水利调度中自动化系统的应用

刘国庆

水利调度中自动化系统的应用

刘国庆

一、水利信息自动化系统结构和功能

信息自动化系统一般由一个监控中心站和若干个远方端站构成，必要时设中继站。监控中心站以微机系统为主体，配以数据通信设备；端站以单片微机或单板微机为主体，配以数据通信设备、传感器和（或）执行端；中继站由中继控制器和数据通信设备构成。监控中心站应配计算机专用电源，端站或中继站一般宜用蓄电池或太阳能电池工作。系统主要功能有：数据采集和命令执行，由端站的传感器和执行端完成；数据传输，由各站数据通信设备完成（见水利通信系统）；数据处理，由监控中心站微机系统完成数据识别、校验、存贮及分析计算作业，并可将数据及作业成果显示、打印。

二、水利调度的几种策略

1.动态规划

供水系统的优化调度运行过程根据供水量的需求可以分为若干相继的阶段，而在每个阶段都必须要做出决策，这个过程就是多段决策过程。因此这个多段决策的问题就是供水系统的优化调度问题。多段决策的问题在其过程中的每一段的结束状态，就是下一段的初始状态。如果从某一段看决定的策略是最优，对于下一段未必是有利的，所以多段决策过程的策略选定，要通盘考虑整体规划。选定一个策略使问题的目标值达到最优，这就是多段决策过程的最优问题，而且可以表示为数学规划问题，同时用动态规划来解决这类问题很有效。

2.线性规划

在水利调度长期的发展中的最初阶段，线性规划的方法一直处于不可或缺的地位。线性规划的方法是一种静态的优化策略，针对具体的问题设置出线性的目标函数，通常还会设置很多相应的表述约束的函数，一直被广泛应用，在解决水利调度的问题中已经形成自己独特的完整的过程，不单在水库调度中，在其他的很多领域也发挥着自身的作用。

3.遗传算法

遗传算法是一种仿生的优化算法，遗传算法的产生就是根据自然界中生物代代相传，优胜劣汰的思路，将这种思路应用到复杂的优化问题中就会产生很好的结果，遗传算法的自适应能力强，并行性好，因此也不断的被应用于水利调度问题的优化工作。

4.大系统分解协调技术

根据对供水系统的分析发现，供水系统中包括很多机组，是一个大而复杂的系统，处理大系统优化问题的思路就是对大系统进行分解，使处理的系统降阶、降维，达到易于处理的目的。分解就是把总系统“切割”成若干个子系统，这样各个子系统的问题规模就变小了。这种“切割”有时是自然划分的，就是将整个供水系统按照机组类型进行分组，在各类型机组优化的基础上，实现整个供水系统的优化。大系统分解成若干子系统之后，优化的困难在于各子系统之间存在的问题。正是这些关联，在分解后必须在总体目标和约束下进行协调。即大系统优化中的核心概念就是大系统的分解协调。

三、水库调度的特点

1.径流的随机特性

水库的天然入库流量是一种随机变量，它的出现具有偶然性，很难预先得知。这就给水库的控制运用带来了很大的困难。在入库径流量未知的情况下，确定水库的泄水量，只能根据运行人员的主观经验判断。若水库的实际来水量比预计来水量少时，就会使水库水位消落很快，使水利部门可用水量减少，并使发电水头降低，发电量减少，危及水库的正常运行；若水库的实际来水量比预计来水量大时，就有可能使水库很快蓄满，并发生大量弃水，造成水量浪费，影响水库的调度效益。径流出现的这种不确定性，是水库调度过程中不易处理的问题。目前，在水库优化调度研究中，一般将径流过程处理为随机过程。

2.水库运用的多目标性

水库一般都具有综合利用任务，我国水库大多具有防洪、发电、灌溉、航运、供水等多种功能。水库的各个目标之间是相互影响和相互制约的，并且有些目标还难以用定量的方法来描述。这使得水库的调度决策非常困难。对于这一问题，一般都是以某一目标为主，其他目标作为一种限制条件，使其得到最低限度的满足。目前，己有人应用多目标规划方法来研究水库调度问题，进行了一些有益尝试，取得了一些积极成果。

