CN109189110B - 一种在串联渠池中进、出口流量不平衡情况下的渠池调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在串联渠池中进、出口流量不平衡情况下的渠池调控方法，通过每个渠池的目标水位区间，确定用于计算的每个渠池的目标水位，以及各个渠池的水位偏差权重；计算实时水位与目标水位的差值得到实时的水位偏差；利用各个渠池的水位偏差权重以及实时的水位偏差，制定调控判断参数；将调控判断参数作为PI控制算法的输入值，计算除了最上游和最下游节制闸以外的其他节制闸的流量变化值。本发明提供一种在串联渠池中进、出口流量不匹配，且最上游进口流量暂时无法进行调整的情况下，利用渠池的自身蓄量来满足供水需求，来进行渠池节制闸调控的方法，可降低渠池的最大水位变幅，满足工程安全和供水稳定。

Description

一种在串联渠池中进、出口流量不平衡情况下的渠池调控 方法

技术领域

本发明属于渠池自动化控制领域，特别是在串联渠池中进、出口流量不匹配，且最上游进口流量暂时无法进行调整的情况下，利用渠池的自身蓄量来满足供水需求，使得全线各个渠池的水位的变化趋势接近，从而充分利用渠池的蓄量来满足出口流量需求的方法。

背景技术

随着社会经济的发展,人们对水资源的需求量越来越大，修建大型长距离输水工程成为调节水资源时空分布不均，解决水资源供需矛盾的最有效、最直接的手段。目前修建的大型明渠输水工程多为以保证供水为目的的明渠输水工程。即输水的主要目的为满足下游各个分水口的用水户的用水需求。为了满足分水口流量的变化，需要从上至少提高上游每个节制闸的输水量，达到供需平衡的状态。而在供需平衡状态，渠池内的水位也是基本稳定的。因此，主要是通过水位的稳定与否来判断渠道输水情况是否为正常。目前，大多数输水渠道对水位的观测点位于每个节制闸的闸前。即可通过水位控制来进行流量调控，达到供需平衡状态。

目前，为控制渠池水位的稳定，主要是通过一种PI控制算法来根据节制闸闸前水位的水位差来计算上游的节制闸的流量调节量。假设下游节制闸的闸前目标水位为SP_j，实时的水位为y_j，则水位差为：

e_j＝y_j-SP_j (Ⅰ)；

根据PI控制算法，上游节制闸的流量变化值可通过以下公式计算：

而每一步比上一步的流量变化值可通过公式(Ⅱ)的增量形式得到，即为

从公式(Ⅲ)中可以看出，流量变化值是通过水位差的相比于上一步的增量和实时水位水位差计算的。这样，当下游节制闸闸前水位稳定在目标水位时，渠池的上游流量不再变化。即PI控制算法的主要目标是消除由于分水量变化带来的节制闸的闸前水位差，满足水位稳定，最终达到渠池平衡。

对于多渠池而言，其调控方法的逻辑结构如图1所示。从图1中可以看出，除了最下游节制闸以外，其他的节制闸包括渠首进口闸都要求参与调控。这样扰动是从下游往上游传播，保证最下游的节制闸4的分水不受影响。即最终的效果为达到供需平衡。

但是，并非所有的节制闸都是能实时参与调控的。在某些供水工程中，其最上游节制闸——节制闸0是由水库管理单位来进行管理的。若节制闸0的流量是每天只能调控一次，而不能实时参与调控，如果当下游分水口的分水量发生变化，则在短时间内没法达到进出口流量平衡。这个时候，如果采用常规的调控方法，那么最终，渠池1中的进、出口流量不平衡最为明显，导致渠池1中的水位变化极为明显，最终渠池1中发生渠池漫溢或者水位降低至供水中断。

发明内容

对于大型的输水渠道而言，其目标水位是一个区间，而不是一个固定的值，渠池水位允许在目标区间内发生变化。其相当于每个渠池都具有一定的调蓄能力。如果分水口分水变化，而最上游的进口流量不能变的时候，可以通过利用每个渠池的调蓄水量，在一定时间内满足分水口的水量。

