南水北调中线工程输水调度初始控制策略研究

ｌ
同。 由此 得虚 斜线 的斜 率 ｋ 为
（） ２
＝一 （———— 一 ２Ｉ —－—— ——ｋ—一 ＝
：
１
） Ｑ 一（ ｊ ｊ ｆ。一㈨ （， ． 。 ， ．
／ Ｉ ｕ 【 ｌ ／
（ ６）
反算得
式中，： ｋ 为下 游 段 节 制 闸流 量 变 化 斜 率 ；：为下 游 段 与渠段 分水 口ｆ 流量 过程 之 和变化 斜率 。 － ｉ 据此 ， 渠段 蓄水 体 积 的变 化 应 为 图 ２中 虚 线 与上 游端 节制 闸 的流量 过程线 围成 的面积 ，即
， ｃｌ ／ ￣２
ｋ 过 缓 、： 陡 ， 至 于 上 游 端 节 制 闸 流 量 改 变 需 要 的 。 ｋ过 以
时 间 大大超 过 下游 端节 制 闸流 量 改 变 所 需 的 时 间 。 但 ｋ 受 上游 渠段 水 位 降速 限制 ， 能再 陡 ， ． 不 因此 ， 问题 的 症 结 是下 游端 节 制 闸关 闭 过快 。 理 的 方 法 为减 缓 下 处 游 端 节制 闸 的关 闭速度 ， 即放 缓 ｋ ， Ｔ 令 ＝０， 相应 的
黄 会 勇 ， 子 慧 范 杰 ， 文 耀 吴 泽 宇 刘 ， 毛 ，
（ ． 江 勘 测 规 划设 计 研 究 院 规 划 处 ， 北 武 汉 ４ ０ １ ； ２ 中 国水 利 水 电科 学 研 究 院 水 资 源 研 究所 ， 京 １０ ３ ） １长 湖 ３ ０ ０ ． 北 ００ ８
摘 要 ： 水 北 调 中 线 工 程 输 水 干 线 由 ６ 个 节制 闸控 制 水 流 。根 据 各 渠 段 内进 出流 量 及 渠 道 内初 末 状 态 体 积 南 １
的 变化 ， 以将 调 度 过 程 中各 渠 道 的 流 量 体 积 变化 归 纳 为 关 闭 充 水 、 闭泄 水 、 启 充 水 、 可 关 开 开启 泄水 ４种 情 况 。
Ｏ
ｍ
标状 态 的 流量 、 水位 、 渠道 水 体体 积 等 条 件 ， 步 制 订 初
节制 闸流量 变化 过 程 及 闸 门 开度 变 化 过 程 ， 为 初 始 称 控制 策 略 ； 另一 部 分是 根据 渠道 水力 响应 的实 测状 态 ， 对过 闸流量 及 闸 门开 度进 行 修 正 ， 以保 证 节 制 闸流 量 变化 过 程 与初 始控 制 策 略 制 定 的流 量 过 程 一 致 ， 为 称
（） １
式 中 ， 、 Ｑ Ｑ Ｑ 分 别为 渠段上 、 游节 制 闸初 始过 闸 下
流量 、 目标 过 闸流量 及 某 一 时刻 过 闸 流 量 ， ｉ＝ １为 上 游端 闸 ， ｉ＝２为下游 端 闸 ； ｔ ｔ 别 为上 、 游节 制 ｔ 分 、 下 闸流 量开 始调 整时 刻 、 量 调整 完 成 时 刻及 流 量 调 整 流
一 ＝ｑ （ ＋Ｔ ） Ｑ。 － ｂ （ 。一Ｑ 。 ）
其中，
＝ 一
１＝ — — — — —２＿ — — （ —Ｑ — — — ■ — — 一 — — — Ｑ — — Ｖ— ＝ ｋ ｏ — 。 一 。 ） ＋ ： （ 一 ）
【Ｊ ，
求得 、 后 ， 渠段 下 游 端 节 制 闸流 量 过 程 便 该
确定 下来 。 假定 渠首 闸流 量改 变 的时刻 为起 始时 刻 ， 则 由每 一渠 段末 闸的 、 便可 计算 出所有 节 制 闸流 量 变化 的起 、 终时 间 ， 整个输 水 系统 的控制 策 略便 可确定
泄 水 ４种 情 况 ， 据 这 ４种 运 行 情 况 ， 别 制 定 相 应 的 根 分
由式 （ ）可知 ， 算 各 节制 闸任 意 时 刻 的过 闸 流 １ 计 量关 键在 于确 定 各节 制 闸 流 量 调 整 的起 始 时刻 ｔ 及 调整 完成 时刻 ｔ 而各节 制 闸流量 调整 的起始 、 完成 时 刻与 上下 游节 制 闸控 制 渠 段 的 流量 变 化 、 道 水 体 积 渠
