水电站计算机监控系统的软件系统

1、第 8 章 水电站计算机监控综合自动化系统前面章节所论述的水电站计算机监控系统主要针对水电站计算机状态监控系统，事实上，水电站计算机监控系统除了状态监控系统之外，还包括水电站视频监控系统、水电站厂内经济运行系统、水电站微机调速系统以及微机励磁系统等。本章就对水电站视频监控系统、水电站厂内经济运行系统、水电站微机调速系统以及发电机微机励磁系统等综合自动化系统进行着重介绍。8.1 水电站视频监控系统随着社会不断进步，经济快速发展和技术突飞猛进，公共秩序安全、生产安全、财产安全等越来越受到人们的重视，从而使以视频信息为特征的视频监控更为广泛地被应用在各行业领域，早期视频监控只在金融银行、道路交通和大

2、型连锁超市的安全监控中应用，后来发展到在管理和生产经营部门以及无人值守特定场合的应用。市场的强劲需求不断激励和催化视频监控技术的向前发展。从技术上，视频监控经历了从模拟到数字、从分散定点到网络监控、从简单录像显示到智能化预警、从有线到无线、从近距离操作到远程控制等具有深远意义的变化，相信未来，随着标准化工作进程加快，视频监控应用将不断普及，视频监控行业将迎来新的发展机遇。视频监控系统的发展阶段视频监控发展至今经历了模拟视频监控、半数字监控和数字监控三个阶段。第一阶段是模拟视频监控阶段。该阶段主要特点是视频信号来自模拟摄像机，传输采用同轴电缆，存储用模拟录像机，处理采用模拟控制主机(如模拟切换、

3、矩阵主机等)。该阶段的视频监控系统称为闭路电视系统。第二阶段是半数字阶段。上世纪90 年代视频监控进入半数字阶段，其特点是视频信源和视频传输仍以模拟方式为主，信号到达监控中心后由数字控制主机或硬盘录像主机(DVR) 进行数字处理与存储。该阶段的视频监控系统常称为数字硬盘录像系统。第三阶段是全数字阶段。全数字技术的支持、高度集成一体化的网络摄像机、数字摄像机的广泛使用，标志着视频信源采集、压缩编码、信号处理进入数字化。通过Internet 对网络摄像机中的 IP 地址进行访问，实现了传输、控制、存储、显示等全数字化。对于视频监控，数字化存储带来的是一场革命性的变化。数字化是 21 世纪的时代特征

4、， 视频监控的数字化也是监控技术发展的必然趋势。 全数字视频监控系统通过基于TCP/IP 协议的以太网络， 真正实现了图像的远距离监控，故称该阶段的视频监控系统为网络视频监控系统或远程视频监控系统。由于目前新建的水电站视频监控系统大多采用全数字的网络视频监控系统，故在下面的论述中如未作特别说明，视频监控系统即为网络视频监控系统。网络视频监控系统的组成视频监控系统由前端视频采集部分、网络通信部分和监控中心部分组成。前端视频采集部分包括摄像装置、视频编码器、 报警输入 /输出设备等。 所有监控点信息都由前端视频采集设备进行图像采集。摄像装置是前端视频采集部分的核心，包括镜头、 摄像机、防护罩及支撑

5、设备等。根据被摄物体及摄像地点的不同，摄像装置的具体配置也各不相同。摄像装置可以固定，也可以采用云台控制，如水电站视频监控系统需要清晰的视频来观测水位及闸门等情况，则需要使用云台控制，当操作人员需要开启闸门时，可以通过云台控制调整观测角度，使用控制系统来控制闸门，并观测闸门的开合情况。为适合夜间监控的要求，可在监控点附近安装大功率的探照灯，系统可远程控制灯光电源开关，保证人员清楚的监控到夜间的情况。网络通信部分由路由器、交换机、无线网桥、防火墙、通信线路等设备组成。通信线路可以采用多种方式：双绞线、光纤、有线电缆、专线、帧中继、XDSL 、无线局域网、卫星、微波、 GPRS、CDMA 等。网络

6、通信可采用标准的 TCP/IP 协议，可直接应用在局域网或者广域网上。具体的通道方式可根据现场的实际情况进行选择。监控中心部分一般 采用 Brower/Server （简称 B/S ）结构，即 由管理服务器（ Server ）和监视终端（ Brower ）组成。管理服务器由监控管理软件、服务器硬件、资源数据库等组成。监控管理软件能够实现完整的监控管理功能，是网络视频监控系统的核心。管理服务器主要完成现场图像接收，用户登录管理，优先权的分配，控制信号的协调，图像的实时监控，录像的存储、检索、 回放、备份、恢复等功能。 监视终端由监控工作站和电视墙等终端显示设备组成。监视终端可采用普通的 PC 机

