CN116804374A - 基于涌水量预测的多级排水协同控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及煤矿排水监控系统技术领域，公开了一种基于涌水量预测的多级排水协同控制方法，包括以下步骤：1)获取当前时间，并根据设定的参数，确定当前时间所处的峰谷段；2)获取当前水仓的水位；3)根据当前水仓内单位时间的涌水速率，并预测本峰谷时段内的涌水量；4)根据所处峰谷时段，计算出所需开启的水泵数量；5)叠加计算下级泵房已开启排水量所对应需要提前开启的水泵数量；6)结合上级泵房和本级泵房的水位情况，判断是否允许排水。本发明通过读取各个水仓的水位等重要运行数据，结合上级和下级泵房的当前状态，给出允许或禁止本级泵房排水的信号，进而实现对于各级泵房之间的联动控制，以保障整个煤矿井下排水系统在安全稳定的条件下运行。

Description

基于涌水量预测的多级排水协同控制方法

技术领域

本发明涉及煤矿排水监控系统领域，尤其是涉及一种基于涌水量预测的多级排水协同控制方法。

背景技术

现有煤矿井下的泵房排水系统通过改造基本实现了半自动化或者自动化，减轻了作业人员的负担，但是井下各泵房监控系统独立运行，多水平泵房之间无数据交互，难以科学合理进行排水量和排水时间的调度，泵房之间缺少协同控制，缺少联合调度。一旦控制不当，极易造成泵房溢仓事故，轻则造成设备财产损失，重则威胁井下作业人员的生命安全。

同时，现有的泵房排水基本上采用传统的高低水位法来控制水泵的启停。通过水位传感器采集水仓水位，并将水仓水位划分低、高、超高水位。水仓水位达到高水位启动设定数量的水泵，直到水仓水位到低水位则停止水泵；水仓水位达到超高水位则启动所有水泵。这种方法虽然可以起到自动排水的目的，但是忽略了井下涌水量随时间的变化因素，一旦涌水量巨大突变，就有可能造成井下排水安全事故。

发明内容

本发明第一方面所要解决的技术问题是提供了一种基于涌水量预测的多级排水协同控制方法，能够控制水仓水位在低水位和超高水位之间，保障整个煤矿井下排水系统在安全稳定的条件下运行。

为了解决上述技术问题，本发明第一方面提供了一种基于涌水量预测的多级排水协同控制方法，包括以下步骤：

1)获取当前时间，并根据设定的参数，确定当前时间所处的峰谷段；

2)获取当前水仓的水位；

3)根据当前水仓内单位时间的涌水速率，并预测本峰谷时段内的涌水量；

4)根据所处峰谷时段，计算出所需开启的水泵数量；

5)叠加计算下级泵房已开启排水量所对应需要提前开启的水泵数量；

6)结合上级泵房和本级泵房的水位情况，以判断是否允许排水。

优选地，所述水仓的水位包括三档：超高水位H_HH、高水位H_H和低水位H_L，

当水位处于超高水位H_HH时，水仓容纳的总水量为Q_HH；

当水位处于高水位H_H时，水仓容纳的总水量为Q_H；

当水位处于低水位H_L时，水仓容纳的总水量为Q_L。

进一步优选地，当前所述水仓实际所能够容纳的总水量是Q_now；Q_t为单位时间涌水速率对应的涌水量，涌水量Q_t＝当前所述水仓的等效面积×单位时间涌水速率。

进一步优选地，步骤4)中，当处于用电谷段时，适于控制所述水仓内的水位在低水位H_L。

优选地，当处于用电谷段时，获取当前时间至谷段结束时间总计t₁个小时，t₁个小时内的涌水量为Q₁＝Q_t×t₁，获取当前时间下超出低水位线部分的水量为Q₀，计算出谷段结束，峰段到来前总需排出的水量为Q_all＝Q₁+Q₀，每台水泵的排量为q(m³/h)，则需要开泵的数量为qt₁为t₁剩余时间内每台水泵的排水量。

进一步优选地，步骤4)中，当处于用电峰段时，适于控制所述水仓内的水位在超高水位H_HH。

优选地，当处于峰段时，获取当前时间至峰段结束时间总计t₂个小时，t₂个小时内的涌水量为Q₂＝Q_t×t₂，获取检测时水仓中的水量Q_now，计算出峰段结束前最多可容纳的水量为Q_Δ2＝Q_HH-Q_NOW，

