电流量测

2024-10-28

电流量测（通用6篇）

电流量测篇1

0 引言

作为电力系统能量管理系统(EMS)核心部分的电力系统状态估计是系统运行、控制和安全评估等方面的基础。当电力系统由于漏测量或其他原因造成不可观察时,系统会出现病态或接近病态,其状态估计结果的数值稳定性将受到很大影响。

电力系统状态估计的基本加权最小二乘法、快速分解法和基于量测变换的状态估计算法[1]在病态条件下可能无法给出估计值。文献[2]以Tank和Hopfield神经网络为基础建立了一种由主从网络构成的电力系统状态估计神经网络模型,用以摆脱病态问题限制。文献[3]提出一种基于分块QR分解的状态估计方法,把虚拟测量处理为等式约束从而避免了由于权因子分散导致的数值病态问题。在每次迭代中,通过对两个分块矩阵的QR分解和一个稀疏三角线性方程组的求解实现系数矩阵的三角分解以保证分解的数值稳定性。文献[4]运用奇异值分解方法进行状态估计,采用节点注入电流相量量测和节点电压相量量测使量测方程线性化,只需进行一次奇异值分解便可得到状态估计结果。文献[5]运用奇异值分解方法进行谐波状态估计。文献[6]将改进的粒子群进化算法应用到状态估计中,使加权最小二乘法的收敛性得到了改善。

无论是基于矩阵分解的方法[3,5],还是基于人工智能算法[2,6],在解决病态问题过程中都以牺牲计算时间为代价。文献[4]的方法尽管保留了奇异值分解不需要进行可观察性分析和解决病态问题的优点,且能缩短程序运行时间,但无法计及节点注入功率量测和支路功率量测。

本文针对电力系统状态估计的病态问题和算法的计算效率进行研究。首先,在直角坐标系下运用等效电流量测变换技术[7]处理节点注入功率量测和支路功率量测,把信息矩阵转换成常数矩阵;利用每一次迭代得到的节点电压修正等效电流量测值。然后,运用奇异值分解方法进行状态估计。由于在迭代过程中只需对信息矩阵进行一次奇异值分解,节省了程序运行时间。仿真算例验证了本文方法在计算时间上的优势和对病态问题良好的处理能力。

1 等效电流量测变换

在用基本加权最小二乘法进行状态估计时,每次迭代过程中状态估计迭代方程组雅可比矩阵的元素都要重新形成,算法计算效率较低。为提高计算效率,本文采用了一种直角坐标系下的等效电流量测变换方法[7]。

1.1 直角坐标形式等效电流量测变换

网络中量测配置通常采用节点注入功率量测iPmea、iQmea,支路功率量测Pijmea、Qijmea、Pjimea、Qjimea,电压量测Uimea。取节点电压实部和虚部为状态量,将节点注入功率量测和支路功率量测变换为直角坐标形式等效电流量测为[7]

式中,ei、fi表示每次状态估计迭代后的节点电压实部和虚部的估计值。

近年来相量量测装置(PMU)在电力系统中逐步得到应用[8,9,10,11],使得电压相量量测得以实现。通过PMU电压相量量测可提高系统可观察性。因此,本文在上述SCADA量测基础上考虑了PMU电压相量量测,其等效变换为

1.2 直角坐标形式线性化量测方程

直角坐标下每次迭代后节点注入电流估计值Iiest、支路电流估计值Ieijst和Iejist、电压估计值Uiest在忽略对地导纳支路后表达式为

式中:Gij和Bij表示节点导纳矩阵中电导和电纳;gij和bij表示支路电导和电纳;N表示节点总数。

由式(1)~式(8)可以看出,经过等效电流量测变换后的量测方程为一个线性方程组,其系数矩阵为一个常数矩阵,可表示为

式中:z表示量测矢量;x表示状态变量矢量;H表示量测系数矩阵;v表示量测误差矢量。

2 基于奇异值分解的状态估计

电力系统状态能够被表征的必要条件是它的可观察性。一般情况下系统只有是可观察的才能进行状态估计。但是,用奇异值分解方法进行估计时可以不需要对系统进行可观测性分析,同时也可以解决病态问题[4]。

2.1 奇异值分解

奇异值分解是一种重要的正交矩阵分解方法,具有强大的数值稳定性。

奇异值分解[12]是指对于任意矩阵A(m×n),存在列正交矩阵U(m×n)和正交矩阵V(n×n)使得

式中,S=diag(α1,α2,…,αn),iα为矩阵ATA第i个特征值的非负平方根值。若A为n阶方阵,A-1为

2.2 基于奇异值分解的加权最小二乘状态估计

经等效电流量测变换后的加权最小二乘状态估计目标函数可表示为

式中:m为量测数;n为状态变量数;R-1表示系统量测的权重矩阵,R=diag(σ12,σ22,…,σm2)。

要使目标函数为最小的条件为

由式(14)可得状态变量的估计值。状态变量估计值的矩阵形式可表示为

令B=HTR-1H为量测方程的信息矩阵。对信息矩阵进行奇异值分解可得

若S矩阵对角元素都大于0,则可以认为系统状态是可观的[4]。

由于量测矢量z中等效电流量测和电压量测均使用了节点电压估计值,因此在得到新的节点电压估计值后,应该用它们修正量测矢量。

新的节点电压估计值由式(18)计算。

由式(18)迭代求解可得各节点电压实部和虚部的状态估计值。由于信息矩阵B是一个常数矩阵,在迭代过程中只需对其进行一次奇异值分解。

3 算法的计算步骤

本文基于奇异值分解的状态估计算法步骤如下:

