Способ автоматического регулирования уровня воды в водохранилище ГЭС Российский патент 2024 года по МПК G05D9/12 

Предлагаемое изобретение относится к области автоматического регулирования и предназначено для автоматизации технологических процессов регулирования уровня воды в водохранилище ГЭС с помощью регулирования привода затвора водосброса.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ регулирования уровня воды в водохранилище (патент RU 2629456, G05D 912, G06G 7/50, G06F 17/10, 29.08.2017), заключающийся в том, что в процессе регулирования уровня воды в водохранилище ГЭС производится снятие показаний с датчиков уровня воды в верхнем бьефе водохранилища, после чего данные отправляются на вычислительное устройство, запрограммированное на расчет среднеквадратичного значения скорости изменения уровня воды в водохранилище, затем, исходя из полученных расчетов, подается команда на открытие/закрытия затвора водосброса с помощью электропривода.

Следует отметить, что датчики уровня воды в водохранилище присутствуют только в верхней части бьефа, несмотря на возможность наполнения/обмеления нижнего бьефа водохранилища вследствие изменения расхода воды (на мелиорацию, ЖКХ и т.д.) и/или естественных факторов колебаний уровня воды на нижнем бьефе, т.е. вне зависимости от режима пропуска воды с верхнего бьефа. Кроме этого, недостатком системы является ограниченность её применения, а именно, как отмечается в описании к патенту, исключительно в рамках быстрого регулирования уровня воды в случае нештатных ситуаций, например, половодий и паводков. Таким образом, система, выбранная в качестве прототипа, не может использоваться для эффективного заблаговременного ослабления последствий указанных ситуаций, т.к. подразумевает управление затвором водосброса ГЭС с минимальным упреждением только на основе данных, получаемых в режиме реального времени.

Последнее зачастую обуславливает проблему холостых сбросов воды при сильных паводках, что само по себе затрудняет эффективное функционирование ГЭС. Практика холостых сбросов воды в нижний бьеф (мимо турбин) является вынужденной мерой в случае превышения расхода притока воды по отношению к максимальному расходу воды через ГЭС, величина которого определяется исходя из ограничений по допустимой мощности генераторов, пропускной способности турбин, а также пределу передаваемой по линиям электропередачи мощности. Несоответствие перечисленных величин ГЭС и параметров речного стока приводит к массовым холостым сбросам воды и снижению энергетической эффективности станции.

Задачей предлагаемого способа является совершенствование регуляторной функции и роста энергоэффективности ГЭС за счёт минимизации холостых сбросов воды и снижения отрицательных эффектов, свойственным изолированным энергосистемам.

Технический результат – повышение плавности и точности регулирования расхода воды и режима водопотребления.

Технический результат достигается тем, что в способе автоматического регулирования уровня воды в водохранилище ГЭС, заключающемся в том, что в процессе регулирования уровня воды в водохранилище ГЭС производится снятие показаний с датчиков уровня воды в верхнем бьефе водохранилища, после чего данные отправляются на вычислительное устройство, запрограммированное на расчет среднеквадратичного значения скорости изменения уровня воды в водохранилище, затем, исходя из полученных расчетов, подается команда на открытие/закрытия затвора водосброса с помощью электропривода, при этом датчики уровня воды находятся также в нижнем бьефе водохранилища, а также снимаются показания с дополнительных датчиков температуры воздуха, уровня осадков, уровня снежного покрова, влагосодержания почв, глубины промерзания, испарения воды, расхода притока, водопотребления, размещенных по обеим сторонам дамбы водохранилища, при этом вычислительное устройство выполнено в виде ЭВМ, запрограммированной также на расчет необходимых времени и угла открытия затвора водосброса на основании данных, генерируемых нейронным процессором, которым оснащается ЭВМ для формирования прогноза уровня воды в водохранилище и расхода притока водохранилища, исходя из информации от всех датчиков.

