（水利水电工程专业论文）水电站综合自动化系统集成与电力负荷预测研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 ， l 随着社会和科技的迅速发展，以信息化推动工业化和现代化，已成为国家的 基本国策。由于行业经济基础的明显优势，电力工业的信息化、自动化建设步伐 更应领先一步，因此，研究电力系统中水电站综合自动化系统集成与信息化的关 键技术，具有重要的理论意义和应用价值。 本论文结合“马迹塘水电站闸门实时监控系统”【l 】和“马迹塘水电站水库综 合自动化系统”【l 】、“黄龙滩水库调度决策支持系统”【2 】、“欧阳海大洪水预案调 度决策支持系统”1 3 】等科研项目，对水电站综合自动化系统中的一些核心问题： 综合自动化系统集成理论和方法、水电站综合自动化系统集成及系统集成中的容 错问题、水电站闸门实时监控系统、水库优化调度模型及方法等方面进行了深入 研究同时，结合“华中电网水电商业化优化调度决策系统”【4 】课题，对电力负 荷短期预测模型及方法进行了较深入研究。j 论文主要内容有： 1 ) 提出了水电站综合自动化系统集成是水电站自动化中一个有重要研究意 义的课题。( 在综合分析研究了系统集成理论和方法的基础上，针对我国目前水电 站自动化现状，提出了可从根本上解决水电站“自动化孤岛”问题的系统集成方 案；提出了基于水电站现有控制子系统的系统集成方案。同时，对系统集成中的 容错问题进行了研究，提出了增强系统容错能力的有效方法。，l 一 2 ) 对马迹塘水电站闸门实时监控和水库调度自动化问题进行了深入研究， 提出了基于现场总线和p l c 技术的分层分布式闸门实时监控系统方案，并提出了 水位定值控制数学模型和闸门启闭方案编制数学模型。 3 ) 对水库洪水期常规调度方案和洪水优化调度方案生成模型进行了深入研 究，提出了以发电效益最大为准则的洪水优化调度模型和以最高库水位最低为准 m 湖南省电力工业局的。九五重点项目； 田湖北省电力局项目； 口j 湖南省水利厅项日： 4 1 华中电力调度遣讯局项目 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = ! ! = ! ! = ! = ! ! ! 皇! ! l = ! ! ! ! ! ! = ! ! = = ! = ! = 1 2 = ! = = ! ! = = ! ! = 则的洪水优化调度模型，并给出了相应算法，可根据水库蓄水状况和入库洪水预 报方案适时选用。提出了基于分时电价条件下的日最优调度模型及其求解方法。 4 ) 对日负荷特征值预测和短期负荷预测进行了深入研究。在日负荷特征值 预测中，采用三层b p 神经网络，通过选用合理、有效的输入量及学习方法，建 立了三层b p 神经网络预测模型。在短期负荷预测中，提出了考虑气象因素等多 种因素影响的电力系统短期负荷综合预测模型。同时，对提出的两个预测模型进 行了长系列实例仿真计算分析。 关键词：水电站，综合自动化，系统集成，容错，现场总线， 可编程控制器，水库调度，负荷预测 l 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n t o fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y , p r o m o t i n g i n d u s t r i a l i z a t i o na n dm o d e r n i z a t i o n b y m o d e mi n f o r m a t i o n t e c h n o l o g yh a sb e c o m e t h e f 1 1 n d a m e n t a ln a t i o n a l p o l i c y i nc h i n a s i n c ee l e c t r i c p o w e ri n d u s t r y h a st h e o u t s t a n d i n ga d v a n t a g e s ，t h es p e e do f b u i l d i n gi n f o r m a t i o n ，a u t o m a t i o na n di n t e g r a t i o n s y s t e m ss h o u l db ef a s t e rt h a nt h eo t h e r s t h e r e f o r e ，t os t e d yo nt h ek e yt e c h n i q u e s ， t h e o r i e sa n d a p p l i c a t i o n s o fs y n t h e t i ca u t o m a t i o na n d s y s t e mi n t e g r a t i o n f o r h y d r o p o w e r s t a t i o n si np o w e r s y s t e m i so f t h e i m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e t h i st h e s i