7、，通过客户端软件或标准浏览器访问监控管理服务器。一般采用用户登录的方式登录监控系统，根据管理的权限使用系统功能。对于中心监控室，通常会配置高性能的 PC 机作为监控工作站， 并建立电视墙系统。 在监视终端上还可实现多画面实时监控，远程控制摄像机云台、灯光控制、制订录像计划等操作。网络视频监控系统的特点网络视频监控系统同其他视频监控系统如闭路电视系统和数字硬盘录像系统相比较而言，它具有以下一些特点：（1）网络视频监控系统不需要PC 来处理模拟视频信号， 而是把摄像机输出的模拟视频信号通过独立的嵌入式视频服务器直接转换成IP 数字信号通过网络进行传输。（ 2）网络视频服务器采用专用操作系统，工作稳

8、定、安全可靠，并且外形小巧，非常便于在有限空间安装。（ 3）网络视频服务器具备视频处理、网络通信、自动控制等强大功能，不仅完全替代数字硬盘录像系统采用 PC 机加多媒体卡的方式，而且减少了故障点，大大提高了系统整体可靠性。（ 4）网络视频监控系统是一种完全基于 IP 网络，采用 Browser/Server 结构设计的新一代综合视频监控系统，可方便地通过以太网接入水电站已存在信息网络系统中，除了可以满足现场实时监控的要求外，还能通过光纤、无线等通讯方式实现远程集中监控。（ 5）网络视频监控系统具有模块化结构的特点，所有扩容监控点和监控设备均可在原有系统不作任何改动的前提下直接接入系统，大大降低

9、了扩容成本和保护了已有投资。视频监控系统的应用视频监控系统在水电站中的应用主要包括以下几个方面：1水库大坝管理（ 1）通过视频监控系统可监测水库蓄水水位情况。（ 2）操作人员在使用控制系统操作闸门时，可通过视频监控系统监视闸门和水流情况。（ 3）在某些环境下，如水库的溢洪道等地方，大部分时间属于无人值守状态，需要设置监控摄像机实时监控。（4）监测水库、坝区的周边环境。2设备监控对站区重要室内设备：水轮机室、水车室、GIS 室、母线廊道、发电机层、蝶阀层、技术供水室、电气层、开关室、尾水廊道等进行监控；对站区重要室外设备如主变压器、副厂房、避雷器群、断路器、接地刀闸等进行监控；监控应达到以下效果

10、：清楚地监视场地内的人员活动情况、设备的具体运行状况和仪表盘上的读数。3安全防范保障水电站空间范围内的建筑和设备的安全，起到防盗、防火的作用。在围墙、大门等处通过摄像、微波、红外探头以防止非法闯入；在建筑物门窗安装报警探头如门磁、红外、玻璃破碎探测器等， 并在重点部位安装摄像机进行24 小时不间断视频监控， 实现报警联动录像的作用。由于各个水电站对视频监控系统要求的不同，以上只是简单地对视频监控系统所能应用的范围作一个简单的介绍。在实际应用中应根据水电站的实际情况，在满足运行管理要求的基础上进行监控应用范围的确定。网络视频监控系统的设计与实现视频监控系统的设计方案多种多样，以下举例说明视频监控

11、系统的设计与实现。在介绍该例之前，首先需要了解一些关键技术。（ 1）MPEG-4 标准。 MPEG 系列标准包括 MPEG-1、 MPEG-2、MPEG-4 等， MPEG-4 标淮利用很窄的带宽， 通过帧重建技术压缩和传输数据， 以求用最少的数据获得最佳的图像质量。与 MPEG-1 和 MPEG-2 标准相比， MPEG-4 除了传统的编码功能之外，还加入了更多引人注目的功能，包括基于对象的压缩编码方法、空域和时域的存取性和可扩展性以及很好的纠错能力等。 MPEG-4 标准不仅可以提供一个具有更高压缩效率的新多媒体信息传输标准，同时也可以达到更好的多媒体互动性以及全方位的存取性。 MPEG-

12、4 编码系统是开放的，可随时加入新的编码算法模块，它能支持多种多媒体应用，可根据不同的应用需求，现场配置解码器。由于MPEG-4 采用了基于对象的压缩编码方法，它把图像和视频分割成不同的对象分别处理，除了能提高数据压缩，还能实现基于内容的交互功能。 MPEG-4 能有效地处理基于对象的多媒体压缩、存取与交互，因此被广泛地应用到发电厂及电力系统的远程监控、可视电话和远程教学等领域。（2）IP 组播技术。在了解组播技术之前，需要首先了解IP 通信中另外两个技术，即IP单播和 IP 广播。采用IP 单播方式进行通信，发送信息的源主机必须向每个希望接收此数据包的 IP 主机发送一份单独的数据包拷贝，这