根 据 这 ４种 运 行 情 况 ， 别 制 定 相 应 的控 制 策 略 ． 定 各 节 制 闸 流 量 调 整 的起 始 、 束 时 刻 ， 终 得 出 了 南水 分 确 结 最 北调 中线 工 程 输 水 调 度 初 始 控 制 策略 ， 足 渠道 安 全 运 行 要 求 。 满
关
键
词 ： 始 控 制 策略 ； 制 闸 ；输 水 渠 道 ；流 量 体 积 变化 ；南 水 北调 中线 工程 初 节
１ ４
人 民 长 江
式 中 ， 、 分 别 为 渠 段 初 始 、目标 状 态 水 体 体 积 ， 可通过 实测 得 到 ， 可根 据 目标 状 态水 位 、 渠 段长 度 、 道 断 面 型 式计 算 ； 下 游 端 节 制 渠 Ｔ为 闸流量 开始 变 化 时 刻 滞 后 于 上 游 端 节 制 闸流 量
本 文 所称 “ 段 ” 渠 为相邻 两 节制 闸之 间 的渠道 。
ｌ 计 算 过 闸流 量
输 水 工程 输水 调 度控 制 的关 键 是确定 任 意时 刻各
收 稿 日期 ：０１ ２ １—１ １—２ ０
２ 关 闭 泄 水 控 制 策 略
此处所 称 “ 闭” 关 是针 对渠 段下 游端 闸 门而言 的。
开始 变化 时刻 的时 间 ； 下 游端 节 制 闸 流量 停 Ｔ为 止 变化 时刻 滞后 于上 游 端 节 制 闸 流量 停 止 变 化 时 刻 的时间 ； ｋ 为上 游段 节制 闸 流量变 化斜 率 。
根据 式 （ ） （ ）解 出 ３ 、４ ， 得
图 １ 初 始 控 制 策 略
代入式 （ ） 注意 Ｔ ： ， ４ ， ０ 得
：一 ＋
１ Ｋ２
（ ８）
（） ３
由于 ｋ 发生 了变 化 ， ， 上游 各 渠 段 已计 算 出 的 、 就 不再 适 用 。 际计 算 中 ， 所 有 节制 闸进 行 上 述 实 对 计算 ， 出 、 然 后检 查 是 否有 节 制 闸 的流 量斜 率 定 Ｔ； 发 生变 化 。 有 ， 以新 的 各节 制 闸流 量 变 率 为基 础 ， 若 则
要增加， 因此下 游端 节 制 闸流 量 开 始 减小 的时 刻 应 早 于上 游端 节制 闸流量 开始 减小 的时刻 ， 图 ５所 示 。 如
２ ３ 特 殊情 况 二 ： ＜ ． Ｔ ０
由 ４ ， ≤ ＿ 一 一 ， 式（）此时Ｔ — ｉ 这表明 此时 三 ＿ —
旦— ＋旦 云
（ ４ ）
第 ５期
黄会勇 ， ： 水北调 中线工程输水调度初始控制策略研究 等 南
１ ５
重新 计 算 、 。 上述 过程 一直 进行 到所 有 节制 闸 的
均 不小 于零 为 止 。
３ １ 一 般 情 况 ．
在关 闭充水 工况 下 ， ＞ｖ。 ｏ 由于渠 段 蓄 水 体 积
：
二
一ｆ
一 、 ！二
ｆ １ ５
Ｑ０一Ｑ １ ｌ
ｋ １ ｋ ２
２
、
闸门关 闭时 ， 流量 减 小 ， 之而 来 的是 水 面 比 降减 缓 。 随
当渠段水 体 积 减 少 时 ， 为 “ 闭泄 水 ” 相 应 的 闸 门 称 关 ， 控 制策 略称 为关 闭泄水 控制 策 略 。
末 状 态 体 积 的 变 化 ， 以 将 调 度 过 程 中 各 渠 道 的 流 量 可
中问 的 某 一 时 刻 ； ｋ 为 节 制 闸 流 量 改 变 斜 率 ， ＝ 后
Ｑ 一Ｑ 。
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０
ｔ — ｔ ｍ
体 积变 化 归纳 为关 闭 充 水 、 闭泄 水 、 启 充 水 、 启 关 开 开
