水利調(diào)度中自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用

劉國(guó)慶

水利調(diào)度中自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用

劉國(guó)慶

一、水利信息自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能

信息自動(dòng)化系統(tǒng)一般由一個(gè)監(jiān)控中心站和若干個(gè)遠(yuǎn)方端站構(gòu)成，必要時(shí)設(shè)中繼站。監(jiān)控中心站以微機(jī)系統(tǒng)為主體，配以數(shù)據(jù)通信設(shè)備；端站以單片微機(jī)或單板微機(jī)為主體，配以數(shù)據(jù)通信設(shè)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(shè)備構(gòu)成。監(jiān)控中心站應(yīng)配計(jì)算機(jī)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(shè)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(jī)系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)識(shí)別、校驗(yàn)、存貯及分析計(jì)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(diào)度的幾種策略

1.動(dòng)態(tài)規(guī)劃

供水系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度運(yùn)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(gè)階段都必須要做出決策，這個(gè)過程就是多段決策過程。因此這個(gè)多段決策的問題就是供水系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度問題。多段決策的問題在其過程中的每一段的結(jié)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(duì)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(gè)策略使問題的目標(biāo)值達(dá)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(xué)規(guī)劃問題，同時(shí)用動(dòng)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(diào)度長(zhǎng)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(duì)具體的問題設(shè)置出線性的目標(biāo)函數(shù)，通常還會(huì)設(shè)置很多相應(yīng)的表述約束的函數(shù)，一直被廣泛應(yīng)用，在解決水利調(diào)度的問題中已經(jīng)形成自己獨(dú)特的完整的過程，不單在水庫調(diào)度中，在其他的很多領(lǐng)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(chǎn)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(yīng)用到復(fù)雜的優(yōu)化問題中就會(huì)產(chǎn)生很好的結(jié)果，遺傳算法的自適應(yīng)能力強(qiáng)，并行性好，因此也不斷的被應(yīng)用于水利調(diào)度問題的優(yōu)化工作。

4.大系統(tǒng)分解協(xié)調(diào)技術(shù)

根據(jù)對(duì)供水系統(tǒng)的分析發(fā)現(xiàn)，供水系統(tǒng)中包括很多機(jī)組，是一個(gè)大而復(fù)雜的系統(tǒng)，處理大系統(tǒng)優(yōu)化問題的思路就是對(duì)大系統(tǒng)進(jìn)行分解，使處理的系統(tǒng)降階、降維，達(dá)到易于處理的目的。分解就是把總系統(tǒng)“切割”成若干個(gè)子系統(tǒng)，這樣各個(gè)子系統(tǒng)的問題規(guī)模就變小了。這種“切割”有時(shí)是自然劃分的，就是將整個(gè)供水系統(tǒng)按照機(jī)組類型進(jìn)行分組，在各類型機(jī)組優(yōu)化的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)整個(gè)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(guān)聯(lián)，在分解后必須在總體目標(biāo)和約束下進(jìn)行協(xié)調(diào)。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(diào)。

三、水庫調(diào)度的特點(diǎn)

1.徑流的隨機(jī)特性

水庫的天然入庫流量是一種隨機(jī)變量，它的出現(xiàn)具有偶然性，很難預(yù)先得知。這就給水庫的控制運(yùn)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(yùn)行人員的主觀經(jīng)驗(yàn)判斷。若水庫的實(shí)際來水量比預(yù)計(jì)來水量少時(shí)，就會(huì)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(yùn)行；若水庫的實(shí)際來水量比預(yù)計(jì)來水量大時(shí)，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(fèi)，影響水庫的調(diào)度效益。徑流出現(xiàn)的這種不確定性，是水庫調(diào)度過程中不易處理的問題。目前，在水庫優(yōu)化調(diào)度研究中，一般將徑流過程處理為隨機(jī)過程。

2.水庫運(yùn)用的多目標(biāo)性

水庫一般都具有綜合利用任務(wù)，我國(guó)水庫大多具有防洪、發(fā)電、灌溉、航運(yùn)、供水等多種功能。水庫的各個(gè)目標(biāo)之間是相互影響和相互制約的，并且有些目標(biāo)還難以用定量的方法來描述。這使得水庫的調(diào)度決策非常困難。對(duì)于這一問題，一般都是以某一目標(biāo)為主，其他目標(biāo)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(yīng)用多目標(biāo)規(guī)劃方法來研究水庫調(diào)度問題，進(jìn)行了一些有益嘗試，取得了一些積極成果。