1)设定状态变量初值、允许误差ε和最大迭代次数kmax,令迭代次数k=0。

2)生成测量矩阵H和信息矩阵B。

3)对信息矩阵B进行奇异值分解,求得B-1。

4)将状态变量估计值代入式(1)~式(4),计算修正的量测矢量z(k)。

5)用式(18)计算。

6)如果或k=kmax,停止计算并输出结果;否则k=k+1,转4)。

4 算例分析

本文用三种方法对IEEE33节点测试系统[13]进行计算。方法1为本文方法;方法2为运用奇异值分解进行状态估计[5],求解时每次迭代都进行奇异值分解;方法3为基本加权最小二乘法[14]。

量测数据由测试系统潮流计算结果叠加量测的随机误差得到。量测的随机误差按文献[14]方法生成。量测配置方案如表1所示。方案1为状态完全可观;方案2存在状态不可观区域。

用上述三种方法对表1的量测配置方案进行状态估计。三种方法状态估计结果如图1和图2所示。

计算时,通过对方法1和方法2的奇异值分解中得到的矩阵S的对角元素观察可进行可观察性分析。计算结果中,量测配置方案1的矩阵S所有对角元素均大于0,说明该配置方案下的系统状态是可观的;量测配置方案2的矩阵S对角元素存在0元素,说明该配置方案下系统状态是不完全可观的。

由图1可见,三种方法对于状态完全可观系统(量测配置方案1)的状态估计结果均能收敛且结果十分接近,表明了本文方法的正确性。由图2可见,对于不完全可观系统(量测配置方案2),即系统存在病态问题时,只有采用奇异值分解技术的方法1和方法2能进行求解,加权最小二乘法(方法3)不能给出状态估计结果。而且,方法1和方法2在对状态可观区域给出较准确的数值解基础上,还能给出状态不可观区域。由图2可知29号和30号节点为状态不可观节点,这说明奇异值分解不仅能对病态问题进行很好的求解且能辨识出状态不可观区域。

考虑到PMU电压相量量测精度相对较低[15],可能对状态估计结果起到负作用,本文考察了电压相量幅值和相角量测误差的标准差提高为文献[14]方法两倍后的状态估计结果,如图3和图4所示。

由图3和图4可见,电压相量幅值和相角量测误差的标准差提高为文献[14]方法两倍后,本文方法依然能得到可行的估计结果;仍能进行可观察性分析且辨识出状态不可观区域。

表2列出了三种方法在未使用稀疏技术情况下对于状态完全可观系统(量测配置方案1)进行状态估计所需的时间和迭代次数。计算时,允许误差取为ε=10-4;最大的迭代次数kmax=10;程序运行计算机的CPU为intel(R)Core(TM)i3 2.93 GHz,内存为2 GB。

由表2可见,在相同迭代次数(4次)情况下,方法2比方法3多用了0.018 s。这是由于方法2每次迭代时进行奇异值分解求解状态修正量,比基本加权最小二乘状态估计在计算速度上存在劣势。方法1(本文方法)虽然多迭代了一次,但由于计算时只需进行一次奇异值分解提高了每次迭代的计算效率,因而方法1比方法2和方法3分别少用了0.052 s和0.034 s,计算速度提高了49.5%和37.4%,显示出计算速度的优势。

5 结论

为克服基于线性化量测方程组的奇异值分解状态估计算法没有计及节点注入功率量测和支路功率量测这一缺陷,本文通过对PMU电压相量量测和SCADA测量量测构成的混合测量进行功率-电流的等效量测变换,并将其与具有鲁棒性强、无需进行可观察性分析特点的奇异值分解结合进行状态估计。仿真结果验证了本文方法的正确性和高效性。

电流量测篇2

一、选择题：（每小题至少有一个选项是正确的，请把正确的答案填入答题卡中，每小题4分，共32分，漏选得2分，错选和不选得零分）

1．两根由同种材料制成的均匀电阻丝A、B串联在电路中，A的长度为L，直径为d；

B的长度为2L，直径为2d，那么通电后在相同的时间内产生的热量之比为（）

A．QA：QB=1：2 B．QA：QB=2：1

C．QA：QB=1：1 D．QA：QB=4：1

2．标有“220V、60W”的白炽灯泡，加上电压U由零逐渐增大到220V，在此过程中，电压U和电流I的关系可用图象表示。如图14―1所示，题中给出的四个图象中肯定不符合实际的是（）

