CN110359956B - 一种矿井排水系统基于峰谷电价的分段控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及矿井井下排水技术领域，尤其涉及到一种矿井排水系统基于峰谷电价的分段控制方法，该方法利用计算矿井涌水量及周期滤波均衡方法得到的一个计算周期Tmin的预测涌水量q，该预测涌水量q作为避峰填谷分段决策的预测值，将水仓水位划分为4段，超低水位HLL、低水位HL、高水位HH、超高水位HHH，依据峰谷电价，将一天24小时按电价分成四个电段，分别是谷段、峰段、平段I、平段II，建立投入水泵数量n与q、h、t的数学模型，根据预测涌水量q的值及电段信息选择数学模型，计算出相应时段应投入水泵的值，并控制相应数量的水泵开启，实现自动化、无人化控制，精确控制矿井排水系统，避免水泵频繁启停，节能降费效果更明显。
Description
技术领域
本发明涉及矿井井下排水技术领域，尤其涉及到一种矿井排水系统基于峰谷电价的分段控制方法。
背景技术
井下排水系统是保证井下安全生产的非常重要的一环，同时也是矿井开采的耗能大户，大约占到煤矿总用电量的20%左右，一些涌水量大的煤矿达到30%以上。
我国自2011年起发布《电力需求侧管理办法》，推动并完善峰谷电价制度，常见的24小时峰谷电价分段方式如图1所示，在保证安全生产的前提下为了节省耗能，许多矿方开始利用峰谷电价的差异对水泵排水进行优化管理，根据峰谷电价制定矿井排水“避峰填谷”的控制目标，即：
1、 在高峰段：不排水或少排水；
2、 在平时段：少排水；
3、 在低谷段：多排水。
目前，矿井排水系统避峰填谷控制方案大多数采用的控制策略有：
1、规章制度法，按照峰谷电价和季节变化制定规章制度，规定对应时段的水位控制要求及水泵运行台数，实现节能降耗；
2、高低水位法，划定若干水位线和警戒线，当水位达到不同水位线时，执行不同的逻辑和水泵运行台数。
采用上述两种方法的优点是易于实现、控制简单，可以实现一定的排水系统避峰填谷节能降费，但在实际使用过程中存在不能达到可靠自动运行、水泵频繁启停、缺乏灵活性、效率低等问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种矿井排水系统基于峰谷电价的分段控制方法，该方法通过引入涌水量计算及预测，准确算出不同用电段在给定时间内投入水泵数量，避峰填谷结果更精确，避免水泵频繁启停，节能降费效果更明显，自动运行可靠、灵活。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种矿井排水系统基于峰谷电价的分段控制方法，该方法使用到一种自制控制设备，所述自制控制设备包括设置于矿井上控制中心的工控计算机、设置在矿井下泵房的可编程逻辑控制器PLC、设置在矿井内的两个液位传感器D1和D2、流量传感器A及B1水泵、B2水泵、…、BN水泵，还包括每台排水泵分别对应配置的C1电动阀门、C2电动阀门、…、CN电动阀门，上述可编程逻辑控制器PLC的通讯端通过通讯光缆与工控计算机连接，可编程逻辑控制器PLC的输出端与C1电动阀门、C2电动阀门、…、CN电动阀门及B1水泵、B2水泵、…、BN水泵的控制器连接控制水泵启停，可编程逻辑控制器PLC的输入端通过线路与液位传感器D1和D2、流量传感器A相连，两个液位传感器D1和D2用于实时测量矿井水仓水位，流量传感器A设置在总排水管出水口处并用于测量总排水管排出的水量，所述控制方法步骤如下：
Ⅰ、利用计算矿井涌水量及周期滤波均衡方法得到的一个计算周期Tmin的预测涌水量q：
⑴在一个测量周期Ts，Ts的单位是ms，取值范围是100~1000ms，连续采集同一矿井水仓液位液位传感器D1和D2的液位值及流量传感器A的流量值，及当前在运行水泵数量n；
