（水利水电工程专业论文）弧门监控系统与人工神经网络应用研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 t v l 占3 五一 水电站弧门监控系统对于保障水电枢纽的安全高效运行起着非常重要的作 用，是水电站实现无人值班、少人值守的必要条件。本文以“湖南省大源渡水电 站弧门监控系统”研究课题为背景，针对超皇凿弧门监控系统进行了详尽的研究 工作。 本文回顾了国内外水电站计算机监控系统的发展历史和现状，结合湖南省大 源渡水电站的实际情况与控制要求，设计了大源渡水电站弧门监控系统的全计算 机控制方案。 针对弧门监控系统人机界面较多、实时优化调度计算复杂的特点，提出将组 态软件r s v i e w 3 2 和可视化快速开发工具b c b5 0 结合开发监控系统软件，两者 之间进行实时交换数据。通过分析剪贴板、o l e 和d d e 等几种数据交换机制， 采用d d e 机制开发了弧门实时监控系统软件。该系统软件界面友好，易于扩展， 维护方便。7 。 在实际的工程项目中，常常遇到水电站存在下游支流顶托的情况，此时下泄 流量与下游水位、顶托流量之间是复杂的非线性关系，采用传统的处理方法往往不 能得到满意的预测效果，从而影响确定水电站的优化调度方案。很多学者对此问 题进行了深入研究，但多数基于曲线解决，其应用效果在较大程度上依赖于曲线 与实际的吻合性、资料数量以及数据的准确性。本文引入人工神经网络，在分析 和总结传统的e b p 网络算法的基础上，提出了改进的s & b 型e b p 算法。考虑到 算法的收敛性和收敛速度，将其应用于研究课题的有顶托的泄流量预测中，取得 了满意的效果。 研制的弧门监控系统已在湖南省大源渡水电站投入运行。7 7 r 关键词：监控系统，弧门控制，动态数据交换，顶托 人工神经网络，e b p 网络 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eg a t es u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e mo fah 3 ，d r o p o w e rs t a t i o np l a y sa l li m p o r t a n t r o l ei n k e e p i n g t h e h y d r o p o w e rp l a n to p e r a t i n gs a f e l y a n de f f e c t i v e l y ，a n di ti s i n d i s p e n s a b l ef o rr e a l i z a t i o no f “n oo n eo nd u t y ”m o d ei nah y d r o p o w e rs t a t i o n n 圮 t h e s i st a k e st h ep r o j e c tn a m e ds u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e mo fh u n a nd a y u a n d u h y d r o p o w e rs t a t i o na st h ei n v e s t i g a t i v eb a c k d r o pa n dd o e sd e t a i l e dr e s e a r c h e so na g a t es u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e m a tf i r s t , t h ed e v e l o p m e n t a lh i s t o r ya n dc u r r e n ts i t u a t i o no fr 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 f h y d r o p o w e rs t a t i o ni nt h ew o r l da r er e v i e w e d a c c o r d i n gt oa c t u a l s t a t e so fd a y u a n d uh y d r o p o w e rs t a t i o na l lo p e nc o m p u t e r - c o n t r o l l e ds c h e m eo fg a t e s u p e r v t s o r ys y s t e m mah y d r o p o w e rs t a t i o ni sd e s i g n e d n l ec o m b i n a t i o no ft h ec o n f i g u r a b l es o t h , v a r er s v i e w 3 2a n dt h ev i s u a l l yr a p i d d e v e l o p m e n tt o o l b c b5 0a r e p r o p o s e dt od e v e l o pt h es y s t e ms o f t w a r e o ft