A B C D

图14―1

3．如图14―2所示，电源电动势为E，内阻为r，R0为定值电阻，R为可变电阻，且其总阻值R＞R-0+r，则当可变电阻的滑动触头由A向B移动时（）

A．电源内部消耗的功率越来越大，电源的供电效率越来越低

B．R、R0上功率均越来越大

C．R0上功率越来越大，R上功率先变大后变小

D．R-0上功率越来越大，R上功率先变小后变大

图14―2

4．图14―3所示两种电路中，电源相同，各电阻

器阻值相等，各电流表的内阻相等且不可忽略不

计。电流表A1、A2、A3和A4读出的电流值分

别为I1、I2、I3、I4。下列关系式中正确的是（）

A．I1=I3 B．I1＜I4

C．I2=2I1 D．I2＜I3+I4 图14―3

5．如图14―4所示，D为一插头，可接入电压恒定的照明电路中，a、b、c为三只相同且功率较大的电炉，a靠近电源，b、c离电源较远，而离用户电灯L很近，输电线有电阻。关于电炉接入电路后对电灯的影响，下列说法中正确的是（）

A．使用电炉a时对电灯的影响最大

B．使用电炉b时对电灯的影响比使用电炉a时大

C．使用电炉c时对电灯几乎没有影响

D．使用电炉b或c时对电灯影响几乎一样

图14―4

6．图14―5所示电路中，C2=2C1，R2=2R1，下列说法正确的是（）

A．开关处于断开状态，电容C2的电量大于电容C1的电量

B．开关处于断开状态，电容C1的电量大于电容C2的电量

C．开关处于接通状态，电容C2的电量大于电容C1的电量

D．开关处于接通状态，电容C1的电量大于电容C2的电量

图14―5

7．在如图14―6所示的电路中，R1、R2、R3和R4皆为定值电阻，R5为可变电阻，电源的电动势为E，内阻为r。设电流表A的读数为I，电压表V的读数为U。当R5的滑动触点向图中a端移动时（）

A．I变大，U变小

B．I变大，U变大

C．I变小，U变大

D．I变小，U变小

图14―6

8．一盏电灯直接接在恒定的电源上，其功率为100W，若将这盏灯先接上一段很长的导线后，再接在同一电源上，在导线上损失的电功率是9W，那么此时电灯实际消耗的电功率（）

A．等于91W B．小于91W

C．大于91W D．条件不足，无法确定[来源: ]

第Ⅱ卷（非选择题，共68分）

二、填空题（每空3分，共27分，请把答案填写在题中横线上）

9．如图14―7所示的调压电路中，输入电压UAB=200V，R0=150Ω，其最大允许电流为4A，当输出端ab开路时，ab间电压Uab= V。当输出端接上R=50Ω的电阻时，调节R0，则ab两端电压的变化范围为 V（R的额定电流大于4A）。

10．如图14―8所示的电路中，R1=10Ω，R2=4Ω，R3=6Ω，R4=3Ω，U=2.4V。在ab间接一只理想电压表，它的读数是；如在ab间接一只理想电流表，它的读数是。

11．一灵敏电流计，允许通过的`最大电流（满刻度电流）为Ig=50μA，表头电阻Rg=1kΩ，若改装成量程为Im=1mA的电流表，应并联的电阻阻值为 Ω。若将改装后的电流表再改装成量程为Um=10V的电压表，应再串联一个阻值为 Ω的电阻。

12．如图14―9所示，有一根表面均匀地镀有很薄的发热电阻膜的长陶瓷管（其长度L约50cm，直径D约为10cm），镀膜材料的电阻率ρ已知，管的两端有导电箍MN。现给你米尺，电压表V，电流表A，电源E，滑动变阻器R，开关S和若干导线。请设计一个测定膜层厚度d的实验方案。

（1）实验中应测定的物理量；

（2）在虚线框内用符号画出测量电路图；

（3）计算膜层厚度d的公式是。

图14―7 图14―8 图14―9

三、计算题（本题共4小题，共41分，解答应写明必要的文字说明、方程式和重要的演算步骤，只写出答案的不能得分，有数值计算的题，答案中必须写出数值和单位）

13．（10分）如图14―10所示的电路中，U=12V，滑动变阻器AB的总电阻为42Ω，现要使标着“6V 1.8W”的灯泡L正常发光，那么A、P间的电阻应为多少？此时滑动变阻器上消耗的功率多大？

14．（10分）如图14―11所示的电路中，电源由4个相同的干电池串联而成，每个电池的电动势为1.5V，内电阻为0.5Ω，外电路电阻R1=2Ω，R2=R3=4Ω。试求：（1）当开关S与A接通时，电路中的总电流和R2消耗的功率；（2）当开关S与B接通时，电源的路端电压。

15．（10分）如图14―12所示，E=10V，电源内阻不计，R1=4Ω，R2=6Ω，C1=C2=30μF。先闭合开关S，待电路稳定后再断开S，求断开S后流过电阻R1的电量。

图14―12

16．（11分）如图14―13所示是一种悬球式加速度仪，它可以用来测定沿水平轨道运动的列车的加速度，金属球的质量为m，它系在金属球的下端，金属丝的上端悬挂在O点，AB是一根长为L的均匀电阻丝，其阻值为R，金属丝与电阻丝接触良好，摩擦不计。电阻丝的中点C焊接一根导线，从O点也引出一根导线，两线之间接入一个电压表V（金属丝和导线电阻不计）。图中虚线OC与AB垂直，且OC=h。电阻丝AB接在电压为U的直流稳压电源上，整个装置固定在列车中且AB沿着车前进的方向，列车静止时金属丝呈坚直状态，当列车加速或前进时，金属丝将偏离竖直方向，从电压表V的读数变化可以测出加速度的大小。