13、种巨大的冗余会给发送数据的源主机带来沉重的负担，因为它必须对每个 IP 主机的要求都做出响应， 这使得主机的负担过于沉重， 响应时间会大大延长。而采用IP 广播方式进行通信，则源主机向一个网段中的所有IP 主机发送 IP 信息包，该网段中的所有IP 主机都接收该信息包。IP 广播的主要缺点就是每个广播都要发送数据至一个网段中的所有机器，消耗了该网段中所有IP 主机的资源，而且数据要被该网段中大多数IP主机所丢弃， 由于大多数 IP 主机不希望接收此数据包。 在实时的监控系统中， 由于视频数据量很大，采用 IP 单播方式和 IP 广播方式都是不可取的，前者会耗尽源主机的资源，而后者会耗费多数IP

14、 主机的资源。为解决这个问题，IP组播技术应运而生。IP 组播通信介于IP 单播和IP广播通信之间，它能使源主机发送IP 信息包到IP 网络中任何一组特定的主机上。IP 组播是指一个IP报文向一个“主机组”的传送，这个包含零个或多个主机的主机组由一个单独的D 类IP 地址标识，在 IP 地址的“小数点” 表示法中，组播地址范围是从到，除了目的地址部分，组播报文与普通报文没有区别，网络尽力传送组播报文但是并不保证一定送达。主机组的成员可以动态变化，主机有权选择加入或者退出某个主机组，主机可以加入多个主机组， 也可以向自己没有加入的主机组发送数据。采用 IP 组播方式进行通信， 源主机只需发送数据

15、的一个拷贝，多个接收者则都可以接收到，网络在每个接收者的最后一个路由器或主机复制它，在一个给定的网络上每一个包只传送一次。这样就大大节约了数据传送所需要耗费的资源。（ 3）多线程通信与同步技术。众所周知， Windows 是多任务处理系统，线程的应用大大减少了程序运行的开销，线程间存在一定逻辑关系，要访问相同资源就需要实现多线程间的通信与同步，如果两个以上线程同时访问同一缓冲区，就可能产生读写数据错误的问题，所以必须通过一定的机制来达到线程处理中的读写同步。 Windows 提供了灵活的线程通信与同步方案，包括利用全局变量、用户自定义消息、事件对象和临界区等。为了提高系统运行效率，使得各个功能

16、模块之间能够并行工作，在视频监控系统的软件设计中大多采用了多线程编程方式，其中服务器端软件主要包含主线程、数据采集、压缩、传输、报警及云台控制等多个线程，客户端软件主要包括主线程、接收、解压缩以及控制命令发送等多个线程。了解了以上几个关键技术后，我们就可以看一个基于B/S 构架模型的网络视频监控系统的例子。该例是某水电站采用的网络视频监控系统，它同样由前端视频采集部分、网络通信部分和监控中心部分组成，前端视频采集部分由摄像装置、音频装置、报警装置、控制信号输出装置以及 XviD 编解码器等组成，完成图像采集、音频采集和播放、出错报警和控制等功能。网络通信部分由交换机 （Switch Hub）、

17、IP 网络以及数字矩阵等组成， 完成数据传输、 交换和模数信号衔接等功能。 监控中心部分由监控中心服务器 （由多台视频服务器和磁盘阵列组成） 、视频工作站以及电视墙等组成，其中监控中心服务器为服务器（Server）端，视频工作站为客户（ Brower）端，形成 B/S 构架模型，服务器端对前端视频采集部分提供的数据进行处理，如数据压缩、 数据传输、图像报警检测、 视频存储等。 同时，客户端有选择性地加入 IP 组播主机组，并经过身份验证，可以访问中央监控服务器，查询监控视频资源，系统中的客户端可以随时加人或退出网络，整个系统的规模可以动态改变，具有很强的适应性。为了能够加强客户端的图像显示功能

18、，还引入了电视墙。其结构图如图8-1 所示。在 MPEG-4 标准方面， 为了既能满足性能要求又能降低成本， 该系统采用纯软件编解码和MPEG-4 压缩技术。该系统采用XviD 编解码器。目前， XviD 是 PC 机 MPEG-4 编码内核中可选模式最多的视频编解码器。XviD 不仅提供了标准的MPEG 量化方式， 还特别提供了更适合低码流压缩的h.263 量化方式，并且XviD 还可以在双重（ 2-pass）运算时，根据对画面信息的综合分析， 动态地决定某段场景的画面量化方式。XviD 的主要特点还包括运动侦测和曲线平衡分配、动态关键帧距、心理视觉亮度修正、B 帧技术等，这些技术在此不作一

19、一论述。视频 音频 报警视频 音频 报警视频 音频 报警视频 音频 报警控制控制控制控制信号信号信号信号XviD编解码器XviD编解码器XviD编解码器XviD编解码器电视墙电视墙解码器解码器Switch Hub数字矩阵数字矩阵Switch HubIP网络磁盘阵列服务器监控中心服务器服务器视频工作站2视频工作站N视频工作站1图 8-1某水电站网络视频监控系统结构图在 IP 组播方面， 服务器将视频数据按组播地址发送出去，并且可以同时进行视频存储，以便以后查询，客户端有选择性地加入一个或多个组播组，接收视频数据并播放出来，以达到远程监控的目的。服务器端首先将实时采集到的数据存放在缓冲区中，当缓冲