h e s u p e r v i s o r ys y s t e mi n c o n s i d e r a t i o no fi n t e r a c t i v em m ia n dc o m p l i c a t e dr e a l - t i m e d i s p a t c ho p t i m i z a t i o n t w os o f t w a r e se x c h a n g ed a t ai nr e a lt i m e a f t e ra n a l y s i so f s e v e r a ld a t ae x c h a n g em e c h a n i s m ss u c ha sc l i p b o a r d ，o l ea n d d d e ，g a t es u p e r v i s o r y s y s t e ms o f t w a r ei sd e v e l o p e d b a s e do nd d em e c h a n i s m i ns o m ee n g i n e e r i n gp r o b l e m sd i s c h a r g eh a sc o m p l i c a t e dn o n l i n e a rr e l a t i o n sw i t l l d o w n r i v e r1 e v e la n db a c k w a t e rf l u xw h e nb a c k w a t e re f f e c t e x i s t si nh y d r o p o w e r s t a t i o n i nt h e s ec a s e si ti sd i 伍c u l tt o g e ts a t i s f a c t o r yf o r e c a s t i n g r e s u l t sa n d o p t i m i z a t i o nd i s p a t c hs c h e m ew i 也t r a d i t i o n a lg r a p h i cm e t h o d s m a n ys c h o l a r sh a v e d o n ei a r g en u m b e ro fr e s e a r c h e sa n di n v e s t i g a t i o n so nt h ep r o b l e ma n dm o s tm e t h o d s a r eb a s e do n g r a p h so rc u r v e s ，s ot h ea p p l i c a t i o ne f f e c td e p e n d s o np e r t i n e n c eb e t w e e n t h ec l l r v ea n dt h er e a ls i t u a t i o n ，i n f o r m a t i o nq u a n t i t ya n dv e r a c i t yo fd a t at oag r e a t e x t e n t a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r ki si n t r o d u c e dt os o l v et 1 1 ep r o b l e ma n di m p r o v e ds & b t y p e e b pa l g o r i t h mi s p r o p o s e d o nt h eb a s i so f a n a l y z i n g a n d s u m m a r i z i n g c o n v e n t i o n a le b pn e t w o r ka l g o r i t h m t h ei m p r o v e da l g o r i t h mi sa p p l i e dt op r o c e s s d i s c h a r g ef o r e c a s t i n go f t h eh y d r o p o w e r s t a t i o ni nt h e p r o j e c ts u c c e s s f u l l y n l eg a t es u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e md e v e l o p e dh a sb e e np u ti n t oo p e r a d o ni n h u n a nd a y u a n d uh y d r o p o w e rs t a t i o n k e y w o r d s ：s u p e r v i s o r y c o n t r o ls y s t e m ，g a t ec o n t r o l ，d y n a m i cd a t ae x c h a n g e ( d d e ) ， b a c k w a t e re f f e c t ，a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ( a m q ， e r r o rb a c k p r o p a g a t i o nn e t w o r k ( e b p ) i i 华中科技大学硕士学位论文 1 1 水电站计算机监控系统 1 概论 1 1 1 国内外发展概况 在水电站自动化控制系统发展初期，主要凭借经验就地手动操作，由于劳动 条件差，生产效率低，可靠性得不到保障【l j ；后来基于基地式仪表构成的单输入、 单回路定值控制系统，实现局部自动化，保证了生产过程的稳定性，大大减少和 消除了生产过程中的主要扰动，运行人员趋于减少，劳动强度逐渐减轻：随着采 用单元组合仪表和组装式仪表构成各种复杂的自动监测系统、自动调节系统、自 动操作系统、自动保护系统和成组调节装置等常规监控系统，水电站自动化水平 进一步提高，实现了少人控制。 随着计算机技术的发展和计算机性能的日趋完善，计算机应用已经深入到水 电站自动化的各个领域【2 】。起初它主要用于水电站工况监视和各种离线计算，后 来逐渐进入水电站的控制领域，从顺序控制到闭环调节控制，所实现的功能也越 来越复杂。一般来讲，中小型水电站的装机台数相对较少，要实现的监控功能比 较简单，对监控系统可靠性的要求较低，因而实现计算机监控比较容易：大型水 电站的装机台数比较多，需要实现的监控功能相对复杂，因而实现计算机监控的 难度较大。 目前，各个国家的水电站监控技术发展很不平衡，加上各水电站对控制系统 的要求也各有差异，因而还缺乏关于水电站实现计算机控制的全部完整统计资料。 虽然已有一些国家开始进行水电站控制系统标准化制定工作，但仅仅限于小水电 站或机组这一级。就国家而言，美国、日本和法国在监控技术方面较为领先。美 国西部哥伦比亚河上的好几座大型梯级水电站已经实现计算机监控。在法国，水 电站基本上实现了计算机监测与控制【3 】，实现了无人或少人值班以及远方遥控。 水电站监控技术发展相当迅猛，国内外许多公司和设计单位投入了大量的人 力专门从事这方面的研究，并推出了各自的系列产品【3 l ，如瑞典a b b 公司推出的 h p c 3 0 0 型分布式计算机监控系统、美国r o c k w e l l 公司推出的r o c k w e l l 系列组件 华中科技大学硕士学位论文 和国电南京自动化股份公司的w b x 1 2 8 自动化系统等，上述产品在水电站已经 得到广泛应用。 与国外相比，我国计算机在水电站自动化方面的应用起步较晚，但是进展很 快。经过科技人员多年的辛苦努力，我国水电站计算机监控系统技术得到了很大 发展，而且在技术水平和实用化程度上都有很大提高。目前很多新建水电厂的控 制模式基本上都按“无人值班、少人值守”的原则进行设计【4 1 。我国最早使用计 算机控制的是新安江水电站和流溪河水电站，前者主要用于监视，后者实现计算 机闭环控制。九十年代之后，计算机监控技术在许多水电站得到了更为广泛的应 用，著名的三峡水电站就是现今水电站实现计算机监控技术的典型代表。 实现水电站计算机监控，可以进一步提高水电站的安全运行可靠性，从而提 高水电站的经济效益。可以预见，对水电站进行计算机监控将成为水电站自动化 今后发展的主要方向。 11 2 水电站计算机监控方式和功能 根据计算机在水电站监控系统中所起的作用，水电站采用的计算机监控方式 可以分为以下几种： ( 1 ) 计算机辅助监控方式 采用计算机辅助监控方式( c a s c ，c o m p u t e r a i d e ds u p e r v i s o r yc o n t r 0 1 ) ，计 算机能够实现数据采集、打印报表、事件记录、趋势分析、操作指导和离线计算 等功能：不直接控制主设备。系统的监控操作主要由常规装置来完成。在这种情 况下，即使计算机部分发生故障，电站的正常运行仍能维持，只是在性能方面受 到影响。该方式对计算机系统的可靠性要求比较低，投资较少。巴西的伊泰普水 电站就是采用这种监控方式口j 。 ( 2 ) 以计算机为基础的监控方式 对于以计算机为基础的监控方式( c b s c ，c o m p u t e rb a s e ds u p e r v i s o r y c o n t r 0 1 ) ，计算机不但能够进行数据采集和计算，而且能够直接控制水电站的主 设备，但对控制系统的可靠性有较高的要求，因为一旦计算机控制系统发生故障， 电站的正常运行就不能维持，因此通常配置双机系统，并考虑许多能提高系统可 靠性的措施。相对计算机辅助监控方式来讲，需要的投资比较大，适用于新建电 站。就发展前景和实际应用来看，c b s c 方式是水电站今后采用的主要监控方式。 2 华中科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 计算机与常规装置双重监控系统 计算机与常规装置双重监控系统( c c s c ，c o m p u t e rc o n v e n t i o nb a s e d s u p e r v i s o r yc o n t r 0 1 ) 是从c a s c 方式到c b s c 方式的一种过渡性监控方式。采用 该方式时，水电站要设置两套监控系统，一套是以计算机构成的监控系统，另一 套时是以常规布线逻辑装置构成的监控系统，相互之间基本上是独立的。