s i n c o r p o r a t e sw i t ht h er e s e a r c hp r o j e c t s o f r e a l - t i m es u p e r v i s o r y c o n t r o ls y s t e mo fs p i l l w a yg a t eo fm a f i t a n gh y d r o p o w e rs t a t i o n ”叶 m a j i t a n g h y a 醣o p o w e r s t a t i o nr e s e r v o i r s y n t h e t i c a u t o m a t o n s y s t e m ”叶 h u a n g l o n g t a n r e s e r v o i rf l o o dc o n t r o ld e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m 吲a n d “o u y a n g h a ir e s e r v o i r f l o o df o r e c a s t i n ga n d o p e r a t i o ns y s t e m ”l j j e t c t h ep r t m r y c o n t e n t so f s y n t h e t i c a u t o m a t i o ns y s t e mi nh y d r o p o w e rs t a t i o n , s u c ha st h et h e o r ya n dt e c h n o l o g yo f s y n t h e t i ca u t o m a t i o ns y s t e mi n t e s r = i o n , t h em o d e lo fs y n t h e t i ca u t o m a t i o ns y s t e m i n t e g r a t i o na n df a u l t - t o l e r a n c e ，r e a l - t i m es u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e mo fs p i l l w a yg a t e ， r e s e r v o i r o p t i m a ld i s p a l c h i n gm o d e l a n dm e t h o d , a n ds oo n , a r er e s e a r c h e d t h i st h e s i s a l s oi n c o r p o r a t e s 谢也t h er e s e a r c hp r o j e c to f h u a z h o n gp o w e r s y s t e mh y 西o e l e c t r i c c o m m e r c i a l i z e do p a m a td i s p a t c h i n gd e c i s i o ns y s t e m ” 4 1 硼他m o d e la n dm e t h o do f s h o r t - t i m el o a df o r e c a s t i n ga r er e s e a r c h e di nt h i st h e s i s mp r = 岫r e s e a r c h c o n t e n t s a sf o l l o w s ： s t u d yo ns y s t e mi n t e g r a t i o nf o rs y n t h e t i ca u t o m a t i o ni s o n eo ft h ei m p o r t a n t r e s e a r c hp r o b l e m si nh y d r o p o w e rs t a t i o n s w h i c hi sf i r s tp r e s e n t e di nt h i st h e s i s b a s e d o ns y n t h e t i c s t u a y m g o nt h et h e o r ya n dt e c h n o l o g yo fs y s t e mi n t e g r a t i o n , a n d a c c o r d i n gt ot h ep r e s e n ts t a t u so fh y d r o p o w e rs t a l j o ni no u rc o u n t r y , a na d v a n c e d s y s t e mi n t e g r a t i o np r o j e c tt h a tc a nr e s o l v et h ep r o b l e mo f “a u t o m a t i o ni s o l a t i o f f i n i t t h e9 t hf i v e - y 髑x 勋r 