CN113863980A - 一种安全智能节能矿井排水方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种安全智能节能矿井排水方法，包括如下步骤：S1：依照安全条件中断策略判断是否中断决策指令，是则中断决策，等待下一运行周期，重复步骤S1；否则执行步骤S2；S2：根据涌水量和水仓水位计算达到液位警戒值的时间，从而得到排水时间区间；S3：判断电价档位类型，结合排水时间区间得到排水优化策略。本发明能够根据涌水量大小进行动态调整，并设置调整时间段，调整控制逻辑，降低排水***的用电成本。

Description

一种安全智能节能矿井排水方法

技术领域

本发明涉及排水方法技术领域，具体涉及一种安全智能节能矿井排水方法。

背景技术

矿井排水是将井下的矿井水安全、高效、及时排至地面的一种防护措施，是煤炭开采过程中必不可少的安全措施之一。同时，矿井排水设备的耗电量尤为显著。因此制定合理的排水策略，可以降低煤矿企业的生产成本。

传统的“避峰就谷”控制策略，通常将水位划分为高警戒水位、高水位、低水位，通过延缓水泵的开启时间来达到避峰就谷的目的，当水位达到高水位时，如果是在用电低谷时间段立即开启泵站排水，如果是在用电高峰时间段内则不开启泵站，待水位超过高警戒水位时才启泵排水；当水位降至低水位停止排水。这个控制逻辑太过于粗糙，不能根据水位的变化及时调整，控制策略不能适应实际情况，导致水位变化情况不符合预期，增加了排水成本。此外，在传统的控制策略中，***不能根据涌水量的大小来调整水泵的开启数量，一定情况下导致控制策略不够合理，存在弊端。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的问题是针对传统的“避峰就谷”控制策略存在的简单、电费成本高等问题，设计一种基于“避峰就谷”最优控制策略的安全智能节能矿井排水方法。对水位控制逻辑进一步细分，可以根据时间和涌水量的大小调整控制逻辑，与传统策略相比，该控制策略更安全、更加合理，在确保水安全的前提下，排水***的电费成本大幅降低。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种安全智能节能矿井排水方法，包括如下步骤：

S1：依照安全条件中断策略判断是否中断决策指令，是则中断决策，等待下一运行周期，重复步骤S1；否则执行步骤S2；

S2：根据涌水量和水仓水位计算达到液位警戒值的时间，从而得到排水时间区间；

S3：判断电价档位类型，结合排水时间区间得到排水优化策略。

在本发明中，优选地，所述安全条件中断策略为当水仓水位为最低排水液位时，执行涌水速率测算步骤；否则不做任何动作，中断决策，等待下一运行周期。

在本发明中，优选地，所述涌水速率测算步骤为设定阈值Qm，判断水仓用水量是否超过阈值Qm，是则立即排水；否则判断水仓水位是否超过液位警戒值，是则立即排水；否则执行步骤S2。

在本发明中，优选地，所述电价档位类型包括低谷时段、平段和高峰时段。

在本发明中，优选地，所述排水优化策略设置为当电价档位类型为低谷时段时，依照第一排水策略排水；当电价档位类型为平段时，依照第二排水策略排水；当电价档位类型为高峰时段时，保持蓄水。

在本发明中，优选地，所述第一排水策略设置为设t₂时刻开始启动排干水仓水需排水时间为t，计算

其中，t表示排水时间，V表示水仓水量，r表示涌水速率，Δt表示距低谷时段结束的时间差，n表示水泵台数，q表示泵站流量，当(8-t₂-t)<1时，进行排水。

在本发明中，优选地，所述第二排水策略设置为将水仓水排净需要排水时间为

其中，t表示排水时间，V表示水仓水量，r表示涌水速率，Δt表示距低谷时段结束的时间差，q表示水泵流量，判断t>8时，启动水泵提前排水，满足Δt-t<1时刻排水。

在本发明中，优选地，采集涌水量数据得到涌水量变化曲线，将涌水量变化曲线拟合为无数段线性曲线，采用分段法求取单位时间内的涌水变化率r＝(Q₂-Q₁)/(t₂-t₁)，其中Q表示涌水量，t表示当前时刻。

本发明具有的优点和积极效果是：本发明基于最优控制理论的动态规划，通过对水仓水位进行细分，为每个水位区间设置不同的控制逻辑，同时控制逻辑根据涌水量大小进行动态调整，并设置调整时间段，调整控制逻辑，降低排水***的用电成本。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是现有技术的水仓水位示意图；

图2是现有技术的水仓水位控制逻辑流程图；

图3是本发明的一种安全智能节能矿井排水方法的多决策过程示意图；

图4是本发明的一种安全智能节能矿井排水方法的涌水量变化曲线图；

图5是本发明的一种安全智能节能矿井排水方法的水仓水位示意图；

图6是本发明的一种安全智能节能矿井排水方法的控制流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

峰谷分时电价采用国家标准，将一天24小时划分为若五个时段，低谷时段：00:00～8:00，平段时段：12：00～18：00和22：00～24：00，高峰时段：8：00～12：00和18：00～22：00。

