СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ УРОВНЯ ВОДЫ В ВОДОХРАНИЛИЩЕ ГЭС
AUTOMATIC REGULATION OF WATER LEVEL OF HEPP WATER RESERVOIR

Предлагаемое изобретение относится к системам автоматического регулирования и предназначено для автоматизации технологических процессов регулирования уровня воды в водохранилище ГЭС посредством управления приводом затвора водосброса.
Согласно установленным правилам эксплуатации гидротехнических сооружений нельзя допускать превышения уровня воды в водохранилище ГЭС выше так называемого форсированного подпорного уровня (ФГГУ) во избежание перелива воды через плотину, а также нельзя допускать снижения уровня воды ниже уровня мертвого объема (УМО), т.к. в этом случае невозможна нормальная работа ГЭС. Уровень воды в водохранилище должен поддерживаться на оптимальной наивысшей отметке водной поверхности водохранилища, называемой нормальным подпорным уровнем (НПУ).
Известны системы регулирования уровня воды в водохранилище (см., например, патент на изобретение №2278922). Функциональные возможности таких систем ограничены - они позволяют лишь в автоматическом режиме препятствовать подъему уровня воды в верхнем бьефе выше установленной отметки за счет специальной конструкции затвора. Невозможность обеспечения плавного регулирования и оперативного изменения уставки уровня воды в водохранилище, при которой происходит срабатывание затвора, обусловливает невысокую точность регулирования.
Прототипом заявляемого технического решения выбрана система автоматического регулирования уровня воды в водохранилище, в частности в водохранилище ГЭС, содержащая датчики уровня воды и объект управления, подключенные к вычислительному устройству, включающему математическую модель [см. статью: Левит-Гуревич Л.К. «Рациональное управление водными ресурсами водохранилищ на примере Волжско-Камского каскада», журнал «Известия Самарского научного центра Российской академии наук», том 14, №1(9), 2012 г., с. 2343-2354, рис. 2-4. Копия прототипа прилагается]. Такая система предназначена для пропуска высоких вод и управления водохранилищем в межень.
Прототип представляет собой систему регулирования стока и управления водными ресурсами водохранилищ, наличие вычислительного устройства в которой позволяет определить параметры, необходимые для обеспечения процесса регулирования. С помощью такой системы достигается высокая точность регулирования уровня воды в водохранилище ГЭС за счет получения и обработки большого объема исходной информации.
Исходными данными для работы системы служат официальные прогнозы бокового притока к водохранилищу, многолетние гидрологические данные суточного притока, годовые данные по водопотреблению и водопользованию и данные об уровне воды в водохранилище на дату расчета. При этом часть исходных данных (например, прогнозы бокового притока) обновляется 1 раз в сутки, что в значительной мере снижает оперативность принятия решений системой регулирования.
Предлагаемое изобретение направлено на решение задачи создания системы автоматического регулирования уровня воды в водохранилище ГЭС, обладающей быстротой реакции на изменение контролируемых параметров с целью оперативного принятия решений по результатам контроля.
Для получения указанного технического результата в системе автоматического регулирования уровня воды в водохранилище ГЭС, содержащей датчики уровня воды и объект управления, подключенные к вычислительному устройству, включающему математическую модель, в качестве объекта управления выбран затвор, снабженный электроприводом и датчиком положения, а математическая модель вычислительного устройства содержит алгоритм расчета среднеквадратичного значения скорости изменения уровня воды в водохранилище.
В качестве контрольных параметров вводятся уровень воды в водохранилище, скорость изменения уровня воды в водохранилище и среднеквадратичная скорость изменения уровня воды в водохранилище, определяемая по общеизвестной математической формуле
,
cp
где V - среднеквадратичная скорость изменения уровня воды в водохранилище;
- скорость (мгновенная) изменения уровня воды в водохранилище;
i
Δx - изменение уровня воды в водохранилище;
i
i
At - промежуток времени, за который произошло изменение уровня воды Δx-;
i - порядковый номер измерения;
n - количество измерений.
Заявителю не известны какие-либо технические решения, обладающие такой же совокупностью признаков, что и заявляемое. Это позволяет сделать вывод о том, что предлагаемое изобретение удовлетворяет условию «новизна».
Благодаря реализации отличительных признаков заявляемого технического решения в совокупности с признаками, общими с прототипом, у заявляемого объекта появляются новые свойства - использование в процессе регулирования данных, полученных с датчиков уровня воды в режиме реального времени, а также возможность вычисления на их основе среднеквадратичного значения скорости изменения уровня воды в водохранилище с заданной частотой дискретизации, позволяют оперативно реагировать на изменения уровня воды в водохранилище, т.е. предлагаемая система является средством быстрого реагирования в случае нештатных ситуаций, например половодий, паводков, что обеспечивает нормальную работу ГЭС в таких ситуациях.
