CN112529252A - 一种小水电前池水位预测方法及预测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小水电前池水位预测方法及预测系统，它包括选择防雷式前池水位液位传感器并安装在钻孔的钢管中通过防雷装置与前池水位采集终端相连；采集含α个时刻的前池水位数据集和各时刻对应的天气预报信息集；进行前池水位与天气预报信息的相关性分析，将相关性系数排名前两位的变量利用SVM训练得到前池水位预测模型；通过前池水位预测模型得到对应时刻的前池水位预测值和第g个时刻的前池水位数据；用最终实时前池水位数据实时修正前池水位预测模型；收集预测周期内含有Bκ和Bθ两个变量的未来天气预报信息集输入修正后的前池水位预测模型，得到预测周期内的各时刻前池水位预测结果；解决了现有技术对小水电前池水位进行准确预测的问题。

Description

一种小水电前池水位预测方法及预测系统

技术领域

本发明属于水电运行与调度控制技术领域，尤其涉及一种小水电 前池水位预测方法及预测系统。

背景技术

水电是利用最广泛的可再生能源。为了确保水电的可持续发 展和运行，并在经济、社会发展和环境保护之间寻求平衡点，“绿 色水电”概念应运而生。在环保政策支持和监管当局强有力的监 督下，水电能成为重要的可再生能源技术，为农村电气化、社会 包容性可持续工业发展、减少温室气体排放和森林砍伐等方面做 出有益贡献。最大限度和更有效的利用水能资源，不仅能够从能 源结构的调整上具有战略性的意义，还能够缓解化石能源的使用 给社会带来的一系列的环境问题，推动世界经济更好的发展。因 此，水电应该纳入各国的国家计划，将水能的开发和利用放在当 前能源规划工作的首位，实现可持续绿色能源发展。

小水电是清洁可再生的绿色能源,农村水电和小水电代燃料 工程是统筹城乡发展的重要举措。通过开发小水电,建设农村电气 化,使数千条河流得到了初步治理,小水电水库总库容达多亿立方 米,有效地提高了江河的防洪能力,改善了生态和农业生产条件。中国发展小水电和农村电气化不仅比较好地解决了发展中国家共 同面临的能源、环境和贫困问题,而且还在增强民族团结,促进边 疆繁荣稳定方面发挥了巨大作用,在国民经济发展和社会进步中 起着不可替代的历史作用。因此,解决好小水电接入电网对系统运 行影响的问题至关重要。

由于小水电站大都属于装机容量小、可调节能力差的小水电 站，存在丰水期多发抢发、枯水期少发停发的特点，其上网电量 存在极大的不确定性，波动幅度巨大，对电网的稳定及电力调度 造成巨大的影响。

由于地理位置的限制，电站前池容积不能扩大。当前池来水 量增加时，如果运行人员未能及时了解前池水位变化情况，加大 机组出力，将造成前池溢流，影响电站经济效益。因此，有必要 安装一套前池水位预测平台，实时监测电站前池水位变化前况， 同时可以识别和自动修正前池水位实时数据，实时修正前池水位 预测模型，以便得到精确预测结果，同时目前前池水位传感器所 处地理位置复杂，易受雷电等特殊气象条件的影响，而且一般前 池只布置有单传感器，无法判断数据是否异常或数据质量是否满 足运行要求，以及无法了解未来前池水位变化情况，以致运行人 员及时难以提前考虑调整机组运行方式，影响电站安全运行。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种小水电前池水位预测方法 及预测系统，以解决现有技术对小水电前池水位进行准确预测，以致 运行人员及时难以提前考虑调整机组运行方式，影响电站安全运 行等技术问题。

