水电站水位测量方法和水电站水位监测系统

摘要

本发明提供了一种水电站水位测量方法，采用两个液压传感器同时测量水电站的水位，对两个液压传感器所测数据首先限幅滤波，然后数字低通滤波，通过两次滤波后的数据计算单位深度的偏差率，最后根据偏差率计算水电站的水位，而从保证测量精度。本发明还提供了一种水电站水位监测系统。当两个液压传感器测得的水位值偏差较大时，说明其中一个液压传感器测量精度不足，需要进行调整或者更换。避免了因为只有一个液压传感器时由于长时间的使用导致设备老化，使测量结果逐渐降低，难以发现的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及水位测量领域，特别是涉及一种水电站水位测量方法和水电站水 位监测系统。

背景技术

水电站上游引水进口断面和下游尾水出口断面之间的单位重量水体所具有 的能量差值，常以米计量。一般以两处断面的水位差值表示，称为水电站毛水头。 这是水电站的调整水轮机运行的一个重要参数。在水利工程中，水位测量一直都 是水库所关注的重点，在遇到洪水、台风等异常天气状况下，如果没有一个稳定 可靠的水位监测系统进行预警，这很容易酿成重大灾难，给国家和人民生命财产 带来巨大的损失。液压式水位计是一种通过测量测量点的水压，通过水压计算公 式反算出水位深度。其计算公式为水深＝水压/(重力加速度*水密度)，其中水压 不包含大气压强。

目前水电站对于水位的测量的方法有很多，但是绝大多数传感器自身的精度 变化等原因很少进行考虑，这使得随着设备的运行时间的加长，其测量精度、稳 定性及准确性都将有所降低。这对于对高精度水位要求的水电站来说是一个问 题。当前的水头计算的处理算法往往只有简单的滤波处理，使天气的变化对测量 数据产生严重的干扰。

发明内容

基于此，有必要针对水电站的液压传感器由于长期使用致使设备老化，测量 精度缓慢降低导致测量精度不够准确但难以被发现的问题，提供一种可以有效提 升测量精度，即使在恶劣的天气也能获得较高精度的水电站水位值的水电站水位 测量方法和水电站水位监测系统。

本发明通过下述技术方案实现：

一种水电站水位测量方法，用于监测水电站的水位，包括下述步骤：

通过两个液压传感器A1和A2采集水电站液面下不同深度的实时深度信息；

根据两个液压传感器采集到的实时深度信息计算两个液压传感器A1和A2 所处位置的实时深度值M1和M2；

对实时深度值M1和M2进行数字滤波处理，分别得到较高精度的实时深度值 B1,B2；

计算两个液压传感器的单位深度的测量偏差率D；

计算高精度的实时水位值E，E＝B2×D+H2，其中H2为测得M2值的液压传感 器的安装高程。

上述水电站水位测量方法中，所述计算两个液压传感器的单位深度的测量偏 差率D，为两个液压传感器A1和A2的安装高程之差和B1与B2之差的比值。

通过两个液压传感器测量水电站的水位深度，根据两个液压传感器采集到的 数据首先计算单位深度的测量偏差率，然后根据单位深度的测量偏差率计算高精 度的水电站水位值，从而减小测量的误差，使测量的数据更加精确。

上述水电站水位测量方法中，所述对实时深度值M1和M2进行数字滤波处理， 具体包括下述步骤：

对实时深度值M1和M2依次进行限幅滤波和数字低通滤波。使测量数据趋于 平缓，增强抗干扰能力，减小测量误差。

上述水电站水位测量方法中，所述根据两个液压传感器采集到的实时深度信 息计算两个液压传感器所处位置的实时深度值M1和M2，包括下述步骤：

根据公式：P＝ρgh；计算两个液压传感器A1和A2所处位置的实时深度值M1 和M2，其中：

P是两个液压传感器A1或A2所处位置水压与大气压力之差，ρ是水的密度， g是重力加速度，h是实时深度值。

上述水电站水位测量方法中，两个液压传感器A1、A2的输出电流和实时深 度值M1、M2满足下述关系式，C＝4+M×16；

其中，C代表两个液压传感器的输出电流，M代表两个液压传感器所测的实 时深度值，4和16是通过液压传感器输出电流范围拟合出的值。输出电流范围 为4至20毫安的液压传感器适用于该公式。

