可知,蓄量校正时间会影响到流量变化值的大小。为了防止流量反馈变化值过大,△T的选择为各渠道内的水波传播速度。这样,使得修正流量约等于渠道出口的初始流量到目标流量的变化值。假设节制闸的上游流量为下游流量为则根据下游流量对上游流量进行修正,当计算得到的流量小于0时,令流量等于0。
由于关闸结束后,恒等于0,且调控过程中保持上游分水不变,则可以推导出每一步t 的节制闸应该调控流量,节制闸按照调控流量进行节制闸调控。
而根据公式(a-8),只要知道了实际的流量过程,就可以对下一时刻t+1的实时蓄量进行计算,再根据t+1时刻实际蓄量过程进行流量调整,多步进行如此调控计算-流量反馈蓄量计算-调控计算,则可实现较准确的蓄量调整过程。
实施例
本实施例以南水北调中线工程的部分渠池为例,按照本申请所述适用于串联渠道下游应急断水情况下的闸门调控方法进行闸门的应急调控,达到调控的目标。这里假设流量实际监测值即为模型模拟的流量值。
假设整个渠池系统在应急发生前按照设计水位运行,在10min时候渠池5下游段发生了应急事件,需要马上中断向下游的供水,但是渠池1~5内的分水口还需要满足正常分水,保证其用水户的用水需求。应急调控完成后假设闸前目标水位仍是初始的设计水位。
运行工况设置为:渠池5按照设计流量的50%向下游供水165m3/s,应急发生需要将流量调节为0m3/s,且渠池5下游段的应急响应需要节制闸5最慢30min关闭;渠池1-5内分水量分别为设计分水量50%的15m3/s、5m3/s、6m3/s、5m3/s、4m3/s,5个渠池的分水口在整个调控过程中分水始终保持不变;计算边界是采用的上游常水位,下游常水位。
利用本申请所述方法来进行其他节制闸的应急调控,来满足渠池1~5的应急调控的要求。此外,还设置了人工流量同步控制方法作为对比。设本申请方法为方法1,人工流量调整方法为方法2。人工流量调整方法+传统PI控制方法的结果为方法3。
步骤一:建立实施例的模拟模型,并且收集相关的水位指标。
研究渠段基本参数见表1所示:
表1 各渠池基本参数
表2 各节制闸的闸前设计水位、警戒水位与预警水位
一般渠池的的设计水位即为控制点水位为设计水位。在工程正常运行过程中,允许其雍高具有一定的幅度,这里定义最大可允许雍高水位为警戒水位,即正常运行时超过这个水位渠池属于较危险状态。而应急工况一旦水位继续上升,达到预警水位,则认为水位已经很危险,继续上升可能会造成漫溢,影响到工程安全,此时需要立刻停止闸门操作,同时开启退水闸。因此,在应急调控过程中需要尽可能的保证水位在预警水位以内,同时满足稳定后水位在警戒水位以内。
步骤二:应急事件发生时的采用流量同步调整+三点水位控制。
常规的人工控制算法为采用流量同步调控,即上下游节制闸采用联动但不对闸门开度进行修正,但是本发明在其过程中加入了三点水位控制。
其中,Zie为上限水位,这里的取值为预警水位-0.1m;Zi0为下限水位,取值为警戒水位; u0为初始关闸速率。通过水位所在的不同区间对节制闸的关闭速率进行修正。通过闸门开度的减缓来减小节制闸雍水高度。
同时,通过蓄量计算公式(4)实时的计算关闸过程中的每一步渠池的蓄量。
步骤三:在关闸过程完成,达到进出口的流量平衡后,进入蓄量实时调整阶段。
1)对于单一渠池i,采用步骤二中计算的最终蓄量值作为初始的蓄量。设t步的估计蓄量为Vt,此时t=0步的蓄量是已知的。假设在应急调节后的目标状态下的蓄量为Vtarget,同样可通过应急完成后的目标水面线进行计算得到Vtarget,则t步的修正流量见公式(5)。这里△T的时间选择为40min。
将修正流量加到进口流量上去,通过进出口流量的不匹配来进行蓄量调整。修正后的进口流量见公式(6)
得到进、出口流量后,再采用公式(4)进行蓄量计算,
多步进行如此调控计算-流量反馈-调控计算,则可实现较准确的蓄量调整过程。
本发明专利的计算结果见图2、人工控制的结果见图3、人工流量同步控制后+PI控制结果见图3。
从图4和图5中可以看出,在本专利中在关闸过程中采用三点水位控制可以降低闸前的最大雍水高度,让淇河节制闸和湍河节制闸的雍水高度处于预警水位以内。而且,在后期本专利的方法能控制水位达到目标水位,而使人工流量调控方法进行闸门调控其最终水位无法稳定在目标水位,且稳定水位不可控的,而且稳定后各节制闸内稳定水位与目标水位的差值差别较大,其中最大水位偏差为节制闸4的闸前稳定差值,达到了0.64m,远超过警戒水位,不利于应急调控后的稳定运行。