Таким образом, за счёт использования данных с дополнительно введенных датчиков, нейронным процессором ЭВМ производится расчет сработки-наполнения водохранилища с упреждением на определённый период времени, по итогам которого формируется уточненный прогноз уровня воды в водохранилище и расхода притока водохранилища, который приводит к минимизации холостых сбросов воды, а, как следствие, повышается плавность и точность регулирования расхода воды и режима водопотребления.

Сущность заявляемого способа иллюстрируется чертежом, на котором изображен общий вид системы автоматического регулирования уровня воды водохранилища ГЭС.

Способ автоматического регулирования уровня воды в водохранилище ГЭС заключается в предварительном снятии показаний с климатических и водных датчиков. Климатические датчики: температуры воздуха 1, уровня осадков 2, уровня снежного покрова 3, влагосодержания почв 4, глубины промерзания 5, которые удалены друг от друга и размещены на берегу реки. Водные датчики: испарения воды 6, находящиеся на поверхности воды, уровня воды 7, расхода притока 8 и водопотребления 9, размещенные под водой. Все датчики, климатические и водные, размещены по обеим сторонам дамбы (располагается не менее одного датчика каждого типа выше и не менее одного датчика каждого типа ниже по течению реки относительно дамбы).

Датчики 1-9 соединены с нейронным процессором 10, которым оснащается ЭВМ 11 для формирования прогноза уровня воды в водохранилище и расхода притока водохранилища, исходя из информации от датчиков 1-9 и фиксируемой ЭВМ 11 динамики изменения электрических нагрузок в энергосистеме. ЭВМ 11 запрограммирован на расчёт необходимых времени и угла открытия затвора водосброса 12 на основании данных, генерируемых нейронным процессором 10. Электропривод 13 связан с ЭВМ 11 для непосредственного воздействия на затвор водосброса 12 (его открытия или закрытия).

Способ автоматического регулирования уровня воды в водохранилище ГЭС реализуется следующим образом.

Датчики температуры воздуха 1, уровня осадков 2, уровня снежного покрова 3, влагосодержания почв 4, глубины промерзания 5, испарения воды 6, уровня воды 7, расхода притока 8 и водопотребления 9 формируют массив соответствующих данных для передачи на нейронный процессор 10, которым оснащается ЭВМ 11. Нейронный процессор 10 эмулирует искусственную нейронную сеть (например, персептронной конфигурации), обученную на прогнозирование с заданным горизонтом в N дней расхода притока водохранилища, а также уровня воды. Нейронный процессор 10 выполняет прогноз, фактически аппроксимируя функции изменения двух параметров – уровня воды в водохранилище и расхода притока водохранилища – на основе информации, полученной по каналам передачи данных от датчиков 1-9, а также аккумулированной ЭВМ 11 информации о динамике изменения электрических нагрузок в энергосистеме.

Таким образом, нейронный процессор 10 работает (эмулирует искусственную нейронную сеть (ИНС), т.е. воспроизводит функционирование упрощённой математической модели биологической нейронной сети программным или аппаратным образом) в режимах обучения ИНС, а также опроса обученной ИНС для прогнозирования значений упомянутых двух параметров и переобучения ИНС после сравнения спрогнозированного ею значения с реально зафиксированным. В режимах обучения и переобучения (повторного обучения) исполняющаяся на ЭВМ 11 программа собирает массивы информации, соотнося входные данные (с датчиков 1-9 и фиксируемые ЭВМ 11 электрические нагрузки в энергосистеме) с реально зарегистрированными значениями каждого из двух выходных параметров (уровня воды в водохранилище и расхода притока водохранилища). Полученные таким способом массивы именуются в теории нейроинформатики «учебники» (переобучение подразумевает постоянное обновление «учебников» с течением времени). Далее с использованием стандартных алгоритмов (например, алгоритма, основанного на методе обратного распространения ошибки) нейронный процессор 10 выполняет обучение, т.е. корректировку весов синаптических связей ИНС, после чего по достижении допустимой погрешности (непрерывно сравнивая выходное значение, отражённое в «учебнике», с тем значением, которое сгенерировала ИНС) прекращает обучение. После этого нейронный процессор 10 выполняет опрос обученной ИНС на предмет будущих значений каждого из двух параметров (уровня воды в водохранилище и расхода притока водохранилища) на основе текущих входных данных, т.е. осуществляет прогнозирование с заданным упреждением в N дней. По мере того, как регистрируются реальные значения этих двух прогнозируемых параметров (т.е. по мере приближения к дате прогноза), возникает возможность сравнения реальных и сгенерированных ИНС значений, а также обновления «учебника» и переобучения ИНС.

