一种实现自动频率调节的水库光伏提灌控制系统及方法与流程

本发明属于提灌控制技术领域，尤其涉及一种实现自动频率调节的水库光伏提灌控制系统及方法。

背景技术：

水库，一般的解释为“拦洪蓄水和调节水流的水利工程建筑物，可以利用来灌溉、发电、防洪和养鱼。”它是指在山沟或河流的狭口处建造拦河坝形成的人工湖泊。水库建成后，可起防洪、蓄水灌溉、供水、发电、养鱼等作用。有时天然湖泊也称为水库(天然水库)。水库规模通常按库容大小划分，分为小型、中型、大型等。然而，现有实现自动频率调节的水库光伏提灌控制系统对水库泄水量模拟效率低，准确性差；同时，不能准确评估水库淤泥风险，影响正常提灌。

综上所述，现有技术存在的问题是：现有实现自动频率调节的水库光伏提灌控制系统对水库泄水量模拟效率低，准确性差；同时，不能准确评估水库淤泥风险，影响正常提灌。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种实现自动频率调节的水库光伏提灌控制系统及方法。

本发明是这样实现的，一种实现自动频率调节的水库光伏提灌控制方法，包括以下步骤：

步骤一，通过频率检测装置对水库光伏提灌控制系统进行灌溉频率数据采样；

步骤二，对灌溉频率数据序列进行分段极值处理，设计数字低通滤波器的参数；

步骤三，计算出各频率点的底噪阈值，确定灌溉频率；

步骤四，确定灌溉频率后，通过主控器控制所述实现自动频率调节的水库光伏提灌控制系统的正常工作；通过水泵抽取水库中的水源，并通过喷灌设备对农田进行喷水灌溉；

步骤五，对农田进行喷水灌溉中，同时通过模拟程序收集水库基本信息，包括5个水位库容信息和/或3个控制水位最大泄流量和/或2个逐月平均泄流量和/或经济社会取水量；

步骤六，采用水文模型模拟当前时段水库入流量以及水库蒸发量，并计算当前时段初水库库容以及超过安全限制库容的超限下泄量；

步骤七，对超过安全限制库容的下泄量进行修正，得到时段末初始下泄量，进而计算时段末初始水库库容；

步骤八，采用库容信息对计算所得的时段末初始水库库容和水库下泄量进行修正，得到当前时段末最终水库库容和下泄量，并记录相关状态信息，得到最终的水库泄水量模拟结果；

步骤九，得到最终的水库泄水量模拟结果后，通过评估程序根据水库水文、地形资料及设计工况，计算水库的库容、回水长度、坝前水深、三角洲顶点到回水末端的水平距离以及三角洲顶点处的水深；

步骤十，根据步骤九得到的水库数据计算水库概化河宽、三角洲淤积形态、锥形淤积形态和带状淤积形态；

步骤十一，根据泥沙情况，计算水库的多年平均入库流量、多年平均入库床沙质输沙率和床沙质中值粒径；

步骤十二，通过水库冲淤平衡关系式计算三角洲淤积形态、锥形淤积形态和带状淤积形态，并绘制水库淤积风险评估点；

步骤十三，将水库淤积风险评估点，与以冲淤平衡线划分的水库淤积风险分区进行比较，得到水库淤积风险评估结果。

进一步，步骤一之前，需进行：步骤i，通过压力传感器检测水库水压数据；

步骤ii，通过水位传感器检测水库水位数据；

步骤十三之后，还需进行：

步骤1，通过光伏发电板为实现自动频率调节的水库光伏提灌控制系统供电；

步骤2，通过存储器存储检测到的水库水压、水位数据及模拟结果、评估结果；

步骤3，通过显示器显示检测到的水库水压、水位数据、模拟结果以及评估结果的实时数据。

进一步，所述步骤二中，对灌溉频率数据序列进行分段极值处理的方法如下：

对噪声和/或干扰功率序列进行分段极值处理，根据短波频段的噪声和/或干扰特性，带宽b的取值一般为[0.1～1]mhz，在序列中带宽b覆盖的频率点数为：

其中，函数round的作用为取整数，将频率序列按带宽b划分为k段：

其中，函数ceil的作用为向上取整数。

进一步，所述步骤五中的使用的库容是水库5个控制水位对应的库容，按照前面的库容完全包含后面的库容关系排列顺序为：总库容、设计洪水水位库容、正常蓄水位库容、防洪限制水位库容、死库容；

