CN115271380A - 一种自适应的水电站实时水务计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应的水电站实时水务计算方法，包括获取水位传感器数据计算净水头，获取时段初末水位值计算库容差流量，获取机组状态计算机组发电流量，获取闸门状态计算闸门泄流流量，根据水量平衡公式计算入库流量，对入库流量进行滚动平滑处理，获得实时的入库流量涨落趋势，并用于防洪预警响应。本发明针对无入库水文站的水电站可自动判断各运行工况，选择不同的水位传感器参与计算，并对传感器采集的数据进行平滑消除锯齿，防止坝前水位波动造成的库容差流量锯齿效应，可针对电站正常运行和放空状态自行判断闸孔流态进而自动选择出库计算方式，并对最终结果进行了滑动滤波处理，消除锯齿，提高了水务计算结果的准确度。

Description

一种自适应的水电站实时水务计算方法

技术领域

本发明涉及水电站发电调度及洪水调度领域，具体地讲，是涉及一种自适应的水电站实时水务计算方法，尤其针对山区中小型无入库水文站实测入库的水库电站水务计算及洪水预警响应使用。

背景技术

对于未建有出入库水文站的水电站水务计算多基于水量平衡原理进行，通过 HNQ曲线及闸门泄流曲线获取出库流量，计算时段初末水位差获得库容差进计算出库容差流量，进而计算得到时段内平均入库流量，用以对电站当前入库流量进行掌握。

山区中小河流电站洪水涨落变化快，水务计算时长短，以及针对多传感器测量水位超量程或测值不可靠，需要手动切换计算点参与计算，上游水位波动造成库容差流量波动对入库流量产生锯齿效应，同时在水库放空过程中超出设计曲线时无法得出闸孔过流流量的现象，均会对水务计算结果产生影响，或计算不准，或无法计算，从而影响洪水预警响应。

发明内容

针对上述现有技术存在的上述问题，本发明提供一种自适应的水电站实时水务计算方法，通过自适应的方式自动计算水电站各工况下入库流量，并联动防洪预警响应。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种自适应的水电站实时水务计算方法，包括以下步骤：

S10、获取水电站布设的水位传感器数据，处理得到计算时段Δt内的上游水位平均值Z_上及尾水水位平均值Z_尾，进而得到平均毛水头H_毛＝Z_上-Z_尾和平均净水头H_净＝H_毛-H_损，H_损表示水电站水头损失；

S20、计算库容差流量Q_ΔV：获取计算时段初坝前水位值及计算时段末坝前水位值，通过水位库容曲线线性插值得到计算时段初库容值V_初和计算时段末库容值V_末，由此得到计算时段Δt内的库容差V_Δt＝V_末-V_初，并计算获得库容差流量

S30、计算机组发电流量Q_发Δt：获取并判断机组状态，若机组为并网状态，则获取计算时段Δt内的平均净水头H_净，通过HNQ曲线插值得到Q_发Δt；若机组为停机状态，则Q_发Δt取为0；若机组为空转状态或空载状态，则Q_发Δt取为指定的空转流量或空载流量；

S40、计算闸门泄流流量Q_闸Δt：根据各个闸门的检修状态分别确定计算时段Δt内的各个闸门的开度，基于开度依次判断每个闸门的流态，并分别根据相应流态的计算公式确定出每个闸门的出库流量Q_闸iΔt，由此获得闸门泄流流量

m为闸门数；

S50、根据水量平衡公式

获得计算时段Δt内水电站的平均入库流量Q_入Δt＝Q_发Δt+Q_闸Δt+Q_ΔV；

S60、对入库流量进行滚动平滑处理：根据获得的当前计算时段内水电站的平均入库流量，并取当前计算时段前k个时段的平均入库流量数据根据以下公式计算当前计算时段的时段平均入库值Q_T滑：

式中，Q_T为由步骤S50获得的当前计算时段的平均入库流量Q_入Δt，Q_T-k表示当前计算时段前的第k个计算时段的平均入库流量，Q_T+k表示当前计算时段后的第k个计算时段的平均入库流量，对于未发生的Q_T+k数据，取当前计算时段的平均入库流量数据代替；通过当前计算时段的时段平均入库值及其形成的曲线，实时反应入库流量的涨落趋势，用于防洪预警响应。

具体地，所述步骤S10中获取水电站布设的水位传感器数据前，先判断各个水位传感器的测值是否超出其设定的测值范围，然后选择在设定测值范围内的水位传感器获取数据，并按预设的水位传感器顺序进行优先取值。

具体地，所述步骤S20中获取的计算时段初坝前水位值采用计算时段初坝前水位平滑值Z_初，获取的计算时段末坝前水位值采用计算时段末坝前水位平滑值 Z_末，消除水位波动引起的跳变，其中，Z_初为计算时段初的平滑时长时间段内取值的水位传感器所有数据的平均测值，Z_末为计算时段末的平滑时长时间段内取值的水位传感器所有数据的平均测值，

