CN108385599A - 一种以耦合水位差作为被控量的输水明渠渠系运行方式 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种以耦合水位差作为被控量的输水明渠渠系运行方式。输水明渠渠系在运行中经常出现来水量与取水量不相等的情况，渠段内来水量取水量不相等会导致渠段内水量发生变化进而导致水位升高或降低；本发明通过在每个闸门动作时刻测量的到节制闸上下游控制点的水位误差，根据上下游水位误差的差值计算得到下个时刻的节制闸目标开度，使相邻渠段内的水位同升或同降。本发明使多个渠段在一个取水计划时间内保持相对稳定的水位，有效避免某一段渠池内水位变化过大导致渠段漫顶或露底。

Description

一种以耦合水位差作为被控量的输水明渠渠系运行方式

技术领域

本发明属于渠道调度领域，涉及一种输水明渠运行方式，具体涉及一种以耦合水位差作为控制量的输水明渠渠系运行方式。

背景技术

随着经济社会的发展，水资源供需矛盾日益突出，为了调节水资源在空间上的分布需要修建相应的输水系统。开敞式明渠作为主要的输水方式，具有经济、高效、管理方便等优点，其主要的功能为将水从水源地输送到沿途的分水口及下游用水户。由于明渠输水系统具有距离长的特点，加上水波在明渠中传播速度较慢的特性，对于一般的长距离输水工程而言，从水源处引水流量增加到最下游取水口处流量增加，其中经过的时间长达几天之久。因此，为达到理想的输水效果，在用水户需要新的取水流量时，要求用水户提前一段时间向管理单位提出用水需求，管理单位根据各级用水户的需求，提前一定时间调整引水流量和闸门、泵站等输水建筑物。

然而，由于引水口建筑物的限制，或者水源管理方的限制，引水流量有时无法严格等于用水户的取水流量；或者由于用水户的调整，取水流量有时与申报的取水计划有出入，因此，引水流量与取水流量之间常常存在差值。为了避免因引水流量和取水流量之间的差值导致渠道水面漫顶或露底，渠道需要采用一定的运行方式，现有的运行方式有下游常水位运行方式和上游常水位运行方式。下游常水位和上游常水位运行方式都以每段渠道最下游水深作为被控变量：设置每段渠道最下游水深的目标值，使实际运行过程中的水位保持在目标值。两者的不同之处在于：下游常水位运行方式下的渠道，通过调整渠段上游入流流量使渠段最下游水位稳定在目标值；上游常水位运行方式下的渠道，通过调整渠段下游出流流量使渠段最下游水位稳定在目标值。两种运行方式的不足之处在于：下游常水位运行方式下的渠道，将引水和取水流量之间的矛盾向上游渠段传递，最终累计在第一段渠段；上游常水位运行方式下的渠道，将引水和取水流量之间的矛盾向下游渠段传递，最终累计在最后一段渠段。因此，有一段渠段水位变化最剧烈，面临漫顶和露底的风险也最大。

发明内容

本发明要解决的技术问题是设计一种新的输水明渠渠系运行方式，能够：一、有效减轻引水流量和取水流量不对等给渠道正常运行带来的漫顶和露底的风险；二、减轻水位波动对渠道衬砌结构的影响以避免造成衬砌破坏。

本发明的主体为一种以耦合水位差作为控制量的输水明渠渠系运行方式，包含一套信息传输系统，一套输水建筑物中央控制系统，一套以耦合水位差为被控变量的控制算法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种以耦合水位差作为被控量的输水明渠渠系运行方式，其特征在于，所述渠系包括依次相连且高程不同的多个渠段，相邻渠段之间设置有节制闸的闸门，每个渠段内均设置有测量其水位深度的水位传感器；该控制模式包括以下步骤：

S1、通过水位传感器监测各个渠段的控制点水位，计算得到各个控制点实际水位与设定水位的误差，即为水位误差；

S2、计算渠系内各个节制闸上下游渠段内控制点的水位误差的差值；

S3、根据节制闸前后渠段内控制点的水位误差的差值计算下个时刻该节制闸的目标流量；

S4、到达下个闸门动作时刻，调整该节节制闸开度使节制闸过流量等于目标流量；

S5、重复S1-S4，完成每个节制阀在每个调整时刻的调整。

作为优选，该控制模式中的闸门动作时间步长为0.5-2h。

作为优选，该控制模式中计算节制闸目标流量的方法为：

Q_i,j+1＝Q_i,j+K_p*(δ_i,j-δ_i,j-1)+K_i*δ_i,j

上式中：δ_i,j＝e_i,j-e_i-1,j，δ_i,j-1＝e_i,j-1-e_i-1,j-1

j表示时刻顺序，i表示渠系内渠段编号，两个均为为正整数，Q_i,j+1为计算得到j+1时刻第i号节制闸的目标流量，Q_i,j为j时刻第i号节制闸的流量；e_i-1,j为j时刻第i号节制闸上游渠段内控制点实际水位与设定水位的差值，即上游水位误差，若实际水位高于设定水位则为正，否则为负，e_i,j为j时刻第i号节制闸下游渠段内控制点实际水位与设定水位的差值，即下游水位误差，若实际水位高于设定水位则为正，否则为负；δ_i,j为j时刻第i号节制闸下游和上游渠段控制点水位误差的差值；δ_i,j-1为j-1时刻第i号节制闸下游和上游渠段控制点水位误差的差值；通过Q_i,j+1计算获得j+1时刻第i号节制闸的开度，K_p和K_i是控制器常量，可以通过有限次实验调试获得。