所述控制水位最大泄流量用于控制当水位位于对应水位线区间的时候最大所能排泄的流量，包括校核洪水位以下最大泄流量、设计洪水位以下最大泄流量和正常蓄水位以下最大泄流量；其中所述校核洪水位以下最大泄流量是高于设计洪水位的最大泄流量；设计洪水位以下最大泄流量是水位低于设计洪水位高于正常蓄水位的最大泄流量；正常蓄水位以下最大泄流量是水位低于正常蓄水位高于死水位最大泄流量；低于死水位的最大泄流量为0；且校核洪水位以下最大泄流量>设计洪水位以下最大泄流量>正常蓄水位以下最大泄流量；

如果能够收集到水库的水位-库容-下泄能力曲线信息，则可以由该曲线直接计算特定水位的库容和下泄能力，替代上述概化处理。

进一步，所述步骤五中所述逐月平均泄流量包括发电泄流量或最小生态流量，发电泄流量和最小生态流量是多年月平均值，表征逐月发电泄水和生态需水的状况；

所述经济社会取水量是从水库中取水用于工业、农业、生活的水量；该部分用水一般是年尺度的，需要向下尺度化，满足模型最小时间尺度要求。

进一步，所述步骤六的采用水文模型模拟当前时段水库入流量以及水库蒸发量，并计算当前时段初水库库容以及超过安全限制库容的超限下泄量，具体包括如下步骤：

所述当前时段水库入流量的模拟方法是：采用水文模型或统计方程模拟计算当日所有汇入当前水库的河流流量，作为水库入流；

计算当前时段初水库库容，其计算公式为：当前时段初水库库容＝上时段末水库库容+当前时段河道流入量-当前时段水库蒸发量-当前时段经济社会取水量；

安全限制库容为保证水库安全所规定的限制水位对应的库容，汛期限制库容为防洪限制水位，非汛期限制水位为正常蓄水位；对比限制库容和时段末初始水库库容，如果时段末初始水库库容安全超过限制库容，则超限下泄量＝时段末初始水库库容-限制库容，如果不超过，则超限下泄量＝0。

进一步，步骤十三得到水库淤积风险评估结果的方法，进一步包括：

①通过评估程序根据水库水文、地形资料及设计工况，计算水库的库容v、回水长度l、坝前水深h；或，水库的库容v、回水长度l、坝前水深h、三角洲顶点到回水末端的水平距离l0、三角洲顶点处的水深h0；

②根据步骤①得到的水库的库容v、回水长度l、坝前水深h，和/或，三角洲顶点到回水末端的水平距离l0、三角洲顶点处的水深h0，计算得水库概化河宽

三角洲淤积形态：

锥形淤积形态和带状淤积形态：

其中，△h＝h-h0，△l＝l-l0；

③根据泥沙情况，计算水库的多年平均入库流量q入库、多年平均入库床沙质输沙率g入库、床沙质中值粒径d50；

④将步骤①得到的水库库容v、回水长度l和/或三角洲顶点到回水末端的水平距离l0，步骤②得到的水库概化河宽和步骤③得到的水库多年平均入库流量q入库、多年平均入库床沙质输沙率g入库、床沙质中值粒径d50，代入水库冲淤平衡关系式：

三角洲淤积形态：

锥形淤积形态和带状淤积形态：

其中，△l＝l-l0；

⑤以q入库v为横坐标，以或为纵坐标，绘制水库淤积风险评估点；

⑥将水库淤积风险评估点，与以冲淤平衡线划分的水库淤积风险分区进行比较，得到水库淤积风险评估结果。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述的实现自动频率调节的水库光伏提灌控制方法的实现自动频率调节的水库光伏提灌控制系统，所述实现自动频率调节的水库光伏提灌控制系统包括：