常规系 统有它自己的常规控制屏和控制台，可以实现对水电站的控制和监视。两套监控 系统可以互为备用。这种监控方式可靠性较高，但是花费较大，适合于大型水电 站。我国的葛洲坝二江电站就是采用计算机和常规装置双重监控系统。 随着电子计算机和以微处理器为基础的分散型控制系统的开发，带来了监控 技术的重大变化，先后出现了计算机数据采集系统、计算机操作指导系统或计算 机辅助监控系统、直接数字控制系统，后来发展到闭环计算机监控系统和分散控 制系统，从而迅速促进了水电站综合自动化系统的形成，实现了少人值守，集中 监视、操作，功能与风险分散，且便于系统扩展，功能更加完善。 上述各种监控系统在现在的水电站都有不同程度的应用。在实际的应用中， 也有很多学者提出了多种监控系统方案，如刘政庆提出了一种适用于大中型水电 站的具有管理和调度功能的两级微机实时监控系统，该系统采用串行通讯接口和 无线通讯接口，耗资少，操作简单【5 l ；王生铁等人提出了基于智能网络和现场总 线的容错模式【6 j ：g o n n e t 和c l l i o t t i 提出了基于p e t r i 网络的多目标监控支持系统， 该系统可以使监控系统的模块随着控制对象的拓扑而自动更新f 7 j 。 随着计算机技术的发展和在水电站中的应用，减少值班人员，减轻运行人员 劳动强度已成为许多电站运行管理的迫切要求，而计算机监控技术的应用能满足 这一愿望【8 】【9 1 。由于计算机能够进行复杂的计算、有效的管理和快速的反应，它 在水电站监控系统中发挥着巨大的作用。具体地讲，它可以实现以下功能【1 0 】： ( 1 ) 快速信息采集 为了保证水电站的安全经济运行，必须对水电站的运行工况和设备的状态进 行实时而严密的监视。 ( 2 ) 进行各项复杂计算 为了实现水电站的经济运行，需要进行大量的数值计算，既有水文方面的， 也有运行工况方面的，计算工作量大，又要求在短时间内完成。如果依靠人工完 华中科技大学硕士学位论文 成，显然满足不了实时控制的要求。采用计算机以后，可以采用完善的计算方法， 同时考虑各种各样的限制因素，使计算结果更为实用，从而可以提高水电站的安 全和经济效益。 ( 3 ) 实现自动控制 计算机的高可靠性使它能够胜任多种情况的自动控制，如根据来水情况控制 弧门的启闭，系统稳定控制以及机组的自动同期并网控制等。 ( 4 ) 自动事故处理 水电站发生事故后往往需要在极短时间内对事故情况做出正确判断，及时采 取有效措施，防止事故的扩大，并迅速转入安全工况运行。如果这些处理由运行 值班人员进行处理，由于人的反应能力有限，不可能在极短时间内掌握并理解大 量的数据信息并对事故情况做出正确的判断，更谈不上采取及时有效的处理方法： 而计算机具有存储大量信息、高速处理信息和进行各种逻辑判断的能力，用它来 处理水电站的事故是极为理想的，但是前提是事先人为地提供给计算机一定的处 理各种事故的数学模型或算法。 ( 5 ) 灵活的信息记录 计算机可以进行大量的信息储存，并可以设置不同的录制方式：定时录制和 报警触发记录等以实现自动循环记录。 ( 6 ) 方便的记录检索 对水电站监控系统的记录信息进行检索，对人员登录、报警时间、报警事件 以及处理结果进行查询等。 1 1 3 弧门监控系统 随着计算机技术的日益发展，水电站计算机监控系统的自动化程度也越来越 高。弧门监控系统作为水电站计算机监控系统的一个重要组成部分，也越来越受 到广泛的重视。 水电站弧门监控系统的主要任务是根据水库来水预报做出调度决策方案，计 算出弧门的启闭方案，对弧门实旌启闭操作，控制弧f - j 自动进行泄洪，并对弧门 状态进行实时监视，确保大坝和电站的安全，实现水电站的经济运行，挖掘水库 潜力，获得尽可能大的发电效益和防洪能力。 具体地讲，弧门计算机监控系统实现以下功能： 4 华中科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 数据采集和操作控制 采集各台机组和弧门的实时工况数据，监视其状态，并进行操作控制。 ( 2 ) 自动发电控制 根据水电站的发电调度计划，运用优化方法制定日发电规划，并执行操作。 ( 3 ) 弧门的监控 对各弧门的启闭和开关度进行优化处理，确定各弧门的开启量度，并能根据 突发事件处理弧门的启闭，监视各个弧门的当前运行状态。 ( 4 ) 报警和事件记录 对检测到的报警和事件进行实时记录，并及时打印以便于掌握当前水电站弧 门的运行状态，分析报警原因，提出解决方案。 ( 5 ) 生成报表 对各项有效数据记录并自动生成报表。 由于实际工况的复杂性，对于水电站控制系统中出现的非线性问题，采用常 规方法往往不能获得较为理想的效果。如若在水电站控制中引入a n n 思想，对 于水电站监控系统将是一个有益的尝试，可提高水电站监控系统的智能化水平。 1 2 人工神经网络应用分析 人工神经网络是近年来备受关注的交叉性系统科学，其突出特点在于能通过 对已知样本的学习反映输入与输出间复杂的非线性关系。人工神经网络经历了从 低潮到高潮的发展过程，目前对它的研究越来越深入，并取得了一定的成果。 1 2 1 人工神经网络的发展 人工神经网络( a r t i f i c i a l n e u r a l n e t w o r k ，a n n ) 的发展可以追溯到十九世纪 四十年代。