本发明有益效果是：

本发明通过在每个闸门动作时刻测量的到节制闸上下游控制点的水位误差，根据上下游水位误差的差值计算得到下个时刻的节制闸目标开度，使相邻渠段内的水位同升或同降。本发明使多个渠段在一个取水计划时间内保持相对稳定的水位，有效避免某一段渠池内水位变化过大导致渠段漫顶或露底。

附图说明

图1为本发明输水明渠运行方式流程图。

图2为输送明渠结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。

如图2所示：所述渠系包括依次相连且高程不同的多个渠段，相邻渠段之间设置有节制闸的闸门，每个渠段内均设置有测量其水位深度的水位传感器；渠系上游有一座节制闸名为渠首闸，渠系下游有一座节制闸名为渠尾闸，渠系中布置有若干座节制闸；渠首闸与渠尾闸仅在一次取水计划开始时动作一次，取水过程中不动作，渠系中节制闸按照规定的时间间隔动作以调节渠道内的水位；每座节制闸上下游的渠段内各设有一处控制点，每次节制闸动作之后，水位传感器测量得到上游控制点水位与设定值的差值(即为水位误差e_i-1)和下游控制点水位与设定值的差值(即为水位误差e_i)；根据e_i与e_i-1的差值和一定的控制算法得到下个时刻节制闸的目标开度；计算得到所有节制闸的目标开度之后等待下个闸门操作时刻。

上述控制算法有一种常用算法，称为PI控制算法，下面以PI控制算法为例解释控制器的原理：假设当前时刻为渠系运行的第j个时段，当前时刻第i号节制闸的流量为Q_i,j，当前时刻节制闸上游渠段内控制点实际水位与设定水位的水位误差为e_i-1,j，若实际水位高于设定水位则e_i-1,j为正，否则为负，当前时刻节制闸下游渠段内控制点实际水位与设定水位的水位误差为e_i,j，若实际水位高于设定水位则e_i,j为正，否则为负，根据当前时刻上游渠段内水位误差为e_i-1,j和下游渠段内水位误差为e_i,j以及上个时刻上游渠段内水位误差为e_i-1,j-1和下游渠段内水位误差为e_i,j-1计算得到下个时刻G_b的流量为Q_i,j+1：

Q_i,j+1＝Q_i,j+K_p*(δ_i,j-δ_i,j-1)+K_i*δ_i,j

上式中：δ_i,j＝e_i,j-e_i-1,j；δ_i,j-1＝e_i,j-1-e_i-1,j-1

上式中，e_i-1,j为j时刻第i号节制闸上游渠段内控制点实际水位与设定水位的差值，即上游水位误差，若实际水位高于设定水位则为正，否则为负，e_i,j为j时刻第i号节制闸下游渠段内控制点实际水位与设定水位的差值，即下游水位误差，若实际水位高于设定水位则为正，否则为负；δ_i,j为j时刻第i号节制闸下游和上游渠段控制点水位误差的差值；δ_i,j-1为j-1时刻第i号节制闸下游和上游渠段控制点水位误差的差值；通过Q_i,j+1计算获得j+1时刻第i号节制闸的开度，e_i,j-1为j-1时刻第i号节制闸下游渠段内控制点实际水位与设定水位的水位误差，e_i-1,j-1为j-1时刻第i号节制闸上游渠段内控制点实际水位与设定水位的水位误差；K_p和K_i是控制器常量，可以通过不断调试获得。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了控制点、设定水位、控制器等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (3)

1.一种以耦合水位差作为被控量的输水明渠渠系运行方式，其特征在于，所述渠系包括依次相连且高程不同的多个渠段，相邻渠段之间设置有节制闸的闸门，每个渠段内均设置有测量其水位深度的水位传感器；该控制模式包括以下步骤：

S1、通过水位传感器监测各个渠段的控制点水位，计算得到各个控制点实际水位与设定水位的差值，即为水位误差；

S2、计算渠系内各个节制闸前后渠段内控制点的水位误差的差值；

S3、根据节制闸上下游渠段内控制点的水位误差的差值计算下个时刻该节制闸的目标流量；

S4、到达下个闸门动作时刻，调整该节节制闸开度使节制闸过流量等于目标流量；

S5、重复S1-S4，完成每个节制阀在每个调整时刻的调整。

2.根据权利要求1所述的一种以耦合水位差作为被控量的输水明渠渠系运行方式，其特征在于：该控制模式中的闸门动作时间步长为0.5-2h。

3.根据权利要求1所述的一种以耦合水位差作为被控量的输水明渠渠系运行方式，其特征在于：该控制模式中计算节制闸目标流量的方法为：

Q_i,j+1＝Q_i,j+K_p*(δ_i,j-δ_i,j-1)+K_i*δ_i,j

上式中：δ_i,j＝e_i,j-e_i-1,j；δ_i,j-1＝e_i,j-1-e_i-1,j-1

j表示时刻顺序，i表示渠系内渠段编号，两个均为为正整数，Q_i,j+1为计算得到j+1时刻第i号节制闸的目标流量，Q_i,j为j时刻第i号节制闸的流量；e_i-1,j为j时刻第i号节制闸上游渠段内控制点实际水位与设定水位的差值，即上游水位误差，若实际水位高于设定水位则为正，否则为负，e_i,j为j时刻第i号节制闸下游渠段内控制点实际水位与设定水位的差值，即下游水位误差，若实际水位高于设定水位则为正，否则为负；δ_i,j为j时刻第i号节制闸下游和上游渠段控制点水位误差的差值；δ_i,j-1为j-1时刻第i号节制闸下游和上游渠段控制点水位误差的差值；通过Q_i,j+1计算获得j+1时刻第i号节制闸的开度，K_p和K_i是控制器常量，可以通过有限次实验调试获得。