本发明的技术方案：

一种小水电前池水位预测方法，它包括：

步骤1、选择防雷式前池水位液位传感器并安装在钻孔的钢管中；

步骤2、将防雷式前池水位液位传感器通过防雷装置与前池水位 采集终端相连用于测量实际前池水位；

步骤3、采集含α个时刻的前池水位数据集H和各时刻对应的天 气预报信息集WE；

步骤4、通过采集的前池水位数据集H和天气预报信息集WE，进 行前池水位与天气预报信息的相关性分析，

步骤5、将相关性系数排名前两位的两个变量记做Bκ和Bθ；

步骤6、将前池水位数据集H和天气预报信息集WE中Bκ和Bθ变量形 成训练样本集，利用SVM训练得到前池水位预测模型；

步骤7、实时采集第g个时刻的前池水位数据HRT_g，并根据对应 时刻的实时天气预报信息WERT_g，利用步骤6得到的前池水位预测模型 得到对应时刻的前池水位预测值HPR_g；并确定第g个时刻的前池水位 数据HF_g；

步骤8、将最终实时前池水位数据加入前池水位样本集，实时 修正前池水位预测模型；

步骤9、收集预测周期内含有Bκ和Bθ两个变量的未来天气预 报信息集WEP作为输入传递给步骤8得到的实时修正的前池水位 预测模型，得到预测周期内的各时刻前池水位预测结果集HWFP。

步骤1所述防雷式前池水位液位传感器最大量程刻度Mξ米，输出 信号为4-20mA。

步骤2所述实际前池水位获取方法为：设AD转换后的0米水位为 H₀,AD转换后的Mξ米水位为H_Mξ，通过当前第μ个时刻的测量值数字 H_Rμ，计算得到第μ个时刻的实际前池水位H_μ

第μ个时刻的前池水位数据为H_μ，该时刻对应的天气预报信息集 WE_μ＝{TR_μ,PR_μ,HR_μ,WDR_μ,WSR_μ,QR_μ}，，μ∈α，各符号代表以下含义： 温度TR、气压PR、湿度HR、风向WDR、风速WSR、降雨量QR。

所述相关性分析时，相关性系数的计算公式为：

式中：r_HWE为变量H 和WE的相关性系数；设变量H、WE各有α个样本，H_i、WE_i分别代 表H和WE的第i个样本，

分别代表α个H、WE样本的平均 值。

第g个时刻的前池水位数据的确定方法包括：

1)采集第g个时刻的前池水位数据HRT_g，与上一时刻值HRT_g-1进行 比较，计算ε_g，计算公式为

若ε_g>0.2，则判断实测 值为异常，进入2)；若ε_g<0.2,则进入3)；

2)ε_g>0.2，则直接将前池水位预测模型得到对应时刻的前池水位 预测值HPR_g作为第g个时刻的前池水位数据HF_g；

3)ε_g<0.2,则对实时采集第g个时刻的前池水位数据HRT_g和前池 水位预测模型得到对应时刻的前池水位预测值HPR_g进行比较，计算φ_g， 计算公式为

若φ_g<0.1，则第g个时刻的前池水位数 据

若φ_g>0.1，则第g个时刻的前池水位数据 HF_g＝ΩHRT_g+ΞHPR_g，其中Ω、Ξ为权重系数，且有Ω+Ξ＝1。

一种小水电前池水位预测系统，它包括：防雷式前池水位液位传 感器，所述防雷式前池水位液位传感器通过防雷装置与与前池水位采 集终端连接；前池水位采集终端与前池水位采集分析系统连接；前池 水位采集分析系统与前池水位预测系统连接；前池水位采集分析系统 和前池水位预测系统分别与站内测控单元连接。

所述站内测控单元与后台监控系统连接。

所述前池水位采集终端包括中央处理单元，防雷装置通过AD转换 模块与中央处理单元连接；中央处理单元与显示触摸屏连接；中央 处理单元通过模拟量输出模块、软报文输出模块和继电器输出报警 模块与前池水位采集分析系统连接。