1 9 4 3 年心理学家m c c u l l o c h 和数学家p i t t s 在数学生物物理学会刊 ( ( b u l l e t i no fm a t h e m a t i a ib i o p h y s i c s ) ) 上发表文章，总结了生物神经元的一些基 本生理持性，提出了形式神经元的数学描述与结构方法，即m p 模型。在m p 模型中，虽然赋予形式神经元的功能较弱，但是网络的计算能力巨大，这种巨 大的计算潜力在于网络中足够多的神经元以及神经元之间丰富的联系，同时神经 元还具有并行计算的能力【1 1 1 2 1 【1 3 】。 华中科技大学硕士学位论文 _ - _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ i ! i ! ! ! ! ! 1 1 9 4 9 年心理学家h e b b 提出神经元之间突触联系强度可变的假设。他认为学 习过程是在突触上发生的，突触的联系强度随其前后神经元的活动而变化。根据 这一假设提出的学习率为神经网络的学习算法奠定了基础。 五十年代末，r o s e n b l a t t 提出感知机，第一次把神经网络的研究应用于工程实 践。这是一种学习和自组织的心理学模型，它基本上符合神经生物学的知识，模 型的学习环境是有噪声的，网络构造中存在随机连接，这符合动物学习的自然环 境。当时人们对神经网络研究过于乐观，认为只要将这种神经元互连成个网络， 就可解决人脑思维的模拟问题，但是随后碰到了理论上和实现技术上的困难，加 上其它因素的影响，使得对神经网络的研究进入了低潮。 六十年代初，美国著名人工智能学者m i n s k y 和p a p e r t 对r o s e n b l a t t 的工作进 行了深入的研究，写了很有影响的感知机一书，指出感知机的处理能力有限， 甚至连x o r ( e x c l u s i v eo r ) 这样的问题也不能解决，并指出如果引入隐含神经 元，增加神经网络的层次，可提高神经网络的处理能力，但是研究对应的学习方 法非常困难。 1 9 7 7 年出现了k o u o n e n 的自组织映射模型、g r o s s b e r g 的自适应谐振模型以 及f u k u s i r n a 的新认知机等，特别是有的学者提出的连接机制和并行分布处理概念， 具有较大影响。美国加州理工学院生物物理学家h o p f i e l d 采用全互连型神经网络 模型，利用所定义的计算能量函数，成功地求解了计算复杂度为n p ( n o n l i n e a r p r o g r a m m i n g ) 完全型的旅行商问题。这项突破性的进展引起了广大学者对神经网 络潜在能力的高度重视，从而再一次激起了研究神经网络信息处理方法和研制神 经计算机的兴趣。八十年代后期，出于商业利益的考虑，在美国、日本等一些工 业发达国家里，掀起了竞相研究开发人工神经网络的热潮”。 神经网络发展到今天，在很多方面已经取得了重大进展。从t 9 8 2 年开始，世 界各地举行了多次有关神经网络的学术会议，同时软件公司也推出了各种神经网 络软件，神经网络的理论和应用研究都得到了飞速发展。 与传统方法相比，神经网络具有以下重要的特征和优势： ( 1 ) 非线性特性 6 华中科技大学硕士学位论文 神经网络在解决非线性系统控制问题中具有广阔的前景，这种特性来自它理 论上能以任意精度实现非线性映射。网络还可以实现较其它方法更优越的系统建 模。 ( 2 ) 并行分布式信息处理能力 神经网络具有并行结构，可以进行并行数据处理。这种方法具有较其它过程 更强的容错能力。 ( 3 ) 学习和自适应能力 神经网络是基于所研究系统过去的数据记录来进行训练的。当提供给网络的 输入不包含在训练集之中时，已经训练过的神经网络可具有很强的归纳能力。另 外，神经网络还可以在线进行自适应调节。 ( 4 ) 多变量系统应用能力 神经网络可以处理很多输入信号，并具有许多输出量，所以很容易用于多变 量系统。 从上述对神经网络的特征归纳来看，很显然神经网络可以表示非线性映射， 因此可以建立非线性系统的网络模型。用神经网络来构造非线性系统的模型，然 后基于控制要求训练神经网络，以期达到目的要求。 1 2 2 人工神经网络应用 人工神经网络的产生是从生物学上取得的灵感，把实现模拟生物神经元的某 些功能的元件组织起来，显示出惊人的特性，如能够学习专门的知识，从先前已 有的实例中概括出新的例子。 综合来看，不同的人工神经网络的组织形式虽然各异，但均有以下三个共同 特性： f 1 ) 学习能力 人工神经网络可以根据外界环境修改自身的行为，这种学习机制使得神经网 络更容易适应各种学习算法，当输入一组信息( 附有所需的输出结果) 时，它能 够不断调整，产生一系列一致的结果，最终达到人们预期的学习和记忆效果。 ( 2 ) 概括能力 华中科技大学硕士学位论文 一旦训练完成后，神经网络能在某种程度上对外界输入信息的减少或局部损 失不再表现出敏感的响应。这个特性反映出人工神经网络的健壮性( 鲁棒性) ， 即它具有极强的容错能力。 f 3 ) 抽取能力 人工神经网络具有很强的抽取能力，这点表现在它能够把以前未曾识别的 样本再现，达到自适应和自组织的本性。 人工神经网络的上述特性反映了它较之其它人工智能理论和方法更好地解决 认知和记忆问题，因此在信号处理、模式识别和系统控制等方面都得到了较为广 泛的实际应用。