本发明还提供了一种水电站水位监测系统：

一种水电站水位监测系统，用于监测水电站的水位，包括第一液压传感器和 第二液压传感器、中控单元、数据处理器、监控系统和显示系统；

第一液压传感器和第二液压传感器与中控单元电连接，中控单元与数据处理 器电连接，数据处理器与监控系统和显示系统电连接；

第一液压传感器和第二液压传感器通过中控单元将采集到的实时深度信息 传递给数据处理器，数据处理器按照权利要求至任一项所述的水电站水位测量方 法处理第一液压传感器和第二液压传感器传递的实时深度信息，计算出高精度的 实时水位值。

上述水电站水位监测系统中，还包括降扰套筒，降扰套筒为两端开口的筒状 结构，降扰套筒的侧壁设有缺口，第一液压传感器和第二液压传感器分别套装在 两个降扰套筒内。

上述水电站水位监测系统中，降扰套筒是PVC管，其上端设有掩帽，掩帽固 定在降扰套筒上，掩帽覆盖降扰套筒的上端开口。

上述水电站水位监测系统中，所述中控单元包括数据采集转换仪、液位显示 表头和交直流转换电源装置；数据采集转换仪与第一液压传感器、第二液压传感 器和数据处理器电连接，液位显示表头与数据采集转换仪电连接，交直流转换电 源装置与数据采集转换仪和液位显示表头电连接。

上述水电站水位监测系统中，所述数据采集转换仪包括数据采集卡、直流电 源接口和信号转换装置。

第一液压传感器与数据采集卡和直流电源接口电连接，第二液压传感器与数 据采集卡和直流电源接口电连接，数据采集卡通过信号转换装置与数据处理器电 连接。

与现有技术相比，本发明的水电站水位测量方法采用两个液压传感器同时测 量水电站的水位，对两个液压传感器所测数据首先限幅滤波，然后数字低通滤波， 使用两次滤波后的数据计算单位深度的偏差率，最后根据单位深度的偏差率计算 水电站的水位，而从保证测量精度。当两个液压传感器测得的水位值偏差较大时， 说明其中一个液压传感器测量精度不足，需要进行调整或者更换。避免了因为只 有一个液压传感器时由于长时间的使用设备老化，使测量结果逐渐降低，难以发 现的问题。

附图说明

图1为水电站水位测量方法一种实施例的流程图；

图2为水电站水位监测系统第一实施例的连接关系示意图；

图3为中控单元的连接关系细化图；

图4为数据采集转换仪的连接关系细化图；

图5为降扰套筒第一实施例的结构示意图。

附图标记：1-第一液压传感器、2-第二液压传感器、3-中控单元、4-数据处 理器、5-监控系统、6-显示系统、7-数据采集转换仪、8-液位显示表头、9-交直 流转换电源装置、10-直流电源接口、11-数据采集卡、12-信号转换装置、13- 降扰套筒、14-缺口、15-掩帽。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并 结合附图，对本发明的水电站水位测量方法和监测系统进行进一步详细说明。应 当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限发明。

实施例1：如图1所示，一种水电站水位测量方法，用于监测水电站的水位， 将两个液压传感器放置在水电站液面下不同深度，两个液压传感器设置的位置水 流及波浪尽量要小，以尽量减小外界环境对两个液压传感器的影响。通过两个液 压传感器A1和A2采集水电站液面下不同深度的实时深度信息。较佳的，两个液 压传感器间隔1.5米，也可取其它大于1米小于2米的值,但真实的距离一定要 测量准确，两个液压传感器可以通过塑料硬条连接在一起，防止在波浪的冲击下 飘散。

根据两个液压传感器采集到的实时深度信息计算两个液压传感器A1和A2 所处位置的实时深度值M1和M2；根据公式P＝ρgh可以计算M1和M2的值，其 中P代表水压(去除大气压后)，ρ代表水的密度，g为重力加速度，h代表压 力传感器所处位置水的深度。