骶c h r r o j c c to f h t m n n e l e c t r i cb 捌 1 2 1t h er e 咄e h p f o i o c to f h u b c ie l e c 仃i cb u r e a u 例t h e r e a r c h p i o c t o f h t m m a w a t e r c o n s ( n v n n e y b i 脚 4 1 t h c r 靴c hp l 哂e c t o f d 印t o f h u n z h o n g p o w e r d i 印珊c h c o m m u n i c a t i o n 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = 2 = ! ! = ! = = ! = = = ! = ! ! = ! ! ! ! = ! ! = ! = = = = ! ! = ! = = = ! = = ! ! = h y d r o p o w e r s t a t i o ni sp r e s e n t e di nt h i st h e s i s a na d v a n c e d s y s t e mi n t e g r a t i o np r o j e c t ， w h i c hi sb a s e do nt h ea u t o m a t i o nc o n t r o ls y s t e m sa tp r e s e n t , i sp r e s e n t e dt o o a tt h e s a m et i m e ，f a u l t - t o l e r a n c et e c h n o l o g i e si ns y s t e mi n t e g r a t i o na r er e s e a r c h e d ，a n ds o m e g o o dm e t h o d st h a tc a ne n h a n c et h es y s t e mf a u l t - t o l e r a n c ea b i l i t ya r ep r e s e n t e di nt h i s t h e s i s r e s e a r c ho nt h er e a l - t i m e s u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e mo fs p i l l w a yg a t e a n d s y n t h e t i ca u t o m a t i o ns y s t e mo fm a j i t a n gh y d r o p o w e rs t a t i o n , al a y e r - d i s t r i b u t e d r e a l t i m es u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e mo f s p i l l w a yg a t e ，w h i c hi sb a s e do nf i e l d - b u sa n d p l c t e c h n o l o g yi sp r e s e n t e d i n v a r i a b l ew a t e rl e v e lc o n t r o lm o d e la n dg a t eo p e r a t i o n m o d e la r ca l s op r e s e n t e d r e s e a r c ho nt h ef l o o dc o n t r o lo f n o r m a lo p e r a t i o na n do p t i m a lo p e r a t i o n d e 印l y _ t h eo p t i m a lf l o o dc o n t r o lm o d e l ，b a s e do nt h er u l eo fm a x i l n b l lg e n e r a t i o nb e n e f i t , a n dt h eo t h e ro p t i m a ld i s p a t c h i n gm o d e li nw h i c h o b j e e t i v ef u n c t i o n i st om i n i m i z et h e h i g h e s tr e s e r v o i rl e v e li nr e g u l a t i n gd u r a t i o n , a r ep r e s e n t e d a n da l g o r i t h m sf o rt h et w o m o d e l sa 豫p r e s e n t e d a c c o r d i n gt ot h er e s e r v o i rs t a t u sa n d h y d r o l o g i c a lf o r e c a s t i n g