При прогнозе, сформированном нейронным процессором 10, согласно которому через N дней уровень воды в водохранилище может превысить ФПУ, а расход притока водохранилища превысит максимальный уровень расхода воды через турбины, ЭВМ 11 осуществляет расчёт поэтапного, плавного (по каждому из N дней до паводка) нарастания сработки воды, т.е. решая задачу определения водноэнергетического и воднохозяйственного режима сработки-наполнения водохранилища с упреждением. После чего ЭВМ 11 с учётом средней погрешности прогнозирования, выполненного нейронным процессором 10, подаёт соответствующую команду на электропривод 13 затвора водосброса 12 с целью увеличения пропуска воды и увеличения мощности, генерируемой электростанцией. На каждый из последующих дней до прогнозируемого паводка эмулируемая нейронным процессором 10 искусственная нейронная сеть сдвигает окно прогнозирования также на один день и выполняет новый (уточнённый) прогноз указанных выше двух параметров, корректируя предыдущий план сработки воды до паводка, в результате чего ЭВМ 11 подаёт очередную команду на электропривод 13 затвора 12. Таким образом, реализуется плавное регулирование уровня воды в водохранилище до паводка во избежание резких сбросов воды в процессе паводка, а вместо направления воды мимо турбин (холостых сбросов) количество генерируемой электроэнергии также плавно возрастает.

Во время паводка агрегаты в верхнем бьефе водохранилища ГЭС работают аналогично агрегатам в нижнем бьефе. В предлагаемом способе контроля уровня воды осуществляется мониторинг уровня воды в водохранилище посредством датчиков 1-9. Полученные данные обрабатываются математическим аппаратом ЭВМ 11, который использует заложенный в нем алгоритм для определения мгновенной v_i (в i-й момент времени) и среднеквадратичной v_ср скоростей изменения уровня воды в водохранилище. Данный алгоритм заключается в выполнении расчётов по формулам:

$$v_{\text{ср}}=\sqrt{\frac{v_i^2+v_{i+1}^2+\mathrm{...}+v_n^2}{n}}$$ ,

$$v_i=\underset{\Delta t_i\to 0}{\lim }\frac{\Delta x_i}{\Delta t_i}$$ ,

где Δx_i – изменение уровня воды в водохранилище за промежуток времени Δt_i; n – количество измерений.