⑵对上述步骤中采集数据进行低通滤波处理；
⑶得到水仓实时液位值h和排水量值p；
⑷根据计算公式VI（t）=h’+p，对一个测量周期Ts内涌水量VI（t）进行近似测算，上述h’为水位变化率；
⑸对k个测量周期Ts的涌水量VI（t）进行平均计算，获得计算周期Tmin内的预测涌水量q，该预测涌水量q作为避峰填谷分段决策的预测值，上述计算周期Tmin=K*Ts；
Ⅱ、将水仓水位划分为4段，分别是超低水位HLL、低水位HL、高水位HH、超高水位HHH，上述低水位HL、高水位HH是水仓正常工作水位，超低水位HLL、超高水位HHH是异常警报水位；
Ⅲ、依据峰谷电价，将一天24小时按电价分成四个电段，分别是谷段、峰段、平段I、平段II，0时~8时是谷段，8时~12时是峰段，12时~18时是平段I，18时~22时是峰段，22时~0时是平段II；
Ⅳ、建立投入水泵数量n与q、h、t的数学模型：
（式1）
（式2）
（式3）
上述公式中：h是水仓实时水位，t是该电段剩余时长，q是预测涌水量，HL是水仓低水位值，HH是水仓高水位值，HHH是最高水位值，Vo1是单台水泵排水量，max（HL，HH-5q）是平段I结束时水仓水位值的取值范围；
Ⅴ、将步骤Ⅲ中电段信息、步骤Ⅳ的数学模型输入给可编程逻辑控制器PLC，可编程逻辑控制器PLC根据预测涌水量q的值及电段信息选择数学模型，计算出相应时段应投入水泵的值，并控制相应数量的水泵开启：
（1）预测涌水量q较低，即q ≤ ，则峰段、平段I和平段II均不排水，仅谷段
排水，且谷段投入排水泵数量按照式1计算；
（2）预测涌水量q较高，即q ≥ ，峰段、平段I、平段II和谷段均排水，峰段投
入排水泵数量按式2计算，平段I、平段II、谷段投入排水泵数量按照式1计算；
（3）预测涌水量q在和之间，即：<q<，峰段不排水，平
段II投入排水泵数量按照式2计算，平段I投入水泵台数依据式3计算，谷段投入排水泵数量
按照式1计算。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明通过数据采集处理，估算出矿井排水系统预测涌水量，为矿井排水决策提供依据，建立计算矿机排水投入水泵数量的数学模型，准确算出各电段在给定时间内投入水泵的数量，精确控制矿井排水系统，避免水泵频繁启停，节能降费效果更明显，还能有效的避免水泵投入与切除的抖动现象；
2. 本发明方法简单，便于实现自动化、无人化控制，提高效率的同时降低运营成本；
3、本发明通过实施监测水仓水位及预测涌水量，保证排水系统的水仓水位安全可控，保证井下排水系统安全运行。
附图说明
图1是本发明背景技术中24h峰谷电价图；
图2是本发明中井下排水设备布置图；
图3是本发明中矿井水仓液位四段划分示意图；
图4是本发明控制方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
结合图2～4，详细阐述本发明一种矿井排水系统基于峰谷电价的分段控制方法，该方法使用到一种自制控制设备，所述自制控制设备包括设置于矿井上控制中心的工控计算机、设置在矿井下泵房的可编程逻辑控制器PLC、设置在矿井内的两个液位传感器D1和D2、流量传感器A及B1水泵、B2水泵、…、BN水泵，还包括每台排水泵分别对应配置的C1电动阀门、C2电动阀门、…、CN电动阀门，上述可编程逻辑控制器PLC的通讯端通过通讯光缆与工控计算机连接，可编程逻辑控制器PLC的输出端与C1电动阀门、C2电动阀门、…、CN电动阀门及B1水泵、B2水泵、…、BN水泵的控制器连接控制水泵启停，可编程逻辑控制器PLC的输入端通过线路与液位传感器D1和D2、流量传感器A相连，两个液位传感器D1和D2用于实时测量矿井水仓水位，流量传感器A设置在总排水管出水口处并用于测量总排水管排出的水量，所述控制方法包括下述步骤：