（1）当列车向右做匀加速直线运动时，试导出加速度a与电压表读数U‘的关系式（用U’、U、L、h及重力加速度g等表示）。

（2）用导出的a与U‘的关系式说明表盘上a的刻度是否均匀。

参考答案

1．B；2．ACD；3．AC；4．BD；5．BD；6．A；7．D；8．B；9．200，16.7~200；10．1.8V，2/3A；

11．52.6，9944；12．管长L、管直径D、MN

两端电压U、通过MN的电流I，如图；ρIL/πDU

13．解：（1）小灯泡的电阻 R=U2/P=62/1.8=20Ω设BP间的电阻为x，由题意得并联部分电阻与AP间电阻相等，则42―x=20x/（20+x）解得x=30Ω所以AP间的电阻为12Ω。（6分）

（2）此时P滑=62/12 + 62/30=4.2W （4分）

14．解：（1）S与A接通时，R2与R3并联再与R1串联，回路中的总电阻为6Ω，所以I总=E/R总=6/6=1A，

流过R2的电流I2=0.5A，

所以P2=I22R2=0.52×4=1W （5分）

（2）S与B接通时，R3断路，R1被短路，所以U=R2E/（R2+r）=4V （5分）

15．解：（1）S合上时，R1、R2串联，C2两端电压为零，C1接在R2两端，电压为R2E/（R1+R2）=6V

所以Q1=30×10―6×6=1.8×10―4C Q2=0 （4分）

（2）断开S，C1、C2全部接在电源的两端，所以Q1`=30×10―6×10=3×10―4C，

Q2`=30×10―6×10=3×10―4C，（4分）

所以流过R1的电量为△Q=Q1`+Q2`―Q1―Q2`=4.2×10―4C （2分）

16．解：（1）对小球进行受力分析可知mgtgθ=ma………………①

AB电阻丝分成三段，即AD、DC、CB三段串联，电压表接在CD段的二端，测CD段电阻丝所分得的电压。由几何关系得LCD=htgθ，由分压原理可得：htgθ/L=U`/U…②

联立①、②解得a=gLU`/Uh。（7分）

甘孜水文站流量巡测分析篇3

开展站队结合, 实行驻测和巡测相结合是今后水文测验方式改革的重点, 是水文面向社会的根本出路。它将打破以站为家的工作模式, 改变传统水文测验方式, 建立站队结合新型管理模式, 同时为整合人力资源, 提高工作效率, 改善基层测站人员的工作和生活水平提供有效的途径。流量巡测方案应以巡测区水文情势特征、交通与通讯条件及水利工程影响, 来分析确定该站流量测验的精度要求为基础进行编制。

2 流域基本情况

2.1 流域自然地理特征

甘孜水文站位于甘孜县城关镇雅桥村, 东经99°58′, 北纬31°37′, 集水面积32925km2, 距河口923km。雅砻江是金沙江左岸较大支流, 流域形状呈柳叶状, 水系呈羽状分布。流域内植被良好, 森林茂密, 河流含沙量小。

2.2 河流水文特征

2.2.1 测站控制及其测验河段情况

甘孜站于1952年4月7日设立, 属国家基本水文站, 为一类精度站。测验项目有水位、流量、降水量、比降等。该站河段稍弯曲, 上游100m处是一个弯道并有一小溪自右岸汇入, 基本水尺断面下游110m为雅砻江公路大桥, 由于桥墩的束水作用, 具有良好测站控制, 桥下游100m处是一急滩, 中低水起控制作用。河床为砾石和卵石组成, 断面比较稳定, 冲淤变化小。左岸陡坎系沙壤土, 易崩塌, 右岸缓坡滩地, 水位在3323.00m以上滩地开始淹没, 滩地宽约100m。滩地淹没前, 水位流量关系线呈单一线型。

2.2.2 径流特性

径流主要由降雨形成, 由于该流域谷底与山顶高差悬殊, 高山占流域总面积的绝大多数, 使下垫面的滞留能力不够好, 枯期、汛前过渡期有少量融雪水和地下水补给, 径流年际变化较小, 其年内分配不均匀, 汛期 (5~10) 月径流占年径流的82.4%, 主汛期 (6~9) 月径流占年径流的64.6%。据多年资料统计[1952~1955年是水位站, 1958、1968、1971~1979年停测流量 (未推流) , 1987~2003年停测流量 (采用综合线推流) ], 多年平均流量为269m3/s, 8年 (1970、1980~1986年) 平均流量286m3/s, 比多年平均值约偏大, 详见表1。

2.2.3 洪水特性

本站洪水主要由降水产生, 一般洪水过程5~10d左右, 平时流量变化在50~200m3/s, 汛期流量变化在200~900m3/s。由于该流域处于北亚热带河谷少雨区, 暴雨强度较小, 洪水过程滞后降雨过程, 涨落缓慢, 峰型主要以复式峰为主。根据多年资料统计, 甘孜站年最大、次大洪峰流量各月出现次数统计详见表2。