对得到的实时深度值M1和M2进行数字滤波处理，分别得到较高精度的实时 深度值B1,B2；

计算两个液压传感器的单位深度的测量偏差率D；

计算高精度的实时水位值E，E＝B2×D+H2，其中H2为测得M2值的传感器的 安装高程。

所述计算两个液压传感器的单位深度的测量偏差率D，为两个液压传感器A1 和A2的安装高程之差和B1与B2之差的比值。

上述水电站水位测量方法中，所述根据两个液压传感器采集到的实时深度信 息计算两个液压传感器所处位置的实时深度值M1和M2还包括下述步骤：

根据公式：P＝ρgh；计算两个液压传感器A1和A2所处位置的实时深度值M1 和M2，其中：

P是两个液压传感器A1或A2所处位置水压与大气压力之差，ρ是水的密度， g是重力加速度，h是实时深度值。

上述水电站水位测量方法中，两个液压传感器A1、A2的输出电流和实时深 度值M1、M2满足下述关系式，C＝4+M×16；

其中，C代表两个液压传感器的输出电流，M代表两个液压传感器所测的实 时深度值，上述关系式中，4和16是通过液压传感器输出电流范围拟合出的值。

实施例2：如图1所示，一种水电站水位测量方法，用于监测水电站的水位， 将两个液压传感器放置在水电站液面下不同深度，两个液压传感器设置的位置水 流及波浪尽量要小，以尽量减小外界环境对两个液压传感器的影响。通过两个液 压传感器A1和A2采集水电站液面下不同深度的实时深度信息。较佳的，两个液 压传感器间隔1.5米，也可取其它大于1米小于2米的值,但真实的距离一定要 测量准确，两个液压传感器可以通过塑料硬条连接在一起，防止在波浪的冲击下 飘散。

根据两个液压传感器采集到的实时深度信息计算两个液压传感器A1和A2 所处位置的实时深度值M1和M2；根据公式P＝ρgh可以计算M1和M2的值，其 中P代表水压(去除大气压后)，ρ代表水的密度，g为重力加速度，h代表压 力传感器所处位置水的深度。

对得到的实时深度值M1和M2进行数字滤波处理，分别得到较高精度的实时 深度值B1,B2；

计算两个液压传感器的单位深度的测量偏差率D；

计算高精度的实时水位值E，E＝B2×D+H2，其中H2为测得M2值的传感器的 安装高程。

本水电站水位测量方法使用两个液压传感器测量水电站的水位，上述数字滤 波包括依次进行的限幅滤波和数字低通滤波，很大程度削弱了位于中高频段的水 波浪、水流、仪器振动等主要干扰，同时，两个传感器相近，顾两者所受温度影 响相近，通过偏差率的计算能有效解决温度、含沙量、重力加速度对测量结果的 影响，通过单位偏差率进行校正，使测量数据更加准确。

上述水电站水位测量方法中，所述根据两个液压传感器采集到的实时深度信 息计算两个液压传感器所处位置的实时深度值M1和M2还包括下述步骤：

根据公式：P＝ρgh；计算两个液压传感器A1和A2所处位置的实时深度值M1 和M2，其中：

P是两个液压传感器A1或A2所处位置水压与大气压力之差，ρ是水的密度， g是重力加速度，h是实时深度值。

上述水电站水位测量方法中，两个液压传感器A1、A2的输出电流和实时深 度值M1、M2满足下述关系式，C＝4+M×16；

其中，C代表两个液压传感器的输出电流，M代表两个液压传感器所测的实 时深度值。

上述水电站水位测量方法中，所述的数字滤波处理，具体包括下述步骤：

首先对实时深度值M1,M2分别进行限幅滤波，之后分别对其进行数字低通滤 波。当两个液压传感器附近有较大的波浪，或者在两个液压传感器上方的空中下 落物体，都会影响液压传感器的测量精度，使其所测数据短时间突变，通过限幅 滤波处理，消除异常波形，使所测数据平稳过渡。水位测量中主要干扰来自波浪 和水流，它们的特点在于干扰频段主要集中在中高频段，通过低通滤波的方法对 其进行削弱，使数据更加平稳变化。

如图2所示，本发明还公开了一种水电站水位监测系统，用于监测水电站的 水位，包括第一液压传感器1和第二液压传感器2、中控单元3、数据处理器4、 监控系统5和显示系统6；

第一液压传感器1和第二液压传感器2与中控单元3电连接，中控单元3 与数据处理器4电连接，数据处理器4与监控系统5和显示系统6电连接；

第一液压传感器1和第二液压传感器2通过中控单元3将采集到的实时深度 信息传递给数据处理器4，数据处理器4按照权利要求至任一项所述的水电站水 位测量方法处理第一液压传感器1和第二液压传感器2传递的实时深度信息，计 算出高精度的实时水位值。