Ⅰ、利用计算矿井涌水量及周期滤波均衡方法得到的一个计算周期Tmin的预测涌水量q：
（1）在一个测量周期Ts，Ts的单位是ms，取值范围是100~1000ms，连续采集同一矿井水仓液位液位传感器D1和D2的液位值及流量传感器A的流量值，及当前在运行水泵数量n，；
（2）对上述步骤中采集数据进行低通滤波处理；
（3）比较液位传感器D1和D2两者的差值，|D1-D2|<De，即液位传感器D1和D2两者的差值小于允许液位测量误差，则判断两个液位传感器工作正常，且返回值有效，得到水仓实时液位值h，比较流量传感器A流量值与通过水泵运行数量n估算流量值nVo1差值，|A-nVo1|<Ve，即流量传感器A的流量值与通过水泵运行数量n估算流量值nVo1差值小于允许测量误差，判断流量传感器A工作正常，且返回值有效，得到排水量值p；
（4）根据计算公式VI（t）=h’+p，对一个测量周期Ts内涌水量VI（t）进行近似测算，上述h’为水位变化率；
（5）对k个测量周期Ts的涌水量VI（t）进行平均计算，获得计算周期Tmin内的预测涌水量q，该预测涌水量q作为避峰填谷分段决策的预测值，上述计算周期Tmin=K*Ts；
Ⅱ、将水仓水位划分为4段，分别是超低水位HLL、低水位HL、高水位HH、超高水位HHH，其中低水位HL、高水位HH是水仓正常工作水位，超低水位HLL、超高水位HHH是异常警报水位，在进行自动排水控制时，水位应保持在低水位HL、高水位HH之间，水仓水位在超低水位HLL时，所有泵必须停止工作；水仓水位在超高水位HHH时，不管在任何时段，必须启动水泵，控制水位在高水位HH之下，矿井排水系统避峰填谷控制应使系统尽可能在用电谷段多排水，在用电平段少排水，在用电峰段时充分利用水仓的容积，进行储水，实现无人化自动控制，节约电费；
Ⅲ、 依据峰谷电价，将一天24小时按电价分四段，分别是谷段、峰段、平段I、平段II，其中0时~8时是谷段，谷段电价最低，应多排水，谷段极限排水容量为在进入谷段时，水仓水位为高水位HH，在退出谷段时，水仓水位为低水位HL，同时应避免在低水位处泵的反复启停；8时~12时、18时~22时均是峰段，峰段电价最高，应尽量不排水，且充分利用水仓进行储水，这就要求在进入峰段时，水仓有充足的容量，尽量可容纳4h的涌水，12时~18时是平段I，平段I情况较为复杂，持续时长6h,且两边均为峰段电价，22时~0时是平段II，持续时长为2h，平段II之后为谷段；
Ⅳ、建立投入水泵数量n与q、h、t的数学模型，准确计算各电段在给定时间内投入水泵的数量，用于精确控制水泵的启停：
（式1）
（式2）
（式3）
其中h是水仓实时水位，t是相应电段剩余时长，q是预测涌水量，HL是水仓低水位，HH是水仓高水位，HHH是最高水位，Vo1是单台水泵排水量，max（HL，HH-5q）是平段I结束时水仓水位值的取值范围；
Ⅴ、将步骤Ⅲ中电段信息、步骤Ⅳ的数学模型输入给可编程逻辑控制器PLC，可编程逻辑控制器PLC根据预测涌水量q的值及电段信息选择数学模型，计算出相应时段应投入水泵的值，并控制相应数量的水泵开启：
（1）预测涌水量较低，即q ≤ ，则峰段、平段I和平段II均不排水，仅谷段排
水，且谷段投入排水泵数量按照式1计算；
（2）预测涌水量较高，即q ≥ ，峰段、平段I、平段II和谷段均排水，峰段投
入排水泵数量按式2计算，平段I、平段II、谷段投入排水泵数量按照式1计算，且平段I需将
水位控制在HL之下，以减小下一峰段的运行时间；
（3）预测涌水量在和之间，即：<q<，最优结果为峰段
不排水，平段根据涌水量调整，使平段II结束时，水位达到HH，且使平段I结束时，保持水仓