根据1970、1980~1986年资料统计, 洪峰出现时间多发生在2:00~14:00时, 所占比例为75%左右, 统计详见表3。

3 巡测分析

3.1 水位级划分

甘孜站水位级划分采用原有水位级分析, 高中低水位级分别为3321.86m、3320.64m、3319.99m。

3.2 巡测分析资料系列选取

该站历年最高水位为3323.29m, 最大流量1840m3/s, 历年最低水位为3319.00m, 最小流量23.0m3/s, 历年水位变幅4.29m, 实测流量水位变幅3.66m, 占历年水位变幅的85.3%, 分析资料符合《水文巡测规范》规定。根据所选取作分析年资料与历年 (1952~2003年) 对比, 8年水位变幅占历年水位变幅的86.7%。在1970、1980~1986年所有系列中, 有4年大水, 两年中水, 2年低水, 系列满足巡测方案分析中对资料系列取用要求。选作分析年份各径流特征值详见表4。

3.3 水位流量关系线的变化规律与处理方法

3.3.1 单年线与综合线的比较

从8年水位流量关系曲线看, 流量实测点呈带状分布, 线型无明显偏离, 符合《水文巡测规范》中的相关要求。8年流量资料各单年线和综合线的检验均合理, 标准差、系统误差均符合《水文资料整编规范》中的相关要求, 详见图1和表5。

3.3.2 8年高、中水位级流量测点对综合线的检验

用高、中水位级流量测点对综合线进行符号、适线、偏离数值和标准差、系统误差的计算, 也符合流量测验规范, 详见表6。

3.4 测次精简分析

各年线与综合线的各种时段量统计检验中, 一次洪量、汛期总量、年总量、低枯水总量的误差值都未超出允许误差值, 见表7。

1970、1980~1986年8年流量测点417次, 高水109次, 中水156次, 低水152次, 根据历年测验情况, 测站控制及其转移和《水文巡测规范》中2.3.2条, 随机抽点定出30条水位流量关系曲线, 分别计算各种时段量与历年综合线计算的各种时段量数据系列进行对比, 计算出不确定度, 30条水位流量关系曲线的统计检验均为合理。定线精度符合《水文资料整编规范》规定, 高中低水关系较好, 系统误差在-0.59~0.96%之间, 满足一类站系统误差指标1%以内。

4 流量测验方案规划

根据前述分析, 确定测流使用普通流速仪和高速流速仪相结合的方法, 采用全年巡测的方式。由于随机抽取30条水位流量关系曲线分别在高中低水位级各抽取5个流量测点进行分析, 关系较好, 在布置的点次上低水3319.99m以下布置5点;中水3319.99~3321.86m布置5点;高水3321.86m以上布置5点。根据表2统计主要洪峰出现在6~7月, 因此在这段时期应适当增加测次。

5 结论

该站的各种基础资料准确、可靠, 经过技术分析的结果符合巡测的各种规范和要求。从该站的各种基础资料和技术分析, 具备巡测条件。流量测次应根据水位变化情况安排, 且要求全年应分别在高中低水各布设5个测点, 视特殊水情应及时加密测次, 甚至可考虑短期驻测方式。

参考文献

[1]《河流流量测验规》 (GB50179-93) .

[2]《水文巡测规范》 (SL195-97) .

不同测站特性流量测验方法的探讨篇4

流量测验方法在几代水文人的不懈努力下, 认真总结经验推陈出新, 经历了数十年后, 如今已经发生了很大的改善, 水文新仪器的推广应用, 使水位、雨量实现了自记、固态存储、自动测报, 告别了依靠人工观测记录、整编发报的历史, 方式方法已经根本改变。流量测验也实现了缆道化、数字化, 测验手段与条件得到了改善, 但其测验的基本方法并没有发生根本改变, 其测次与测点并没有因此而减少。本文通过对测站特性及其对水位-流量关系的影响分析, 提出简化流量测验方法, 缩短流量测验历时, 为提高流量测验质量奠定基础。

1 测站特性对水位-流量关系的影响

1.1 单一曲线形的水位-流量关系

在没有下游变动回水影响、不受洪水涨落影响、断面变化也不大的流量测验断面, 水位-流量关系呈单一曲线 (如图1) 。

1.2 受断面冲淤变化和洪水涨落影响下的水位—流量关系

在中高水位区间, 受断面冲淤变化和洪水涨落影响的水位~流量关系一般都是逆时针绳套形曲线, 即在同一水位下, 由于涨水流速大, 河床受到冲刷而降低, 其流量大;退水的流速相对较小, 大量泥沙在断面沉淀淤积, 致使断面抬高, 其流量较涨水小, 所以受断面冲淤变化和洪水涨落影响的水位~流量关系是逆时针绳套形曲线, 且图形较为规则, 其绳套的宽窄与断面冲淤的程度密切相关。 (如图2)