当Q₂≤Q_Δ2时，则不开启水泵；

当Q₂＞Q_Δ2，则若不开启水泵，所述水仓的水位会超过超高水位线，此时本级每台水泵的排量为q(m³/h)，则需要开泵的数量为qt₂为t₂剩余时间内每台水泵的排水量。

优选地，步骤4)中，当处于用平段时，所述平段包括：当下一时段为谷段时，适于控制所述水仓内的水位在高水位H_H；当下一时段为峰段时，适于控制所述水仓内的水位在低水位H_L。

优选地，当下一时段为谷段时，获取当前时段开始到平段结束的t₃个小时内预测的涌水量为Q₃＝Q_t*t₃，当前时段内的水仓中的水量为Q_NIW，计算出平段结束前最多可容纳的水量为Q_Δ3＝Q_H-Q_NOW，

若Q₃≤Q_Δ3，则不开启水泵；

若Q₃＞Q_Δ3，则若不开泵水泵，所述水仓的水位会超过高水位线H_H，此时需要对所述水仓进行排水，每台水泵的排量为q(m³/h)，则需要开泵的数量为qt₃为t₃剩余时间内每台水泵的排水量。

进一步优选地，当下一时段为峰段时，获取当前时段开始到平段结束的t₄个小时内预测的涌水量为Q₄＝Q_t*t₄，检测时超出低水位线部分的水量为Q₀，计算出在峰段到来前总共需要排出的水量为Q_all＝Q₄+Q₀，每台水泵的排量为q(m³/h)，则需要开泵的数量为qt₄为t₄剩余时间内每台水泵的排水量。

通过上述优选技术方案，本发明的基于涌水量预测的多级排水协同控制方法通过读取各个水仓的水位等重要运行数据，结合上级和下级泵房的当前状态，给出允许或禁止本级泵房排水的信号，并使得各级泵房的排水有序运行，进而实现对于各级泵房之间的联动控制；同时，通过涌水量预测来判断水泵所构成的泵组的启停时机和排水泵组的数量，控制水仓水位在低水位和超高水位之间，以保障整个煤矿井下排水系统在安全稳定的条件下运行。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

图1为本发明具体实施方式的基于涌水量预测的多级排水协同控制方法的多个泵房之间的连接示意图；

图2为本发明具体实施方式的基于涌水量预测的多级排水协同控制方法的工作流程示意图；

图3本发明具体实施方式的基于涌水量预测的多级排水协同控制方法的多个控制器之间的连接示意图。

附图标记说明：

1、泵房终端控制器；2、协同控制器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”应做广义理解，例如，术语“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或者是一体连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参考图1至图3，本发明具体实施方式的一种基于涌水量预测的多级排水协同控制方法，包括以下步骤：

1)获取当前时间，并根据设定的参数，确定当前时间所处的峰谷段；

2)获取当前水仓的水位；

3)根据当前水仓内单位时间的涌水速率，并预测本峰谷时段内的涌水量；

4)根据所处峰谷时段，计算出所需开启的水泵数量；

5)叠加计算下级泵房已开启排水量所对应需要提前开启的水泵数量；

6)结合上级泵房和本级泵房的水位情况，以判断是否允许排水。

具体地，首先获取当前的时间所处的时间段，确定当前时间的峰谷段，然后对当前水仓的水位进行检测，当前水仓的水位至少分为三挡：超高水位H_HH、高水位H_H和低水位H_L，当水位处于超高水位H_HH时，水仓容纳的总水量为Q_HH；当水位处于高水位H_H时，水仓容纳的总水量为Q_H；当水位处于低水位H_L时，水仓容纳的总水量为Q_L，且当前所述水仓实际所能够容纳的总水量是Q_now；Q_t为单位时间涌水速率对应的涌水量，涌水量Q_t＝当前所述水仓的等效面积×单位时间涌水速率。