Таким образом, ЭВМ 11, оснащенное нейронным процессором 10, является источником информации и выполняет функции обработки данных. Далее она рассчитывает скорость изменения уровня воды в водохранилище и принимает решение о регулировании затвора 12. Для этого используется параметр среднеквадратичной скорости изменения уровня воды, который определяет скорость открытия/закрытия затвора. При большей среднеквадратичной скорости изменения уровня воды, выдержка по времени будет меньше, а скорость открытия/закрытия затвора будет выше. Наряду с этим, использование этого параметра обеспечивает возможность работы системы на краткосрочное упреждение с последующим принятием решения о генерировании команды на управление затвором. Если уровень воды превышает отметку НПУ, система переходит в режим повышенной готовности и проверяет состояние затвора 12. После анализа данных о среднеквадратичной скорости изменения уровня воды в водохранилище, вычисленной по показателям датчиков в бьефах, в ЭВМ 11 определяется требуемая скорость открытия затвора 12 и необходимое время задержки для исключения случайного или слишком частого срабатывания системы регулирования. Вслед за этим ЭВМ 11 подает сигнал об открытии затвора 12 с определенными ранее параметрами. На протяжении регулирования беспрерывно производится мониторинг параметров: уровня воды в разных точках, баланс прихода и расхода воды, исправности элементов системы регулирования. Когда с помощью системы устанавливается снижение уровня воды ниже НПУ, осуществляется проверка возможности закрытия затвора 12, при которой в системе регулирования определяется наличие или отсутствие паводка, сравнивая данные о средней скорости изменения уровня воды, вычисленные по показаниям датчиков в бьефах. Если с помощью системы в момент паводка обнаруживается угроза для прибрежных территорий, она автоматически открывает затвор 12 на максимальную величину для быстрого сброса излишнего количества воды из водохранилища. Если с помощью системы определяется, что открытие затвора 12 на максимальную величину необходимо, но может привести к негативным последствиям, например, к разрушению дамбы или подтоплению населенных пунктов, то система может принять решение о постепенном открытии затвора 12 с задержкой времени для предотвращения катастрофических последствий. В процессе работы системы непрерывно производится мониторинг положения затвора 12, уровня воды в разных точках и исправность элементов системы регулирования. При неисправности какого-либо элемента системы регулирования, система автоматически переходит в режим аварийной остановки, чтобы предотвратить возможные аварии и катастрофы. Взаимодействие оператора с предлагаемой системой для возможности внесения корректировок в технологический процесс регулирования, проведения диагностики оборудования и наблюдения за контролируемыми системой параметрами осуществляется через ЭВМ 11.

Таким образом, в способе автоматического регулирования уровня воды в водохранилище ГЭС за счёт минимизации холостых сбросов воды и снижения отрицательных эффектов, свойственным изолированным энергосистемам, обеспечивается повышение плавности и точности регулирования расхода воды и режима водопотребления.

Изобретение относится к области автоматического регулирования уровня воды в водохранилище ГЭС. Технический результат – повышение плавности и точности регулирования расхода воды и режима водопотребления. Технический результат достигается за счет того, что снимаются показания с датчиков уровня воды в верхнем и нижнем бьефах водохранилища, датчиков температуры воздуха, уровня осадков, уровня снежного покрова, влагосодержания почв, глубины промерзания, испарения воды, расхода притока, водопотребления, размещенных по обеим сторонам дамбы водохранилища. После чего данные отправляются на ЭВМ для расчета среднеквадратичного значения скорости изменения уровня воды в водохранилище, необходимого времени и угла открытия затвора водосброса и подается команда на открытие/закрытия затвора водосброса с помощью электропривода. 1 ил.

Способ автоматического регулирования уровня воды в водохранилище ГЭС, заключающийся в том, что в процессе регулирования уровня воды в водохранилище ГЭС производится снятие показаний с датчиков уровня воды в верхнем бьефе водохранилища, после чего данные отправляются на вычислительное устройство, запрограммированное на расчет среднеквадратичного значения скорости изменения уровня воды в водохранилище, затем, исходя из полученных расчетов, подается команда на открытие/закрытие затвора водосброса с помощью электропривода, отличающийся тем, что датчики уровня воды находятся также в нижнем бьефе водохранилища, а также снимаются показания с дополнительных датчиков температуры воздуха, уровня осадков, уровня снежного покрова, влагосодержания почв, глубины промерзания, испарения воды, расхода притока, водопотребления, размещенных по обеим сторонам дамбы водохранилища, при этом вычислительное устройство выполнено в виде ЭВМ, запрограммированной также на расчет необходимых времени и угла открытия затвора водосброса на основании данных, генерируемых нейронным процессором, которым оснащается ЭВМ для формирования прогноза уровня воды в водохранилище и расхода притока водохранилища, исходя из информации от всех датчиков.