[发明专利]一种管网故障水力监测实验系统及其实现故障辨识的方法

说明书

本发明公开了一种管网故障水力监测实验系统及其实现故障辨识的方法，该系统包括：分别模拟被监测的调水工程、市政供水管网水库上游不同供水压力和流量以及泄放下游水量的可调式高位水箱及可调式低位水箱；根据实际工程局部管网物理拓扑结构利用多种管道模拟构建、并布置有水力测量设备的模拟管网；产生度瞬变流的低强度瞬变激发器；采集模拟管网系统参数和水力数据并分析的SCADA系统；模拟不同尺寸泄漏的泄漏孔，以及模拟管道阻塞的闸板阀或细管的管道故障模拟装置。本发明能够兼顾泄漏和阻塞，并结合可控低强度瞬变流激发装置和数据采集分析系统实现管网故障辨识，应用广泛，易于控制、不易造成大压力水锤波动，构成简单，经济实用，易推广。

技术领域

本发明涉及供水管道、管网系统故障检测技术，具体涉及一种管网故障水力监测实验系统及其实现故障辨识的方法。

背景技术

管道故障包括泄漏和阻塞等，是管道输送液体过程中一种普遍存在的现象，会造成大量的资源损失、能量浪费和环境污染。管道输水工程、输配水管网、城市排水管网中故障预警、监测和快速准确定位的理论和方法一直是当前社会的一个热点需求，也已经成为我国建设节水型社会迫切需要解决的关键问题之一，具有重大的社会经济和现实意义。

目前，国际上对管道输水系统的故障检测研究越来越重视，研究热点是瞬变检测法，该法是供水管道、管网泄漏检测准确性、可靠性较高的一种方法；因为在瞬变条件下，即使微小的泄漏，管道的水压波形也存在着明显差别，与其它方法(如压力梯度法、负压波法等)相比，这一特点可以更好的确定泄漏故障发生位置。

近年来，国内外各大水司均在发展智慧水务，通过智慧管网及调度来实现减少爆管、降低漏失率和产销差，其核心在于构建管网SCADA(Supervisory Control And DataAcquisition，数据采集与监视控制)系统，并与管网实时水力模型相结合。当模拟结果和实际监测的数据误差较大时，如何可靠、有效的调整参数来弥合这一误差，就是模型校验要达到的目的；相应的，水力模型的精确度取决于模型校验的程度。因此，在使用模型作辅助决策之前，首要基础工作是开展水力模型和物理仿真模型的校验，校验之后才能应用和推广。

在调水或供水工程领域，管道系统的典型布置一般包括以下几种：

(1)泵站到管道，再由管道到调节池(或者出水池、调压井、水库)，然后在调节池后接明渠或者管道，如引黄入晋输水工程、南水北调中线北京段有压管涵输水；

(2)调节池到管涵，再由管涵到调节池(或者保水堰)，然后在调节池后接明渠或者管涵，如南水北调中线天津段有压管涵输水系统；

(3)调节池(泵站)到管网，然后管网后接用户，如一般的市政供水系统。

如图1所示，对管道系统监测的布置一般包括两部，分别为各种数据监控采集的计算机和设在监测站的带有仿真软件的中心计算机，以及测量管涵中瞬时流量、压力传感器和将其检测数据传输到数据监控采集的计算机的通讯设备。将管涵中检测点的流量、压力等参数传输到装有在线仿真软件的中心计算机，通过中心计算机计算出瞬变过程的数据，由管理人员对该瞬变过程的数据进行分析和处理。这种对管道系统监测的布置构建的故障监测模型可归纳为：水库(调节池、泵站)到管道，再到末端阀门的概化物理模型(如图2所示)，这是目前国际上研究较多的概化物理模型。

上述故障监测模型，是基于瞬变流的故障检测方法，由末端阀门部分关闭/开启或特殊激励方式(比如正弦波扰动)、伪随机二进序列压力信号(PRBS)制造扰动信号，同时由SCADA系统中的流量、压力传感器记录闸门(激励阀门)和调节池(水库)处流量、压力和水位的水力瞬变时间历程，因输水管道故障的存在及其位置直接影响着系统压力波形的畸变和衰减特性，通过对理论模拟的时频特性和实测的时频特性比较和反问题分析，可以确定泄漏大小和位置。

虽然基于瞬变流的检测法的故障监测模型具有很大的研究和实用价值，但存在以下问题：