t h ed i f f e r e n tm o d e lc a nb ec h o s ei nt i m e a tt h es a m et i m et h eo p t i m a ld i s p a t c h i n g m o d e l ，w h i c hi sb a s e do nd i f f e r e n te l e c t r i cp r i c e ，a n dt h ea l g o r i t h mf o rt h em o d e l ，a l e p r e s e n t e d r e s e a r c ho nd a i l yc h a r a c t e r i s t i cl o a df o r e c a s t i n ga n ds h o r t - t i m el o a df o r e c a s t i n g d e e p l y i nd a i l yc h a r a c t e r i s t i cl o a df o r e c a s t i n g ，u s i n gt h r e e l a y e rb pa r t i f i c i a ln e u r a l n e t w o r k ( a n n ) ，c h o o s i n gr a t i o n a l ，e f f e c t i v ei n p u tv a l u e s ，a n de f f e c t i v es t u d y i n g m e t h o d , at h r e e l a y e rb pa r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r kf o r e c a s t i n gm o d e li sb u i l tu p i n s h o r t - t i m el o a df o r e c a s t i n g ，a l li n t e g r a t e ds h o r t - t i m el o a df o r e c a s t i n gm o d e l ，w h i c h t a k e sw e a t h e rf a c t o ra n do t h e ri m p a c tf a c t o r si n t oa c c o u n t , i sp r e s e n t e d a n da l a r g e ， a m o u n to f s i m u l a t i o na n d a n a l y z i n go n t h em o d e l sa r eh e l di nt h et h e s i s k e y w o r d s ：h y d r o p o w e rs t a t i o n ，s y n t h e t i ca u t o m a t i o n ，s y s t e mi n t e g r a t i o n ， f a u l t - t o l e r a n c e ，f i e l d - b u s ，p l c ，r e s e r v o i ro p e r a t i o n ， l o a d f o r e c a s t i n g 一1 1 。 。_ _ - _ _ _ _ _ _ i - _ _ _ _ - _ _ _ - - - - - _ - - _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ - _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ 一 i v 华中科技大学硕士学位论文 1 1 引言 1 绪论 我国是个地域辽阔，水资源丰富的国家，有世界闻名的长江、黄河两大水 系。据我国水能资源普查资料显示，全国可开发水能资源蕴量是3 7 8 亿k w , 年发 电量为1 9 2 万亿k w h 。到2 0 世纪末已经建成和正在建设的大型水电站有6 0 多 座。单站装机为1 0 m w 以上的大坝和水电站枢纽约有2 0 0 0 处，共装机容量约为 3 6 万m w ，平均年发电量为1 8 2 0 0 亿k w h ：单站装机为2 5 0 m w 以上的大坝和 大型水电站枢纽有2 0 0 多处，其装机容量和年平均发电量占资源总量的8 0 左右， 其中2 0 0 0 m w 以上的大坝和特大水电站枢纽有3 0 多处，其装机容量和年平均发 电量占资源总量的5 0 左右。全国已经建成的库容在1 0 万岔以上的水库有8 万 多座，其中库容在1 0 0 0 万m 3 以上的水库有近3 0 0 0 座，库容在l 亿一以上的大 型水库有4 0 0 多座。水电建设在我国经济建设中占有重要的作用，据1 9 9 6 年资料 统计，尽管全国水电装机容量仅占全国电网的2 3 5 ，发电量仅占整个电网的 1 7 3 2 ，但所创造的经济效益超过整个电力系统的一半。 目前，我国水能开发利用率约在1 4 左右，尚有足够的水资源等待开发。