20、区满时，立即启动与之对应的发送线程， 将数据发送到相应的组播地址，然后清空缓冲区， 等待接收下一批数据。路由器通过 Internet 的组管理协议 IGMP 来管理组中的成员，在 IGMP2.0 中增加了对成员离开的及时响应功能， 当组中没有成员时， 可以及时停止该组的组播， 减小了网络负担。 与此同时，当客户端加入某个组时，也同时创建一个连接字符串，该字符串连接相应的监听字符串来保持联系，当组中的成员数量不为0 时，继续发送，若为0，则停止发送线程，以提高系统的效率。在多线程通信与同步技术方面，该系统同时利用Microsoft Foundation Class（即 MS-VisualC+ 的

21、类库，简称MFC ）中的 Event 对象和一些全局变量来实现线程间的通信，利用MFC 中的信号量（Semaphore）来保证线程间的同步，并且根据各个线程占用CPU的时间来设置线程优先级，较好地解决了线程间通信、同步及通信效率问题。视频监控系统的维护为确保视频监控系统发挥应有的功效，应加强对系统运行的管理工作，克服重建设轻管理的弊病。应根据系统管理办法和管理规程应做好系统的管理和维护。如定期线路及设备检查维护、定期光盘更换、监控服务器维护及监控终端及摄像设备的维护等。8.2 水电站厂内经济运行系统水电站采用计算机监控系统后，以往采用的功率成组调节装置、按流量调节装置和按水位调节装置等就不能满

22、足水电站负荷分配和负荷调节及控制的实时性要求，需要实行水电站厂内经济运行。水电站厂内经济运行经济负荷分配、机组开停机决策及运行机组最佳组合、主接线连接状态分析、出现故障时自动选择并切换机组、自动发电控制AGC （ Automatic GenerationControl ）、自动电压控制AVC（ Automatic Voltage Control）等内容。水电站厂内经济运行概述在电网运行中，由于水电站调节性能好，调节速度快，一般情况下是由水电站来承担电力系统日负荷中的峰荷和腰荷，电网负荷给定的方式有两种，一是瞬间负荷给定值方式，即按电网 AGC 定时计算出的给定值，即时下达给水电站执行。水库大，

23、调节性能好，机组容量大，在电网中承担调峰、调频的水电站一般采用这种方式。另一种则是日负荷给定曲线的方式，即电网调度中心前一日即下达某水电站一天的负荷给定值曲线，到当天零时计算机监控系统即自动将此预先给定的日负荷曲线存于当天该执行的日负荷曲线存放区，以便水电站实行厂内经济运行。无论采用那种方式，电网下达给电站执行的负荷（即总负荷）需要在水电站各机组间进行分配。如何进行负荷分配，确定最优工作机组台数和组合，如何执行自动发电控制AGC 和自动电压控制AVC 等问题就是水电站厂内经济运行所要解决的。水电站实行厂内经济运行就是在给定系统负荷条件下，水电站在某一水头下运行，对水电站各机组的动力特性曲线、最

24、优工作机组台数和组合、机组的合理启停以及在各运行机组间有功负荷的最优分配方案进行分析和研究，得到水电站厂内最优运行方式，用以指导水电站的实际运行，并执行自动发电控制AGC 和自动电压控制AVC ，以获得水电站运行的最大效益。国内外资料表明，水电站实行厂内经济运行可增发电能或节约耗水达1 3。水电站采用计算机监控系统后，实行厂内经济运行可采用水电站厂内经济运行系统。一般情况下把水电站厂内经济运行系统集成到水电站计算机监控系统中，成为水电站计算机监控系统的一部分。 水电站厂内经济运行系统一般由经济负荷分配程序ED（Ecomoning Dispatch），机组开停机决策及运行机组最佳组合程序UC(U

25、nitCommitment)，以及主接线连接状态分析程序CA（Connectivity Analyser ），出现故障时切换机组自动选择程序GR（Generation Rejection），自动发电控制程序AGC（Automatic Generation Control）、自动电压控制程序AVC（ Automatic VoltageControl ）等组成。本节着重论述厂内经济运行的短期调度和实时控制问题，而对水库调度，中、长期经济计算不作论述。水电站动力特性分析当水电站计算机监控系统执行厂内经济运行功能时，不论是 ED 、UC、CA 、GR，还是 AGC和 AVC ，都离不开机组动力特性曲线

26、。 因此机组动力特性分析是一项非常重要的内容，其分析精度直接影响到水电站实行厂内经济运行的效益。水电站动力特性分析的数据最好是真机试验的实测数据，若水电站没有做过真机试验或实测数据不全，则可以采用水轮机模型试验数据。由实测数据或模型试验数据可以整理得到动力特性数据。根据已知的动力特性数据就可以对水电站进行动力特性分析，动力特性分析的主要目的是绘制动力特性曲线，获取动力特性曲线方程，找出水电站生产运行过程中的能量转换规律，以便制定水电站最优运行方式。水电站机组动力特性曲线包括流量出力特性曲线、耗水率特性曲线、流量微增率曲线、出力微增率特性曲线等。图8-2 为黄河下游山西保德境内天桥水电站 1 号