计价方法：低谷时段电价按0.1703元/kwh，平时段电价按0.4262元/kwh，高峰时段电价按0.6821元/kwh，具体如表1所示。

表1

电价档位	时间段	电价(元/kwh)
			低谷时段	00：00～8：00	0.1703
平段	12：00～18：00和22：00～24：00	0.4262
			高峰时段	8：00～12：00和18：00～22：00	0.6821

传统“避峰就谷”，将水仓水位划分为三级，分别为高警戒水位L₃、高水位L₂、低水位L₁，如图1所示，非高峰期时间段，当水仓水位达到高水位L₂时，水泵开启排水，如果水仓水位低于低水位L₁则停泵，否则重复执行；高峰期时间段，水仓水位达到高警戒水位L₃时，水泵开启排水，如果水仓水位低于高水位L₂则停泵，否则重复执行；具体控制逻辑流程图可参见图2。

如图6所示，本发明提供一种安全智能节能矿井排水方法，包括如下步骤：

S1：依照安全条件中断策略判断是否中断决策指令，是则中断决策，等待下一运行周期，重复步骤S1；否则执行步骤S2；矿井安全生产是其它优化策略合理实施的前提，为确保涌水的正常排出，设置水位的上下限，这是优先级序列排序最高的考虑因素：不管是在峰时还是谷时，若水位低于最低可排水液位L_l，则不排水；若水位高于液位警戒值L_h，则立即排水，防止出现事故。该决策为一无条件中断决策，满足该条件即转入水位超限控制中断，等待下一运行周期，其它控制策略不会凌驾在该策略之上。

S2：根据涌水量和水仓水位计算达到液位警戒值的时间，从而得到排水时间区间；在本实施例中，***运行周期设定为5分钟，也就是说***运行过程中每5分钟更新一次涌水速率的测算值，如果出现涌水速率的突然增大，***会转入相应中断。***根据涌水速率确定需要启动的水泵台数，发布预警信息提醒值班人员启动相应水泵进行提前排水，防止水量突然变大时，值班人员不能及时发现的情况下造成事故。

S3：判断电价档位类型，结合排水时间区间得到排水优化策略。

在本实施例中，进一步地，安全条件中断策略为当水仓水位为最低排水液位时，执行涌水速率测算步骤；否则不做任何动作，中断决策，等待下一运行周期。

在本实施例中，进一步地，涌水速率测算步骤为设定阈值Qm，判断水仓用水量是否超过阈值Qm，是则立即排水；否则判断水仓水位是否超过液位警戒值，是则立即排水；否则执行步骤S2。由于涌水量＝涌水速率*时间差，这里的涌水速率与涌水量之间存在对应关系，也就是说可以设定关于涌水速率的阈值，也可以设定涌水量的阈值。

在本实施例中，进一步地，电价档位类型包括低谷时段、平段和高峰时段。

在本实施例中，进一步地，排水优化策略设置为当电价档位类型为低谷时段时，依照第一排水策略排水；当电价档位类型为平段时，依照第二排水策略排水；当电价档位类型为高峰时段时，保持蓄水。

在本实施例中，进一步地，第一排水策略设置为设t₂时刻开始启动排干水仓水需排水时间为t，计算

其中，t表示排水时间，V表示水仓水量，r表示涌水速率，Δt表示距低谷时段结束的时间差，n表示水泵台数，q表示泵站流量，当(8-t₂-t)<1时，进行排水。

在本实施例中，进一步地，第二排水策略设置为将水仓水排净需要排水时间为

其中，t表示排水时间，V表示水仓水量，r表示涌水速率，Δt表示距低谷时段结束的时间差，q表示水泵流量，判断t>8时，启动水泵提前排水，满足Δt-t<1时刻排水。

在本实施例中，进一步地，采集涌水量数据得到涌水量变化曲线，将涌水量变化曲线拟合为无数段线性曲线，采用分段法求取单位时间内的涌水变化率r＝(Q₂-Q₁)/(t₂-t₁)，其中Q表示涌水量，t表示当前时刻。

