[发明专利]一种模块化的高精度水力过渡过程预测方法

摘要

本发明提供一种模块化的高精度水力过渡过程预测方法，包括如下步骤：S1)分解输水发电系统；S2)构建输水发电系统中各个独立简单元素的元素矩阵；S3)构建整个输水发电系统的综合矩阵；S4)选定时间步长；S5)计算输水发电系统初始稳定状态；S6)计算输水发电系统每个时间步长下的系统状态，获得预测的系统压力和水位极值。本发明的优点为：节省人力物力，具有较高精度计算结果，能够更好地为工程建设服务。

主权项

1.一种模块化的高精度水力过渡过程预测方法，其特征在于包括如下步骤：/nS1)分解输水发电系统/n将输水发电系统分解成独立的简单元素，包括水库、压力管道、阀门、水轮机、调压室；/nS2)构建输水发电系统中各个独立简单元素的元素矩阵/n独立简单元素的元素矩阵包括水库边界元素矩阵、压力管道恒定流元素矩阵、压力管道瞬态流元素矩阵、阀门元素矩阵、水轮机元素矩阵、调压室元素矩阵；/n所述水库边界元素矩阵为：/n /nZ₀＝2k|Q_0R|；/n其中，Z₀为水库水力阻抗，k为水库进/出流水头损失系数，Q_R为水库出流流量，Q_0R为上次迭代计算中已算出的水库出流流量，H_L为水库水位，H_n为水库水位节点水头；/n所述压力管道恒定流元素矩阵为：/n /nZ₀＝2β|Q_j0|；/n其中，Z₀为有压管道水力阻抗，h_0ij为管道两端水头差h_0ij＝β|Q_0j|Q_0j，β为管道水头损失系数，Q_i和Q_j分别为管道i、j两端出流流量，Q_i0和Q_j0分别为上次迭代计算中管道i、j两端出流流量，H_i和H_j分别为管道i、j两端水头；/n所述压力管道瞬态流元素矩阵为：/n /n /n其中，Z_C为管道特征阻抗，Q_i和Q_j分别为管道i、j两端出流流量，H_i和H_j分别为管道i、j两端水头，C_n和C_m分别为管道i、j两端的特征线参数；/n所述阀门元素矩阵为：/n /nZ₀＝2k|Q_j0|；/n其中，Z₀为阀门元素的水力阻抗，k为阀门过流水头损失系数，h_0ij为阀门前后水头差h_0ij＝k|Q_j0|Q_j0；/n所述水轮机元素矩阵为：/n /n其中，Z₀为水轮机元素矩阵的水力阻抗，水轮机的水力阻抗是由水轮机特性曲线决定的，H₀和Q₀分别为水轮机的水头和流量，导叶开度已知的情况下，Q₀和H₀互为函数关系；在实际的水力过渡过程计算分析中，水力阻抗可以表达为流量和转速的函数Z₀(Q₀,N)，也可以表达为水头和转速的函数Z₀(H₀,N)，N为水轮机的转速；/n所述调压室元素矩阵为：/n /n /n其中，Z₀为调压室元素的水力阻抗，△t为时间步长，As为调压室面积，k为阻抗孔水头损失系数，Q_S为调压室出流流量，Q_0S为上次迭代计算中已算出的调压室出流流量；/nS3)构建整个输水发电系统的综合矩阵/n综合矩阵包括稳态综合矩阵和瞬态综合矩阵，稳态综合矩阵采用的是压力管道恒定流元素矩阵，瞬态综合矩阵采用的是压力管道瞬态流元素矩阵；/n构建综合矩阵时，需要对系统中所有节点按从1开始进行自然数编号，并对系统中所有元素按从1开始进行自然数编号，构建成之后的系统矩阵的维数与系统的节点数相同；/nS3-1)定义一个n×n的方阵[E]，其中的i行j列元用E_i,j表示，并将其所有元清零；/nS3-2)定义一个n×1的向量C，其中的i元用C_i表示，并将其所有元清零；/nS3-3)将各水力元素的元素矩阵中的项置入系统矩阵方程；/n如果是单端点元素，公式为：/nE_i,i＝E_i,i+e_i；/nC_i＝C_i+c_i；/n如果是双端点元素，公式为：/n /nE_i,i＝E_i,i+e_i,i；/nE_i,j＝E_i,j+e_i,j；/nE_j,i＝E_j,i+e_j,i；/nE_j,j＝E_j,j+e_j,j；/nC_i＝C_i+c_i；/nC_j＝C_j+c_j；/n如果是三端点元素，其元素矩阵方程中的各项置入系统矩阵方程的方式与两端点元素相同，由6项变成12项；/nS4)选定时间步长/n给定时间步长；/n对于由两个或两个以上管道组成的复杂管道系统，对所有管道使用相同的计算时段△t进行计算，以便在管道连接处利用边界条件，所选择的共同计算时段应满足柯兰特稳定条件；/nS5)计算输水发电系统初始稳定状态/nS5-1)对系统所有元素给定流量初值；/nS5-2)将给定的流量带入到稳态综合矩阵中，求解出节点水头；/nS5-3)将S5-2)求解出的节点水头带入到各个元素矩阵中，求解出节点流量；/nS5-4)比较求解出的节点流量和给定流量是否满足精度要求；若满足，则给定流量就是系统稳态流量；若不满足，则求解出的节点流量为新的假定流量，重复步骤S5-2)至S5-4)，直至满足精度要求；/nS6)计算输水发电系统每个时间步长下的系统状态/nS6-1)计算新时刻的导叶开度和阀门开度；/nS6-2)根据S6-1)的计算结果，对系统所有元素给定新时间步长下的流量初值；/nS6-3)将给定的流量带入到瞬态综合矩阵中，求解出节点水头；/nS6-4)将S6-3)求解出的节点水头带入到各个元素方程中，求解出节点流量；/nS6-5)比较求解出的节点流量和给定流量是否满足精度要求；若满足，则给定流量就是系统流量；若不满足，则求解出的节点流量为新的假定流量，重复步骤S6-2)至S6-5)，直至满足精度要求；/nS6-6)计算结束，画出系统压力和水位随时间变化过程线，获得系统压力和水位最大值的预估值。/n