27、机组的动力特性曲线平铺图，它们从左到右、从上到下依次为流量出力特性曲线、耗水率特性曲线、流量微增率曲线和出力微增率曲线。如果某一水头的动力特性数据未知，则可以通过插值的方法得到插值特性曲线，图8-3 为黄河上游甘肃兰州境内的刘家峡水电站第5 号机组流量出力特性曲线，95.3m 的曲线即为插值流量出力特性曲线。水电站动力特性曲线方程将自动保存到监控系统的数据库中，可供ED、 UC、CA 、GR、AGC 和 AVC 等程序的调用。图 8-2天桥水电站 1 号机组动力特性曲线平铺图水电站日负荷特性曲线前面已经讲到电网负荷给定的方式有两种，一是瞬间负荷给定值方式；另一种则是日负荷给定曲线的方式。对于瞬

28、间负荷给定值方式，不能事先确定日负荷曲线，只有日负荷给定曲线的方式才可以事先确定。事先确定的日负荷曲线称为日负荷计划。日负荷计划是调度部门根据电力系统能量平衡、水电站来水、防洪、灌溉以及上下游梯级水电站短期调度等诸多因素而制定的，制定后下达给水电站计算机监控系统，监控系统将在当天零时开始自动执行该日负荷计划。水电站某天的日负荷计划可以图 8-3 刘家峡水电站5 号机组流量出力特性曲线由日负荷特性曲线表示， 把一天分为 24个时段，其日负荷特性如图8-4 所示。图 8-4 分别描述了天桥水电站水电站 2002 年 10 月 21 日的日负荷特性曲线。2001 年 3 月 2 日和刘家峡图 8-4

29、 日负荷特性曲线水电站负荷分配算法水电站厂内经济运行负荷分配方法很多，这里只介绍最近研究和应用较多的两种算法：动态规划法和遗传算法。1动态规划法动态规划法的数学模型为：目标函数：24WminWF (t ,l )WZ(m, l )lt 1式中 WF (t, l ) t 时段 l 组合下的发电用水量；WZ (m,l ) 从 t1时段的组合 m 转移到 t 时段的组合 l 产生的转换耗水量。约束条件：n功率平衡 PctPkt , t 1,2, 24出力限制 Pktk 1Rkt式中： Pc t 时段电力系统给定的发电任务；tPk t 时段第 k 台机组的出力；Rk 第 k 台机组的出力范围。上述数学模

30、型是一个在时域上和空间上同时进行优化计算的复杂问题。模型不但描述了水电站各台机组在时段上开停机状态的最优组合，而且也描述了机组的空间最优组合及各个时段内负荷的空间最优分配问题。可将该问题的求解过程分解为： 空间上机组间负荷优化分配的子模块( 经济负荷分配程序即ED)和时域上机组优化运行的主模块（开停机决策及机组最佳组合程序即UC）（ t1,24）。空间上机组间负荷优化分配子模块的计算机程序流程图如图8-5(a)所示；时域上机组优化运行主模块的计算机程序流程图如图8-5(b) 所示。可以采用高级语言按照计算机程序流程图分别编译为经济负荷分配程序ED和开停机决策及机组最佳组合程序UC。2遗传算法遗

31、传算法数学模型为：24n目标函数 Wmin3600 Qi (Pi t ) u ituit (1 uit 1 )Ci uit 1 (1 uit ) Di (1 uiJX )t1i1nPtP tu t约束条件ciii 1PitRit其中 Qi (Pi ) 机组 i 在 t 时段内的平均流量；uit 机组 i 在 t 时刻开停机状态变量，运行为1，检修或停机为0；Ci 开机过程中的耗水量；D i 停机过程中的耗水量；tPi t 机组 i 在 t 时段内的平均出力；JXui 机组 i 检修状态变量，检修为1，不检修为 0；同样可将该模型描述的问题的求解过程分解为：空间上机组间负荷优化分配的子模块( 经

32、济负荷分配程序即ED)和时域上机组优化运行的主模块（开停机决策及机组最佳组合程序即UC）（ t 1, ,24 ）。把遗传算法分为主模块和子模块不仅为了层次清楚，而且还有一个重要的用处：因计划日负荷和实际需要的负荷有时是有出入的。如某一时段调度部门电话通知需在原计划的基础上增发电量较大，负荷需在此时段重新分配时，只调用子模块即可解决问题。这样大大缩短了计算机运算速度，能更好地体现实时性。子模块需解决的问题是： 在保证电能质量和安全生产的前提下， 在某一时段， 某一水头下，如何在 n 台机组间最优分配电力系统给定的负荷任务，使得耗流量最小。主模块需解决的问题是：在保证电能质量和安全生产的前提下，在