参见图2，下面对于峰谷时段所需开启的水泵数量计算进行具体阐述。

当处于用电谷段时，需要控制水仓内的水位在低水位H_L附近。谷段后面是峰段，因此在谷段时需要尽量降低水仓内的水位，以便为峰段留出更多的水仓容量，因此，当所需开启的水泵数量处于谷段时，获取当前时间至谷段结束时间总计t₁个小时，t₁个小时内的涌水量为Q₁＝Q_t×t₁，获取当前时间下超出低水位线部分的水量为Q₀，计算出谷段结束，峰段到来前总需排出的水量为Q_all＝Q₁+Q₀，每台水泵的排量为q(m³/h)，则需要开泵的数量为qt₁为t₁剩余时间内每台水泵的排水量。

而当处于用电峰段时，适于控制所述水仓内的水位在超高水位H_HH。峰段尽量利用水仓容量储水，少启动水泵。此时，处于峰段时，获取当前时间至峰段结束时间总计t₂个小时，t₂个小时内的涌水量为Q₂＝Q_t×t₂，获取检测时水仓中的水量Q_now，计算出峰段结束前最多可容纳的水量为Q_Δ2＝Q_HH-Q_NOW，

当Q₂≤Q_Δ2时，则不开启水泵；

当Q₂＞Q_Δ2，则若不开启水泵，所述水仓的水位会超过超高水位线，此时本级每台水泵的排量为q(m³/h)，则需要开泵的数量为qt₂为t₂剩余时间内每台水泵的排水量。

另外，当处于平段时，平段包括两种情况：下一时段为谷段或下一时段为峰段。

当下一时段为谷段时，获取当前时段开始到平段结束的t₃个小时内预测的涌水量为Q₃＝Q_t*t₃，当前时段内的水仓中的水量为Q_NOW，计算出平段结束前最多可容纳的水量为Q_Δ3＝Q_H-Q_NOW，

若Q₃≤Q_Δ3，则不开启水泵，水位也能维持在高水位以下，以保证有足够的水仓容量等到用电谷段来进行排水。

若Q₃＞Q_Δ3，则若不开泵水泵，水仓的水位会超过高水位线H_H，此时需要对所述水仓进行排水，每台水泵的排量为q(m³/h)，则需要开泵的数量为qt₃为t₃剩余时间内每台水泵的排水量。

当下一时段为峰段时，需要尽量多排水，为下一时间段的峰段空出水仓容量，减少峰段的排水压力。此时控制水仓内的水位在低水位H_L。此时获取当前时段开始到平段结束的t₄个小时内预测的涌水量为Q₄＝Q_t*t₄，检测时超出低水位线部分的水量为Q₀，计算出在峰段到来前总共需要排出的水量为Q_all＝Q₄+Q₀，每台水泵的排量为q(m³/h)，则需要开泵的数量为qt₄为t₄剩余时间内每台水泵的排水量。

虽然上述基于涌水量预测估算启泵台数的方法已经包含了下级泵房排水对本级的水位数值、变化速率的影响，但由于水位相关数值变化有滞后性，会导致预测估算启泵台数反应滞后。因此需要在初步计算出的启动水泵数量上，叠加与下级泵房已开启泵组排量相匹配的本级泵房泵组数量，设定下级已开启泵组的的总排量是Q_x(m³/h)，结合本级单台泵组的排量q(m³/h)，则本级提前开启水泵的数量最多为

另外，计算出最终的需要开启的水泵台数为N+N_Fc，再综合本级和上级水位情况，当上级泵房的水位不在超高水位，本级预测需要打开水泵，则允许打开水泵；当上级泵房的水位在超高水位，本级预测需要打开水泵，本级水位还没到超高水位则暂缓打开水泵；当本级水位也在超高水位了则直接打开水泵，同时发出警报。

通过上述设置，通过水位传感器来读取水位数据、避峰填谷用户设置时间段等重要参数都是通过在泵房中设置终端控制器1，通过在终端控制器1中读取或设置完成，并且还设有协同控制器2，通过多级排水的协同控制器2中来负责发出各泵房的排水允许信号，以协同控制各泵房的运行，并且多级协同控制器2均与各终端控制器1相连，通过上述对于控制逻辑任务的分配，使得各控制器的功能划分更加清晰，数据传递更加简洁。

在本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“一种实施方式”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本发明中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个具体技术特征以任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于涌水量预测的多级排水协同控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)获取当前时间，并根据设定的参数，确定当前时间所处的峰谷段；