3.库结构的复杂性

水库本身是一种复杂的大型结构，其运行特性非常复杂，如水库的水位库容曲线是一条非线性曲线，与库区地形条件有关，很难用一条解析曲线来表示，在实际计算中，往往给出一组实测数据点，这样，给水库调度的具体计算带来了很大困难。另外，水库的出力是用水量的非线性函数，而且这一函数的解析式不能求出，只能以一组实测点给出，在优化调度计算中，只能应用离散数学的计算方法计算，使计算工作量和计算精度都受到一定影响。

四、新形势下我国水利调动自动化系统的现状和存在的问题

新型水库调度自动化系统的设计与开发为今后水利调度自动化系统的发展和应用提供了更可靠的基础理论与技术方案，随着加入信息量的增大与应用需求的拓展，系统还需要在优化调度方面做深入研究。随着河流大规模阶梯开发和水电站群逐渐投入运行，水利水电站的调度管理日趋复杂。水利调度自动化控制的可靠性设计是水利自动化调度系统设计的重点问题之一，要牢固树立可靠性思想观念，使之贯穿于设计、实验、安装调试以及运行整个过程中，这其中的保护措施要强电与弱电相互结合、硬件与软件相互结合，形成多层次多类型的保护，这样可以保护系统的稳定运行。新形势下水库调度所面临的问题主要有：首先，调度规模越来越大，联系越来越复杂，这就需要选择更加适合的求解方法、非线性优化问题的方法；其次，就如何实现水库传统的兴利除害目标和生态环境目标的协调需要深入研究；第三，在我国电力市场化的大背景之下，水电站优化运行调度问题的研究备受关注。

五、水利调度自动化系统

1.数据采集和通信

水调自动化系统的数据采集软件与水情遥测站的智能设备进行数据采集和通信，二者之间基于TCP/IP网络协议，通过IEC 61850标准与水调自动化系统数据平台进行通信。智能数据采集与通信主要实现以下内容：

支持IEC 61850标准的水情通信装置，即用于水情测报系统数据采集的智能电子装置（IED）。IED实现雨水情以及电压、温度等状态信息的采集，并且通过IEC 61850标准与水调数据平台之间进行水情相关数据的传输。通用的可用变电站配置语言（SCL）描述的水情自动测报系统IEC 61850模型。通用的符合IEC 61850标准的驱动，可运行在Windows/Linux/VxWorks系统平台上。

2.水利调度系统应用

水调系统基本应用在公共服务支持下，在数据库管理、模型管理、人机界面、报表等方面提供统一、高效的解决方案，使基本应用无需考虑操作系统和网络协议的差异，并实现应用无关性，满足不同领域的需求，实现系统的高性能和高可用。水调系统可视化（以图形的方式可视化显示水调系统各类数据、信息）应用在规范的标准、集成的服务、统一的平台结构支撑下，满足用户对信息检索、图形交互、业务应用的需求，采用多种信息展示形态，实现水调系统中实时监视、数据报警、数据的图表、报表统计、地理信息系统应用。水调系统智能化应用在多专业系统智能化基础上，基于水库优化调度的新理论和新技术，制定水库优化运行策略，建设流域联合优化调度系统，提高水库水能利用率，实现水库和机组的安全经济运行。

六、结束语

水利工程是促进国家经济发展、改善民生的重要途径，伴随着我国水利建设的投入正在不断增加，对于水利工程的建设和管理要求也越来越高。随着自动化监控技术和网络技术的广泛使用，供水系统正逐步采用智能型综合供水调度自动化调度策略，形成集控制、运行、管理于一体的高效管理模式，这对于改善经济增长方式有着非常重要的意义

（作者单位：安徽省涡阳县水务局233600）