33、某一水头下，如何在n 台机组间最优分配电力系统给定的负荷任务，使得日耗水量最小。遗传算法的求解有个体编码、个体评价、优劣排序、选种杂交、变异解码、收敛准则等步骤，遗传算法计算机程序流程图如图 8-6 所示，其中（ a）为主模块计算机程序流程图， （b）为子模块计算机程序流程图。同样可以采用高级语言按照计算机程序流程图分别编译为经济负荷分配程序 ED和开停机决策及机组最佳组合程序 UC。3两种算法的比较在优化求解方法上， 动态规划法较为通用， 但是动态规划法需要映射空间或函数的连续性，需要在整个解空间上作全面的搜索，当水电站机组台数和解空间维数增多时，其速度较慢，往往达不到实时性要求。遗传算法不

34、需要映射空间或函数的连续性， 它可以多点出发同时在整个空间上作快速搜索，有较大把握获得全局最优解且速度较快。但采用遗传算法时，对不同的水电站其个体编码、评价函数以及收敛准则等将有很大区别，这影响了遗传算法的通用性；在遗传算法的计算过程中，若杂交率、变异率、评价函数和收敛准则等选取不当，可能会引起求解“早熟” 、“进化迟钝”或不收敛（发散）等。到底采用何种算法， 要视水电站的机组台数、求解维数以及对实时性的要求等方面而确定。图 8-5动态规划法经济负荷分配计算机程序流程图开 始开 始输入水头、机组特性及日负荷数据对机组状态变量 P t 进行基因编码i对机组状态变量 u it 进行基因编码随机产生

35、 m 个初始点，选择 w s , w c , wv ,由 uit 确定运行机组及基因码链长度随机产生 m 个初始点形成机组出力母体群进入子模块进行遗传运算：选种、杂交、变异由子模块中求得的 Pit 计算日耗水量 W解码计算各母体的优良度计算 Q t按优良度从大到小顺序排列各母体计算各母体的优良度进行遗传运算：选种、杂交、变异按优良度从大到小顺序排列各母体NN满足精度满足精度YY输出最优开停机计划 uit及负荷分配结果输出 t 时段负荷分配结果 Pi t结 束结 束P t图 8-6 遗传算法经济负荷分配计算机程序流程图i水电站自动发电控制（ AGC ）电力系统的负荷是经常变化的，变化的负荷会带来

36、频率及电压的变化，为了维持系统的频率和电压在期望值上，就需要控制电力系统的有功功率和无功功率，使之与所需的负荷功率平衡。在系统处于稳态，仅出现小的波动时，可以认为有功功率的不平衡主要影响系统的频率和功角，基本上不影响系统的母线电压；而无功功率的不平衡主要影响系统的母线电压，而不影响系统的频率和功角。因此，有功功率控制和无功功率控制可以分解为两个相对独立的问题，分别由自动发电控制AGC 和自动电压控制AVC 完成。由 ED 和 UC 确定的有功负荷最优分配和开停机最佳组合方案可以通过水电站自动发电控制程序AGC 进行实施，而自动电压控制AVC的实施一般在AGC之后进行。因此这里首先对AGC的实施

37、进行介绍。在AGC的实施过程中，主要注意以下几个方面的问题：1 AGC 的运行与管理。该问题包括 AGC 的投入和退出、 AGC 的调度权问题、机组调节及控制方式、关于优先和限制问题等。机组 AGC 功能投入指该机组参加AGC ，AGC 程序将对其进行负荷方配和启停指导；而机组 AGC 功能退出指该机组不参加 AGC，AGC 程序将不对其进行负荷方配和启停指导。 如果全厂 AGC 功能投入，则全厂所有机组参加 AGC ；全厂 AGC 功能退出则意味着不启动机组负荷方配和启停指导功能。AGC 的调度权可以由 AGC 程序界面设定，如可以设置为网调、梯调或当地等。当调度权设置为当地时，运行人员可以

38、干预 AGC 的任何一项功能。机组调节基本方式有开环、闭环和手动三种；而调节组合则有闭环、开环、手动、闭环手动、开环手动五种。机组控制基本方式有自动、半自动和手动三种；而控制组合有自动、半自动、手动、自动手动、半自动手动五种。优先方式主要用于水电站有多个出线电压等级的情况，如某水电站有 220KV 和 500KV 两个电压等级， 则 AGC 可以设置为 220KV 优先、 500KV 优先或无优先三种情况。 限制负荷方式可以设定某一台或几台机组的限制负荷，如1 号、 2 号机组最多能带220KV线路的限制负荷，3 号、 4 号机组最多能带500KV 线路的限制负荷等。2负荷调整与避开振动和空蚀