上式中，n为选择获取的水位传感器的数据个数，Z_初n和Z_末n表示相应时间段的某一水位传感器测值数据。

具体地，所述步骤S40中根据各个闸门的检修状态分别确定计算时段Δt内的各个闸门的开度的过程为：

获取并判断各个闸门的检修状态，若某闸门为检修状态，则将其开度切换至手动设定虚拟测点，数据归0，并可手动修正，若某闸门为非检修状态，则取当前计算时段Δt内的平均开度A_Δt。以解决检修状态下闸门测值不准的问题。

具体地，所述步骤S40中基于开度依次判断每个闸门的流态，并分别根据相应流态的计算公式确定出每个闸门的出库流量的过程为：

逐一判断各个闸门是否离开水面，若闸门底部高程Z_阐底不小于时段坝前平均水位Z_Δt，Z_闸底+A_Δt≥Z_Δt，则该闸门为堰流形态，根据该闸门类型对应的计算公式计算该闸门的出库流量；若若闸门底部高程Z_闸底小于时段坝前平均水位Z_Δt， Q_闸底+A_Δt＜Z_Δt，则该闸门为孔口出流形态，根据该闸门类型对应的计算公式或三维曲线插值计算该闸门的出库流量。

所述步骤S60中还根据获得的当前计算时段内水电站的平均入库流量，对当前计算时段的前k个时段的时段平均入库值Q_T-1滑、Q_T-2滑、…、Q_T-k滑重新计算，以实时修正时段平均入库值数据保持形成曲线的平滑度，计算公式为：

式中，对于未发生的Q_T+k数据，均取当前计算时段的平均入库流量数据代替。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明针对无入库水文站的水电站可自动判断各运行工况，选择不同的水位传感器参与计算，并对传感器采集的数据进行平滑消除锯齿，防止坝前水位波动造成的库容差流量锯齿效应。并可针对电站正常运行和放空状态自行判断闸孔流态进而自动选择出库计算方式，避免传统水务计算放空过程中无法计算入库流量的情况出现，并进行了滑动滤波处理，消除锯齿，提高了水务计算结果的准确度，为联动防洪预警响应提供更为可靠的依据。

附图说明

图1为本发明-实施例的流程示意图。

图2为本发明-实施例中时段平均入库值曲线的对比示意图。

图3为本发明-实施例中另一水库入库流量比较图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

实施例

如图1所示，该自适应的水电站实时水务计算方法，包括以下步骤：

S10、对水电站的各传感器测值进行判断，判断各个水位传感器的测值是否超出其设定的测值范围，选择在设定测值范围内的指定水位传感器，并按预设的水位传感器顺序进行优先取值获取其数据，处理得到计算时段Δt内的上游水位平均值Z_上及尾水水位平均值Z_尾，进而平均得到毛水头H_毛＝Z_上-Z_尾和平均净水头H_净＝H_毛-H_损，H_损表示水电站水头损失。

S20、计算库容差流量Q_ΔV：获取计算时段初坝前水位平滑值Z_初及计算时段末坝前水位平滑值Z_末，消除水位波动引起的跳变，其中，Z_初为计算时段初的平滑时长时间段内取值的水位传感器所有数据的平均测值，Z_末为计算时段末的平滑时长时间段内取值的水位传感器所有数据的平均测值，设T-Δt表示计算时段初，T表示计算时段末，t_水位平滑表示设定的平滑时长参数，则计算时段初的平滑时长时间段表示为T-Δt-t_水位平滑至T-Δt的时间段，计算时段末的平滑时长时间段表示为T-t_水位平滑至T的时间段，

上式中，n为选择获取的水位传感器的数据个数，Z_初n和Z_末n表示相应时间段的某一水位传感器测值数据。

然后通过水位库容曲线线性插值得到计算时段初库容值V_初和计算时段末库容值V_末，由此得到计算时段Δt内的库容差V_Δt＝V_末-V_初，并计算获得库容差流量

S30、计算机组发电流量Q_发Δt：获取并判断机组状态，若机组为并网状态，则获取计算时段Δt内的平均净水头H_净，通过HNQ曲线插值得到Q_发Δt；若机组为停机状态，则Q_发Δt取为0；若机组为空转状态或空载状态，则Q_发Δt取为指定的空转流量或空载流量。

S40、计算闸门泄流流量Q_闸Δt：

根据各个闸门的检修状态分别确定计算时段Δt内的各个闸门的开度：获取并判断各个闸门的检修状态，若某闸门为检修状态，则将其开度切换至手动设定虚拟测点，数据归0，并可手动修正，若某闸门为非检修状态，则取当前计算时段Δt内的平均开度A_Δt，计算公式为：

