水利調度中自動化系統(tǒng)的應用

劉國慶

水利調度中自動化系統(tǒng)的應用

劉國慶

一、水利信息自動化系統(tǒng)結構和功能

信息自動化系統(tǒng)一般由一個監(jiān)控中心站和若干個遠方端站構成，必要時設中繼站。監(jiān)控中心站以微機系統(tǒng)為主體，配以數(shù)據(jù)通信設備；端站以單片微機或單板微機為主體，配以數(shù)據(jù)通信設備、傳感器和（或）執(zhí)行端；中繼站由中繼控制器和數(shù)據(jù)通信設備構成。監(jiān)控中心站應配計算機專用電源，端站或中繼站一般宜用蓄電池或太陽能電池工作。系統(tǒng)主要功能有：數(shù)據(jù)采集和命令執(zhí)行，由端站的傳感器和執(zhí)行端完成；數(shù)據(jù)傳輸，由各站數(shù)據(jù)通信設備完成（見水利通信系統(tǒng)）；數(shù)據(jù)處理，由監(jiān)控中心站微機系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)識別、校驗、存貯及分析計算作業(yè)，并可將數(shù)據(jù)及作業(yè)成果顯示、打印。

二、水利調度的幾種策略

1.動態(tài)規(guī)劃

供水系統(tǒng)的優(yōu)化調度運行過程根據(jù)供水量的需求可以分為若干相繼的階段，而在每個階段都必須要做出決策，這個過程就是多段決策過程。因此這個多段決策的問題就是供水系統(tǒng)的優(yōu)化調度問題。多段決策的問題在其過程中的每一段的結束狀態(tài)，就是下一段的初始狀態(tài)。如果從某一段看決定的策略是最優(yōu)，對于下一段未必是有利的，所以多段決策過程的策略選定，要通盤考慮整體規(guī)劃。選定一個策略使問題的目標值達到最優(yōu)，這就是多段決策過程的最優(yōu)問題，而且可以表示為數(shù)學規(guī)劃問題，同時用動態(tài)規(guī)劃來解決這類問題很有效。

2.線性規(guī)劃

在水利調度長期的發(fā)展中的最初階段，線性規(guī)劃的方法一直處于不可或缺的地位。線性規(guī)劃的方法是一種靜態(tài)的優(yōu)化策略，針對具體的問題設置出線性的目標函數(shù)，通常還會設置很多相應的表述約束的函數(shù)，一直被廣泛應用，在解決水利調度的問題中已經形成自己獨特的完整的過程，不單在水庫調度中，在其他的很多領域也發(fā)揮著自身的作用。

3.遺傳算法

遺傳算法是一種仿生的優(yōu)化算法，遺傳算法的產生就是根據(jù)自然界中生物代代相傳，優(yōu)勝劣汰的思路，將這種思路應用到復雜的優(yōu)化問題中就會產生很好的結果，遺傳算法的自適應能力強，并行性好，因此也不斷的被應用于水利調度問題的優(yōu)化工作。

4.大系統(tǒng)分解協(xié)調技術

根據(jù)對供水系統(tǒng)的分析發(fā)現(xiàn)，供水系統(tǒng)中包括很多機組，是一個大而復雜的系統(tǒng)，處理大系統(tǒng)優(yōu)化問題的思路就是對大系統(tǒng)進行分解，使處理的系統(tǒng)降階、降維，達到易于處理的目的。分解就是把總系統(tǒng)“切割”成若干個子系統(tǒng)，這樣各個子系統(tǒng)的問題規(guī)模就變小了。這種“切割”有時是自然劃分的，就是將整個供水系統(tǒng)按照機組類型進行分組，在各類型機組優(yōu)化的基礎上，實現(xiàn)整個供水系統(tǒng)的優(yōu)化。大系統(tǒng)分解成若干子系統(tǒng)之后，優(yōu)化的困難在于各子系統(tǒng)之間存在的問題。正是這些關聯(lián)，在分解后必須在總體目標和約束下進行協(xié)調。即大系統(tǒng)優(yōu)化中的核心概念就是大系統(tǒng)的分解協(xié)調。

三、水庫調度的特點

1.徑流的隨機特性

水庫的天然入庫流量是一種隨機變量，它的出現(xiàn)具有偶然性，很難預先得知。這就給水庫的控制運用帶來了很大的困難。在入庫徑流量未知的情況下，確定水庫的泄水量，只能根據(jù)運行人員的主觀經驗判斷。若水庫的實際來水量比預計來水量少時，就會使水庫水位消落很快，使水利部門可用水量減少，并使發(fā)電水頭降低，發(fā)電量減少，危及水庫的正常運行；若水庫的實際來水量比預計來水量大時，就有可能使水庫很快蓄滿，并發(fā)生大量棄水，造成水量浪費，影響水庫的調度效益。徑流出現(xiàn)的這種不確定性，是水庫調度過程中不易處理的問題。目前，在水庫優(yōu)化調度研究中，一般將徑流過程處理為隨機過程。