39、限制区域水电站在实施AGC时，应注意机组启停时的负荷转移、分配以及设定值的变动，从而引起机组负荷的频繁调节，AGC应尽可能保证全厂负荷以最快速度平稳地逼近系统设定值。在发电机组的负荷控制中，经常回碰到不可运行区，即在该区域机组的振动和空蚀比较厉害，此时应在负荷分配时避开机组的振动和空蚀限制区域。避开振动和空蚀限制区域的原则是:避免机组负荷调整频繁穿越振动和空蚀限制区域；避免机组负荷大范围波动； AGC负荷给定值与系统负荷给定值相差最小等。3远程控制随着电力系统的发展和技术水平的提高， 特别是我国水电站 “无人值班”（少人值守） 目标的提出， 水电站 AGC的远程功能更显得重要， 远程 AGC已

40、成为实现 “无人值班”（少人值守） 水电站计算机监控系统必备的功能；是评价该系统功能是否完善，监控能力是否达到要求的一个检验标志；远程 AGC实现方式有两种：电网调度中心给出水电站各时段的总负荷，机组开停机和经济负荷分配完全由水电站厂内经济运行系统来实现；调度中心分别给出远程开停机命令和相应有功功率设定值，即机组开停机操作也由调度中心遥控完成。目前大多数水电站采用第一种方式。4备用容量设置备用容量对于电力系统的安全稳定运行是非常重要的。对于水电站而言，备用容量常分为旋转备用容量和冷、热备用容量等。冷、热备用容量用于满足变化比较缓慢的负荷要求，或按计划进行的负荷调整等；而旋转备用容量则主要用于频

41、率调整、突变负荷或紧急事故备用以及大型工厂冲击负荷等。旋转备用的方式可将必须的备用容量分配到各台运行机组，必要时也可在采取上述方式的同时由1 台机组空载备用。5其他限制条件在实现水电站 AGC 时，除了必须满足电力系统负荷平衡外，还要考虑的限制条件很多，如经常提到的下游工农业用水限制，航运对水流变化速率的限制，汛期对库容的影响等；同时要考虑若干时段后电力系统负荷变化的趋势，避免电力系统负荷在短时间内回升或下降而进行不必要的开、停机操作，造成空载流量浪费等，这些限制条件应予以重视。从以上论述中可以看出，水电站AGC 的工程化和实用化很重要。自动发电控制理论已经比较成熟，但能否把理论与实践相结合，

42、切实可行的解决工程中出现的问题，是关系到水电站AGC 直至整个厂内经济运行是否真正付予实施的关键所在。水电站自动电压控制（ AVC ）电压自动控制AVC 主要用于无功电压控制，通常在 AGC 之后进行。 AVC 的主要调节方式是发电机的励磁调节。在调节过程中，各运行机组的有功功率基本保持不变，因此，励磁调节的主要目的是改变发电机的无功功率输出，进而调节母线的电压。电压自动控制AVC 的作用包括安全性和经济性两个方面。在安全性方面：首先需要考虑的是系统对电压的要求。当水电站母线电压的测量值和母线电压设定值的偏差大于允许范围时， AVC 能够通过调节装置自动调节水电站内各台发电机组的励磁系统，使母

43、线电压迅速、平稳地回到设定值。其次，需要考虑的是系统的稳定性。在调节母线电压时，必须保证水电站各运行机组的正常稳定运行，由于在调节励磁系统的时候，对发电机组的运行稳定性影响很大，因此在对各机组进行无功调节时，要考虑各发电机组的励磁调节范围，以确保各机组的稳定运行。最后，还需要考虑其他方面的因素对安全性的影响。如发电机的定子电流是否在定子发热的允许范围之内，发电机的转子电流是否在转子发热的允许范围之内，发电机的端电压是否在允许范围之内等。在经济性方面：首先需要考虑的是无功功率的经济分配。水电站AVC 是在 AGC 确定了开停机计划和机组最优负荷分配的情况下进行控制的，此时调节运行机组的励磁电流，

44、即机组的无功功率， 就可以控制发电机到变压器组因无功功率产生的有功损耗。水电站 AVC 要求在调整母线电压为设定值的同时，确定厂内参与AVC 的各机组无功功率的经济分配，通常是以厂内的功率损耗（主要是变压器的损耗）最小原则作为优化目标的。进行厂内无功经济分配的计算方法同样可以采用动态规划法或遗传算法。其次，在无功功率调节过程中，要充分利用发电机组无功调节的能力，这样能大大降低对无功补偿设备的投资，节约电厂总的投资及运行费用。水电站进行 AVC 时，要求实时计算出每台发电机组的最大无功功率调节能力，以便在该范围内进行安全、稳定的无功调节。当遇到以下情况时， AVC 应该退出运行：无功调节失灵；备