式中，n为计算时间段内闸门开度获取数据的个数，A_tn为获取的计算时间段内某一时间点的闸门开度数据。

基于开度依次判断每个闸门的流态，并分别根据相应流态的计算公式确定出每个闸门的出库流量Q_闸iΔt：

逐一判断各个闸门是否离开水面，若闸门底部高程Z_闸底不小于时段坝前平均水位Z_Δt，Z_闸底+A_Δt≥Z_Δt，则该闸门为堰流形态，根据该闸门类型对应的计算公式计算该闸门的出库流量，例如堰流形态下闸门底部脱离水面，此时采用堰流计算公式计算；其中时段坝前平均水位Z_Δt计算公式为：

式中，n为计算时间段内时段坝前水位获取数据的个数，Z_tn为获取的计算时间段内某一时间点的时段坝前水位数据；

若闸门底部高程Z_闸底小于时段坝前平均水位Z_Δt，Z_闸底+A_Δt<Z_Δt，则该闸门为孔口出流形态，根据该闸门类型对应的计算公式或三维曲线插值计算该闸门的出库流量，例如采用相应的平板闸门闸孔出流计算公式、弧形闸门闸孔出流计算公式计算。其中，堰流计算公式、平板闸门闸孔出流计算公式、弧形闸门闸孔出流计算公式等公式属于本领域熟知的计算闸门泄流流量的公式，本发明在此不再赘述。

由此获得闸门泄流流量

m为闸门数。

S50、根据水量平衡公式

获得计算时段Δt内水电站的平均入库流量Q_λΔt＝Q_发Δt+Q_闸Δt+Q_ΔV。

S60、对入库流量进行滚动平滑处理：根据获得的当前计算时段内水电站的平均入库流量，并取当前计算时段前k个时段的平均入库流量数据根据以下公式计算当前计算时段的时段平均入库值Q_T滑：

式中，Q_T为由步骤S50获得的当前计算时段的平均入库流量Q_λΔt，Q_T-k表示当前计算时段前的第k个计算时段的平均入库流量，Q_T+k表示当前计算时段后的第k个计算时段的平均入库流量，对于未发生的Q_T+k数据，取当前计算时段的平均入库流量数据代替；通过当前计算时段的时段平均入库值及其形成的曲线，实时反应入库流量的涨落趋势，用于防洪预警响应。

所述步骤S60中还根据获得的当前计算时段内水电站的平均入库流量，对当前计算时段的前k个时段的时段平均入库值Q_T-1滑、Q_T-2滑、…、Q_T-k滑重新计算，以实时修正时段平均入库值数据保持形成曲线的平滑度，计算公式为：

式中，对于未发生的Q_T+k数据，均取当前计算时段的平均入库流量数据代替。

通过对2k+1点平滑，k的取值大小用于控制平滑的强度，对过去已发生的流量值，在k点后才生成最终值，这一点可保证平滑程度；而对当下时刻的计算值，用当前值代替未来k个时段的计算值，相当于是加强了当前时段的权重，避免过度平滑而失去了对来水趋势的判断。在此平滑方式中，每一个点的计算值，均会在k个计算时段后才会固定下来。

以七点滚动平滑处理为例，此时k＝3，由此对当前计算时段的时段平均入库值Q_T滑及前3个计算时段的时段平均入库值Q_T-1滑、Q_T-2滑、Q_T-3滑进行重新计算：

式中，Q_T为当前计算时段的平均入库流量，T+1表示当前计算时段的后一个计算时段，T-1表示当前计算时段的前一个计算时段。至此3个时段前的滑动平均入库值最终确定，且本时延滑动值由于权重为4/7，在平滑的同时也较准确的反应了流量涨落趋势。

使用该算法获得的实时水务数据可服务于发电企业发电调度、梯级优化调度、发电能力测算，并能在电力市场改革形势下更好的服务于水电现货交易的分钟级发电能力预测，为其提供更加精准可靠数据支持。

如图2所示为某一水库入库流量比较图，图中标号1线条表示常规入库流量、标号2线条表示经本发明计算方法平滑后的入库流量，如图3所示为另一水库入库流量比较图，图中实线表示常规入库流量、虚线表示经本发明计算方法平滑后的入库流量，可以看出：通过该水务计算算法减少了流量波动，使结果其更贴近真实水库电站入库流量，可为发电调度防洪调度提供更为准确的数据支撑。

通过上述过程，本发明避免了传统水务计算放空过程中无法计算入库流量的情况出现，而且本发明通过对过程数据平滑处理和对结果数据滑动滤波处理，消除了数据锯齿效应，提高了水电站实时水务计算结果的准确度，为防洪预警响应提供了更为可靠的数据基础。

上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而做出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种自适应的水电站实时水务计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