基 金 项 目 ： 利部 公 益 性 行 业 专 项 经 费项 目（０ １ １０ ） 水 ２ １０ ０ ２ 作 者 简 介 ： 会 勇 ， ， 程 师 ， 士研 究 生 ， 要 从 事 水 资 源规 划设 计 和 管理 工 作 。Ｅ—ｍ ｉ ｈａｇ ｕ ｏｇ ｃ ｓ ．ｏ ｃ 黄 男 工 博 主 ａ ：ｕｎｈ ｉ ｎ ＠ ｊ ｊ ｔｍ．ｎ ｌ ｙ ｗｙ
时 刻 ， 图 ２所示 。 如
超过 了 目标值 。处理 方 法为减 缓上 游端 节 制 闸的关 闭
速度 ， Ｔ ＝ ， 令 ０ 相应 的流 量过 程见 图 ３ 。
Ｑ Ｑｌ ｏ
ｏ
圈 ２
关 闭泄 水 节 制 闸流 量 过 程
图 ３
关 闭 泄 水 特 殊 情 况 一 节 制 闸 流 量 过 程
第４ ３卷 第 ５期
２０１２年 ３ 月
人 民 长 江
Ｙａ ｇ ｚ Ｒｉ ｅ ｎ ｔｅ ｖｒ
Ｖｏ ． ３， １ ４ Ｎｏ． ５ Ｍ ａ－ ｌ ．， ２ ２ ０１
文 章 编 号 ：０ １ ０１—４１９（ ０ ２） ５—０ ３—０ ７ ２１ ０ ０１ ６
南 水 北 调 中线 工 程 输 水调 度 初 始 控 制策 略研 究
下来 。
２ １ 一般 情 况 ．
设 为新 一稳定 状态 下 的蓄水 体积 ， 表 示初 始 状 态 的蓄水 体积 ， 则 ＜ Ｖ 。 渠段 的水 位 降 速 给定 ｏ当
后 ， 量 改变 总 时 间 （ 一ｔ ）便可 由最 大水 位 差 （ 流 ｔ 一 般 发生在 上 游 端 节 制 闸 下 ）和 允 许 水 位 降 速 之 比确 定， 因此 ｋ是 已知 的 。 由于 渠段处 于 泄水状 态 ， 下游端
２２ 特殊情况一 ： ．
＜０
发生 这种 情况 的 原 因是 上 游 端 节 制 闸关 闭 过快 ，
而下 游端 节制 闸 由于受 下 游 水 位 降 速 的 限制 ， 能 相 不
应过 快关 闭 ， 致渠 段 流 出 的水 量 与 流 入 的水 量 的 差 导
闸 门开始 关 闭 的时刻应 滞后 于上控 制 策 略 ， 节 制 闸 流 量 过 程 的 初 步 即
南 水北 调 中线 总 干 渠 长达 ｌ４ ２ ｋ 由沿 线 节 制 ３ ｍ， 闸将 整 个 总 干 渠 分 为 ６ １个 渠 段 ， 用 闸前 常 水 位 运 采 行 。根 据 总干 渠各 渠段 内 进 出流量 的变化 及 渠道 内初
文 献 标 志 码 ：Ａ
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中 图法 分 类 号 ： Ｖ ７ Ｔ ６
Ｑ Ｑ Ｑ
输 水调 度控 制 策略 就是 确定 闸 门开度 的原 则 和方
法 。控 制策 略 由两部 分 组 成 ： 部分 是 根 据 初 始 及 目 一
节 制 闸 的过 闸 流量 。在 过 闸流 量 已知 的情 况 下 ， 过 通 ： 上下游 实测 水位 即 可反 算 出节 Ｑ 的开 度 ， 而 形 成 制闸 从
反 馈 控 制 策 略 确定 。 。本 文 主 要 讨 论 南 水 北 调 中 线 工 程
＋ 控 制 指令 。假定 各 节制 闸流 量 变 化 为分 段 线 性 函 数 ，
则 任 意时刻 的 过闸流 量可 以按 下式求 得 。
／Ｌ
ｆ
￡
一
≤
０
７
ｔ ＜ｔ ｔ ｍ ≤
控 制策 略 ， 确定 各 节 制 闸 流量 调 整 的起 始 、 束 时 刻 ， 结 最 终得 到南 水 北调 中线 工 程 输 水 调度 初 始 控 制 策 略 ，
满 足 渠道 安 全运 行要求 。
变化 以及 渠道 输水 调度 初 始 控 制 策 略密 切 相关 ， 始 初
控 制 策 略 制 定 见 图 １ 。
假定 下游 端节 制 闸的流 量过 程与 渠段分 水 口门流 量 过程之 和也 是分 段 线 性 函数 ， 且其 流 量 变 化 与 下游
节 制 闸同步 ， 流 量 变 化 的起 始 时 刻 、 止 时 刻 均 相 即 终
由 图 ３ 得 ，
一
＝
÷Ｔ（ Ｑ。一Ｑ ） 。
ｋ