水压检测模块、水位检测模块、频率自动检测模块、中央控制模块、抽水模块、喷灌模块、泄水量模拟模块、评估模块、光伏供电模块、数据存储模块、显示模块。

水压检测模块，与中央控制模块连接，用于通过压力传感器检测水库水压数据；

水位检测模块，与中央控制模块连接，用于通过水位传感器检测水库水位数据；

频率自动检测模块，与中央控制模块连接，用于通过频率检测装置利用频率自动检测程序对水库光伏提灌控制系统的灌溉频率进行自动检测；

中央控制模块，与水压检测模块、水位检测模块、频率自动检测模块、抽水模块、喷灌模块、泄水量模拟模块、评估模块、光伏供电模块、数据存储模块、显示模块连接，用于通过主控器控制各个模块正常工作；

抽水模块，与中央控制模块连接，用于通过水泵抽取水库中的水源；

喷灌模块，与中央控制模块连接，用于通过喷灌设备对农田进行喷水灌溉；

泄水量模拟模块，与中央控制模块连接，用于通过泄水量模拟程序对水库的泄水量进行模拟；

评估模块，与中央控制模块连接，用于通过评估程序对水库淤泥风险进行评估；

光伏供电模块，与中央控制模块连接，用于通过光伏发电板为实现自动频率调节的水库光伏提灌控制系统供电；

数据存储模块，与中央控制模块连接，用于通过存储器存储检测到的水库水压、水位数据及模拟结果、评估结果；

显示模块，与中央控制模块连接，用于通过显示器显示检测到的水库水压、水位数据、模拟结果以及评估结果的实时数据。

本发明的另一目的在于提供一种存储在计算机可读介质上的计算机程序产品，包括计算机可读程序，供于电子装置上执行时，提供用户输入接口以实施所述的实现自动频率调节的水库光伏提灌控制方法。

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，储存有指令，当所述指令在计算机上运行时，使得计算机执行所述的实现自动频率调节的水库光伏提灌控制方法。

本发明的优点及积极效果为：本发明通过泄水量模拟模块采用有限的水库参数信息对水库蓄水、泄水过程进行模拟，提高水文模型模拟精度；整个水库调度模拟过程简单，易于程序改进实现；同时，通过评估模块首先定性识别了水库库容、入库水沙、泥沙组成、水库淤积形态等评估水库淤积风险的影响因子，继而从河床演变学中冲积河流平衡趋向性的一般关系出发，提出了水库淤积风险强度的概念与计算方法，形成了水库淤积风险评估图及水库冲淤平衡线，构建了完整的水库淤积风险评估方法；本发明的水库淤积风险评估图可直观反映水库淤积风险的区域性特征，定量识别水库的淤积风险，并进一步指导水库管理者选取适当的水库功能恢复措施，为未来水库管理者采取适当的水库淤积防治与功能恢复措施提供重要的参考依据。

附图说明

图1是本发明实施例提供的实现自动频率调节的水库光伏提灌控制方法流程图。

图2是本发明实施例提供的实现自动频率调节的水库光伏提灌控制系统结构框图；

图中：1、水压检测模块；2、水位检测模块；3、频率自动检测模块；4、中央控制模块；5、抽水模块；6、喷灌模块；7、泄水量模拟模块；8、评估模块；9、光伏供电模块；10、数据存储模块；11、显示模块。

图3是本发明实施例提供的对水库光伏提灌控制系统的灌溉频率进行自动检测的方法流程图。

图4是本发明实施例提供的通过泄水量模拟程序对水库的泄水量进行模拟的方法流程图。

图5是本发明实施例提供的通过评估程序对水库淤泥风险进行评估的方法流程图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。

下面结合附图对本发明的结构作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的实现自动频率调节的水库光伏提灌控制方法包括以下步骤：

s101，通过压力传感器检测水库水压数据；通过水位传感器检测水库水位数据。

s102，通过频率检测装置利用频率自动检测程序对水库光伏提灌控制系统的灌溉频率进行自动检测。

s103，通过主控器控制水库光伏提灌控制系统的正常工作；通过水泵抽取水库中的水源。

s104，通过喷灌设备对农田进行喷水灌溉；通过泄水量模拟程序对水库的泄水量进行模拟。

s105，通过评估程序对水库淤泥风险进行评估；通过光伏发电板为实现自动频率调节的水库光伏提灌控制系统供电。

s106，通过存储器存储检测到的水库水压、水位数据及模拟结果、评估结果。

s107，通过显示器显示检测到的水库水压、水位数据、模拟结果以及评估结果的实时数据。

如图2所示，本发明实施例提供的实现自动频率调节的水库光伏提灌控制系统包括：水压检测模块1、水位检测模块2、频率自动检测模块3、中央控制模块4、抽水模块5、喷灌模块6、泄水量模拟模块7、评估模块8、光伏供电模块9、数据存储模块10、显示模块11。