本发明的目的提供一种在串联渠池中进、出口流量不匹配，且最上游进口流量暂时无法进行调整的情况下，利用渠池的自身蓄量来满足供水需求，来进行渠池节制闸调控的方法，可降低渠池的最大水位变幅，满足工程安全和供水稳定。本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种在串联渠池中进、出口流量不平衡情况下的渠池调控方法，包括以下步骤：

1)通过每个渠池的目标水位区间，确定用于计算的每个渠池的目标水位，以及各个渠池的水位偏差权重；

2)计算实时水位与目标水位的差值得到实时的水位偏差；

3)利用各个渠池的水位偏差权重以及实时的水位偏差，制定调控判断参数D_j，计算公式如式(1)

D_j＝m_je_j-m_j+1e_j+1 (1)

其中：m_j为第j个渠池的水位偏差权重，m_j+1为第j+1个渠池的水位偏差权重，e_j为第j个渠池的实时水位偏差，e_j+1为第j+1个渠池的实时水位偏差；

4)将调控判断参数D_j作为PI控制算法的输入值，计算除了最上游和最下游节制闸以外的其他节制闸的流量变化值，并进行调控。

进一步的，步骤1)中：选取目标水位区间的中间值来作为目标水位，目标水位的计算公式如式(2)：

式中：SP_j为第j个渠道的目标水位，SP_jmin为目标水位区间的下限值，SP_jmax为目标水位区间的上限值。

进一步的，步骤1)中水位偏差权重与目标水位区间的范围大小成倒数；水位偏差权重的计算公式为式(3)、(4)：

T_j＝SP_jmax-SP_jmin (4)

式中：m_j为第j个渠池的水位偏差权重；SP_jmin为目标水位区间的下限值，SP_jmax为目标水位区间的上限值。

进一步的，步骤2)中实时的水位偏差的计算公式为式(5)：

e_j＝y_j-SP_j (5)

式中：e_j为第j个渠道的实时的水位偏差；y_j为第j个渠道的实时水位，SP_j为第j个渠道的目标水位。

进一步的，步骤4中)将水位偏差判断参数D_j代入到PI控制器中，确定节制闸的流量变化值，流量变化值的计算公式为式(6)：

式中：k表示序列，k-1表示上一个调控时间序列，k表示当前调控时间序列；D(k)表示当前调控时间的调控判断参数，ΔD(k)＝D(k)-D(k-1)表示当前调控时间的调控判断参数与上一时刻的调控判断参数的差值；K_p、T_s为控制算法的控制参数；K_p为比例常数；T_s为积分常数；T_I为闸门调控的间隔时间。

本发明的有益效果：

本发明主要针对串联渠池中由于进口流量无法实时跟进出口流量进行变化的情况，提供了一种渠池调控的思路，可充分利用渠池的可利用库容来满足分水变化，并且降低由于分水变化导致的渠池最大水位变幅。

下面结合附图和实施例对发明作一详细描述。

附图说明

图1为保证下游水位稳定在目标水位的控制逻辑图；

图2为保证各渠池水位同步变化的节制闸控制逻辑图；

图3为采用本发明调控算法情况下的节制闸闸前水位变化过程；

图4为采用本发明调控算法情况下的节制闸开度变化过程；

图5为不采用调控算法情况下的节制闸闸前水位变化过程；

图6为不采用调控算法情况下的节制闸开度变化过程。

具体实施方式

一种在串联渠池中进、出口流量不平衡情况下的渠池调控方法，包括以下步骤：

1)通过每个渠池的目标水位区间，确定用于计算的每个渠池的目标水位，以及各个渠池的水位偏差权重；

实际的渠道调控目标，并非一个固定的水位，而是一个水位区间。因此，可根据渠池的目标区间设定一个调控目标值，其目标值为调控区间上、下限中间值。假设渠池最下游节制闸j的闸前水位的目标水位区间为[SP_jmin,SP_jmax],则目标水位为：

式中：SP_j为第j个渠道的目标水位，SP_jmin为目标水位区间的下限值，SP_jmax为目标水位区间的上限值；j为自然数。

若在渠首的进口流量无法匹配分水流量的时候，则渠池的水位势必会发生变化，此时，调控的目标可以转化为尽可能让渠池的水位变化趋势接近，即最终所有渠池同时达到最高或者最低目标水位上、下限，以延长所有渠池能正常供水的目标。因此，此时每个节制闸的调控目标应该是保证每个渠池的水位偏差尽可能接近。即可将上、下游渠池的水位偏差的差值作为调控判断参数：

