CN113448357A - 一种水电站泄洪闸门集成控制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水电站泄洪闸门集成控制方法及系统，该方法包括步骤：采用二插值法计算闸坝出库流量、单位时间内库容的变化；计算单位时间入库增量流量；计算出闸坝泄流出库流量；采用插值法计算出机组效率、出机组发电出库流量；确定当前实际的入库流量；计算闸门开度并将开度值发送至闸门控制模块，自动调节闸门开度。本发明降低了劳动强度，节省人力，简化水库调度程序；计算间隔密集，能实现库区水位的精准控制；实现了各系统的无缝集成，节省项目建设费用。
Description
技术领域
本发明涉及水利系统技术领域，尤其涉及一种水电站泄洪闸门集成控制方法及系统。
背景技术
对于低水头的径流式水电站来说，电站承担着防洪和发电两方面任务，由于调节库容有限，当上游来水较大时，如何根据入库流量和发电调度曲线科学合理调节闸门开度，充分利用水资源，在保证大坝安全的同时产生最大的发电效益是对水库调度值班员的一大考验。传统的技术方法是水库调度值班员根据水位-库容特性曲线反推出入库流量，再结合发电出流、闸门泄流曲线、溢流量手工计算出一个粗略的闸门开度，然后通知闸门操作员适时调节闸门开度，在上游来水变化大，闸门开度往往需要频繁调节，通常需要15分钟计算调节一次，这种人工计算、手动调节闸门开度的方法不仅劳动强度大、操作频繁，而且调节精度也不够，也不能充分利用水资源。
传统的闸门开度计算存在以下几个方面的技术缺点：其一，不能实时获取机组负荷精确计算出发电出流，而且通过人工查曲线获取的数据也比较粗略，从而导致闸门开度计算结果比较粗略，不能实现水资源的充分利用；其二，传统的计算方法不能实现短时段的密集计算，很难实现闸门开度的决策最优。
此外，传统的技术手段通常是单独布置一套水库调度系统(或人工手动计算)和一套闸门控制系统，根据电力监控网络安全防护规定，分属不同业务功能信息系统必须进行网络安全分区，水库调度属于二区，闸门控制属于一区，之间必须采用网络防火墙隔离。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种水电站泄洪闸门集成控制方法，包括如下步骤：
当需要开闸泄洪时，以水位作为变量，采用二插值法计算闸坝出库流量、单位时间内库容的变化；
实时采集机组发电负荷数据，并计算单位时间入库增量流量Q3；
采用插值法计算出闸坝泄流出库流量Q1；
根据发电机组运转特性曲线采用插值法计算出机组效率η,再根据水轮机发电出力公式计算出机组发电出库流量Q2；
确定当前实际的入库流量，实际的入库流量＝闸坝出库流量Q1+发电出库流量Q2+水库入库增量流量Q3；
计算出当前入库流量下保持控制目标水位情况下应开启的闸门开度，并将开度值发送至闸门控制模块，自动调节闸门开度。
优选的，所述入库流量计算的原理为出入库平衡公式：
其中，单位时间内库容变化＝期末水位对应库容-期初水位对应库容。
优选的，所述采用二插值法计算出库流量Q0、单位时间内库容Q1的变化的计算过程如下：
根据已知特性曲线上有限采样点值，通过多项式进行局部区域的曲线拟合，设已知多个采样点x0、x1、x2…xn的数值f(x1)、f(x2)、f(x3)…f(xn),构造一个近似函数p(x)≈f(x),满足条件p(xi)＝f(xi)(i＝1、2、3…n),满足条件p(xi)＝f(xi)，(i＝1、2、3…n),则p(x)为f(x)的插值函数，通过多项式拟合的二次曲线表达。
优选的，所述单位时间入库增量流量Q3＝△Q/△T；其中，△T为时间；△Q为入库增量流量。
优选的，所述水轮机发电出力公式P＝9.81Q*H*η；其中P为机组有功功率，H为水头压力。
一种水电站泄洪闸门集成控制系统，包括：
信号输入模块，用于实时采集机组发电负荷数据、水库水位数据、闸门开度数据；
水库调度计算模块，用于根据二插值法实时采集的机组发电负荷数据、水库水位数据、闸门开度数据计算出库流量、单位时间内库容的变化；
闸门控制模块，用于闸门开度计算；
数据通讯模块，用于水库调度计算模块、闸门控制模块与计算机监控系统通信；