45、励投入运行；出线故障；电气故障；系统振荡。水电站厂内经济运行的其他程序除了AGC 、AVC之外，水电站厂内经济运行还包括ED、 UC、CA 、 GR 等其他程序。1经济分配程序ED前面已经讲到经济分配的方法有动态规划法和遗传方法等，这些算法可以通过高级语言编译成经济分配程序 ED， ED 程序的计算结果可以提供给 AGC 和 AVC 使用。2机组最优组合程序UC机组最优组合程序UC 可以在经济分配程序ED编译的过程中一起编译。UC程序的计算结果同样可以提供给AGC和 AVC使用。同时水电站操作员可以根据UC的建议，进行开停机操作。3主接线连接状态分析程序CACA 程序能按照电厂主接线各设备的工

46、作情况，如断路器的分合状态等，进行主接线状态的分析，由此确定母线是否分裂并设置相应的标志。4切换机组自动选择程序GR在发动机组出现故障时，GR 程序能按照“预安排”的方式来选择稳定措施。计算机周期性地检测线路功率及发电功率，按照电网局规定的故障地点、故障类型与应选的稳定措施之间的关系，预先安排各种故障的稳定措施。当故障发生时，由继电保护来启动，按预先安排的稳定措施来执行。8.3 水电站微机调速系统水电站调速的主要硬件设备是水轮机调速器，它是水电站的重要控制设备，可实现对水轮发电机组的转速和有功功率等参数的自动调节。当前在我国，水轮机调速器行业的技术水平迅速提高，调速器产品日渐更新，微机调速器在

47、水电站中得到广泛应用。尤其是水电站实行计算机监控后，更加快了微机调速器的应用与发展。在我国水轮机调速器的历史上，经历了机械液压调速器、电液调速器、微机调速器等多个发展时期。 20 世纪 50 年代先后仿制生产了型、 CT40 型机调和电子管式电调； 60 年代设计制造 XT 小型、 TT 特小型机调，并在 80 年代将 XT 型改进为 YT 型，从而成为我国机调的代表性产品。 70 年代初，研制晶体管式电调，并从分离式电子元件发展到集成电路式电调。80年代初，研制了以微处理器为核心的微机调速器，并开始研制适应变参数、并联PID 的微机调节器，其调速产品如 WT S 双微机调速器（ Z 80 单

48、板机）、 SJ 700 系列微机调速器等。 90 年代以来，可编程控制器（ PLC）、可编程计算机控制器（ PCC）技术在水轮机调速器中得到应用，目前， PLC 型调速器已成为我国微机调速器的主导产品。 此外，还研制 STD 总线结构和多微机的水轮机调速器，并开展自适式控制、预测控制、神经网络控制在水轮机调节系统中的应用研究。 目前我国每年生产水轮机调速器近 1000 台，其中约 150 台为大型微机调速器， 而多数为中小型微机调速器，小型调速器产品之中机调也占相当大的比重。总之，微机调速器以其功能、性能、可靠性等的优越性，已成为发展的主流产品，这是我国水轮机调速器发展的总趋势。微机调速器的硬

49、件微机调速器的一个显著特点是功能齐全而硬件设备投资少。这是因为微机调速器绝大部分功能是由计算机软件来实现的，不是由硬件来完成的，硬件只是为软件功能的实现提供了环境基础。由于计算机本身具有数字计算和逻辑判断能力，致使可以在微机调速器里开发模拟调速器无法实现的功能，并使现代控制理论在微机调速器中的应用成为可能。由于微机调速器的型号很多， 以下选择在中小型水电站中应用较有代表性的几种进行介绍。1新一代 YDT 系列调速器（大规模集成电路型）新一代 YDT 系列调速器是改进型电液调速器，用于调节和控制中小型混流式和轴流定桨式水轮机，属组合式调速器。它由电气调节器、电液随动系统及油压装置三部分组成。电气

50、调节器采用最新大规模集成电路和高可靠性的抗干扰电源，调节方式为并联PID ，还设有启动开度预置拨码开关。其电气线路大为简化，可靠性高，稳定性好，参数调整迅速、准确、无过调现象；可按预定启动开度快速、平滑地启动机组， 启动开度可任意设定；可设置两段关闭装置；采用大功率电液伺服阀，抗油污能力强。新一代 YDT 型调速器是在原YDT 晶体管型调速器的基础上改进而成的。其主要特点是：采用发电机残压测频方式，提高了测频准确度；电气部分增加了频率微分电路，因而具有PID 调节规律。2 BYWT 调速器（步进电机PLC 型）BYWT系列调速器是步进电机PLC 微机调速器，适应于中小型混流式、贯流式和轴流式水轮发电机组的控制。 它由微机调节器、 步进随动系统及油压装置三部分组成，结构为组合式。微机调节器采用 PLC ，可靠性高，通讯组网能力强，可实现对机组的自动发电控制（ AGC）。其主要特点是： BYWT 调速器采用大功率步进电机及相应配套驱动器、编码器。以步进电机凸轮传动机构直接控制主配压阀，取代了易发卡的电液转换器，大大提高了调速器运行的可靠性；人机对话工具采用数码管或触摸屏； BYWT 小型系列采用单泵供油系统，设