CN217710529U - 一种大坝闸门事故应急调节装置系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种大坝闸门事故应急调节装置系统，包括信号采集回路、控制输出回路、电源模块、通信接口、控制器及人机接口，信号采集回路通过输入接口与控制器通讯信连接，控制输出回路通过输出接口与控制器通讯连接，人机接口与人机界面通讯连接。电源模块采用冗余配置。控制器分别与存储器和通信接口通讯连接，通信接口可用于连接现场总线和/或以太网。一种闸门控制方法，包括如下步骤，S1：建立水位‑流量关系模型，S2：建立水位变化率预测模型，S3：建立库区闸门联合调节模型。本实用新型根据水位‑流量关系模型自动控制大坝闸门的开启和关闭，具有响应速度快、调节精度高、应急水平高的特点，强化了预警能力和提高了系统安全性。

Description

一种大坝闸门事故应急调节装置系统

技术领域

本实用新型涉及水利工程闸门控制技术领域，具体涉及一种大坝闸门事故应急调节装置系统。

背景技术

大坝属于水电厂的一种重要水工建筑，通过闸门拦截水位、控制水位、调节流量、排放泥沙和飘浮物等，蓄水抬高上游水位，以满足上游取水或通航的需要，开启闸门，可以泄洪、排涝、冲沙、取水或根据下游用水的需要调节流量，确保大坝的安全并满足综合利用要求，合理利用水资源，发挥大坝的调蓄、发电、防洪减灾等综合效益。

随着计算机与信息技术的快速发展，采用新技术、新设备对整个库区的设备与管理进行现代化改造，进行库区智能化建设，进而实现具有智能化、自动化技术的安全监测及调控手段，可以充分挖掘水库的潜力，提高大坝的可靠性，精细化防治洪涝干旱灾害及水资源综合利用的管理决策水平。

由于对中小型大坝的重视程度不够，其自动化程度普遍不高，依靠人工完成闸门的操作，劳动强度大。某些大坝虽然采用了自动控制，但存在设计不合理，无法自动调节，动作频繁，系统响应不及时，信号迟延，无应急手段等问题。当库区蓄水能力较弱，在丰水期时受雨量及上游来水量的影响，库区水位会发生陡涨等突发事件，此时若闸门无法及时开启，会引起极大安全隐患，甚至造成漫坝等严重事件的发生。

本技术方案针对上述问题，采取一种同步跟踪水位变化，实现大坝闸门正常调节与事故应急调节，提高大坝闸门自动化水平及水工建筑、机组及下游河道的安全，避免因漫坝等对企业造成重大的经济损失和不良的社会影响。因此，现有技术亟待进一步改进和提高。

实用新型内容

针对上述现有技术的不足，本实用新型的目的在于提出一种大坝闸门事故应急调节装置系统，解决现有水库闸门调节方式无法实现自动调节，依靠人工完成闸门的操作，劳动强度大，调节响应不及时，缺乏应急手段，会引起极大安全隐患的问题。

一种大坝闸门事故应急调节装置系统，包括信号采集回路、控制输出回路、电源模块、通信接口、控制器及人机接口，所述信号采集回路通过输入接口与控制器通讯信连接，控制输出回路通过输出接口与控制器通讯连接。

电源模块采用冗余配置，分别与输入接口、输出接口、通信接口、人机接口、控制器、存储器及人机接口电连接。

所述控制器通过人机接口与人机界面的信号端通讯连接。

所述控制器通过数据线与存储器通讯连接，控制器还与通信接口信号连接，通信接口可用于连接现场总线和/或以太网，通信接口支持现场总线和/或以太网与前端设备及后台系统连接。