2.3受下游变动回水影响的水位-流量关系

受下游变动回水影响的水位-流量关系有3种情况:测验断面上游实际来水几乎没有什么变化, 而下游变动回水顶托, 从水位过程线上看, 出现了一次涨水过程;测验断面上游来水量增大, 下游又同时伴随有变动回水顶托, 水位过程线上出现一次涨水过程;测验断面上游实际来水减小, 而下游又有变动回水顶托, 水位过程线上出现涨水、水位持平或退水过程。这3种情况都会导致水位-流量关系呈顺时针绳套曲线, 且图形也不规则, 其绳套的宽窄和形状与顶托的影响程度密切相关。如图3;

由于水位-流量关系紊乱, 为了满足整编定线和推流的要求, 测站不得不以人力和仪器设备的投入, 大量增加流量测次。

2 流量测验方法改革的途径

2.1 选择适合本站特性的流量测验方法

根据水力学原理, 流量测验方法有多种, 但都有其最佳的适用范围。测站要根据自己的特性选择适合本站特性的流量测验方法。如坝下的测站可选择堰闸推流, 电功率推流等, 经过比测分析, 最终筛选出最适合本站的最佳流量测验方法;天然性河流可选择比降法、水位—流量关系单值化法流量测验方法, 或者采用ADCP在线测流, 加强比测、分析与论证, 经过比测分析最终确定适合本站最佳的流量测验方法。

2.2 做好新仪器的推广应用

随着社会的不断发展, 水文测验基础设施及仪器设备也随之发展。水文新仪器已经在水文测验方法创新中发挥了重要作用, 大量比测证明, 使用固定式的声学多普勒流速仪 (ADCP) 在水位-流量关系不稳定的地区施测收集流量资料效果尚好, 它具有使用方便, 维护简单, 工作状态稳定等优点。水平式ADCP在特殊断面经过比测率定后可以较好地满足流量测验需要, 采集一次流量资料只需几十秒乃至几秒钟, 且全部流程都是自动采集, 数据实时存储, 其精度能够达到正式投入应用的目的。

2.3 加强对现有资料的分析研究

天然性河流大都有其自身的潜在规律 (受变动回水顶托影响的情形除外) , 部分垂线或测点的流速与整个断面的流量或流速可能存在一定的关系和规律, 只要找出这个关系和规律, 以点或以线代面, 其流量测次或测点就能得到大量精简, 从而达到简化流量测验方法的效果。实现这一途径, 需要测站人员作大量的分析、研究、论证工作, 要将已有的资料经过多种方法验算和点绘水位-流量关系图, 最终筛选出最佳的线或点, 以达到简化流量测验方法的效果。

2.4 水位-流量关系单值化研究

要把水位-流量关系简化成单一线, 消除断面冲淤变化、洪水涨落和变动回水顶托对水位-流量关系的影响, 实现水位-流量关系单值化是一重要途径。因此, 开展水位-流量关系单值化研究, 对于简化流量测验方法将产生很大的效果。但在单值化水尺断面的选择上要注意3点:所选断面距测站基本断面不可太远, 便于观测和管理;所选断面临近处具有良好的临界流条件 (河床要尽可能的稳定) , 能够与本站流量测验断面建立良好的水位-流量单一线关系;所选断面下游附近不能有大的区间来水, 以免由于该断面的水位受其下游回水顶托影响。由此可见, 开展水位-流量关系单值化研究, 有希望把复杂多变的水位-流量关系曲线简化成单一线。

3 结论

电流量测篇5

一、系统结构及功能

系统由流速检测装置、水深检测装置、缆车驱动装置、信号处理设备、网络设备、供电设备和测控软件组成。系统结构如图1所示:

系统特点及功能简介:

1、在自动方式下,按照用户设定的测点数量和测量时间自动完成河道断面实时流量数据的测量,将该数据在软件界面上显示,实时累计之后的河道实时的过流总量,并存储相应数据,供用户进行历史数据查询和生成统计报表以及打印。

2、在手动方式下,由人工操作相应按钮控制缆车进行河道断面实时流量数据的测量,并实现其他与自动方式下相同的功能。

3、缆车保护舱具有防止破坏的报警功能,同时在缆车进行流量测量的过程中有声光形式的报警设施对现场周围的工作人员进行提醒和警示。

4、系统通信使用光纤信道,在此信道发生故障时将自动切换到无线GPRS信道通信,保证系统数据的连续性。

5、系统电源留有太阳能供电的接口,可为系统不间断工作提供保证。

6、系统安全性能高,自检、自诊断功能能及早发现设备故障,避免发生事故,局部故障不造成错误输出,并能自动报警。

二、系统硬件组成

1、流速检测装置

流速检测装置由两部分组成:插入电磁式流速传感器和电磁流量转换器。

利用电磁线圈在垂直于水流方向的平面上产生一个磁场,当水流穿过该磁场时做切割磁力线运动,从而产生感应电流,水的流速越高则该感应电流越大,如果水是静止的则无感应电流,通过信号转换电路将传感器采集到的感应电流进行放大、处理后变成可被信号处理设备读取的标准信号。图2

v———液体的平均流速(m/s)

B———磁场的磁通密度(T)

D———导管的内径(m)