控制输出模块，用于输出保持目标水位情况下应开启的闸门开度控制参数；
信号输入模块与水库调度计算模块输入端相连；水库调度计算模块输出端与闸门控制模块输入端、数据通讯模块相连；闸门控制模块输出单与数据通讯模块、控制输出模块相连；数据通讯模块用于连接计算机监控系统。
优选的，所述水库调度计算模块、闸门控制模块、数据通讯模块集成在PCC控制系统内。
本发明的有益效果在于：
降低劳动强度，节省人力，简化水库调度程序；
计算间隔密集，能实现库区水位的精准控制；
实现了各系统的无缝集成，节省项目建设费用；
本发明将水库调度计算模块、特性曲线参数、闸门控制模块共同布置在PCC控制器(可编程计算机控制器)，实现了水库调度与闸门控制系统的无缝集成，真正实现了水库调度的完全自动化。
本发明通过PCC控制器实现水库调度系统与电站计算机监控系统数据的实时通讯，机组负荷、水位、闸门开度等数据通过通讯系统或传感器直接采集融合在同一个控制器，且PCC控制器自身不带windows操作系统，网络安全性非常高，完全满足电力二次安防的要求，不需要单独部署防火墙这样的网络安全设备，节省了系统投资；降低了劳动强度，节省人力，简化水库调度程序；计算间隔密集，能实现库区水位的精准控制；实现了各系统的无缝集成，节省项目建设费用。
附图说明
图1是一种水电站泄洪闸门集成控制方法的流程图；
图2是一种水电站泄洪闸门集成控制系统的系统图；
图3插值特性曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如附图1所示，本发明一种水电站泄洪闸门集成控制方法，包括如下步骤：
当需要开闸泄洪时，以水位作为变量，采用二插值法计算闸坝出库流量、单位时间内库容的变化；
实时采集机组发电负荷数据，并计算单位时间入库增量流量Q3；
采用插值法计算出闸坝泄流出库流量Q1；
根据发电机组运转特性曲线采用插值法计算出机组效率η,再根据水轮机发电出力公式计算出机组发电出库流量Q2；
确定当前实际的入库流量，实际的入库流量＝闸坝出库流量Q1+发电出库流量Q2+水库入库增量流量Q3；
计算出当前入库流量下保持控制目标水位情况下应开启的闸门开度，并将开度值发送至闸门控制模块，自动调节闸门开度。
优选的，所述入库流量计算的原理为出入库平衡公式：
其中，单位时间内库容变化＝期末水位对应库容-期初水位对应库容。
优选的，所述采用二插值法计算出库流量Q0、单位时间内库容Q1的变化的计算过程如下：
根据已知特性曲线上有限采样点值，通过多项式进行局部区域的曲线拟合，设已知多个采样点x0、x1、x2…xn的数值f(x1)、f(x2)、f(x3)…f(xn),构造一个近似函数p(x)≈f(x),满足条件p(xi)＝f(xi)(i＝1、2、3…n),满足条件p(xi)＝f(xi)，(i＝1、2、3…n),则p(x)为f(x)的插值函数，通过多项式拟合的二次曲线表达。
优选的，所述单位时间入库增量流量Q3＝△Q/△T；其中，△T为时间；△Q为入库增量流量。
优选的，所述水轮机发电出力公式P＝9.81Q*H*η；其中P为机组有功功率，H为水头压力。
如附图2所示，一种水电站泄洪闸门集成控制系统，包括：
信号输入模块，用于实时采集机组发电负荷数据、水库水位数据、闸门开度数据；
水库调度计算模块，用于根据二插值法实时采集的机组发电负荷数据、水库水位数据、闸门开度数据计算出库流量、单位时间内库容的变化；
闸门控制模块，用于闸门开度计算；
数据通讯模块，用于水库调度计算模块、闸门控制模块与计算机监控系统通信；
控制输出模块，用于输出保持目标水位情况下应开启的闸门开度控制参数；
信号输入模块与水库调度计算模块输入端相连；水库调度计算模块输出端与闸门控制模块输入端、数据通讯模块相连；闸门控制模块输出单与数据通讯模块、控制输出模块相连；数据通讯模块用于连接计算机监控系统。
优选的，所述水库调度计算模块、闸门控制模块、数据通讯模块集成在PCC控制系统内。