随着对人工神经网络研究的进一步深入，人工神经网络将发挥出 更为出色的作用。 人工神经网络是算法和结构的统一体，是一种求近似而非精确解的软计算方 法。当前人工神经网络的应用已经渗透到自动控制领域的各个方面，包括系统辨 识、系统控制、优化计算以及控制系统的故障诊断与容错处理等【1 5 】1 1 6 。在神经网 络控制应用上，上海交大的赵闻飚等应用神经网络的学习、映射和综合能力来研 究水电机组的优化与自适应控制问题，较好地解决了稳定性较差的贯流式水轮发 电机组的调节问题。武汉水电大学的陈启卷、徐枋同也针对多层前向神经网络， 运用递推预报误差( r e c u r s i v ep r e d i c t i o ne r r o r ) 学习算法对水轮发电机组进行了 非线性建模研究【1 8 1 。总体而言，在目前的研究中，人们主要还是利用神经网络 表达非线性系统的能力和自适应学习的功能来解决非线性系统的控制问题。实践 证明，神经网络控制系统对非线性系统具有较好的控制性能。 将人工神经网络引入水电站弧门监控系统，可以方便地对某些难以用具体表 达式进行描述的问题加以解决u 。本文利用人工神经网络处理非线性控制问题的 良好能力来解决水电站下游支流的顶托问题，取得了较好的应用效果。 1 3 本文研究工作 作者经过查阅和收集大量有关水电站自动化及计算机监控系统方面的文章、 资料，结合湖南省大源渡水电站弧门监控系统进行了研究。 华中科技大学硕士学位论文 在回顾国内外水电站计算机监控系统的发展历史和现状的基础上，结合湖南 省大源渡水电站的实际情况，设计了大源渡水电站弧门监控系统的全计算机控制 方案。 针对弧门监控系统人机界面较多、实时优化调度计算复杂的特点，提出将组 态软件r s v i e w 3 2 和可视化快速开发工具b c b5 0 结合开发监控系统软件，两者 之间进行实时交换数据。通过分析剪贴板、o l e 和d d e 等几种数据交换机制， 采用d d e 机制开发了弧门实时监控系统软件。该系统软件界面友好，易于扩展， 维护方便。 在实际的工程项目中，常常遇到水电站存在下游支流顶托的情况，此时下泄 流量与下游水位和顶托流量之间是复杂的非线性关系，采用传统处理方案往往不 能得到满意的预测效果，从而影响确定水电站的优化调度方案。很多学者对此问 题进行了深入研究，但多数基于曲线解决，其应用效果在较大程度上依赖于曲线 与实际的吻合性、资料数量以及数据的准确性。本文引入人工神经网络，在分析 和总结传统的e b p 网络算法的基础上，提出了改进的s & b 型e b p 算法。考虑到 算法的收敛性和收敛速度，将其应用于研究课题的有顶托的泄流量预测中，取得 了满意的效果。 全文章节安排如下： 第l 章阐述了水电站监控系统的发展和现状，论述了神经网络用于弧门监控 系统的可行性，提出了应用解决方案。 第2 章对弧门监控系统的设计原则和功能进行了详细的分析和论述，结合工 程实际提出了湖南省大源渡水电站弧门监控系统的全计算机控制方案。 第3 章从弧门监控系统的软件开发体系出发，论述了软件开发体系方案，结 合实际工程项目，提出了利用组态软件r s v i e w 3 2 和可视化快速开发工具b c b5 0 结合开发大源渡弧门监控系统的设计方案，并对其软件开发进行了详细阐述。 第4 章对几种动态数据交换的机制进行分析，针对实际课题采用d d e 实现 r s v i e w 3 2 和b c b5 0 之间的数据交换。 第5 章对广泛应用的e b p 神经网络算法进行了分析，指出了其局限性，提出了 改进的e b p 训练算法，最后将改进的神经网络算法应用于有顶托的泄流量预测。 第6 章对所做的工作加以总结，并指出了进一步研究的方向。 华中科技大学硕士学位论文 2 弧门监控系统研究 本章阐述了弧门监控系统的设计原则，分析了孤门监控系统应实现的功能。 结合实际工程课题，提出了湖南省大源渡水电站弧门监控系统全计算机控制方案。 2 1 弧门监控系统设计原则 根据国家有关部委提出的在水电站中逐步推行“无人值班、少人值守”管理 模式的要求和水电站弧门的特点，水电站弧门监控系统的设计原则按如下几点考 虑【2 1 i ： ( 1 ) 弧门监控系统应按无人值班、少人值守考虑；弧门旁边按正常无人值班 考虑；中控室则少人值守； ( 2 ) 电站弧门控制采用全计算机控制，应具有9 0 年代末期的先进水平，可 保证在今后相当的时段内不需更新换代，电站中控室及现地控制单元采用计算机 控制，不另设常规控制设备； ( 3 ) 在主站计算机故障时，现地控制单元能独立工作，完成与之相联设备的 自动监控，保证弧门的安全运行： ( 4 ) 为了提高系统的可靠性，监控系统采用功能分布的冗余结构方案，系统 配置中某个站或个别环节发生故障也不会影响整个系统的正常运行； ( 5 ) 为了提高系统的可维护性和可利用率，减少人员培训费用和系统维护费 用，便于调试及运行人员掌握系统，整个系统可采用相同类型的软硬件平台； ( 6 ) 为了满足系统实时性要求并保证系统具有良好的开放性，对于软硬件平 台的选择，应最大限度地采用流行的且符合工业标准的产品，为应用开发提供最 大的灵活性并有利于系统升级，从而达到保护系统初期投资的目的。 根据上述设计原则，本文提出水电站弧门监控系统的结构图如图2 1 。