2、水深检测装置

水深检测装置的核心部件为拉力传感器。拉力传感器一端接钢缆,一端接流速检测装置以及重锤,当钢缆向水面放时,拉力传感器承受流速检测装置以及重锤的重量,一旦重锤接触到水面,水面会对其产生一定的浮力,此时拉力传感器所承受的重量会有一定的减少,通过放钢缆电机上装的编码器记录下此时的读数,当重锤接触到河床时,拉力传感器承受的力将为直接降为零,用此时编码器的读数减去编码器上一个记录值便是此测点的实际水深数据。

3、缆车驱动装置

缆车驱动装置由四组直流电机组成。其中两组用来控制缆车保护舱舱门的开启与关闭;一组用来控制缆车水平方向的移动;一组用来控制缆车钢缆向下的收放。

保护舱舱门开启与关闭的行程依靠分别安装的开启和关闭限位开关加以直接控制,以防止电机轴联构件的损坏。

水平缆车的移动由两端的限位开关加以保护,中间位置由用户通过软件进行设定。

垂直方向收放钢缆的电机轴上装有旋转编码器,用以实时检测钢缆收放的长度,同时也供水深数据的检测用。

4、信号处理设备

信号处理设备为可编程序控制器(PLC),对检测数据的采集由其模拟量输入模块实现,对电机的动作控制则由I/O输出点加中间继电器实现。

系统采用两套施奈德的TWIDO系列PLC,一套为主站,一套为从站,之间通过RS485总线实现数据传输。主站PLC安装于缆车保护箱内,从站PLC安装于缆车内部,随同缆车一起运动。

5、网络设备

系统数据传输是通过无线GPRS与远程用户端计算机直接实现数据互传。

GPRS业务在远程突发性数据实时传输中有不可比拟的优势,特别适用于间断的、突发性的和频繁的、少量的数据传输,也适用于偶尔非频繁的大数据量的传输。GPRS最大的特点就是“永远在线”。GPRS用户只有在发送或接收数据期间才占用资源,只需按数据通信量付费,而无需对整个链路占用期间付费。实际上,GPRS用户可能连接的时间长达数小时,却只需支付相对低廉的连接费用,可使用户的使用费用大大降低。

6、供电设备

系统供电以市电为主,留有太阳能供电接口。太阳能供电设备主要由太阳能电池板和电源智能控制器等组成,具有稳定高效的光电转换效率。(图3)

7、系统安全性设计

系统的安全性设计主要从以下三方面:

(1)接地系统:系统保持接地装置和接零装置可靠而良好的运行,对于保障人身安全和设备安全有十分重要的意义。

(2)防雷系统:防雷系统包括室外设备防雷和室内设备防雷两部分。

(3)抗干扰措施:采用输入信号匹配技术、光电或电磁隔离、硬件滤波、软件数字滤波等技术手段保证信号的平稳与畅通。

三、系统软件设计

1、开发平台

电磁式位移传感自然河道智能测流系统是比较典型的工业控制系统,根据目前工业控制行业的发展状况来看,用组态软件作为工业控制系统上层软件系统的开发平台,已经成为工控行业的发展趋势。本系统选用市场占有率比较高的Wonderware公司的In Touch组态软件作为系统的上层软件系统的开发平台。Wonderware公司的In Touch组态软件具有功能强大、开发简化的特点,并具有良好的兼容性和可扩展性,被广泛应用于世界各国的180000多个设施,涵盖了几乎所有的行业,同时,在国内比较大型的工业控制系统中也不乏大量的成功案例,例如昆明卷烟厂生产二部MES系统、浙江天然气管线监控系统、以及黄河下游引黄涵闸远程监控系统等。其主要特点如下:

(1)提供一个开放的、灵活的框架满足各类管理系统的要求;

(2)降低工程开发成本和维护费用,延长自动化系统的工作寿命;

(3)32位I/O服务器其Suite Link协议提供了高度可靠的、易用的、经过性能优化的数据通信能力,还提供与其它OPC客户机和服务器连接的能力;

(4)它符合FDA 21 CFR第11部分的要求,把Microsoft Windows安全模型扩展到物理设备层上,提供专门符合工厂要求的安全属性;

(5)它可以更有效地管理制造信息管理系统,同时减少工程工作。

2、运行平台

本系统将在Wonderware公司的In Touch组态软件基础上,进行二次开发,从而形成一个适合于插入电磁式位移传感自然河道智能测流需求的运行平台。此运行平台的主要功能包括为各个内部、外部系统以及底层硬件设施提供I/O服务,实现所有监控数据的统一管理,为系统数据的存储提供解决方案,使整个系统的配置实现集中、统一管理,为系统提供安全策略管理,以及进行系统维护等。该运行平台具有以下优势:

(1)统一控制和集中管理,任一级的设备故障不会影响其他系统的正常使用;

(2)有较强的分布式监控和报警能力;

(3)实现远程维护,减少系统的运行成本,大大缩短系统的开发周期;

(4)有利于系统扩展、集成和保护投资。

五、结束语

该系统的研制成功使黄河两岸具备了高科技含量的水利自动化测控设备,取代了以往的人工操作,在确保黄河自然河道测流的精确度和安全性需求的同时,大大提高了水利工作者的工作效率和精细程度。对黄河流域的流量测量工作产生产生重要影响,可以大大提高黄河水资源供需双方结算管理的工作效率和管理水平。

参考文献

[1]安全防范工程程序与要求[S](.GA/T75-94).