具体的，本发明通过在闸门开度控制器内置水库调度计算模块，将水位-库容特性曲线、发电计划调度曲线、闸门泄漏曲线、大坝溢流曲线、发电机组运转特性曲线参数固化在控制器参数存储模块。控制器实时采集库水位、闸门开度、机组发电出力。水库调度计算模块每间隔15分钟进行一次运算，自动计算出闸门开度，为防止闸门频繁调节，当计算结果开度与当前开度差大于某个阈值时，调节计算模块才会将开度计算结果下发给闸门控制模块，进行闸门开度的自动调节，调节开度的闸门号可由值班员通过水库调度计算模块预置。
当上游来水较大，需要开闸泄洪时，水库调度计算模块以水位作为变量，内置在PCC的水库调度计算模块首先进行入库流量计算，计算原理为出入库平衡公式，计算方法如下：
其中，单位时间内库容变化＝期末水位对应库容-期初水位对应库容。
出库流量、单位时间内库容的变化在水库调度计算模块中采用二插值法，二插值算法过程如下：
根据已知特性曲线上有限采样点值，通过多项式进行局部区域的曲线拟合，例如附图3所示，已知局部的x0，x1，x2…xn多个点的数值f(x1)、f(x2)、f(x3)…f(xn),构造一个简单易算的近似函数p(x)≈f(x),满足条件p(xi)＝f(xi)(i＝1、2、3…n),p(x)被称为f(x)的插值函数，通常采用的插值函数是多项式，通过多项式拟合的二次曲线来表达真实曲线，从而达到通过特性插值的目的。
闸门调节开度的计算过程：
1.根据实时水位，计算实际入库流量的计算
期末、期初库容根据水位库容曲线采用二插值法计算，库容特性曲线如下图，根据期初(0时刻)水位，用插值算法计算出库容Q0；根据期末(15分钟)水位，用插值算法计算出库容Q15，计算出每15分钟的库容变化量△Q(Q15-Q0),从而计算出每15分钟的入库增量流量Q3＝△Q/△T(△T＝15)。
根据闸门泄流曲线、大坝溢流曲线采用二插值法直接计算出闸坝泄流出库流量Q1；
根据发电机组运转特性曲线采用插值法计算出机组效率η,再根据水轮机发电出力公式P＝9.81Q*H*η(P为机组有功，H为水头压力)计算出机组发电出库流量Q2。
根据上述计算结果，确定当前实际的入库流量＝Q1(闸坝出库流量)`+Q2(发电出库流量)+Q3(水库入库增量流量)。
2.根据实际入库流量、控制目标水位计算闸门开度：
第一步计算所得的实际入库流量作为已知量，机组发电负荷为实时采集，也为已知量，在上述的出入库平衡公式中，控制目标水位将作为自变量，闸门开度作为因变量，水库调度值班员可设定控制目标水位，以及需要开启的闸门数量，根据出入库平衡公式，系统将自动计算出当前入库流量下保持控制目标水位情况下应开启的闸门开度，并将开度值发送至闸门控制模块，自动调节闸门开度。
将水库调度计算模块、闸门控制模块、数据通讯模块集成在PCC内，实现了各软件模块之间数据接口的无缝连接，自动可靠传递。
本发明通过PCC控制器实现水库调度系统与电站计算机监控系统数据的实时通讯，机组负荷、水位、闸门开度等数据通过通讯系统或传感器直接采集融合在同一个控制器，且PCC控制器自身不带windows操作系统，网络安全性非常高，完全满足电力二次安防的要求，不需要单独部署防火墙这样的网络安全设备，节省了系统投资。
该系统采用PCC(可编程计算机控制器)为自动控制系核心，控制器内置水库调度计算模块，将水位-库容特性曲线、闸门泄流曲线、大坝溢流曲线、发电机组运转特性曲线参数固化在控制器参数存储模块。控制器配置数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量采集模块、MODBUS通讯模块。数字量输入模块采集闸门设备状态信息；模拟量模块采集水库水位、闸门开度等模拟量信息；通讯模块与电站计算机监控系统通讯，采集电站机组实时的发电负荷。
信号输入模块包括模拟量输入模块、开关量输入模块，模拟量输入模块采用AI744模块，开关量输入模块采用DI135模块，采用DM465开关量输出模块，以及B&L2003型控制器。
本发明与传统方案相比，有以下优点：
1.降低劳动强度，节省人力，简化水库调度程序。
本发明将水库调度计算模块、特性曲线参数、闸门控制模块共同布置在PCC控制器(可编程计算机控制器)，突破了网络安全分区的限制，能自动采集计算机监控系统的实时发电负荷、发电计划曲线等数据，所有水库调度系统计算所需的数据无需人工录入，而且计算过程完全自动化；
2.计算间隔密集，能实现库区水位的精准控制。