根 据我国规划，到2 0 1 0 年要达到1 2 5 亿k w ，2 0 2 0 年达到2 1 亿k w 以上，因此， 在相当长的一段时间内，我国的水电开发将保持很快的发展速度。 丰富的水资源在发电、灌溉、供水等方面发挥着重大作用的同时，我们也必 须清醒的认识到，洪水也会给我们带来巨大的灾难。1 9 9 8 年发生的长江和嫩江特 大洪水，使我国受灾人口达2 3 亿，受灾面积6 6 1 0 k i n 2 ，直接经济损失达2 6 0 0 多 亿元严重的洪水灾害再次引起我们对水患的认识。水电站水库不仅为我们在发 电、灌溉、供水等方面发挥着重大作用，同时，在防洪方面也发挥着无法替代的 作用。当我们能够对水库进行合理的调度时，将会大大减少洪水带来的灾害。1 9 9 8 年特大洪水如果没有水库发挥的巨大防洪调峰作用，其损失更将是不可估计。随 着社会经济的高速发展，水电站水库在防洪中的作用越来越突出。 水电站的发电、防洪、灌溉和供水等功能发挥的如何与水电站的综合自动化 华中科技大学硕士学位论文 水平有直接的关系。目前，我国的水库综合自动化水平高低不同，但总的来说， 相对于其他一些自动化领域的技术应用水平还有一定的差距。特别是一些早期建 立的水库，尽管计算机、通讯、自动化等先进技术在水电站有了一定的应用，但 水电站综合自动化实际应用水平不是很高。设备老化、通信、控制、预报、调度、 管理等技术还比较落后。许多水电站还处在分散监控状态，各个分散控制单元都 是相互独立，它们各自的监控信息很难进行有效的集中和共享，“自动化孤岛”问 题严重。许多调度部门还是以人工调度为主，很难将各个分散控制单元采集到的 最新信息有效利用起来，进行综合决策分析，做出最优的综合调度方案。以人工 调度为主，现场经验起着重要作用，随机性很大。因而，实际调度结果很难和理 论结果相吻合，甚至差别很大。这不但降低了水电站的综合经济效益，而且还会 带来许多人为的风险，甚至造成无法估计的损失。同时，随着社会的迅速发展， 对电力的需求日益增强，各行各业对电能质量的要求越来越高。现有许多老式水 电站还是以常规控制、人工操作为主的控制模式，自动化水平低下，电能质量和 发电效率很低。 控制理论、优化理论、应用数学及计算机技术、通讯技术、自动化技术的迅 速发展，为实现水电站综合自动化( 自动化采集、控制、决策以及和网络技术结 合，实现管理信息的自动化) 奠定了基础。实现水电站综合自动化可以集大坝安 全监测、水情预报、洪水优化调度、闸门控制、发电控制以及信息的采集、管理 和查询为一体，实现管理、决策、控制的集中性需要，使水电站自动处于安全、 可靠、优化的运行状态，充分发挥水电站的经济效益。同时，又可以改善工作人 员的工作环境和劳动强度，使水电站真正实现无人值班，少人值守，甚至无人值 守。 1 2 国内外水电站综合自动化现状与发展 国外一些经济发达的国家如瑞士、日本早在5 0 年代计算机尚未应用时，大 批小型水电站就实现了全面自动化或由调度所进行集中遥控，并使大多数小型水 电站达到了无人值班的水平。随着自动化和计算机技术的迅速发展，在中型水电 站、部分大型水电站和个别特大型水电站及抽水蓄能电站，也逐步实现了无人值 班或准无人值班。如美国的大古力水电站装机容量为数百万千瓦，正常运行时只 2 华中科技大学硕士学位论文 有3 人值班。目前在国外经济发达的国家电力行业的自动控制及集中控制方面， 已由原来的单个水电站的自动化、无人值班发展到现在的区域性发、供电一体化， 由设立的调度所集中对数十个或更多个水电站、变电站进行自动控制。美国西部 哥伦比亚的好几个大型梯级水电站已经实现了计算机控制，如大古力水电站和石 河段水电站。法国在梯级水电站的计算机控制方面己处于领先地位，典型的是罗 纳河梯级水电站和莱茵河梯级水电站。 相对于国外一些经济发达的国家，我国的水电站综合自动化发展较晚。7 0 年 代，我国水电站水库自动化技术水平还比较低。为了促进其发展，原电力部科技 委于1 9 7 9 年在福建古田主持召开了全国水电站自动化技术经验交流会，建议尽快 引进国外先进技术，建立技术交流情报网( 后改称信息网) 等。会后相继有2 0 余个 水电站及梯级调度引进了国外先进的技术和系统。这些系统的引进，对促进我国 水电站监控技术的发展，掌握和学习国外先进的技术和管理经验，发挥了相当有 效的作用在消化、吸收国外先进技术和经验的基础上，国内的科研院所也加快 了研制国产化水电站计算机监控系统的步伐。我国最早应用计算机监控系统的是 新安江水电站。八十年代后，柘溪水电站、富春江水电站、葛洲坝水电站、鲁布 革水电站等一部分水电站安装了不同自动化程度的计算机监控系统。1 9 9 4 年在太 平湾召开的技术研讨会上，提出了水电站“无人值班( 少人值守) ”的设想，1 9 9 5 年在湖南召开了水电站无入值班( 少入值守) 试点工作汇报会，先后两批1 3 个水 电站被批准做为科研示范工程和试点单位，在水电站取得了减人增效的丰硕成果。 九十年代投产的水电站基本都安装了全厂计算机控制系统。根据国内实际应用情 况来看，除了丹江口、漫湾、葛洲坝、隔河岩、五强溪、二滩等少量水电站综合 自动化水平较高外，大多数新建的水电站和改造后的老水电站的综合自动化水平 相对于唇外还不是很高，特别是各个功能单元( 子系统) 还具有很大的相对独立 性，并未真正实现水电站局域网内的综合自动化以及系统广域网内的综合自动化。 在水情自动铡报系统研究应用方面，经济发达的国家也发展比较早。