进一步地，所述信号采集回路分别连接水位计和开度仪的信号端，信号采集回路采集水位计、开度仪以及闸门运行状态数据，并通过输入接口送至控制器。

进一步地，所述输出接口的一端与控制器的输出端通讯连接，其另一端通过控制输出回路与各闸门配置的外围执行机构的信号端通讯连接。

一种闸门控制方法，采用上述一种大坝闸门事故应急调节装置系统，包括如下步骤：

S1：建立水位-流量关系模型

在库区各闸门处分别设置水位-流量观测点，信号采集回路采集各观测点的水位和流量数据，推导出近似的水位和流量的曲线，控制器对各观测点的数据进行累加，计算出同一水位下的出库流量，得到水位-流量关系模型的最优解。

S2：建立水位变化率预测模型，采用如下步骤：

S21、获取水电站机组出口断路器状态、发电负荷、水位、闸门开度的实时信息与历史信息。

S22、根据水位-流量关系模型及BP神经网络预测水库流量变化情况。

S23、对水库水位趋势进行分析预测，绘制预测水位变化趋势图，将实测值与预测值比较，对误差进行修正，进一步完善水位-流量关系模型，用于提高模型预测精度。

S24、结合闸门调节模式，推算闸门调整开度，自动进行闸门开度调整。

S25、闸门调整需要增加下泄流量时，自动联动泄洪应急程序，并推送泄洪预警消息。

S3：根据水位-流量关系模型，建立库区闸门联合调节模型

采用增量水位调节方法，参与调节的闸门为自动方式，设置多个水位梯度阈值，用作闸门上升或下降调节的约束条件，应急调节装置系统根据水位变化率，选择正常调节模式或事故应急调节模式，并根据选择的调节模式控制闸门开度。

进一步地，S1中水位-流量关系模型的建立，包括如下步骤：

S11、稳态库容情况下，分别重复测量各观测点水位和流量，得到多组水位和流量数据。

S12、采用加权平均法求取稳态库容下的各观测点水位-流量值。

S13、寻求各观测点水位-流量数据的内在规律。

S14、从内在规律中求取整个库区水位-流量关系模型的解。

S15、建立水位-流量关系曲线的状态方程与测量方程。

S16、采用卡尔曼滤波算法对水位-流量关系模型的解进行滤波处理，得到水位-流量关系模型的最优解。

进一步地，建立各观测点之间的数学关系，对各观测点水位数据进行处理，使观测点之间互为冗余，当某测量点失效时，将相邻测点水位数据作为该点的系统判据。

进一步地，各观测点流量计算方式如下：

库区蓄水量：ΔS＝Q_入-Q_出，忽略库区的蒸发量和渗流量；

出库流量：Q_出＝(Q₁+Q₂+……+Q_n)，n为观测的数量；

在某一稳定工况下，设当前库容为稳态库容，稳态库容由基础库容和增量库容组成，此时ΔQ_入＝ΔQ_出，ΔQ_入是入库流量，ΔQ_出是出库流量；当工况变化后，形成另一个稳态库容；。

稳态库容水量S：S＝S_基础+ΔQ_增量，

其中，S_基础是基础库容水量，ΔQ_增量增量库容水量；

各观测点流量公式：

其中，Q_n是某个观测点的流量，μ_O是流量系数，一般取μ_O＝0.6，b是闸门宽度，e是闸门开度，g是重力加速度，h是水位高度，闸门开度由开度仪实际测量得到，水位高度由水位计实际测量得到。

进一步地，参与调节的闸门采用N+1模式，调节过程中，出现应急调节装置系统故障或闸门荷重越限状况时，应急调节装置系统停止调节闸门开度，保持当前状态，触发故障报警，并自动轮换至备用闸门，也可以采取手动应急调节措施，手动与自动调节模式互为备用。

