水利調度中自動化系統的應用

劉國慶

水利調度中自動化系統的應用

劉國慶

一、水利信息自動化系統結構和功能

信息自動化系統一般由一個監控中心站和若干個遠方端站構成，必要時設中繼站。監控中心站以微機系統為主體，配以數據通信設備；端站以單片微機或單板微機為主體，配以數據通信設備、傳感器和（或）執行端；中繼站由中繼控制器和數據通信設備構成。監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。系統主要功能有：數據采集和命令執行，由端站的傳感器和執行端完成；數據傳輸，由各站數據通信設備完成（見水利通信系統）；數據處理，由監控中心站微機系統完成數據識別、校驗、存貯及分析計算作業，并可將數據及作業成果顯示、打印。

二、水利調度的幾種策略

1.動態規劃

供水系統的優化調度運行過程根據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的優化調度問題。多段決策的問題在其過程中的每一段的結束狀態，就是下一段的初始狀態。如果從某一段看決定的策略是最優，對于下一段未必是有利的，所以多段決策過程的策略選定，要通盤考慮整體規劃。選定一個策略使問題的目標值達到最優，這就是多段決策過程的最優問題，而且可以表示為數學規劃問題，同時用動態規劃來解決這類問題很有效。

2.線性規劃

在水利調度長期的發展中的最初階段，線性規劃的方法一直處于不可或缺的地位。線性規劃的方法是一種靜態的優化策略，針對具體的問題設置出線性的目標函數，通常還會設置很多相應的表述約束的函數，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揮著自身的作用。

3.遺傳算法

遺傳算法是一種仿生的優化算法，遺傳算法的產生就是根據自然界中生物代代相傳，優勝劣汰的思路，將這種思路應用到復雜的優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化工作。

4.大系統分解協調技術

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

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，并使發電水頭降低，發電量減少，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，并發生大量棄水，造成水量浪費，影響水庫的調度效益。徑流出現的這種不確定性，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據點，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，而且這一函數的解析式不能求出，只能以一組實測點給出，在優化調度計算中，只能應用離散數學的計算方法計算，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的現狀和存在的問題

新型水庫調度自動化系統的設計與開發為今后水利調度自動化系統的發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，系統還需要在優化調度方面做深入研究。隨著河流大規模階梯開發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，這樣可以保護系統的穩定運行。新形勢下水庫調度所面臨的問題主要有：首先，調度規模越來越大，聯系越來越復雜，這就需要選擇更加適合的求解方法、非線性優化問題的方法；其次，就如何實現水庫傳統的興利除害目標和生態環境目標的協調需要深入研究；第三，在我國電力市場化的大背景之下，水電站優化運行調度問題的研究備受關注。

五、水利調度自動化系統

1.數據采集和通信

水調自動化系統的數據采集軟件與水情遙測站的智能設備進行數據采集和通信，二者之間基于TCP/IP網絡協議，通過IEC 61850標準與水調自動化系統數據平臺進行通信。智能數據采集與通信主要實現以下內容：

支持IEC 61850標準的水情通信裝置，即用于水情測報系統數據采集的智能電子裝置（IED）。IED實現雨水情以及電壓、溫度等狀態信息的采集，并且通過IEC 61850標準與水調數據平臺之間進行水情相關數據的傳輸。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系統平臺上。

2.水利調度系統應用

水調系統基本應用在公共服務支持下，在數據庫管理、模型管理、人機界面、報表等方面提供統一、高效的解決方案，使基本應用無需考慮操作系統和網絡協議的差異，并實現應用無關性，滿足不同領域的需求，實現系統的高性能和高可用。水調系統可視化（以圖形的方式可視化顯示水調系統各類數據、信息）應用在規范的標準、集成的服務、統一的平臺結構支撐下，滿足用戶對信息檢索、圖形交互、業務應用的需求，采用多種信息展示形態，實現水調系統中實時監視、數據報警、數據的圖表、報表統計、地理信息系統應用。水調系統智能化應用在多專業系統智能化基礎上，基于水庫優化調度的新理論和新技術，制定水庫優化運行策略，建設流域聯合優化調度系統，提高水庫水能利用率，實現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。隨著自動化監控技術和網絡技術的廣泛使用，供水系統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）