水压检测模块1，与中央控制模块4连接，用于通过压力传感器检测水库水压数据。

水位检测模块2，与中央控制模块4连接，用于通过水位传感器检测水库水位数据。

频率自动检测模块3，与中央控制模块4连接，用于通过频率检测装置利用频率自动检测程序对水库光伏提灌控制系统的灌溉频率进行自动检测。

中央控制模块4，与水压检测模块1、水位检测模块2、频率自动检测模块3、抽水模块5、喷灌模块6、泄水量模拟模块7、评估模块8、光伏供电模块9、数据存储模块10、显示模块11连接，用于通过主控器控制各个模块正常工作。

抽水模块5，与中央控制模块4连接，用于通过水泵抽取水库中的水源。

喷灌模块6，与中央控制模块4连接，用于通过喷灌设备对农田进行喷水灌溉。

泄水量模拟模块7，与中央控制模块4连接，用于通过泄水量模拟程序对水库的泄水量进行模拟。

评估模块8，与中央控制模块4连接，用于通过评估程序对水库淤泥风险进行评估。

光伏供电模块9，与中央控制模块4连接，用于通过光伏发电板为实现自动频率调节的水库光伏提灌控制系统供电。

数据存储模块10，与中央控制模块4连接，用于通过存储器存储检测到的水库水压、水位数据及模拟结果、评估结果。

显示模块11，与中央控制模块4连接，用于通过显示器显示检测到的水库水压、水位数据、模拟结果以及评估结果的实时数据。

下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。

如图3所示，本发明实施例提供的通过频率检测装置利用频率自动检测程序对水库光伏提灌控制系统的灌溉频率进行自动检测的方法，具体包括：

s201，通过频率检测装置对水库光伏提灌控制系统进行灌溉频率数据采样。

s202，对灌溉频率数据序列进行分段极值处理，设计数字低通滤波器的参数。

s203，计算出各频率点的底噪阈值，确定灌溉频率。

本发明实施例提供的步骤s202中的对灌溉频率数据序列进行分段极值处理的方法如下：

对噪声和/或干扰功率序列进行分段极值处理，根据短波频段的噪声和/或干扰特性，带宽b的取值一般为[0.1～1]mhz，在序列中带宽b覆盖的频率点数为：

其中，函数round的作用为取整数，将频率序列按带宽b划分为k段：

其中，函数ceil的作用为向上取整数。

如图4所示，作为优选实施例，本发明实施例提供的通过泄水量模拟程序对水库的泄水量进行模拟的方法包括：

s301，通过模拟程序收集水库基本信息，包括5个水位库容信息和/或3个控制水位最大泄流量和/或2个逐月平均泄流量和/或经济社会取水量。

s302，采用水文模型模拟当前时段水库入流量以及水库蒸发量，并计算当前时段初水库库容以及超过安全限制库容的超限下泄量。

s303，对超过安全限制库容的下泄量进行修正，得到时段末初始下泄量，进而计算时段末初始水库库容。

s304，采用库容信息对计算所得的时段末初始水库库容和水库下泄量进行修正，得到当前时段末最终水库库容和下泄量，并记录相关状态信息，得到最终的水库泄水量模拟结果。

本发明实施例提供的步骤s301中的使用的库容是水库5个控制水位对应的库容，按照前面的库容完全包含后面的库容关系排列顺序为：总库容、设计洪水水位库容、正常蓄水位库容、防洪限制水位库容、死库容。所述控制水位最大泄流量用于控制当水位位于对应水位线区间的时候最大所能排泄的流量，包括校核洪水位以下最大泄流量、设计洪水位以下最大泄流量和正常蓄水位以下最大泄流量。其中所述校核洪水位以下最大泄流量是高于设计洪水位的最大泄流量。设计洪水位以下最大泄流量是水位低于设计洪水位高于正常蓄水位的最大泄流量。正常蓄水位以下最大泄流量是水位低于正常蓄水位高于死水位最大泄流量。低于死水位的最大泄流量为0。且校核洪水位以下最大泄流量>设计洪水位以下最大泄流量>正常蓄水位以下最大泄流量。