但是考虑到各个渠池的可调区间范围并不一样大，因此，在各个节制闸的闸前水位偏差前还需要加上权重。假设各个渠池的可调区间范围分别为T_j和T_j+1，则

T_j＝SP_jmax-SP_jmin (4)

T_j+1＝SP_j+1max-SP_j+1min (7)

若渠池的可调区间越大，则允许的水位偏差相对也越大，则相对的，判断水位误差的权重也越小，则每个渠池的水位偏差权重与允许的可调区间成反比，即每个渠池水位偏差权重，可定为：

式中：m_j为第j个渠池的水位偏差权重；SP_jmin为目标水位区间的下限值，SP_jmax为目标水位区间的上限值；

2)计算实时水位与目标水位的差值得到实时的水位偏差

假设上游第j个渠池和第j+1个渠池的水位控制区间分别为[SP_jmin,SP_jmax]和[SP_j+1min,SP_j+1max]。则根据公式(2)计算的目标水位分别为SP_j和SP_j+1。实时水位分别为y_j和y_j+1，实时的水位偏差为

e_j＝y_j-SP_j (5)

e_j+1＝y_j+1—SP_j+1 (8)；

式中：e_j为第j个渠道的实时的水位偏差；y_j为第j个渠道的实时水位，SP_j为第j个渠道的目标水位；e_j+1为第j+1个渠道的实时的水位偏差；y_j+1为第j+1个渠道的实时水位，SP_j+1为第j+1个渠道的目标水位；

3)利用各个渠池的水位偏差权重以及实时的水位偏差，制定调控判断参数D_j，计算公式如式(1)

D_j＝m_je_j-m_j+1e_j+1 (1)

其中：m_j为第j个渠池的水位偏差权重，m_j+1为第j+1个渠池的水位偏差权重，e_j为第j个渠池的实时水位偏差，e_j+1为第j+1个渠池的实时水位偏差；

4)将调控判断参数D_j作为PI控制算法的输入值，计算除了最上游和最下游节制闸以外的其他节制闸的流量变化值，并以此为依据进行调控；

PI控制算法是目前常用于渠道控制的算法之一。其基本思路为根据观测输入，计算上游节制闸的需要调控流量。其算法结构为公式(Ⅱ)。这里，也是采用PI控制算法来进行流量计算，但不同于常规的以水位偏差e作为计算输入值，而是用上、下游渠池的水位偏差的差值D作为算法输入，算法输出为上游渠池的上游节制闸的流量变化值

式中：k表示序列，k-1表示上一个调控时间序列，k表示当前调控时间序列；D(k)表示当前调控时间的调控判断参数，ΔD(k)＝D(k)-D(k-1)表示当前调控时间的调控判断参数与上一时刻的调控判断参数的差值；K_p、T_s为控制算法的控制参数；K_p为比例常数；T_s为积分常数；T_I为闸门调控的间隔时间。

对于多渠池联调工况，由于本发明假设的是渠首节制闸展示无法参与调控，因此，在这种控制逻辑中，主要是中间的节制闸参与调控，渠首的节制闸不参与调控，主要依靠渠池的蓄量调整来满足分水流量变化造成的水位下降。最后一个节制闸的开度不参与调控，以满足最下游的供水。这样，控制逻辑图如图2所示。

通过以下实施例详细表述一下。

实施例1

以某一8渠池联调串联输水渠道为例，全线的输水流量大约在200m³/s。假设第5个渠池中的分水口分水流量突然从3m³/s增加到13m³/s。需要在不改变进口流量的情况下，进行中间节制闸的调控，以满足全线水体变化趋势接近，从而达到充分利用各个渠池的调蓄能力的目标。各个渠池的可调水位区间假设一致，都为1m。且初始的渠池水位就处于目标水位区间的中间。