2 0 世纪 6 0 年代，欧、美、日等国率先在自己本土上建立了水情泓报系统，其各种制式、 各种通信方式的浏报系统均比较发达。随后，许多大规模的全流域，甚至全国性 的自动水文测报系统逐步建立。美国的加州萨克拉门托是最早建成的水情测报系 统。目前，美国大部分的水文站已经纳入了水情测报系统，其中相当一部分还安 装了卫星平台，同时还使用测雨雷达。日本根据“河川法”，要求对水电站水库的 华中科技大学硕士学位论文 = = = = ! ! = = = ! ! ! ! ! g ! ! ! = 鼍! = = = ! = = e ! = 2 = = = = = = ! = ! = = 1 2 管理、操作正规化，建立了以建设省为中心，对全国的一级河流和大坝实行统一 管理的自动测报系统。日本帮助建立的菲律宾全国水文自动测报系统，能在短时 间内快速收集全国各站水文信息，经计算机处理后向全国发出预报。美国在加利 福尼亚洲设置了防洪水情遥测系统，将二十三个站的水文气象信息传送给中央监 控站的计算机处理，进行洪水预报。我国在2 0 世纪7 0 年代组建了短波电台报汛 网。8 0 年代初期，参考国外先进技术，以中规模集成电路为基础，研制出小流域 水情测报系统，在黑龙江拉林河、广东西枝江等开始试用。进入8 0 年代中期，以 微机和单片机为主体的水情测报系统开始得到广泛应用，国内自行研制的水情测 报系统开始在湖北黄龙滩水电站、大连碧流河水库等投入运行。与此同时也引进 了一些国外的先进测报系统，如长江陆水水库、松花江白山丰满水库等引进了美 国s m 公司生产的m e n 系统。 在水库调度自动化系统研究应用方面，西方发达的国家研究和应用开展比较 早，开发的水库调度自动化系统应用比较成功。如美国的加利福尼亚中心流域工 程优化调度系统( c v p ) ，该系统由九个发电站、九个水库、三个引水渠和四个抽 水站组成。整个系统运行三个模型，为月优化运行模型、日优化运行模型和时段 优化运行模型，高一级的模型输出为低一级的模型输入。优化方法为线性规划和 i d p s a 法的联合迭代法，运行效果显著。再如美国的田纳西流域机构( w a ) 水 资源优化调度系统( h y d r o s m i ) ，该系统主要是对航运、防洪和4 2 座水电站的 发电进行调度控制。该系统主要运行四个模型，为周计划模型、周调度模型、日 计划模型和日调度模型。计划模型用来对问题作基本描述，是离线的。调度模型 在计划模型的指导下对水库的运行作在线控制。而加拿大则在水库调度专家决策 支持系统和图形显示技术方面发展迅速，如s i m o n o v i e 等在1 9 9 2 年开发出的水库 调度分析专家决策支持系统是由1 1 个水库分析模型组成的模型库，并把图形技术 应用到界面和成果显示。该系统可确定水库规模、制定水库长期运行和短期运行 计划以及可以判断计算结果是否已达到最优解并进行灵敏度分析。1 9 9 3 年他们开 发出用于专家系统率定的交互式计算机图形界面。1 9 9 4 他们提出了径流长期预报 的决策支持系统，并在1 9 9 5 年进一步讨论了水电能源的可持续利用和发展准则等 闯题。我国在2 0 世纪末在水库调度与防洪决策支持系统研究与应用方面也取得了 巨大的进展，由华中理工大学、河海大学、武汉水利电力大学、北京水科院等一 些院校和科研院所相继为一些水电站开发了水库调度、防洪决策支持系统，取得 华中科技大学硕士学位论文 了良好的应用效果，如长江资水流域的柘溪水电站水库防洪调度决策支持系统、 湖北黄龙滩水库调度决策支持系统、安康水电站水库调度自动化系统、音河水库 防洪决策支持系统等。 根据国内外水电站自动化的应用现状和发展来看，目前大多数水电站，特别 是国内水电站，只是综合自动化中的部分子系统的自动化水平比较高，但整体综 合自动化水平比较低，甚至还没有真正实现综合自动化，现有的各个子系统只是 独立完成自己的功能，而与其他子系统的通信和信息共享基本没有实现。要真正 达到。无人值班( 少人值守) ”，必须将现有的水雨情测报、来水预报、水库调度、 发电自动监控、闸门自动监控、大坝安全监测等各个子系统有机集成在一起，并 进一步建立和完善其他相关子系统，形成一个综合自动化系统。因此，水电站综 合自动化系统集成将成为水电站自动化中的一个主要研究课题。 1 3 论文主要研究的内容和章节安排 本论文将结合湖南省电力工业局“九五”重点项目“马迹塘水电站闸门实时 监控系统”( 一期研究项目) 和“马迹塘水电站水库综合自动化系统”( - - 期研究 项目) 、。黄龙滩水库调度决策支持系统”、“欧阳海大洪水预案调度决策支持系 统”等科研项目，对水电站综合自动化核心问题：综合自动化系统集成理论和方 法、水电站综合自动化系统集成及系统集成中的容错问题、水电站闸门实时监控 系统、水库优化调度模型及方法等进行深入的理论研究和工程实践应用。 随着电力市场的逐步建立和完善，水电站也将作为电力市场中的一个独立实 体，参与市场竞争。本文将结合“华中电网水电商业化优化调度决策系统”对电 力负荷短期预测模型及方法进行深入研究，为电网调度和水电站发电竟价上网做 前期研舡作。 全文章节和内容安排如下： 第一章“绪论”。对实现水电站综合自动化的意义和国内外水电站综合自动 化的研究、应用现状和进展进行了较为详细的介绍。 