如果能够收集到水库的水位-库容-下泄能力曲线信息，则可以由该曲线直接计算特定水位的库容和下泄能力，替代上述概化处理。

本发明实施例提供的步骤s301中的所述逐月平均泄流量包括发电泄流量或最小生态流量，发电泄流量和最小生态流量是多年月平均值，表征逐月发电泄水和生态需水的状况。

所述经济社会取水量是从水库中取水用于工业、农业、生活的水量。该部分用水一般是年尺度的，需要向下尺度化，满足模型最小时间尺度要求。

本发明实施例提供的步骤s302中的采用水文模型模拟当前时段水库入流量以及水库蒸发量，并计算当前时段初水库库容以及超过安全限制库容的超限下泄量，具体包括：

所述当前时段水库入流量的模拟方法是：采用水文模型或统计方程模拟计算当日所有汇入当前水库的河流流量，作为水库入流。

计算当前时段初水库库容，其计算公式为：当前时段初水库库容＝上时段末水库库容+当前时段河道流入量-当前时段水库蒸发量-当前时段经济社会取水量。

安全限制库容为保证水库安全所规定的限制水位对应的库容，汛期限制库容为防洪限制水位，非汛期限制水位为正常蓄水位。对比限制库容和时段末初始水库库容，如果时段末初始水库库容安全超过限制库容，则超限下泄量＝时段末初始水库库容-限制库容，如果不超过，则超限下泄量＝0。

如图5所示，作为优选实施例，本发明实施例提供的通过评估程序对水库淤泥风险进行评估的方法包括：

s401，通过评估程序根据水库水文、地形资料及设计工况，计算水库的库容、回水长度、坝前水深、三角洲顶点到回水末端的水平距离以及三角洲顶点处的水深。

s402，根据步骤s401得到的水库数据计算水库概化河宽、三角洲淤积形态、锥形淤积形态和带状淤积形态。

s403，根据泥沙情况，计算水库的多年平均入库流量、多年平均入库床沙质输沙率和床沙质中值粒径。

s404，通过水库冲淤平衡关系式计算三角洲淤积形态、锥形淤积形态和带状淤积形态，并绘制水库淤积风险评估点。

s405，水库淤积风险评估点，与以冲淤平衡线划分的水库淤积风险分区进行比较，得到水库淤积风险评估结果。

本发明实施例提供的通过评估程序对水库淤泥风险进行评估的方法，具体包括：

①通过评估程序根据水库水文、地形资料及设计工况，计算水库的库容v、回水长度l、坝前水深h。或，水库的库容v、回水长度l、坝前水深h、三角洲顶点到回水末端的水平距离l0、三角洲顶点处的水深h0。

②根据步骤①得到的水库的库容v、回水长度l、坝前水深h，和/或，三角洲顶点到回水末端的水平距离l0、三角洲顶点处的水深h0，计算得水库概化河宽

三角洲淤积形态：

锥形淤积形态和带状淤积形态：

其中，△h＝h-h0，△l＝l-l0。

③根据泥沙情况，计算水库的多年平均入库流量q入库、多年平均入库床沙质输沙率g入库、床沙质中值粒径d50。

④将步骤①得到的水库库容v、回水长度l和/或三角洲顶点到回水末端的水平距离l0，步骤②得到的水库概化河宽和步骤③得到的水库多年平均入库流量q入库、多年平均入库床沙质输沙率g入库、床沙质中值粒径d50，代入水库冲淤平衡关系式：

三角洲淤积形态：

锥形淤积形态和带状淤积形态：

其中，△l＝l-l0。

⑤以q入库v为横坐标，以或为纵坐标，绘制水库淤积风险评估点。

⑥将水库淤积风险评估点，与以冲淤平衡线划分的水库淤积风险分区进行比较，得到水库淤积风险评估结果。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(dsl)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，dvd)、或者半导体介质(例如固态硬盘solidstatedisk(ssd))等。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。