控制器自动比较实测水位与应急调节装置系统设置的梯度水位，根据差值确定闸门动作方向，控制器计算需调节开度的总需量，将总需量分配给所参与调节的闸门。

用每孔闸门当前开度加上计算分配的开度，再完成闸门的上升或下降的动作调节，当某孔闸门退出调节，则根据余下闸门重新分配开度。

进一步地，闸门开度总需量≦参与调节闸门在全开状态下的开度之和。

水位超过水位梯度阈值时，提升闸门增大开度，水位低于水位梯度阈值时，下降闸门减少开度；阈值范围根据闸门调节模式设定，以满足不同运行方式需要。

闸门动作方向的计算公式：K＝H_实测-H_梯度，

其中，K为闸门动作方向，H_实测为实际测量的库区水位，H_梯度为系统设置的上限水位阈值。

当K>0，减少闸门开度，闸门下降，当K<0，增加闸门开度，闸门上升。

进一步地，应急调节装置系统通过其人机界面可设定多个水位梯度阈值，分别为H₁、H₂、……H_m-1、H_m，其中H₁<H₂<……H_m-1<H_m。

当水位高度>H₁时，提升1#闸门，水位继续上涨，其高度超过H₂时，加大1#闸门开度至全开，并开启2#闸门，以此类推，直至所有参与调节的闸门全开。

反之，当水位高度<H_m并继续下降，减少1#闸门开度至关全；当水位高度<H _m-1并继续下降，减少2#闸门开度至全关，以此类推，直至所有参与调节的闸门全关。

通过采用上述技术方案，本实用新型的有益技术效果是：本实用新型提出的大坝闸门事故应急调节装置系统，实现对大坝闸门自动控制及水库库容的应急调节，具有响应速度快、调节精度高、稳定可靠、适应性强等特点，大坝闸门自动调节能力强，极大提高了大坝安全性，解决了现有大坝闸门无法实现自动调节，依靠人工完成闸门的操作，劳动强度大，调节响应不及时，缺乏应急手段等诸多弊端。

附图说明

图1是本实用新型的一种大坝闸门事故应急调节装置系统的结构原理的示意图。

图2是本实用新型的水位-流量曲线示意图。

图3是本实用新型的水位-流量预测模型的流程表示图。

图4是本实用新型的水位变化率预测模型的流程表示图。

图5是本实用新型的闸门联合调节模型的流程表示图。

图6是本实用新型的闸门应急调节原理的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行详细说明：

实施例1，结合图1，一种大坝闸门事故应急调节装置系统，包括信号采集回路、控制输出回路、电源模块4、通信接口3、控制器6及人机接口5，所述信号采集回路通过输入接口1与控制器6通讯信连接，控制输出回路通过输出接口2与控制器6通讯连接。输入接口1可用于采集系统所需的开关量与模拟量，采集水位、闸门开度、系统运行状态等信息。

信号采集回路采集开关量与模拟量信号。开关量包括系统、闸门、传感器、电源模块的运行及故障状态；模拟量包括库区各监测点水位、流量。具体地，所述信号采集回路分别连接水位计和开度仪的信号端，信号采集回路采集水位计、开度仪以及闸门运行状态数据，并通过输入接口送至控制器6。

电源模块4采用冗余配置，由两套独立电源组成,主用电源损坏时,自动切换备用电源。电源模块4分别与输入接口1、输出接口2、通信接口3、人机接口5、控制器6及存储器7电连接，工作状态下为调节装置系统提供工作及操作电源。

所述控制器6通过数据线与存储器7通讯连接，输入接口1采集的数据送入存储器7存储，控制器6与存储器7相连，控制器6对信息进行加工。控制器6为调节装置系统的核心，完成信号处理、流程管理、程序控制、模型计算、策略选择及控制指令输出等功能。

控制器6还与通信接口3信号连接，通信接口3可用于连接现场总线和/或以太网，通信接口支持现场总线和/或以太网与前端设备及后台系统连接。能够根据需要扩展无线通信方式，协议采用工业现场通用协议，满足了兼容性及适应性。通信接口4与控制器6接口，实现与调节装置系统内部以及调节装置系统与外部设备之间的通讯互连、数据传输，实现信息共享及协同支持。