第二章“水电站综合自动化系统集成研究”。分析了水电站自动化普遍存在 的问题，提出了水电站综合自动化系统集成是水电站自动化中一个有重要研究意 义的课题。探讨系统集成的基本概念、理论、内容以及系统集成的作用，自动化 华中科技大学硕士学位论文 ! = ! ! = = ! ! ! ! ! ! 烹! ! ! ! ! ! ! ! ! 皇! ! ! ! ! ! ! ! = 皇= = = ! ! ! e ! = = ! ! ! = = = = ! ! ! 系统集成的技术和方法。在此基础上，针对我国目前水电站自动化现状，研究了 可从根本上解决水电站“自动化孤岛”问题的系统集成方案和基于水电站现有控 制子系统的系统集成方案。同时，对系统集成中的容错问题进行较为深入研究， 并提出了有效的容错设计方案。 第三章“基于现场总线和p l c 技术的闸门自动控制系统研究”。对马迹塘水 电站闸门实时监控系统进行深入研究，设计出基于现场总线和p l c 技术的分层分 布式闸门实时监控系统，并研究了闸门恒水位控制模型和闸门启闭方案编制模型。 第四章“水库调度方案生成模型研究”。对水库常规调度、洪水优化调度和 分时电价下的水库日最优调度进行深入研究，提出了以发电效益最大为准则的洪 水优化调度模型、以最高库水位最低为准则的优化调度模型和在分时电价下的日 最优调度模型并给出相应的求解方法。对所提出的模型进行实例仿真计算分析。 第五章“电力负荷预测模型及方法研究”。对日负荷特征值预测和短期负荷 预测进行深入研究。建立日负荷特征值预测模型和短期负荷综合预测模型，并对 所提出的模型进行仿真计算和分析。 第六章“总结与展望”。对全文工作进行了总结，并提了有待于进一步研究 的工作。 。一。- _ _ - 。_ - _ 。_ - - _ 。- 。- 。- 。_ - - 。_ _ _ _ - _ _ - 。- - - 。_ _ _ - - _ _ _ _ - _ _ - _ 。_ - _ 。- _ 一 6 华中科技大学硕士学位论文 2 水电站综合自动化系统集成研究 2 1 问题提出 目前，我国中小型水电站的发电计算机控制系统、水雨情采集分析系统、水 库调度系统、闸门监控系统以及大坝安全监测系统等自动化控制水平都有了很大 的发展，计算机控制系统已经成为主要的自动化控制系统。但是，在综合自动化 系统方面还普遍存在着一些问题，主要有： ( 1 ) 各个子系统、各个控制单元设备新旧交错，自动化程度高低不同。 ( 2 ) 各个子系统、各个控制单元相对独立性强，协调性差。 ( 3 ) 各个子系统之间互不沟通，大量冗余的数据和信息重复存储在各个子系 统内，综合决策所需的信息无法从各个子系统直接读取。 ( 4 ) 各个子系统因为异构机、异构软件等原因，用简单网络互联比较困难。 ( 5 ) 电站因发展需要，继续对其中的某些子系统或子系统中的某些控制单元 进行改进，从而各个单元自动化程度及异构性的差别难以消除，甚至加大。 上述问题实际上就是自动化领域普遍存在的“自动化孤岛”问题。水电站要 真正达到我国在2 0 世纪9 0 年代初提出的“无人值班，少人职守”的目标，就必 须将现有的水雨情测报分析、气象信息采集分析、来水预报、水库调度、发电自 动监控、闸门自动监控、大坝安全检测等各个子系统有机集成在一起，并进一步 建立和完善相关子系统，形成一个综合自动化系统。因此，水电站综合自动化系 统集成成为水电站自动化中的一个有重要研究意义的课题。 计算机技术、网络通信技术、自动化技术等相关技术和理论的发展使“自动 化孤岛”问题不再是一个无法解决的问题。水电站综合自动化系统集成就是根据 水电站的实际需要，在原有的各个子系统的基础上，采用软，硬件技术和相关设 备，将各个子系统有机的连接起来，形成一个集成的系统，以便使它们彼此协调 和有机地工作，最大限度的减少数据冗余，保持数据的一致性和完整性，为领导 的决策提供真正有用的信息，消除“自动化孤岛”问题 7 华中科技大学硕士学位论文 = ! = ! ! = = = 詈皇暑皇= = = ! ! 篁詈鼍毫! ! ! 鼍詈皇毫詈! 葛烹= = 皇! 皇= = ! 皇毫詈= = ! = = = ! ! 暑皇= 竺= 曼 2 2 自动化系统集成理论和方法 2 2 1系统集成基本概念 1 ) 系统 系统( s y s t e m ) 是具有特定功能的有机整体，它由相互作用、相互依赖的若 干部分按一定的关系组成，其本质在于描述事物的组织构架和事物之间的相互联 系。系统应具有整体性、层次性、相关性、目的性以及环境适应性等特性。 2 ) 集成 集成( i n t e g r a t i o n ) 又可称为综合，可理解为：一个整体的各个部分之间能彼 此自动地、谐调地工作，以发挥整体效益，达到整体优化的目的。集成不是各种 元素的简单拼凑，而是要能产生1 + 1 2 的集成效果。 3 ) 系统集成 系统集成( s y s t e mi n t e g r a t i o n ) 可理解为：按系统整体性原理，将原来没有联 系或联系不紧密的元素组成为具有一定功能的，满足一定目标的、相互联系，彼 此谐调工作的新系统的过程、技术与科学。 2 2 2 系统集成的基本内容和思想 系统集成不仅涉及技术问题，也涉及到人文、心理、管理和艺术问题。主要 内容包括：硬件集成、软件集成、数据和信息集成、技术和管理集成及人与组织 机构集成。 