2.水庫運用的多目標性

水庫一般都具有綜合利用任務，我國水庫大多具有防洪、發(fā)電、灌溉、航運、供水等多種功能。水庫的各個目標之間是相互影響和相互制約的，并且有些目標還難以用定量的方法來描述。這使得水庫的調度決策非常困難。對于這一問題，一般都是以某一目標為主，其他目標作為一種限制條件，使其得到最低限度的滿足。目前，己有人應用多目標規(guī)劃方法來研究水庫調度問題，進行了一些有益嘗試，取得了一些積極成果。

3.庫結構的復雜性

水庫本身是一種復雜的大型結構，其運行特性非常復雜，如水庫的水位庫容曲線是一條非線性曲線，與庫區(qū)地形條件有關，很難用一條解析曲線來表示，在實際計算中，往往給出一組實測數(shù)據(jù)點，這樣，給水庫調度的具體計算帶來了很大困難。另外，水庫的出力是用水量的非線性函數(shù)，而且這一函數(shù)的解析式不能求出，只能以一組實測點給出，在優(yōu)化調度計算中，只能應用離散數(shù)學的計算方法計算，使計算工作量和計算精度都受到一定影響。

四、新形勢下我國水利調動自動化系統(tǒng)的現(xiàn)狀和存在的問題

新型水庫調度自動化系統(tǒng)的設計與開發(fā)為今后水利調度自動化系統(tǒng)的發(fā)展和應用提供了更可靠的基礎理論與技術方案，隨著加入信息量的增大與應用需求的拓展，系統(tǒng)還需要在優(yōu)化調度方面做深入研究。隨著河流大規(guī)模階梯開發(fā)和水電站群逐漸投入運行，水利水電站的調度管理日趨復雜。水利調度自動化控制的可靠性設計是水利自動化調度系統(tǒng)設計的重點問題之一，要牢固樹立可靠性思想觀念，使之貫穿于設計、實驗、安裝調試以及運行整個過程中，這其中的保護措施要強電與弱電相互結合、硬件與軟件相互結合，形成多層次多類型的保護，這樣可以保護系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。新形勢下水庫調度所面臨的問題主要有：首先，調度規(guī)模越來越大，聯(lián)系越來越復雜，這就需要選擇更加適合的求解方法、非線性優(yōu)化問題的方法；其次，就如何實現(xiàn)水庫傳統(tǒng)的興利除害目標和生態(tài)環(huán)境目標的協(xié)調需要深入研究；第三，在我國電力市場化的大背景之下，水電站優(yōu)化運行調度問題的研究備受關注。

五、水利調度自動化系統(tǒng)

1.數(shù)據(jù)采集和通信

水調自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集軟件與水情遙測站的智能設備進行數(shù)據(jù)采集和通信，二者之間基于TCP/IP網絡協(xié)議，通過IEC 61850標準與水調自動化系統(tǒng)數(shù)據(jù)平臺進行通信。智能數(shù)據(jù)采集與通信主要實現(xiàn)以下內容：

支持IEC 61850標準的水情通信裝置，即用于水情測報系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的智能電子裝置（IED）。IED實現(xiàn)雨水情以及電壓、溫度等狀態(tài)信息的采集，并且通過IEC 61850標準與水調數(shù)據(jù)平臺之間進行水情相關數(shù)據(jù)的傳輸。通用的可用變電站配置語言（SCL）描述的水情自動測報系統(tǒng)IEC 61850模型。通用的符合IEC 61850標準的驅動，可運行在Windows/Linux/VxWorks系統(tǒng)平臺上。

2.水利調度系統(tǒng)應用

水調系統(tǒng)基本應用在公共服務支持下，在數(shù)據(jù)庫管理、模型管理、人機界面、報表等方面提供統(tǒng)一、高效的解決方案，使基本應用無需考慮操作系統(tǒng)和網絡協(xié)議的差異，并實現(xiàn)應用無關性，滿足不同領域的需求，實現(xiàn)系統(tǒng)的高性能和高可用。水調系統(tǒng)可視化（以圖形的方式可視化顯示水調系統(tǒng)各類數(shù)據(jù)、信息）應用在規(guī)范的標準、集成的服務、統(tǒng)一的平臺結構支撐下，滿足用戶對信息檢索、圖形交互、業(yè)務應用的需求，采用多種信息展示形態(tài)，實現(xiàn)水調系統(tǒng)中實時監(jiān)視、數(shù)據(jù)報警、數(shù)據(jù)的圖表、報表統(tǒng)計、地理信息系統(tǒng)應用。水調系統(tǒng)智能化應用在多專業(yè)系統(tǒng)智能化基礎上，基于水庫優(yōu)化調度的新理論和新技術，制定水庫優(yōu)化運行策略，建設流域聯(lián)合優(yōu)化調度系統(tǒng)，提高水庫水能利用率，實現(xiàn)水庫和機組的安全經濟運行。

六、結束語

水利工程是促進國家經濟發(fā)展、改善民生的重要途徑，伴隨著我國水利建設的投入正在不斷增加，對于水利工程的建設和管理要求也越來越高。隨著自動化監(jiān)控技術和網絡技術的廣泛使用，供水系統(tǒng)正逐步采用智能型綜合供水調度自動化調度策略，形成集控制、運行、管理于一體的高效管理模式，這對于改善經濟增長方式有著非常重要的意義

（作者單位：安徽省渦陽縣水務局233600）