1)计算目标水位

根据目标水位区间，确定节制闸的闸前目标水位。目标水位为上、下限水位中间值。

2)根据可调节范围，计算每个节制闸的闸前水位差的权重

由于每个节制闸的可调节区间相同，都是1m。因此，每个节制闸的闸前水位偏差的权重都是一样的，计算权重为1。

3)设定调控判断参数

由于每个水位偏差的权重都为1，因此，调控判断参数定为

D_j＝e_j-e_j+1

其中j＝1,2,3,4,5,6,7。这样，调控判断参数为各个节制闸的闸前水位偏差的差值。而调控的目标是使得水位偏差的差值最小，即满足所有节制闸闸前水位同步降低。

4)根据水位偏差的差值进行闸门调控

根据节制闸的闸前水位的偏差的差值来进行节制闸流量调控值计算。

其中，K_p、T_s为控制算法的控制参数，分别为比例常数和积分常数，其选值可通过大量试算得到。而T_I为闸门调控的间隔时间，这里选择30min为调控间隔时间。

采用此种调控方法来进行闸门调控，其调控结果可采用水力学模型进行模拟。其水力学模型采用圣维南方程来构建，模拟结果为图3、4。而在分水发生改变后不采用本发明的调控算法用于指导节制闸的调控，模拟结果为图5、6。

从图3、4中可以看出，采用本发明的调控方法用于闸门调控，可在不改变渠首节制闸闸门开度的情况下，在突发分水流量增大的情况，控制全线的所有水位同步降低，所有渠池的水位降低过程基本接近，达到充分调用所有渠池的蓄量体积来均摊分水造成的水量亏空，这样，所有渠池的水位都下降，但下降幅度在30h内还不超过0.05m。除了渠首和最后的节制闸开度没变化以外，其他的节制闸都参与了调控。而在图5、6中，由于没有采用闸控措施，可以看出，由于是分水口5的水量发生变化，所以，节制闸5的闸前水位下降最明显，在3h左右水位降幅就超过了0.05m。而相对的，稍远一点的节制闸1和节制闸8的闸前水位下降就很小，30h内也下降不超过0.02m。因此，采用本发明方法能够很好的在每个渠池中分摊由于进、出口流量不平衡造成的渠池蓄量变化。

Claims (2)

1.一种在串联渠池中进、出口流量不平衡情况下的渠池调控方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)通过每个渠池的目标水位区间，确定用于计算的每个渠池的目标水位，以及各个渠池的水位偏差权重；

2)计算实时水位与目标水位的差值得到实时的水位偏差；

3)利用各个渠池的水位偏差权重以及实时的水位偏差，制定调控判断参数D_j，计算公式如式(1)

D_j＝m_je_j-m_j+1e_j+1 (1)

其中：m_j为第j个渠池的水位偏差权重，m_j+1为第j+1个渠池的水位偏差权重，e_j为第j个渠池的实时水位偏差，e_j+1为第j+1个渠池的实时水位偏差；

4)将调控判断参数D_j作为PI控制算法的输入值，获得除了最上游和最下游节制闸以外的其他节制闸的流量变化值，并进行调控；

步骤1)中：选取目标水位区间的中间值来作为目标水位，目标水位的计算公式如式(2)：

式中：SP_j为第j个渠道的目标水位，SP_jmin为目标水位区间的下限值，SP_jmax为目标水位区间的上限值；

步骤1)中水位偏差权重与目标水位区间的范围大小成倒数；水位偏差权重的计算公式为式(3)、(4)：

T_j＝SP_jmax-SP_jmin (4)

式中：m_j为第j个渠池的水位偏差权重；SP_jmin为目标水位区间的下限值，SP_jmax为目标水位区间的上限值；

步骤4)中将水位偏差判断参数D_j代入到PI控制器中，确定节制闸的流量变化值，流量变化值的计算公式为式(6)：

式中：k-1表示上一个调控时间序列，k表示当前调控时间序列；D(k)表示当前调控时间的调控判断参数，ΔD(k)＝D(k)-D(k-1)表示当前调控时间的调控判断参数与上一时刻的调控判断参数的差值；K_p、T_s为控制算法的控制参数：K_p为比例常数；T_s为积分常数；T_I为闸门调控的间隔时间。

2.根据权利要求1所述的在串联渠池中进、出口流量不平衡情况下的渠池调控方法，其特征在于：步骤2)中实时的水位偏差的计算公式为式(5)：

e_j＝y_j-SP_j (5)

式中：e_j为第j个渠道的实时的水位偏差；y_j为第j个渠道的实时水位，SP_j为第j个渠道的目标水位。