如图5所示，上述水电站水位监测系统中，还包括降扰套筒13，降扰套筒 13为两端开口的筒状结构，降扰套筒13的侧壁设有缺口14，第一液压传感器1 和第二液压传感器2分别套装在两个降扰套筒13内。

上述水电站水位监测系统中，降扰套筒13是PVC管，其上端设有掩帽15， 掩帽15固定在降扰套筒13上，掩帽15覆盖降扰套筒13的上端开口。

如图3所示，上述水电站水位监测系统中，所述中控单元3包括数据采集转 换仪7、液位显示表头8和交直流转换电源装置9；数据采集转换仪7与第一液 压传感器1、第二液压传感器2和数据处理器4电连接，液位显示表头8与数据 采集转换仪7电连接，交直流转换电源装置与数据采集转换仪7和液位显示表头 8电连接。

如图4所示，上述水电站水位监测系统中，所述数据采集转换仪7包括数据 采集卡11、直流电源接口10和信号转换装置12。

第一液压传感器1与数据采集卡11和直流电源接口10电连接，第二液压传 感器2与数据采集卡11和直流电源接口10电连接，数据采集卡11通过信号转 换装置12与数据处理器4电连接。

工作原理：第一液压传感器1和第二液压传感器2设置在水电站不同深度的 水面下，实时采集其所处位置的实时深度信息，并将采集到的实时深度信息传递 给中控单元3，中控单元3将从第一液压传感器1和第二液压传感器2接收到的 实时深度信息转换成数据处理器4可识别格式后传递给数据处理器4，数据处理 器4按照上述水电站水位测量方法计算出两个液压传感器所处位置的高精度的 水位值，然后控制显示系统6显示高精度水位值。作为其中一种可实施方式，将 第一液压传感器1和第二液压传感器2设置在水电站的拦污栅的后面，第一液压 传感器1和第二液压传感器2用过塑料硬条固定在相距1.5至2米的距离，拦污 栅后水流较小，水流对第一液压传感器1和第二液压传感器2产生的影响也较小， 使水电站的水位测量信息更加精确。

当显示系统6显示第一液压传感器1和第二液压传感器2测得的水位值相差 较大时，说明其中一个液压传感器发生故障，需要维修或者更换。由于液压传感 器会因设备老化导致精确度逐步降低，设备老化是一个缓慢的过程，如果只设有 一个液压传感器将很难发现其精度的偏移，但是采用两个液压传感器同时测量水 位就能反映出这个问题，因为不同的设备老化的速度是不相同的，当两个液压传 感器所测数据相差较大时，说明其中一个测量精度不够了，可能是因为设备老化 或者出现故障需要维修或者更换。

将降扰套筒13放置在水中时，降扰套筒13的上端伸出水面，下端伸入水面 距离水底半米以上，将设有缺口14的降扰套筒13的一侧背向水流的方向，两个 降扰套筒13分别为第一液压传感器1和第二液压传感器2提供与外界相连通但 可以缓冲波浪对其影响的测量环境，使第一液压传感器1和第二液压传感器2 的测量数据不受外界天气的影响。掩帽15防止下雨时雨水对液压传感器的测量 产生影响。

直流电源接口10为第一液压传感器1、第二液压传感器2和数据采集卡11 提供工作电源，数据采集卡11接收第一液压传感器1和第二液压传感器2采集 的实时深度信息，数据采集卡11将收集到的数据传递给信号转换装置12，数据 采集卡11采集到的数据是电信号，数据采集卡11将电信号转换成RS485信号然 后发送至信号转换装置12，信号转换装置12将接收到的RS485信号转换成数据 处理器4可读格式，数据处理器4计算出高精度的水电站水位信息并传递给监控 系统5和显示系统6，显示系统6显示高精度的水电站水位信息，监控系统5将 高精度的水电站水位信息与预设的警戒水位比较，当水电站的高精度水位信息大 于预设的警戒水位时数据处理器4将报警信号通过显示系统6显示。数据处理器 4可运行NET4、ACCESS数据库、eDNA数据库(无此项可在脱机模式运行)以及 WINDOW XP SP3及以上系统。从而增强设备的适用性。

本发明的水电站水位监测系统解决了因水位测量不准确导致机组运行的低 效率、不稳定、不安全问题，同时缓解了传统水位计无法自校验而导致的随着时 间累积而产生的精度与稳定性大降的问题，为水电站更高效的运作提供了科学的 决策依据，从而大大提高了效率。