所述前池水位采集终端通过外接电源和光伏进行供电。

本发明有益效果：

本发明通过布置防雷式前池水位液位传感器将输出的采样值 通过前池水位采集终端转换为实时监测水位，利用历史前池水位 数据集和历史气象信息集对前池水位预测模型进行训练，通过实 时采集的前池水位信息和根据实时天气预报信息得到的前池水位预测值，进行对比、判断和数据处理，得到最终的实时前池水位 数据来实时修正前池水位预测模型，并根据预测周期内未来天气 预报信息集，得到预测周期内的各时刻前池水位预测结果集，记 入前池水位预测系统的存储单元，并通过站内测控单元传送给后 台监控系统，供运行人员了解未来前池水位变化情况，提前考虑 调整机组运行方式，确保电站安全运行。以解决现有技术中目前 前池水位传感器所处地理位置复杂，易受雷电等特殊气象条件的 影响，而且一般前池只布置有单传感器，无法判断数据是否异常 或数据质量是否满足运行要求，以及无法了解未来前池水位变化 情况，以致运行人员及时难以提前考虑调整机组运行方式，影响 电站安全运行等技术问题。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明前池水位采集终端示意图。

具体实施方式：

一种小水电前池水位预测方法，它主要步骤包括：

步骤1选择防雷式前池水位液位传感器并安装在钻孔的钢管中， 以解决前池水位传感器布置在偏远山区，且地理位置复杂，无防止雷 电等特殊气象条件的影响，同时容易受前池动水影响引起测量误差等 问题。

步骤2防雷式前池水位液位传感器按照实际情况，选取传感器最 大量程刻度Mξ米，输出信号为4-20mA。

步骤3防雷式前池水位液位传感器通过防雷装置与前池水位采集 终端相连，用于以免雷击造成传感器和前池水位采集终端，同时传感 器将输出的4-20mA信号传给前池水位采集终端的AD转换模块用于实 现模数转换，并转换为实际前池水位并传送给前池水位采集分析系统。

其中，传感器输出信号转换为实际前池水位方法如下：

其AD转换后的0米水位为H₀,其AD转换后的Mξ米水位为H_Mξ， 通过当前第μ个时刻的测量值数字H_Rμ，则通过下式计算得到第μ个时 刻的实际前池水位H_μ。

步骤4利用步骤3得到的含α个时刻的前池水位数据集H和各时 刻对应的天气预报信息集WE。

其中，第μ个时刻的前池水位数据为H_μ，该时刻对应的天气预报 信息集WE_μ＝{TR_μ,PR_μ,HR_μ,WDR_μ,WSR_μ,QR_μ}。其中，μ∈α。

其中，各符号代表以下含义：温度TR、气压PR、湿度HR、风向 WDR、风速WSR、降雨量QR。

步骤5基于步骤4采集的前池水位数据集H和天气预报信息集WE， 进行前池水位与天气预报信息的相关性分析。

相关性系数的计算公式为：

式中：r_HWE为变量H 和WE的相关性系数。相关系数在0.8以上，认为变量间有强相关性； 相关系数在0.3-0.8之间，认为变量间弱相关；低于0.3则认为变量 不具备相关性。设变量H、WE各有α个样本，H_i、WE_i分别代表H和WE 的第i个样本。

分别代表α个H、WE样本的平均值。

将前池水位数据集H与天气预报信息集WE的6个变量间，相关性 系数排名前两位的两个变量记做Bκ和Bθ。

步骤6利用步骤4中前池水位数据集H和天气预报信息集WE中Bκ 和Bθ形成训练样本集，利用SVM训练得到前池水位预测模型。

步骤7实时采集第g个时刻的前池水位数据HRT_g，并根据对应时 刻的实时天气预报信息WERT_g，利用步骤6得到的前池水位预测模型得 到对应时刻的前池水位预测值HPR_g。并进行判断和确定第g个时刻的 前池水位数据HF_g，记入前池水位采集分析系统的存储单元，并通过站 内测控单元传送给后台监控系统。

步骤8将步骤7判断得到的最终实时前池水位数据，实时代 入步骤6的前池水位样本集，实时修正前池水位预测模型。

步骤9收集预测周期内含有Bκ和Bθ两个变量的未来天气预 报信息集WEP，并将其作为输入传递给步骤8得到的实时修正的前 池水位预测模型，得到预测周期内的各时刻前池水位预测结果集 HWFP，记入前池水位预测系统的存储单元，并通过站内测控单元 传送给后台监控系统。