所述输出接口2的一端与控制器6的输出端通讯连接，其另一端通过控制输出回路与各闸门配置的外围执行机构的信号端通讯连接，按照控制逻辑完成闸门调节、信号上送。

所述控制器6通过人机接口5与人机界面的信号端通讯连接，人机界面提供人机交互、数据查询及系统状态显示等功能。

实施例2，结合图1至图6，一种闸门控制方法，采用上述一种大坝闸门事故应急调节装置系统，包括如下步骤：

S1：建立水位-流量关系模型

借鉴HBV水量平衡模型，用实测值和历史数据推算并绘制水位-流量关系曲线。水位与库容成正相关，库容与入库流量、机组发电、闸门泄流、生态流量等有联系，特别地，当库区调蓄能力较弱时，受雨量及上游来水量的影响，库区水位会发生陡涨，泄洪闸开启时，水位变化较大，为减少水位波动带来的计算误差，采用对数最小二乘法及卡尔曼滤波算法对实测的瞬时水位作均值化处理，并结合实测值、历史数据对流量曲线进行误差校正，使其无限逼近真实值，提高流量变化预测准确性。

在库区设立入库流量、发电流量、闸门泄流量、生态流量、水位-流量观测点，实测各观测点的一组水位-流量数据，信号采集回路采集各观测点的水位和流量数据，推导出近似的水位和流量的曲线，绘制出如图2所示的水位-流量曲线图。控制器对各观测点的数据进行累加，计算出同一水位下的出库流量，得到水位-流量关系模型的最优解。进一步地，建立各观测点之间的数学关系，对各观测点水位数据进行处理，使观测点之间互为冗余，当某测量点失效(传感器或回路故障)时，将相邻测点水位数据作为该点的系统判据。

各观测点流量计算方式如下：

库区蓄水量：ΔS＝Q_入-Q_出，忽略库区的蒸发量和渗流量；

出库流量：Q_出＝(Q₁+Q₂+……+Q_n)，n为观测的数量；

在某一稳定工况下，设当前库容为稳态库容，稳态库容由基础库容和增量库容组成，此时ΔQ_入＝ΔQ_出，ΔQ_入是入库流量，ΔQ_出是出库流量；当工况变化后，形成另一个稳态库容；。

稳态库容水量S：S＝S_基础+ΔQ_增量，

其中，S_基础是基础库容水量，ΔQ_增量增量库容水量；

各观测点流量公式：

其中，Q_n是某个观测点的流量，μ_O是流量系数，一般取μ_O＝0.6，b是闸门宽度，e是闸门开度，g是重力加速度，h是水位高度，闸门开度由开度仪实际测量得到，水位高度由水位计实际测量得到。

结合图3所示，水位-流量关系模型的建立，包括如下步骤：

S11、稳态库容情况下，分别重复测量各观测点水位和流量，得到多组水位和流量数据。

S12、采用加权平均法求取稳态库容下的各观测点水位-流量值。

S13、寻求各观测点水位-流量数据的内在规律。

S14、从内在规律中求取整个库区水位-流量关系模型的解。

S15、建立水位-流量关系曲线的状态方程与测量方程。

S16、采用卡尔曼滤波算法对水位-流量关系模型的解进行滤波处理，得到水位-流量关系模型的最优解。

S2：建立水位变化率预测模型

结合图4所示，具体地，水位变化率预测模型的建立，采用如下步骤：

S21、获取水电站机组出口断路器状态、发电负荷、水位、闸门开度的实时信息与历史信息。

S22、根据水位-流量关系模型及BP神经网络预测水库流量变化情况。

S23、对水库水位趋势进行分析预测，绘制预测水位变化趋势图，将实测值与预测值比较，对误差进行修正，进一步完善水位-流量关系模型，用于提高模型预测精度。

S24、结合闸门调节模式，推算闸门调整开度，自动进行闸门开度调整。

S25、闸门调整需要增加下泄流量时，自动联动泄洪应急程序，并推送泄洪预警消息。

具体地，结合如图6所示的闸门应急调节流程，控制器综合水位预测值，结合断路器状态、机组出力(负荷)、水位、闸门升降模式、历史数据等约束、判断条件，进行水位-流量模型、水位变化率计算，得出最优解后，根据阈值条件触发闸门的自动及应急调节，并根据实测值不断修正预测水位，提高系统的可靠性。