[2]计算机软件开发规范[S](GBJ566-88).

[3]电气装置安装工程电缆线路施工及验收规范[S].(GB50168-92).

[4]马树升,马承新.灌区水情无线数传实时监控的内容与方法[M].自然科学版2003.

[5]王永良,宋政湘.基于FPGA的同步测周期高精度数字频率计的设计[M].2004.

电流量测篇6

1 超声多普勒法测量原理

超声波多普勒流量计是依据声学多普勒效应, 检测不均匀流体中悬浮颗粒散射的超声波多普勒频移, 由于产生的多普勒频移正比于流体流速, 所以通过测量∆f就可以求得流速, f进而可以得到流体流量。

假设, 超声波在介质中的传播速度为c, 随流体运动的悬浮颗粒的速度为v, 超声波方向与流体流速u之间的夹角为i, v如图1所示。u

假设某一粒子以速度v沿管轴线运动, 超声波发射器的发射频率为f1, 此时颗粒收到的超声波频率f2为f2=f1+f1cv cos i

当固体颗粒又将接收到的频率f2的超声波束散射给接收器时, 接收器收到的超声波频率f3为:

因此, 接收器收到的超声波频率与发射器发射的频率之差, 即多普勒频移∆f为:

由于c Hvcosi, 所以

由上式可得流体速度为:

体积流量qv可以写成:

式中, A为被测管道流通截面积。由上式可知, 当流量计、管道条件及被测介质确定以后, 多普勒频移与体积流量成正比, 测量频移∆f就可以得到流体流量qv。

2 流量计的系统仿真设计

Simulink软件提供了一个动态系统的建模、仿真和分析的模块化、模型化系统动态仿真环境。它是Matlab的一个分支产品, 主要用来实现对工程问题的模型化和动态仿真。

2.1 系统结构流程

在仿真中, 我们对现实中的多谱勒超声波流量计系统的各个部分的结构及组成进行了比较科学的模拟。仿真系统总共由6个部分组成, 它们分别是超声波发射模块、噪声干扰模块、被测流体模块、超声波接收模块、信号处理计算模块以及误差分析模块。

2.2 系统仿真分析

超声波发射模块用一个采样正弦波作为调制信号, 然后通过一个压控震荡器输出一个频率为40kHz的连续正弦波信号, 对信号进行半波整流, 然后后进行功率放大, 最后再输出发射信号, 半波整流可以改善信号的质量而不会影响信号频率。

噪声干扰采用的是一个边带的高斯白噪声来近似代替实际中的噪声, 然后经过一定的衰减后对发射出来的的信号在传输的过程中进行干扰, 这种噪声为加性噪声, 它属于外部噪声。被测流体杂质模块中, 声波发射器以一定的角度向被测流体中发射超声波, 超声波碰到流体中的杂质颗粒或气泡后, 由于超声波的波长大于杂质颗粒或气泡的波长, 所以超声波将发生散射。

超声波接收时, 由于发射出来的信号经历了很多的衰减, 所以首先对接收信号进行放大, 然后将信号送入频率计中提取信号的频率参数。流速设定是我们预先给定的一个流速, 以便于在仿真结果中来进行对比和验证。

信号处理计算模块中包括仿真流量计算模块、累积流量与累积质量计算模块。由于管道直径可以直接测量, 在实际中的管道直径范围一般是几十厘米到几米之间。仿真流量的计算是通过多谱勒频移求出流体流速的。如果我们给定流体的密度和测量时间, 进而就可以在前面测得的体积流量的基础上求得累积流量和累积质量。

3 仿真系统误差因素分析

3.1 温度对系统的影响

超声波的传播速度随流体的温度变化而不同, 高温下被测流体传声速度的原始数据不全, 导致多普勒频移也发生变化, 引起测量误差, 所以系统中应具备声速实时补偿功能, 以提高系统的测量准确性。此外, 实际中可测流体的温度范围受超声波换能器及换能器与管道之间的耦合材料耐温程度的限制, 目前我国只能用于测量200℃以下的流体。

3.2 流速设定对系统的影响

系统仿真时, 我们预设流速不能不考虑实际应用而设定的过大或者过小, 那样引起的多谱勒频移就会过大或过小, 仿真结果误差就比较大, 因此我们预设流速时就要设定一个范围, 此仿真模型流速范围为0.2m/s~8.85 m/s, 范围以外的测量精度就会大大降低。

3.3 截止频率对系统的影响

频率计中的高通滤波器的截止频率设置不合理也会影响系统的相对误差和准确度。

4 系统性能分析

4.1 系统的技术指标

4.2 系统实现的功能

该仿真系统可以实现的主要功能如下:

1) 实现流体的流速、流量的测量;

2) 实现流体的累积体积流量或累积质量流量的测量;

3) 实现测量范围内的管道长度的测量;

4) 能够计算出系统的相对误差、准确度和测量精度;