其中，第g个时刻的前池水位数据的判断和确定方法如下：

1)采集第g个时刻的前池水位数据HRT_g，与上一时刻值HRT_g-1进 行比较，计算ε_g，计算公式为

若ε_g>0.2，则判断实 测值为异常，进入2)；若ε_g<0.2,进入3)。

2)ε_g>0.2，则直接将前池水位预测模型得到对应时刻的前池水 位预测值HPR_g作为第g个时刻的前池水位数据HF_g；

3)ε_g<0.2,则对实时采集第g个时刻的前池水位数据HRT_g和前池 水位预测模型得到对应时刻的前池水位预测值HPR_g进行比较，计算φ_g， 计算公式为

若φ_g<0.1，则第g个时刻的前池水位数 据

若φ_g>0.1，则第g个时刻的前池水位数据 HF_g＝ΩHRT_g+ΞHPR_g，其中Ω、Ξ为权重系数，且有Ω+Ξ＝1

一种小水电前池水位预测预测系统它包括防雷式前池水位液 位传感器、防雷装置、前池水位采集终端、外接电源和光伏超级 电容组、前池水位采集分析系统、前池水位预测系统、站内测控 单元、后台监控系统。

防雷式前池水位液位传感器安装在钻孔的钢管中并置于小水 电前池，用于采集小水电前池水位信息，并输出4-20mA信号。

防雷装置与防雷式前池水位液位传感器相连，用于保护防雷 式前池水位液位传感器不会因雷击而损坏。

前池水位采集终端与防雷装置，用于接收传感器输出的 4-20mA信号进行模数转换和数据处理，并将数据传送给前池水位 采集分析系统。同时，与外接电源相连，用于作为前池水位采集 终端的主供电源。与光伏超级电容组相连，用于作为前池水位采 集终端的备用电源。

其中，小水电前池水位采集终端包括中央处理单元、AD转换 模块、继电器报警输出模块、软报文输出模块、采集模拟量输出 模块、显示触摸屏、隔离变压器一和开关电源一、隔离变压器二 和开关电源二。

中央处理单元用于根据设定的参数(量程、AD转换后的0米 水位对应值,AD转换后的最大量程水位对应值)信息，自动计算实 时水位值。

AD转换模块为12位，输入信息为4-20mA的传感器采样值。

显示触摸屏用于显示实时采集的水位信息、参数设置、报警 信息等内容。

继电器报警输出模块，用于将小水电前池水位采集终端内报 警硬接点信号的输出；

软报文输出模块，用于将小水电前池水位采集终端内软报文 信号的输出；

采集模拟量输出模块，用于将计算的实时水位值输出；

隔离变压器一和开关电源一,用于将外接电源转换为前池水 位采集终端的主供电源；

隔离变压器二和开关电源二,用于将光伏超级电容组转换为 前池水位采集终端的备用电源。

前池水位采集分析系统与站内测控单元相连，用于将通过判 断和修正后的实时前池水位信息、继电器报警信息、软报文信息， 传送给站内测控单元，并这些信息转给后台监控系统作展示和告 警，为电站运行人员作参考。

前池水位预测系统与前池水位采集分析系统相连，用于收集 前池水位实时信息，结合预测周期的天气预报信息，对预测周期 的前池水位进行预测，并将预测结果通过站内测控单元传送给后 台监控系统作展示和告警，为电站运行人员作参考。

Claims (10)

1.一种小水电前池水位预测方法，它包括：

步骤1、选择防雷式前池水位液位传感器并安装在钻孔的钢管中；

步骤2、将防雷式前池水位液位传感器通过防雷装置与前池水位采集终端相连用于测量实际前池水位；

步骤3、采集含α个时刻的前池水位数据集H和各时刻对应的天气预报信息集WE；

步骤4、通过采集的前池水位数据集H和天气预报信息集WE，进行前池水位与天气预报信息的相关性分析，

步骤5、将相关性系数排名前两位的两个变量记做Bκ和Bθ；

步骤6、将前池水位数据集H和天气预报信息集WE中Bκ和Bθ变量形成训练样本集，利用SVM训练得到前池水位预测模型；

步骤7、实时采集第g个时刻的前池水位数据HRT_g，并根据对应时刻的实时天气预报信息WERT_g，利用步骤6得到的前池水位预测模型得到对应时刻的前池水位预测值HPR_g；并进行判断和确定第g个时刻的前池水位数据HF_g；