本发明的工作原理和工作过程如下：排水***一般设置多台水泵。根据不同的涌水情况，确定运行台数，以提高水泵使用效率；采取“避峰就谷”原则，在用电高峰期少水泵运行，低谷期充分排水，以节约排水费用。动态规划法研究的对象是决策过程最优化问题。根据最优性原理:不论初始状态和初始决策怎么样，其余决策对于第一次必须构成一个最优策略。结合排水***排水特点，可以将排水过程分成若干个互相联系的阶段，在它的每一个阶段都需要做出决策，从而使整个排水过程达到最好的动态效果。各个阶段的决策的选取依赖于当前的情况，也影响以后的发展。当各个阶段决策确定后，就组成决策序列。在本***中，利用水位传感器来监测水位，可以测出水位的变化情况，其精度为1cm，在井下排水***中符合要求。根据涌水量和水仓水位计算何时达到能够开始排水的时间，再计算达到水仓水位阈值的时间，这段时间内排水都可以，再根据阶梯电价的时间区间判断何时排水最佳，电价时间区间满足的情况下，以电价越低越好为标准，***将智能推荐排水时间。水仓排水控制流程如图6所示。

将水仓容量记为V，最低可排水液位记为L_l，液位警戒值记为L_h，涌水速率记为r，排水时间记为t，距离8点即谷时结束的时间差记为Δt，水泵台数记为n。将每个排水周期等分为N段,(N∈[1,5]),每段内机组运行情况不变。设第k段水仓水位为X(k)(X_L≤X(k)≤X_H)，k是离散的时间变量。其中水仓的涌水量为水位的函数，即:

f(k)＝f[X(k)] (1)

矿井涌水量与水位函数关系：

f(k)＝F[X(k)] (2)

设水泵房有n台水泵并联工作，第i台水泵在k时刻的运行状态为u_i(k)，u_i(k)＝0表示停机，u_i(k)＝1表示运行。

则水泵房的控制决策向量为:

U(k)＝{u₁(k),u₂(k),...,u_n(k)} (3)

水泵每个时段耗电向量为:

B＝{β₁,β₂,...,β_n} (4)

一个周期(24h)内电价c(k)是随时间变化的函数，则:

水泵房最优化控制则可描述为:在排水周期内，通过选择最优控制向量U^*＝{U^*(0),U^*(1),...,U^*(N-1)},使一个周期内的电费支出最低。即使费用函数:

成为最优性能泛函：

将排水的优化控制过程看作一个多阶决策过程，多阶决策过程如图3所示。

根据最优性原理的要求，动态规划法实施最优决策的过程是:将多段决策问题转化为系列单段决策问题从最后一段状态开始逆向推到初始段为止。

①排水策略

在***所采用的动态规划法中：水仓水量、涌水速率和峰谷时间段为动态变量，水泵机组工作的情况、效率以及流量为静态常量。动态变量是最优性原理决定着控制向量的变量参数，最优解的求出就是通过变量的变化不断优化控制策略，当安全性条件满足的情况下，最优控制函数的求解就是要使排水***的耗能达到最低。

②涌水速率的计算

考虑到涌水量是一个非线性函数，采用分段法可以把一天的涌水量变化曲线近似拟合为无数段线性曲线的组合，进而可以分段求解单段时间的涌水变化率，用以作为动态规划的预测参数。

由图4可以看出，t₁，t₂时刻间的涌水量变化可近似看成一段短直线，因此t₂时刻的涌水率近似为r＝(Q₂-Q₁)/(t₂-t₁)。

③控制逻辑

最优控制过程兼顾变量的现在值及前一时刻的存储值，并做出合理预测，从而给出最优策略。而井下排水***与其它机组有所不同，主要体现在任务的不确定性(涌水变化的非线性以及水位安全上下限等限定因素)，因此，***采用多级决策，逐级判断，给出合理策略。

矿井安全生产是其它优化策略合理实施的前提，为确保涌水的正常排出，设置水位的上下限，这是优先级序列排序最高的考虑因素：不管是在峰时还是谷时，若水位低于最低可排水液位L_l，则不排水；若水位高于液位警戒值L_h，则立即排水，防止出现事故。该决策为一无条件中断决策，满足该条件即转入水位超限控制中断，等待下一运行周期，其它控制策略不会凌驾在该策略之上。

在本实施例中，***运行周期设定为5分钟，也就是说***运行过程中每5分钟更新一次涌水速率的测算值，此为优先级序列排序为第二位考虑的因素，如果出现涌水速率的突然增大，***会转入相应中断。***根据涌水速率确定需要启动的水泵台数，发布预警信息提醒值班人员启动相应水泵进行提前排水，防止水量突然变大，值班人员不能及时发现的情况下造成事故。

在满足前两个优先级的控制策略前提下，***处于正常经济排水状态。***每隔5分钟根据更新的水仓水量以及涌水速率修正控制策略，将电价档位类型作为考虑因素以向值班人员提供适合的排水策略。

(1)高峰段时:此时电价最高，尽量蓄水；

(2)平段时:进行逻辑预测，根据当前的涌水量以及涌水速率预测谷时的时间是否足够将水仓里的涌水排净。同时启用n台水泵，水泵启用数量n的数值时根据涌水速率进行计算的，则：