水位为max（HL，HH-（4~6）q），由于平段I和平段II电价相同，同时为了给峰段留有余量，取4~6
得中间值5，平段II投入排水泵数量按照式2计算，平段I投入水泵台数依据式3计算，谷段投
入排水泵数量按照式1计算。
本发明中可编程逻辑控制器PLC优选德国西门子公司的控制器，型号SIMATIC S7-1500，优选可编程控制器PLC的输入端还连接微电脑计时器。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
Claims (1)
1.一种矿井排水系统基于峰谷电价的分段控制方法，该方法使用到一种自制控制设备，所述自制控制设备包括设置于矿井上控制中心的工控计算机、设置在矿井下泵房的可编程逻辑控制器PLC、设置在矿井内的两个液位传感器D1和D2、流量传感器A及N个水泵，所述水泵的编号是B1—BN，所述水泵对应配置有电动阀门，所述电动阀门的编号是C1—CN，上述可编程逻辑控制器PLC的通讯端通过通讯光缆与工控计算机连接，可编程逻辑控制器PLC的输出端与C1—CN电动阀门及B1—BN水泵的控制器连接控制水泵启停，可编程逻辑控制器PLC的输入端通过线路与液位传感器D1和D2、流量传感器A相连，两个液位传感器D1和D2用于实时测量矿井水仓水位，流量传感器A设置在总排水管出水口处并用于测量总排水管排出的水量，其特征是：所述方法步骤如下：
Ⅰ、利用计算矿井涌水量及周期滤波均衡方法得到的一个计算周期Tmin的预测涌水量q：
⑴在一个测量周期Ts，Ts的单位是ms，取值范围是100～1000ms，连续采集同一矿井水仓液位液位传感器D1和D2的液位值及流量传感器A的流量值，及当前运行水泵数量n；
⑵对上述步骤中采集数据进行低通滤波处理；
⑶得到水仓实时液位值h和排水量值p；
⑷根据计算公式VI(t)＝h’+p，对一个测量周期Ts内涌水量VI(t)进行近似测算，上述h’为水位变化率；
(5)对k个测量周期Ts的涌水量VI(t)进行平均计算，获得计算周期Tmin内的预测涌水量q，该预测涌水量q作为避峰填谷分段决策的预测值，上述计算周期Tmin＝K*Ts；
Ⅱ、将水仓水位划分为4段，分别是超低水位HLL、低水位HL、高水位HH、超高水位HHH，上述低水位HL、高水位HH是水仓正常工作水位，超低水位HLL、超高水位HHH是异常警报水位；Ⅲ、依据峰谷电价，将一天24小时按电价分成四个电段，分别是谷段、峰段、平段I、平段II，0时～8时是谷段，8时～12时是峰段，12时～18时是平段I，18时～22时是峰段，22时～0时是平段II；
IV、建立投入水泵数量n与q、h、t的数学模型：
上述公式中：h是水仓实时水位，t是该电段剩余时长，q是预测涌水量，HL是水仓低水位值，HH是水仓高水位值，Vo1是单台水泵排水量，max(HL，HH-5q)是平段I结束时水仓水位值的取值范围；
Ⅴ、将步骤Ⅲ中电段信息、步骤IV的数学模型输入给可编程逻辑控制器PLC，可编程逻辑控制器PLC根据预测涌水量q的值及电段信息选择数学模型，计算出相应时段应投入水泵的数量，并控制相应数量的水泵开启：
(1)预测涌水量q较低，即则峰段、平段I和平段II均不排水，仅谷段排水，且谷段投入排水泵数量按照式1计算；
(2)预测涌水量q较高，即峰段、平段I、平段II和谷段均排水，峰段投入排水泵数量按式2计算，平段I、平段II、谷段投入排水泵数量按照式1计算；
(3)预测涌水量q在和/>之间，即：/> 峰段不排水，平段II投入排水泵数量按照式2计算，平段I投入水泵台数依据式3计算，谷段投入排水泵数量按照式1计算。
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