其主要 组成部分有：运行参数实时监测、弧门启闭方案编制、弧门启闭控制、水位定值 控制或水位过程控制、事故处理模块和打印模块等。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 水库防洪调度 于系统 蛀r ，控制模块li 水位控制模块i i 方柔2 ；墨块ll 事故处理模块il 实鐾羹规| | 蠢寰篓计1l 簇婴 洲槲障 i | | 图2 - 1 水电站弧门监控系统结构图 2 2 弧门监控系统功能 水电站弧门监控系统能够根据优化原则完成大坝泄洪弧门的启闭，监视弧门 的运行状况以及相关事件的记录等，其具体监控功能包括： ( 1 ) 对弧门、辅助设备实现自动监视( 包括语音和电话报警) 与记录 ( 2 ) 对实时运行参数进行实时监测 对水库水位、各扇弧门开度、弧门启闭机负载、弧门动作状态、操作电源等 运行状态进行实时监测。 ( 3 ) 确定弧门启闭方案 根据优化调度系统的弃水过程线，遵循弧门操作规程，避开振动区，减少下 游冲刷，根据优化模型确定最优的弧门启闭个数、弧门号及各弧门开度。 ( 4 ) 对弧门实现自动控制，包括弧门的正常启闭、事故紧急启闭 ( 5 ) 实现水库调度管理的自动化 ( 6 ) 事故处理 主要包括事故记录，统计分析，故障及事故报警，系统自诊断、自恢复。 ( 7 ) 实现数据和信息资源共享 保证中控室与其它控制室的资源共享，利于资源交流和数据分析。 ( 8 ) 实现运行管理自动化 主要包括运行报表的自动生成和打印以取代繁琐的人工抄表。 ( 9 ) 实现查询显示功能 华中科技大学硕士学位论文 允许操作人员能够对历史纪录进行查询，从而对事故进行分析和总结。 2 3 大源渡弧门监控系统方案 本文研究对象是大源渡航电枢纽工程，它是一座以航运为主、以电养航的综 合性水利枢纽工程【冽【2 3 】，它位于衡阳下游6 2 k m 、衡山上游1 2 k m ，距米河河口上 游1 5 k m 处的湘江干流上，控制流域面积5 3 2 0 0 l 【r n 2 。其主要功能是上可渠化坝址 至衡阳河道，并可上延至湘江干流规划的土谷塘梯级，下可调节下游的通航能量， 维持衡山站达到9 8 的级航道通航保证率要求。枢纽工程包括1 8 0 x 2 3 3 m 船闸 一座( 年通过能力1 2 0 0 万t ) 和装机容量1 2 0 m w 的水电站一座( 年发电量5 5 6 5 亿k w h ) 。大源渡水电站( 大源渡航电枢纽工程) 由位于湘江右岸的电站厂房、 左岸台地的1 0 0 0 t 级船闸、河床中的2 3 孔泄水弧门等建筑物构成，其中泄水弧门 共设2 3 孔( 低堰8 孔，高堰1 5 孔) ，闸墩厚3 o m ；泄水弧门采用钢质弧门挡水， 其分布见表2 - 1 ，弧门采用液压启闭机启闭拉”。大源渡水电站属径流式日调节电 站，库容较小，年运行方式完全由各日的水流能量大小确定。枯水日宜承担峰荷， 平水日宜承担腰荷，洪水日宜承担基荷。 表2 - 1 大源渡弧门布置 序号名称弧门编号数量堰顶高程弧门尺寸( 宽高) ( m ) li 区1 - 883 7 02 0 1 3 3 2i i 区9 一1 793 9 02 0 1 1 3 3区1 8 - 2 363 9 02 0 1 1 3 当前大源渡电站的水情测报系统可以根据上游来水和雨情信息，能较准确地 预报未来3 5 小时的水库入流量，这是水库调度的最重要依据之一：另一方面，大 源渡水库的库容较小，仅有的水库库容是为航运预留而非其它。因此决定了水库 调度方式是：以水情测报系统预报的3 6 小时入流量为依据，考虑尽可能满足三级 航道的要求，以发电量最大( 或发电效益最大) 、洪灾损失最小( 洪水期) 为优 化目标确定最优泄流量。 大源渡水电站弧门监控系统水平的高低将是影响其安全生产和经济效益的重 要因素，因此有必要从一开始就按高水准进行设计，以免出现刚投产就要进行技 华中科技大学硕士学位论文 术改造的状况，甚至大拆大换，浪费投资。根据弧门监控系统所应实现的功能和 系统可扩展性，设计了大源渡弧门监控系统，其设计方案见图2 2 。 图2 - 2 大源渡弧门监控系统方案图 大源渡水电站弧门监控系统总体设计如下： ( 1 ) 全计算机控制 该电站弧门监控系统采用全计算机监控系统控制： a 取消常规的集中控制设备，采用计算机作为唯一的监控设备； b 中控室模拟屏的显示信息直接由计算机系统提供； c 现地控制单元取消常规布线逻辑回路，由计算机执行监控； d 调度信息直接由计算机提供。 ( 2 ) 分布式结构 为了提高系统的实时性和可靠性，系统采用功能分布式体系结构。由于在设 计之初已存在坝顶集控单元，所以设计监控系统分成主站、坝顶集控和现地控制 单元3 层。系统各功能分布在系统的各个节点上，每个节点严格执行指定的任务 并通过系统网络与其它节点进行通讯。主站控制级实现数据采集与处理、人机接 口、控制与调节、通信、设备运行管理、调试与系统诊断等功能。现地控制级实 现数据采集与处理、简化的人机接口、顺序控制、通信、调试和诊断等功能。 华中科技大学硕士学位论文 系统中各个节点负责完成的任务叙述如下： a 主机：主要完成弧门优化计算、水库调度、实时数据库和历史数据库管理 以及运行报表生成；人机接口功能，即弧门运行的实时监视与控制 b 打印设备：主要完成各种报警清单和报表的打印 c 网关：提供与上级调度和水电站全厂监控系统的通讯接口 d 现地控制单元( l o c a lc o n t r o lu n i t ，l c u ) ：完成弧门及其辅助设备的监 视和控制 ( 3 ) 网络结构采用现场总线技术 通过现场总线从大坝上的弧门操作现场获取大量信息，使得弧门监控系统中 的控制网络与数据网络的连接十分方便，增强了现场信息集成的能力。 