Указанные новые свойства позволяют, по мнению заявителя, считать заявляемый объект удовлетворяющим условию «изобретательский уровень».
Сущность заявляемого изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 изображен общий вид системы автоматического регулирования уровня воды водохранилища ГЭС, на фиг. 2 отдельно показано вычислительное устройство указанной системы.
Система автоматического регулирования уровня воды в водохранилище ГЭС содержит затвор 1 водосброса ГЭС с электроприводом 2. Затвор оснащен датчиком 3 положения. В систему включено вычислительное устройство 4 с входными преобразователями 5, 6, 7, 8 и выходными - 9, 10. При этом датчик 3 положения затвора 1 соединен с вычислительным устройством 4 входным преобразователем 5, а датчики 11 и 12 уровня воды, установленные в верхнем бьефе, связаны с вычислительным устройством 4 входными преобразователями 6 и 7. Через входной преобразователь 8 вычислительное устройство 4 подключено к коммутационному устройству 13, обеспечивающему беспроводную связь с датчиками 14 и 15 уровня воды, которые установлены на гидрометеорологических постах, находящихся выше по течению реки, перед водохранилищем. Через выходные преобразователи 9, 10 вычислительное устройство 4 связано с электроприводом 2 для управления положением затвора 1. К вычислительному устройству 4 подключен интерфейс 16 верхнего уровня с обратной связью.
Предлагаемая система работает следующим образом. В процессе функционирования системы производится наблюдение за уровнем воды в верхнем бьефе водохранилища ГЭС и на гидрометеорологических постах с помощью соответствующих датчиков 11, 12 и 14, 15. На основании полученных с указанных датчиков данных математический аппарат вычислительного устройства 14 по заложенному в нем алгоритму определяет значения мгновенной и среднеквадратичной скоростей изменения уровня воды в водохранилище. Использование последнего из указанных математических параметров (среднеквадратичной скорости изменения уровня воды в водохранилище) в процессе регулирования обеспечивает возможность работы системы на упреждение с последующим принятием решения о формировании команды на управление (открытие/закрытие) затвором 1 с определенной скоростью и выдержкой по времени, зависящих от величины среднеквадратичной скорости изменения уровня воды в водохранилище (чем больше указанный параметр, тем меньше выдержка по времени и выше скорость открытия/закрытия затвора). При этом все измерения и вычисления в системе производятся в режиме реального времени с заданной частотой дискретизации. В данном конкретном примере, для гидроэлектростанции с арочной плотиной и зданием ГЭС берегового типа, находящейся в горном районе, дискретность измерений мгновенной скорости изменения уровня воды в водохранилище составляет 1 миллисекунду, а среднеквадратичной скорости - 1 секунду. Система проверяет состояние затвора (закрытое либо открытое) и при превышении водой отметки НПУ переходит в режим повышенной готовности. После сравнения данных о среднеквадратичной скорости изменения уровня воды в водохранилище, вычисленной по показателям датчиков 11 и 12 в верхнем бьефе, с аналогичными данными, вычисленными по показателям датчиков 14 и 15 на гидрометеорологических постах, система определяет требуемую скорость открытия затвора и необходимое время задержки, достаточной для исключения случайного, либо слишком частого срабатывания системы регулирования. Затем система принимает решение об открытии затвора с определенными ранее параметрами. В ходе процесса регулирования система непрерывно производит мониторинг параметров: положения затвора, уровней воды, исправности элементов системы регулирования. Когда система фиксирует снижение уровня воды ниже НПУ, производится проверка возможности закрытия затвора, при которой система регулирования на основании сравнения данных о средней скорости изменения уровня воды, вычисленных по показаниям датчиков 11 и 12 в верхнем бьефе и 14 и 15-на гидрометеорологических постах, определяет наличие/отсутствие паводка, после чего принимается решение о дальнейших действиях, а именно:
- при отсутствии паводка производится закрытие затвора;
- в зависимости от силы паводка - открытие затвора на большую величину либо активный мониторинг параметров с постоянной готовностью закрыть затвор.
Взаимодействие оператора с предлагаемой системой для возможности внесения корректировок в технологический процесс регулирования, проведения диагностики оборудования и наблюдения за контролируемыми системой параметрами осуществляется через интерфейс 16 верхнего уровня.
Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает нормальную (безопасную) работу ГЭС путем высокоточного плавного регулирования уровня воды в водохранилище, достигаемого за счет быстроты реакции на изменение контролируемых параметров и оперативности принятия решений по результатам контроля.
Предлагаемое техническое решение может быть реализовано с помощью широко известных конструктивных элементов, материалов и технологий, что, по мнению заявителя, свидетельствует о соответствии его условию «промышленная применимость».