1 ) 硬件集成 使用硬件设备将各个子系统连接起来，形成一个统一体。例如使用网络将各 个计算机连接起来，形成一个计算机网。 2 ) 软件集成 软件集成要解决的问题是异构软件的相互接口和数据交换。 3 ) 数据和信息集成 数据和信息集成建立在硬件和软件集成之上，是系统集成的核心。通常要解 决的问题包括： ( 1 ) 合理规划数据和信息： ( 2 ) 减少数据冗余； 8 华中科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 更有效地实现信息共享； ( 4 ) 确保数据和信息的安全保密。 4 ) 技术和管理集成 企业单位的核心问题是经济效益，如何使各部门协调一致的工作，发挥各部 门的最大作用是系统集成的主要内容。 5 ) 人与组织机构集成 这是系统集成的最高境界。如何提高每个人和每个组织机构的工作效率，如 何通过系统集成来促进企业管理和提高管理效率，是系统集成面临的巨大挑战。 系统集成的核心思想可概括为：信息集成是系统集成的核心；物理集成是系 统集成的基础；功能集成是系统集成的的目标；人机集成是系统集成的关键；经 营集成是系统集成的灵魂；价值集成是系统集成的约束；技术集成是系统集成的 保障。 2 2 3 系统集成的作用 系统集成的具体作用主要体现在以下几个方面： 1 ) 可以减少数据冗余，实现信息共享； 2 ) 便于对数据的合理规划和分布： 3 ) 便于进行规模优化： 4 ) 便于开展并行工程，提高工作效率和效益： 5 ) 有利于人们之间彼此谐调地工作。 2 2 4 自动化系统集成技术 自动化系统主要包括控制系统、信息管理系统和通信系统。系统集成主要解 决的问题是通信系统组态、网络拓扑结构设计、配线、髓络系统管理、控制系统 组态、人机接口、系统管理和维护、信息管理和维护等。采用的技术从基本方式 上可分为硬件集成方式和软件集成方式。 1 ) 硬件集成方式 硬件集成方式主要是采用有关设备将各个单元、各个子系统按照一定的方式 连接起来。在自动化系统集成中，底层智能设备网段和控制层连接，可以通过安 装中继器、网桥和网关等专门硬件设备，使上下层之问进行通信。目前，现场控 制层多采用现场总线，不同的现场总线其标准有所不同。当为同一类型的现场总 9 华中科技大学硕士学位论文 ! ! = = = ! = ! ! ! = ! ! ! ! ! ! ! ! ! 鼍! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! = ! ! ! ! ! ! ! ! ! = = = ! = ! ! ! ! ! ! ! ! 线时，网段的延伸和网络节点的增加可采用中继器，不同速率网段之间的连接可 采用网桥；当为不同类型的现场总线时，可采用网关实现互联。现场控制层网段 和上层以太网段连接，可将多个网关连接，组成异构综合网。在硬件设备集成中 也可采用专门的计算机通过专用软件完成数据包的识别、解释和转换，从而实现 二吕网段的互联。 2 ) 软件集成方式 软件集成方式是通过开发相应的软件模块，使异构软件能够相互连接和通 信，并能对系统应用软件进行有效组态。异构软件互联的核心问题是软件接口和 数据交换。在自动化领域主要采用的技术有：动态数据交换技术、开放式数据库 互连技术和过程控制对象的链接和嵌入技术等。 ( 1 ) 动态数据交换( d d e ) 在控制层网络和信息层网络之间一般都有监控计算机工作站和实时数据库 眼务器。监控计算机既是控制网络的工作站也是信息网络的工作站，其中运行两 个主要程序：一是通信程序，用来接收实时数据，为信息网络数据库提供实时数 据；二是数据库访问应用程序接口，它接收d d e 服务器实时数据并写入数据库 服务器中，供信息网络使用，各种应用程序通过共享内存来交换数据。此时，可 以采用d d e 方式进行控制层网络与信息网络互联集成。 ( 2 ) 开放式数据库互连( o d b c ) 系统数据库主要是实时数据库和关系数据库，它是企业信息集成的重要支 撑，也是实现数据交换与共享的有效工具。由于o d b c 技术可作为连接数据库的 统一界面标准，通过它能较容易地创建与各种数据库进行交互的程序。因此， o d b c 成为系统集成常用的一种有效工具。特别是动态服务器网页( a s p ) 技术和 a e t i v e x 技术的出现，使得在服务器端执行程序变而更加方便。目前，j a v a 在网 络中的应用日益广泛，当采用j a v a 语言编程时，采用j d b c ，0 l d b c 方式访问数据 库非常容易。 ( 3 ) 过程控制对象的链接与嵌入( o p c ) o p c ( 0 l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 是建立在m i c r o s o f t 的o l e c o m 技术之上的 一项技术规范与标准。它采用客户服务器模型，任何带有o p c 接口的客户应用 程序都可以与一个或多个硬件供应商的o p c 服务器相连。采用o p c 技术的目的 是从网络节点上的服务器获得数据，它允许客户程序从不同的o p c 服务器甚至运 l o 华中科技大学硕士学位论文 行在不同节点上的服务器存储数据。因此，可在监控工作站中为每个网段编写相 应的o p c 服务器软件，由o p c