步骤8、将最终实时前池水位数据加入前池水位样本集，实时修正前池水位预测模型；

步骤9、收集预测周期内含有Bκ和Bθ两个变量的未来天气预报信息集WEP作为输入传递给步骤8得到的实时修正的前池水位预测模型，得到预测周期内的各时刻前池水位预测结果集HWFP。

2.根据权利要求1所述的一种小水电前池水位预测方法，其特征在于：步骤1所述防雷式前池水位液位传感器最大量程刻度Mξ米，输出信号为4-20mA。

3.根据权利要求1所述的一种小水电前池水位预测方法，其特征在于：步骤2所述实际前池水位获取方法为：设AD转换后的0米水位为H₀,AD转换后的Mξ米水位为H_Mξ，通过当前第μ个时刻的测量值数字H_Rμ，计算得到第μ个时刻的实际前池水位H_μ

4.根据权利要求3所述的一种小水电前池水位预测方法，其特征在于：第μ个时刻的前池水位数据为H_μ，该时刻对应的天气预报信息集WE_μ＝{TR_μ,PR_μ,HR_μ,WDR_μ,WSR_μ,QR_μ}，，μ∈α，各符号代表以下含义：温度TR、气压PR、湿度HR、风向WDR、风速WSR、降雨量QR。

5.根据权利要求1所述的一种小水电前池水位预测方法，其特征在于：所述相关性分析时，相关性系数的计算公式为：

式中：r_HWE为变量H和WE的相关性系数；设变量H、WE各有α个样本，H_i、WE_i分别代表H和WE的第i个样本，

分别代表α个H、WE样本的平均值。

6.根据权利要求1所述的一种小水电前池水位预测方法，其特征在于：第g个时刻的前池水位数据的确定方法包括：

1)采集第g个时刻的前池水位数据HRT_g，与上一时刻值HRT_g-1进行比较，计算ε_g，计算公式为

若ε_g>0.2，则判断实测值为异常，进入2)；若ε_g<0.2,则进入3)；

2)ε_g>0.2，则直接将前池水位预测模型得到对应时刻的前池水位预测值HPR_g作为第g个时刻的前池水位数据HF_g；

3)ε_g<0.2,则对实时采集第g个时刻的前池水位数据HRT_g和前池水位预测模型得到对应时刻的前池水位预测值HPR_g进行比较，计算φ_g，计算公式为

若φ_g<0.1，则第g个时刻的前池水位数据

若φ_g>0.1，则第g个时刻的前池水位数据HF_g＝ΩHRT_g+ΞHPR_g，其中Ω、Ξ为权重系数，且有Ω+Ξ＝1。

7.一种小水电前池水位预测系统，它包括：防雷式前池水位液位传感器，其特征在于：所述防雷式前池水位液位传感器通过防雷装置与与前池水位采集终端连接；前池水位采集终端与前池水位采集分析系统连接；前池水位采集分析系统与前池水位预测系统连接；前池水位采集分析系统和前池水位预测系统分别与站内测控单元连接。

8.根据权利要求1所述的一种小水电前池水位预测系统，其特征在于：所述站内测控单元与后台监控系统连接。

9.根据权利要求1所述的一种小水电前池水位预测系统，其特征在于：所述前池水位采集终端包括中央处理单元，防雷装置通过AD转换模块与中央处理单元连接；中央处理单元与显示触摸屏连接；中央处理单元通过模拟量输出模块、软报文输出模块和继电器输出报警模块与前池水位采集分析系统连接。

10.根据权利要求1所述的一种小水电前池水位预测系统，其特征在于：所述前池水位采集终端通过外接电源和光伏进行供电。

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