本发明所有的水库调度计算程序完全自动进行，无需人为干预，可以根据现场情况设置水库调度计算程序的间隔时间，通常设置的计算间隔时间为15分钟，完全能满足调度要求，传统的人工手动录入或手工计算方式，提高了计算的密集度，能实现目标水位的精确控制，防范水位剧烈波动对机组发电出力的影响，提供机组发电效益，提升机组运行的稳定性，充分利用水资源。
3.实现了各系统的无缝集成，节省项目建设费用。
本发明实现了水库调度系统、闸门控制、计算机监控系统的无缝集成，共同部署在PCC控制内，无需再单独建设水库调度系统，且与计算机监控系统实现了可靠的数据通讯，节省了系统网络安全建设投入。
本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种水电站泄洪闸门集成控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
当需要开闸泄洪时，以水位作为变量，采用二插值法计算闸坝出库流量、单位时间内库容的变化；
实时采集机组发电负荷数据，并计算单位时间入库增量流量Q3；
采用插值法计算出闸坝泄流出库流量Q1；
根据发电机组运转特性曲线采用插值法计算出机组效率η,再根据水轮机发电出力公式计算出机组发电出库流量Q2；
确定当前实际的入库流量，实际的入库流量＝闸坝出库流量Q1+发电出库流量Q2+水库入库增量流量Q3；
计算出当前入库流量下保持控制目标水位情况下应开启的闸门开度，并将开度值发送至闸门控制模块，自动调节闸门开度。
2.根据权利要求1所述一种水电站泄洪闸门集成控制方法，其特征在于，所述入库流量计算的原理为出入库平衡公式：
其中，单位时间内库容变化＝期末水位对应库容-期初水位对应库容。
3.根据权利要求1所述一种水电站泄洪闸门集成控制方法，其特征在于，所述采用二插值法计算出库流量Q0、单位时间内库容Q1的变化的计算过程如下：
根据已知特性曲线上有限采样点值，通过多项式进行局部区域的曲线拟合，设已知多个采样点x0、x1、x2…xn的数值f(x1)、f(x2)、f(x3)…f(xn),构造一个近似函数p(x)≈f(x),满足条件p(xi)＝f(xi)(i＝1、2、3…n),满足条件p(xi)＝f(xi)，(i＝1、2、3…n),则p(x)为f(x)的插值函数，通过多项式拟合的二次曲线表达。
4.根据权利要求1所述一种水电站泄洪闸门集成控制方法，其特征在于，所述单位时间入库增量流量Q3＝△Q/△T；其中，△T为时间；△Q为入库增量流量。
5.根据权利要求1所述一种水电站泄洪闸门集成控制方法，其特征在于，所述水轮机发电出力公式P＝9.81Q*H*η；其中P为机组有功功率，H为水头压力。
6.一种水电站泄洪闸门集成控制系统，其特征在于，包括：
信号输入模块，用于实时采集机组发电负荷数据、水库水位数据、闸门开度数据；
水库调度计算模块，用于根据二插值法实时采集的机组发电负荷数据、水库水位数据、闸门开度数据计算出库流量、单位时间内库容的变化；
闸门控制模块，用于闸门开度计算；
数据通讯模块，用于水库调度计算模块、闸门控制模块与计算机监控系统通信；
存储模块用于存储层水位-库容特性曲线、闸门泄流曲线、大坝溢流曲线、发电机组运转特性曲线的曲线参数；
控制输出模块，用于输出保持目标水位情况下应开启的闸门开度控制参数；
信号输入模块与水库调度计算模块输入端相连；水库调度计算模块输出端与闸门控制模块输入端、数据通讯模块相连；闸门控制模块输出单与数据通讯模块、控制输出模块相连；数据通讯模块用于连接计算机监控系统。
7.根据权利要求6所述一种水电站泄洪闸门集成控制方法，其特征在于，所述水库调度计算模块、闸门控制模块、数据通讯模块集成在PCC控制系统内。
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| CN114839943A (zh) * | 2022-07-04 | 2022-08-02 | 国能大渡河流域水电开发有限公司 | 一种梯级电站闸门控制策略生成和滚动优化方法及系统 |
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