2)获取当前水仓的水位；

3)根据当前水仓内单位时间的涌水速率，并预测本峰谷时段内的涌水量；

4)根据所处峰谷时段，计算出所需开启的水泵数量；

5)叠加计算下级泵房已开启排水量所对应需要提前开启的水泵数量；

6)结合上级泵房和本级泵房的水位情况，以判断是否允许排水。

2.根据权利要求1所述的基于涌水量预测的多级排水协同控制方法，其特征在于，所述水仓的水位包括三档：超高水位H_HH、高水位H_H和低水位H_L，

当水位处于超高水位H_HH时，水仓容纳的总水量为Q_HH；

当水位处于高水位H_H时，水仓容纳的总水量为Q_H；

当水位处于低水位H_L时，水仓容纳的总水量为Q_L。

3.根据权利要求1所述的基于涌水量预测的多级排水协同控制方法，其特征在于，当前所述水仓实际所能够容纳的总水量是Q_now；Q_t为单位时间涌水速率对应的涌水量，涌水量Q_t＝当前所述水仓的等效面积×单位时间涌水速率。

4.根据权利要求2所述的基于涌水量预测的多级排水协同控制方法，其特征在于，步骤4)中，当处于用电谷段时，适于控制所述水仓内的水位在低水位H_L。

5.根据权利要求4所述的基于涌水量预测的多级排水协同控制方法，其特征在于，当处于用电谷段时，获取当前时间至谷段结束时间总计t₁个小时，t₁个小时内的涌水量为Q₁＝Q_t×t₁，获取当前时间下超出低水位线部分的水量为Q₀，计算出谷段结束，峰段到来前总需排出的水量为Q_all＝Q₁+Q₀，每台水泵的排量为q(m³/h)，则需要开泵的数量为qt₁为t₁剩余时间内每台水泵的排水量。

6.根据权利要求2所述的基于涌水量预测的多级排水协同控制方法，其特征在于，步骤4)中，当处于用电峰段时，适于控制所述水仓内的水位在超高水位H_HH。

7.根据权利要求1所述的基于涌水量预测的多级排水协同控制方法，其特征在于，当处于峰段时，获取当前时间至峰段结束时间总计t₂个小时，t₂个小时内的涌水量为Q₂＝Q_t×t₂，获取检测时水仓中的水量Q_now，计算出峰段结束前最多可容纳的水量为Q_Δ2＝Q_HH-Q_NOW，

当Q₂≤Q_Δ2时，则不开启水泵；

当Q₂＞Q_Δ2，则若不开启水泵，所述水仓的水位会超过超高水位线，此时本级每台水泵的排量为q(m³/h)，则需要开泵的数量为qt₂为t₂剩余时间内每台水泵的排水量。

8.根据权利要求2所述的基于涌水量预测的多级排水协同控制方法，其特征在于，步骤4)中，当处于用平段时，所述平段包括：当下一时段为谷段时，适于控制所述水仓内的水位在高水位H_H；当下一时段为峰段时，适于控制所述水仓内的水位在低水位H_L。

9.根据权利要求8所述的基于涌水量预测的多级排水协同控制方法，其特征在于，当下一时段为谷段时，获取当前时段开始到平段结束的t₃个小时内预测的涌水量为Q₃＝Q_t*t₃，当前时段内的水仓中的水量为Q_NOW，计算出平段结束前最多可容纳的水量为Q_Δ3＝Q_H-Q_NOW，

若Q₃≤Q_Δ3，则不开启水泵；

若Q₃＞Q_Δ3，则若不开泵水泵，所述水仓的水位会超过高水位线H_H，此时需要对所述水仓进行排水，每台水泵的排量为q(m³/h)，则需要开泵的数量为qt₃为t₃剩余时间内每台水泵的排水量。

10.根据权利要求8所述的基于涌水量预测的多级排水协同控制方法，其特征在于，当下一时段为峰段时，获取当前时段开始到平段结束的t₄个小时内预测的涌水量为Q₄＝Q_t*t₄，检测时超出低水位线部分的水量为Q₀，计算出在峰段到来前总共需要排出的水量为Q_all＝Q₄+Q₀，每台水泵的排量为q(m³/h)，则需要开泵的数量为qt₄为t₄剩余时间内每台水泵的排水量。