S10、获取水电站布设的水位传感器数据，处理得到计算时段Δt内的上游水位平均值Z_上及尾水水位平均值Z_尾，进而得到平均毛水头H_毛＝Z_上-Z_尾和平均净水头H_净＝H_毛-H_损，H_损表示水电站水头损失；

S20、计算库容差流量Q_ΔV：获取计算时段初坝前水位值及计算时段末坝前水位值，通过水位库容曲线线性插值得到计算时段初库容值V_初和计算时段末库容值V_末，由此得到计算时段Δt内的库容差V_Δt＝V_末-V_初，并计算获得库容差流量

S30、计算机组发电流量Q_发Δt：获取并判断机组状态，若机组为并网状态，则获取计算时段Δt内的平均净水头H_净，通过HNQ曲线插值得到Q_发Δt；若机组为停机状态，则Q_发Δt取为0；若机组为空转状态或空载状态，则Q_发Δt取为指定的空转流量或空载流量；

S40、计算闸门泄流流量Q_闸Δt：根据各个闸门的检修状态分别确定计算时段Δt内的各个闸门的开度，基于开度依次判断每个闸门的流态，并分别根据相应流态的计算公式确定出每个闸门的出库流量Q_闸iΔt，由此获得闸门泄流流量

m为闸门数；

S50、根据水量平衡公式

获得计算时段Δt内水电站的平均入库流量Q_入Δt＝Q_发Δt+Q_闸Δt+Q_ΔV；

S60、对入库流量进行滚动平滑处理：根据获得的当前计算时段内水电站的平均入库流量，并取当前计算时段前k个时段的平均入库流量数据根据以下公式计算当前计算时段的时段平均入库值Q_T滑：

式中，Q_T为由步骤S50获得的当前计算时段的平均入库流量Q_入Δt，Q_T-k表示当前计算时段前的第k个计算时段的平均入库流量，Q_T+k表示当前计算时段后的第k个计算时段的平均入库流量，对于未发生的Q_T+k数据，取当前计算时段的平均入库流量数据代替；通过当前计算时段的时段平均入库值及其形成的曲线，实时反应入库流量的涨落趋势，用于防洪预警响应。

2.根据权利要求1所述的自适应的水电站实时水务计算方法，其特征在于，所述步骤S10中获取水电站布设的水位传感器数据前，先判断各个水位传感器的测值是否超出其设定的测值范围，然后选择在设定测值范围内的水位传感器获取数据，并按预设的水位传感器顺序进行优先取值。

3.根据权利要求1所述的自适应的水电站实时水务计算方法，其特征在于，所述步骤S20中获取的计算时段初坝前水位值采用计算时段初坝前水位平滑值Z_初，获取的计算时段末坝前水位值采用计算时段末坝前水位平滑值Z_末，消除水位波动引起的跳变，其中，Z_初为计算时段初的平滑时长时间段内取值的水位传感器所有数据的平均测值，Z_末为计算时段末的平滑时长时间段内取值的水位传感器所有数据的平均测值，

上式中，n为选择获取的水位传感器的数据个数，Z_初n和Z_末n表示相应时间段的某一水位传感器测值数据。

4.根据权利要求1所述的自适应的水电站实时水务计算方法，其特征在于，所述步骤S40中根据各个闸门的检修状态分别确定计算时段Δt内的各个闸门的开度的过程为：

获取并判断各个闸门的检修状态，若某闸门为检修状态，则将其开度切换至手动设定虚拟测点，数据归0，并可手动修正，若某闸门为非检修状态，则取当前计算时段Δt内的平均开度A_Δt。

5.根据权利要求4所述的自适应的水电站实时水务计算方法，其特征在于，所述步骤S40中基于开度依次判断每个闸门的流态，并分别根据相应流态的计算公式确定出每个闸门的出库流量的过程为：

逐一判断各个闸门是否离开水面，若闸门底部高程Z_闸底不小于时段坝前平均水位Z_Δt，Z_闸底+A_Δt≥Z_Δt，则该闸门为堰流形态，根据该闸门类型对应的计算公式计算该闸门的出库流量；若若闸门底部高程Z_闸底小于时段坝前平均水位Z_Δt，Z_闸底+A_Δt＜Z_Δt，则该闸门为孔口出流形态，根据该闸门类型对应的计算公式或三维曲线插值计算该闸门的出库流量。

6.根据权利要求1～5任一项所述的自适应的水电站实时水务计算方法，其特征在于，所述步骤S60中还根据获得的当前计算时段内水电站的平均入库流量，对当前计算时段的前k个时段的时段平均入库值Q_T-1滑、Q_T-2滑、…、Q_T-k滑重新计算，以实时修正时段平均入库值数据保持形成曲线的平滑度，计算公式为：

式中，对于未发生的Q_T+k数据，均取当前计算时段的平均入库流量数据代替。

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