式中：t表示排水时间，V表示水仓水量，r表示涌水速率，Δt表示距低谷时段结束的时间差，n表示水泵台数，q表示泵站流量；

对t进行判断：

t>8时表明了若n台水泵一起运行在谷时并不能将涌水全部排出，启动水泵提前排水，排水的时间定为Δt-t<1的时刻，即提前一小时便开始排水。保证高峰段来临之前将水全部排干净，高峰时尽量蓄水。

t≤8时说明在谷段时即可把水全部排出，不需要提前排水。

(3)低谷段时:进入低谷段之后，选择合适的开泵时间，***每5分钟就测算出最佳的开泵时间，根据均匀磨损原则打开相应的水泵，开始排水，低谷段结束之前需将水仓水全部排出。设t₂时刻开始启动排干水仓水需时为t，则：

式中：t表示排水时间，V表示水仓水量，r表示涌水速率，Δt表示距低谷时段结束的时间差，n表示水泵台数，q表示泵站流量。

当(8-t₂-t)<1时，即剩余时间与所需排水时间之差小于一小时的时候启动水泵，进行排水。

n是根据涌水速率来计算的，当涌水量较小时，启动一台水泵即可，当涌水量较大时，最多可启动8台水泵并联运行。

本发明的改进设计思路基于最优控制理论，最优控制理论指的是使控制***的性能指标实现最优化的基本条件和综合方法。可概括为:对一个受控的动力学***或运动过程，从一类允许的控制方案中找出一个最优的控制方案，使***的运动在由某个初始状态转移到指定的目标状态的同时，其性能指标值为最优。在本发明中，采用动态规划来求解最优控制问题，离散***的最优控制问题可以看作一个多阶决策问题，因此可以用动态规划求解。由于动态规划的主导思想简单，便于将一个复杂的多阶决策问题化为一系列的一阶决策问题，使问题得到简化，可以顺序求解，因为它成为解决多阶决策决策问题的一种有效方法。改进的“避峰就谷”的原则：根据水仓水位、涌水量的大小、调整泵站开启数量和启停状态。本发明基于最优控制理论的动态规划，通过对水仓水位进行细分，为每个水位区间设置不同的控制逻辑，同时控制逻辑根据涌水量大小进行动态调整，并设置调整时间段，调整控制逻辑，降低排水***的用电成本。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。

Claims (8)

1.一种安全智能节能矿井排水方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：依照安全条件中断策略判断是否中断决策指令，是则中断决策，等待下一运行周期，重复步骤S1；否则执行步骤S2；

S2：根据涌水量和水仓水位计算达到液位警戒值的时间，从而得到排水时间区间；

S3：判断电价档位类型，结合排水时间区间得到排水优化策略。

2.根据权利要求1所述的一种安全智能节能矿井排水方法，其特征在于，所述安全条件中断策略为当水仓水位为最低排水液位时，执行涌水速率测算步骤；否则不做任何动作，中断决策，等待下一运行周期。

3.根据权利要求2所述的一种安全智能节能矿井排水方法，其特征在于，所述涌水速率测算步骤为设定阈值Qm，判断水仓用水量是否超过阈值Qm，是则立即排水；否则判断水仓水位是否超过液位警戒值，是则立即排水；否则执行步骤S2。

4.根据权利要求1所述的一种安全智能节能矿井排水方法，其特征在于，所述电价档位类型包括低谷时段、平段和高峰时段。

5.根据权利要求1所述的一种安全智能节能矿井排水方法，其特征在于，所述排水优化策略设置为当电价档位类型为低谷时段时，依照第一排水策略排水；当电价档位类型为平段时，依照第二排水策略排水；当电价档位类型为高峰时段时，保持蓄水。

6.根据权利要求5所述的一种安全智能节能矿井排水方法，其特征在于，所述第一排水策略设置为设t₂时刻开始启动排干水仓水需排水时间为t，计算

其中，t表示排水时间，V表示水仓水量，r表示涌水速率，Δt表示距低谷时段结束的时间差，n表示水泵台数，q表示泵站流量，当(8-t₂-t)<1时，进行排水。

7.根据权利要求5所述的一种安全智能节能矿井排水方法，其特征在于，所述第二排水策略设置为将水仓水排净需要排水时间为

其中，t表示排水时间，V表示水仓水量，r表示涌水速率，Δt表示距低谷时段结束的时间差，q表示水泵流量，判断t>8时，启动水泵提前排水，满足Δt-t<1时刻排水。

8.根据权利要求1所述的一种安全智能节能矿井排水方法，其特征在于，采集涌水量数据得到涌水量变化曲线，将涌水量变化曲线拟合为无数段线性曲线，采用分段法求取单位时间内的涌水变化率r＝(Q₂-Q₁)/(t₂-t₁)，其中Q表示涌水量，t表示当前时刻。

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