2 4 小结 本章提出了大源渡水电站弧门监控系统的全计算机结构控制方案。该设计方 案使控制系统的结构趋于集成化，便于智能化控制。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 3弧门监控系统软件开发 本章探讨了监控系统软件开发的设计原则，结合大源渡水电站弧门监控系统 的研制开发对其应用软件开发平台进行规划，并详细介绍了前台工控软件开发和 后台调用软件开发。 3 1 软件开发设计原则 水电站弧门监控系统是一个较为大型的应用系统，对于其软件开发，需要考 虑以下准则 2 5 】1 2 6 1 ： ( 1 ) 采用成熟可靠的软件开发平台 所采用的操作系统应能实现多任务实时控制，如w i n d o w s9 8 n t ，l i n u x 等， 由于l i n u x 的普及率较低，目前多数选用w i n d o w s n t 。 f 2 1 模块化结构设计 应用软件采用模块化结构设计便于程序扩充、参数修改、增加画面和修改操 作流程。 f 3 ) 高可靠性 灵活的异常处理机制，保证软件的稳定性。 ( 4 ) 实时性 监控系统软件必须能够实时地处理消息，对出现的紧急事故发出警告信息， 并能进行自动处理。 ( 5 ) 友好性 充分利用w i n d o w s 的标准用户图形界面构成实用而简捷的人机对话系统；采 用m d 多窗口技术使显示画面随和：提供方便的联机帮助和快捷键，并能灵活地 运用鼠标以便于操作人员快捷方便使用。 ( 6 ) 适应性、灵活性和扩展性 所开发的软件应该具有组态功能，使控制对象改变时系统也能随之修改，不 需要改动源程序，只需要对数据文件进行改动即可；采用面向对象( o b j e c t o r i e n t e d 华中科技大学硕士学位论文 _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - - - - _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ 一i ! i ! ! p r o g r a m m i n g ，o o p ) 的程序设计方法，在今后的版本升级中可应用目前已成熟的 结构进行派生，保证了对现有软件的良好兼容。 3 2 软件开发模式 由于工控组态软件具有良好的图形用户界面( g r a p h i c s u s e r i n t e r f a c e ，g u i ) ， 提供了常见的控制策略模块和常用的工业装置图形库，而且组态软件由专业软件 公司开发，并经过正规而严格的测试，可靠性离，使用范围较广，通过更换相应 的驱动程序和板卡，就可以方便地与不同厂家生产的p l c 组成控制系统。另外利 用工控组态软件，可以缩短开发周期，避免重复而又费时的开发工作( 如图形界 面) ，因此在大型生产过程计算机控制系统中通常采用工控组态软件。目前较为 流行的工控组态软件有h e u r i s t i c s 公司的o n s p e c 、i n t e l l e c t i o n 公司的f i x 、w o n d e r w a r e 公司的i n t o u c h 和r o c k w e l l 公司的r s v i e w 3 2 等。其中r s v i e w 3 2 是易用的、 可集成的、基于组件的应用程序开发软件，具有良好的人机开发晃面 ( m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e ，m m l ) 和用户所需的全部功能，利用其开发的应用软 件可有效地监视和控制机器和过程。考虑到与监控系统硬件设备的兼容性，选用 工控组态软件r s v i e w 3 2 2 7 1 作为应用程序的软件开发平台。由于在实际课题中需 要进行大量的数据计算，因此还需要选用一种开发工具作为其后台开发软件。 基于m i c r o s o rw i n d o w s 的主要开发工具有m i c r o s o f t 公司的v i s u a lb a s i c 和 v i s u a lc 十+ 6 0 、i n p r i s e ( 原b o r l a n d ) 公司的b o r l a n dc + 十b u i l d e r5 0 和d e l p h i5 0 以及p o w e r s o f t 公司的p o w e r b u i l d e r 等。相比较而言，v i s u a lc + + 6 0 的功能最强 大，但是使用较为复杂，庞大的m f c ( m i c r o s o f tf o u n d a t i o nc l a s s ) 类库让开发 人员望而生畏；v i s u a lb a s i c 开发的程序运行效率低；p o w e r b u i l d e r 适用于大型数 据库的开发：升级后的c 十+ b u i l d e r5 0 提供了丰富的组件库和强大的网络、数据 库功能，并且完