从图5和图6可以看出,采用传统的PI控制算法来消除水位稳态误差导致闸门的回调次数较多,刁河节制闸在0-10h时,回调次数高达10次,后期在节制闸操作趋于稳定后其回调次数也要10来次。而在本方法下,刁河节制闸前期回调次数为1,后期调整有2次回调,大大缩短了回调次数。平均而言,在关闸+PI控制下,5个节制闸的回调次数为15次,而本文方法的回调次数为3次,相比于PI控制的回调次数更短。而且由于本方法的调控次数较少,稳定时间更短,PI方法在40h后仍有部分微调,加大了闸门的操作时间。
通过采用本发明公开的上述技术方案,得到了如下有益的效果:本发明能够在串联渠道中指导节制闸进行应急关闸,降低在关闸过程中的闸前雍水高度。本发明提出的蓄量实时调整方法可采用实时蓄量进行应急调控过程中的水位修正,达到水位控制的目的。而目前尚未有合适的针对于应急流量大幅度变化下的闸门调控算法,所以本发明所述方法具有创造性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种适用于串联渠道下游应急断水情况下的闸门调控方法,其特征在于,所述方法包括:
S1,构建待监测渠道工程的水动力仿真模型;
S2,关闸过程
获取发生应急事件的渠池和该渠池的节制闸,将该渠池作为最下游渠池、该节制闸作为最下游节制闸,采用三点水位控制方法实时调节最下游节制闸和该最下游节制闸的所有上级节制闸的关闸速率,获得每个节制闸实时流量,直至任意一个节制闸所属渠池的进口流量和其出口流量平衡为止,停止该渠池的节制闸的关闸操作;
S3,蓄量实时调整过程
根据节制闸在关闸过程中以及停止关闸后的实时流量计算该节制闸所属渠池的实时蓄水量,利用当前时刻的实时蓄水量调节下一刻节制闸的流量,直至该渠池的实时蓄水量=该渠池的目标蓄水量为止,完成发生应急事件渠道的闸门调控;
其中,采用三点水位控制方法实时调节最下游节制闸和该最下游节制闸的所有上级节制闸的关闸速率,具体为:
a1,对最下游节制闸和该最下游节制闸的所有上级节制闸采取同步联动调节;
a2,在各个节制闸的关闸过程中,采用三点水位控制方法对各个节制闸的闸门关闸速率进行修正,修正过程为:
设任意一个节制闸的正常运行水位为该节制闸初始水位,在该节制闸正常运行过程中允许出现的最大水位为该节制闸警戒水位,在应急事故情况下,造成渠道漫溢的水位为该节制闸预警水位;三点水位控制方法中的节制闸的下限水位为初始水位、中间水位为警戒水位、上限水位为预警水位-0.1m;
当任意一个节制闸处于关闸过程中的实时实际水位在下限水位和中间水位之间时,不对闸门关闸速率修正;
当任意一个节制闸处于关闸过程中的实时实际水位在中间水位和上限水位之间时,闸门关闸速率逐步减半;
当任意一个节制闸处于关闸过程中的实时实际水位在上限水位以上时,闸门关闸速率为零,停止关闭操作;
a3,在修正后的闸门关闸速率的基础上,根据水动力仿真模型中节制闸处的水位流量关系获取每次闸门关闸速率修正后各个节制闸的实时流量,直至每个渠池的进口流量和其出口流量平衡为止,完成关闭闸门的操作。
2.根据权利要求1所述适用于串联渠道下游应急断水情况下的闸门调控方法,其特征在于,a2中闸门关闭速率的修正计算公式:
设任意一个节制闸处于关闸过程中闸前的实时实际水位在中间水位时的闸门关闭速率为u0,则实时实际水位在三点水位区间时,闸门关闭速率u的计算公式为:
k按照公式(2)计算:
zie表示上限水位,zi0表示中间水位。
3.根据权利要求1所述适用于串联渠道下游应急断水情况下的闸门调控方法,其特征在于,S3中,调节节制闸的实时流量,直至每个渠池的实时蓄水量=该渠池的目标蓄水量为止,具体为:
S31,流量调节
b1,设任意一个节制闸关闸完成时的实时流量为该节制闸所属渠池i在当前时刻的实时进口流量
b2,在所述渠池i实时进口流量基础上,计算所述渠池i在当前时刻的蓄量Vi t与所述渠池i目标蓄量Vtarget之间蓄量差,根据所述蓄量差计算流量差
b3,将流量差实时进口流量和所述渠池i的分水口流量之和作为所述渠池i的出口流量即公式(3);
S32,估计下一时刻实时蓄量Vi t+1
在当前时刻渠池i的蓄量Vi t+1、和蓄量校正时间Δt的基础上,采用公式(4)估计下一时刻实时蓄量Vi t+1;
判断Vi t+1与目标蓄量Vtarget是否相同,如果是,流量修正值为0,所述渠池i的进、出口流量平衡;如果否,则进入S33;
S33,将S32中计算得到的实时蓄量Vi t+1作为当前时刻的蓄量返回b2进行流量调节;
式中,为当前时刻t渠池i的实时进口流量,为当前时刻t渠池i的实时出口流量,为当前时刻t渠池i的分水口流量,Δt为蓄量校正时间,t=0,1,2……,n;t=0时,Vi 0表示渠池i在初始状态下的蓄量。
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