3.庫結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性

水庫本身是一種復(fù)雜的大型結(jié)構(gòu)，其運(yùn)行特性非常復(fù)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(guān)，很難用一條解析曲線來表示，在實(shí)際計(jì)算中，往往給出一組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，這樣，給水庫調(diào)度的具體計(jì)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(shí)測(cè)點(diǎn)給出，在優(yōu)化調(diào)度計(jì)算中，只能應(yīng)用離散數(shù)學(xué)的計(jì)算方法計(jì)算，使計(jì)算工作量和計(jì)算精度都受到一定影響。

四、新形勢(shì)下我國(guó)水利調(diào)動(dòng)自動(dòng)化系統(tǒng)的現(xiàn)狀和存在的問題

新型水庫調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)為今后水利調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用提供了更可靠的基礎(chǔ)理論與技術(shù)方案，隨著加入信息量的增大與應(yīng)用需求的拓展，系統(tǒng)還需要在優(yōu)化調(diào)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(yùn)行，水利水電站的調(diào)度管理日趨復(fù)雜。水利調(diào)度自動(dòng)化控制的可靠性設(shè)計(jì)是水利自動(dòng)化調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)問題之一，要牢固樹立可靠性思想觀念，使之貫穿于設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、安裝調(diào)試以及運(yùn)行整個(gè)過程中，這其中的保護(hù)措施要強(qiáng)電與弱電相互結(jié)合、硬件與軟件相互結(jié)合，形成多層次多類型的保護(hù)，這樣可以保護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。新形勢(shì)下水庫調(diào)度所面臨的問題主要有：首先，調(diào)度規(guī)模越來越大，聯(lián)系越來越復(fù)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(shí)現(xiàn)水庫傳統(tǒng)的興利除害目標(biāo)和生態(tài)環(huán)境目標(biāo)的協(xié)調(diào)需要深入研究；第三，在我國(guó)電力市場(chǎng)化的大背景之下，水電站優(yōu)化運(yùn)行調(diào)度問題的研究備受關(guān)注。

五、水利調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)

1.數(shù)據(jù)采集和通信

水調(diào)自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集軟件與水情遙測(cè)站的智能設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和通信，二者之間基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，通過IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)與水調(diào)自動(dòng)化系統(tǒng)數(shù)據(jù)平臺(tái)進(jìn)行通信。智能數(shù)據(jù)采集與通信主要實(shí)現(xiàn)以下內(nèi)容：

支持IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的水情通信裝置，即用于水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的智能電子裝置（IED）。IED實(shí)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(biāo)準(zhǔn)與水調(diào)數(shù)據(jù)平臺(tái)之間進(jìn)行水情相關(guān)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(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)IEC 61850模型。通用的符合IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)，可運(yùn)行在Windows/Linux/VxWorks系統(tǒng)平臺(tái)上。

2.水利調(diào)度系統(tǒng)應(yīng)用

水調(diào)系統(tǒng)基本應(yīng)用在公共服務(wù)支持下，在數(shù)據(jù)庫管理、模型管理、人機(jī)界面、報(bào)表等方面提供統(tǒng)一、高效的解決方案，使基本應(yīng)用無需考慮操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的差異，并實(shí)現(xiàn)應(yīng)用無關(guān)性，滿足不同領(lǐng)域的需求，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高性能和高可用。水調(diào)系統(tǒng)可視化（以圖形的方式可視化顯示水調(diào)系統(tǒng)各類數(shù)據(jù)、信息）應(yīng)用在規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)、集成的服務(wù)、統(tǒng)一的平臺(tái)結(jié)構(gòu)支撐下，滿足用戶對(duì)信息檢索、圖形交互、業(yè)務(wù)應(yīng)用的需求，采用多種信息展示形態(tài)，實(shí)現(xiàn)水調(diào)系統(tǒng)中實(shí)時(shí)監(jiān)視、數(shù)據(jù)報(bào)警、數(shù)據(jù)的圖表、報(bào)表統(tǒng)計(jì)、地理信息系統(tǒng)應(yīng)用。水調(diào)系統(tǒng)智能化應(yīng)用在多專業(yè)系統(tǒng)智能化基礎(chǔ)上，基于水庫優(yōu)化調(diào)度的新理論和新技術(shù)，制定水庫優(yōu)化運(yùn)行策略，建設(shè)流域聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)，提高水庫水能利用率，實(shí)現(xiàn)水庫和機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

六、結(jié)束語

水利工程是促進(jìn)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展、改善民生的重要途徑，伴隨著我國(guó)水利建設(shè)的投入正在不斷增加，對(duì)于水利工程的建設(shè)和管理要求也越來越高。隨著自動(dòng)化監(jiān)控技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的廣泛使用，供水系統(tǒng)正逐步采用智能型綜合供水調(diào)度自動(dòng)化調(diào)度策略，形成集控制、運(yùn)行、管理于一體的高效管理模式，這對(duì)于改善經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式有著非常重要的意義

（作者單位：安徽省渦陽縣水務(wù)局233600）