S3：根据水位-流量关系模型，建立库区闸门联合调节模型，结合图5所示。

多闸门联合调度是在实际河道、水渠中经常采用的一种控制水量或水位的运行方式，闸门调节通常采用的方法有顺序控制法、同步控制法和时序控制法。此实施例结合上述调节方法，采用增量水位调节方法，参与调节的闸门为自动方式，设置多个水位梯度阈值(上升梯度、下降梯度)，用作闸门上升或下降调节的约束条件，应急调节装置系统根据水位变化率，选择正常调节模式或事故应急调节模式，并根据选择的调节模式控制闸门开度。

进一步地，参与调节的闸门采用N+1模式，调节过程中，出现应急调节装置系统故障或闸门荷重越限状况时，应急调节装置系统停止调节闸门开度，保持当前状态，触发故障报警，并自动轮换至备用闸门，也可人工干预并采取手动应急调节措施。

控制器自动比较实测水位与应急调节装置系统设置的梯度水位，根据差值确定闸门动作方向，控制器计算需调节开度的总需量，将总需量分配给所参与调节的闸门。

用每孔闸门当前开度加上计算分配的开度，再完成闸门的上升或下降的动作调节，当某孔闸门退出调节，则重新分配开度。

进一步地，闸门开度总需量≦参与调节闸门在全开状态下的开度之和。

水位超过水位梯度阈值时，提升闸门增大开度，水位低于水位梯度阈值时，下降闸门减少开度；阈值范围根据闸门调节模式设定，以满足不同运行方式需要。

闸门动作方向的计算公式：K＝H_实测-H_梯度，

其中，K为闸门动作方向，H_实测为实际测量的库区水位，H_梯度为系统设置的上限水位阈值。

当K>0，减少闸门开度，闸门下降，当K<0，增加闸门开度，闸门上升。

进一步地，应急调节装置系统通过其人机界面可设定四个水位梯度阈值，H₁、H₂、H₃、H₄，其中H₁<H₂<H₃<H₄。当水位>H₁时，提升1#闸门，水位继续上涨，超过H₂时，加大1#闸门开度至全开，并开启2#闸门，以此类推，直至所有参与调节的闸门全开。

当水位高度>H₁时，提升1#闸门，水位继续上涨，其高度超过H₂时，加大1#闸门开度至全开，并开启2#闸门，以此类推，直至所有参与调节的闸门全开。

反之，当水位高度<H₄并继续下降，减少1#闸门开度至关全；当水位高度<H₃并继续下降，减少2#闸门开度至全关，以此类推，直至所有参与调节的闸门全关。

闸门开启顺序及所分配的开度、预置参数，根据运行方式及水位上涨率而定

本实用新型中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

当然，上述说明并非是对本实用新型的限制，本实用新型也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本实用新型的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本实用新型的保护范围。

Claims (3)

1.一种大坝闸门事故应急调节装置系统，其特征在于，包括信号采集回路、控制输出回路、电源模块、通信接口、控制器及人机接口，所述信号采集回路通过输入接口与控制器通讯信连接，控制输出回路通过输出接口与控制器通讯连接；

电源模块采用冗余配置，分别与输入接口、输出接口、通信接口、人机接口、控制器、存储器及人机接口电连接；

所述控制器通过人机接口与人机界面的信号端通讯连接；

所述控制器通过数据线与存储器通讯连接，控制器还与通信接口信号连接，通信接口可用于连接现场总线和/或以太网。

2.根据权利要求1所述的一种大坝闸门事故应急调节装置系统，其特征在于，所述信号采集回路分别连接水位计和开度仪的信号端，信号采集回路采集水位计、开度仪以及闸门运行状态数据，并通过输入接口送至控制器。

3.根据权利要求1所述的一种大坝闸门事故应急调节装置系统，其特征在于，所述输出接口的一端与控制器的输出端通讯连接，其另一端通过控制输出回路与各闸门配置的外围执行机构的信号端通讯连接。

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