水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)

1、第 8 章 水電站計算機監(jiān)控綜合自動化系統(tǒng)前面章節(jié)所論述的水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)主要針對水電站計算機狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，事實上，水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)除了狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)之外，還包括水電站視頻監(jiān)控系統(tǒng)、水電站廠內經濟運行系統(tǒng)、水電站微機調速系統(tǒng)以及微機勵磁系統(tǒng)等。本章就對水電站視頻監(jiān)控系統(tǒng)、水電站廠內經濟運行系統(tǒng)、水電站微機調速系統(tǒng)以及發(fā)電機微機勵磁系統(tǒng)等綜合自動化系統(tǒng)進行著重介紹。8.1 水電站視頻監(jiān)控系統(tǒng)隨著社會不斷進步，經濟快速發(fā)展和技術突飛猛進，公共秩序安全、生產安全、財產安全等越來越受到人們的重視，從而使以視頻信息為特征的視頻監(jiān)控更為廣泛地被應用在各行業(yè)領域，早期視頻監(jiān)控只在金融銀行、道路交通和大

2、型連鎖超市的安全監(jiān)控中應用，后來發(fā)展到在管理和生產經營部門以及無人值守特定場合的應用。市場的強勁需求不斷激勵和催化視頻監(jiān)控技術的向前發(fā)展。從技術上，視頻監(jiān)控經歷了從模擬到數字、從分散定點到網絡監(jiān)控、從簡單錄像顯示到智能化預警、從有線到無線、從近距離操作到遠程控制等具有深遠意義的變化，相信未來，隨著標準化工作進程加快，視頻監(jiān)控應用將不斷普及，視頻監(jiān)控行業(yè)將迎來新的發(fā)展機遇。視頻監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展階段視頻監(jiān)控發(fā)展至今經歷了模擬視頻監(jiān)控、半數字監(jiān)控和數字監(jiān)控三個階段。第一階段是模擬視頻監(jiān)控階段。該階段主要特點是視頻信號來自模擬攝像機，傳輸采用同軸電纜，存儲用模擬錄像機，處理采用模擬控制主機(如模擬切換、

3、矩陣主機等)。該階段的視頻監(jiān)控系統(tǒng)稱為閉路電視系統(tǒng)。第二階段是半數字階段。上世紀90 年代視頻監(jiān)控進入半數字階段，其特點是視頻信源和視頻傳輸仍以模擬方式為主，信號到達監(jiān)控中心后由數字控制主機或硬盤錄像主機(DVR) 進行數字處理與存儲。該階段的視頻監(jiān)控系統(tǒng)常稱為數字硬盤錄像系統(tǒng)。第三階段是全數字階段。全數字技術的支持、高度集成一體化的網絡攝像機、數字攝像機的廣泛使用，標志著視頻信源采集、壓縮編碼、信號處理進入數字化。通過Internet 對網絡攝像機中的 IP 地址進行訪問，實現(xiàn)了傳輸、控制、存儲、顯示等全數字化。對于視頻監(jiān)控，數字化存儲帶來的是一場革命性的變化。數字化是 21 世紀的時代特征

4、， 視頻監(jiān)控的數字化也是監(jiān)控技術發(fā)展的必然趨勢。 全數字視頻監(jiān)控系統(tǒng)通過基于TCP/IP 協(xié)議的以太網絡， 真正實現(xiàn)了圖像的遠距離監(jiān)控，故稱該階段的視頻監(jiān)控系統(tǒng)為網絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)或遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)。由于目前新建的水電站視頻監(jiān)控系統(tǒng)大多采用全數字的網絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)，故在下面的論述中如未作特別說明，視頻監(jiān)控系統(tǒng)即為網絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)。網絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)的組成視頻監(jiān)控系統(tǒng)由前端視頻采集部分、網絡通信部分和監(jiān)控中心部分組成。前端視頻采集部分包括攝像裝置、視頻編碼器、 報警輸入 /輸出設備等。 所有監(jiān)控點信息都由前端視頻采集設備進行圖像采集。攝像裝置是前端視頻采集部分的核心，包括鏡頭、 攝像機、防護罩及支撐

5、設備等。根據被攝物體及攝像地點的不同，攝像裝置的具體配置也各不相同。攝像裝置可以固定，也可以采用云臺控制，如水電站視頻監(jiān)控系統(tǒng)需要清晰的視頻來觀測水位及閘門等情況，則需要使用云臺控制，當操作人員需要開啟閘門時，可以通過云臺控制調整觀測角度，使用控制系統(tǒng)來控制閘門，并觀測閘門的開合情況。為適合夜間監(jiān)控的要求，可在監(jiān)控點附近安裝大功率的探照燈，系統(tǒng)可遠程控制燈光電源開關，保證人員清楚的監(jiān)控到夜間的情況。網絡通信部分由路由器、交換機、無線網橋、防火墻、通信線路等設備組成。通信線路可以采用多種方式：雙絞線、光纖、有線電纜、專線、幀中繼、XDSL 、無線局域網、衛(wèi)星、微波、 GPRS、CDMA 等。網絡

6、通信可采用標準的 TCP/IP 協(xié)議，可直接應用在局域網或者廣域網上。具體的通道方式可根據現(xiàn)場的實際情況進行選擇。監(jiān)控中心部分一般 采用 Brower/Server （簡稱 B/S ）結構，即 由管理服務器（ Server ）和監(jiān)視終端（ Brower ）組成。管理服務器由監(jiān)控管理軟件、服務器硬件、資源數據庫等組成。監(jiān)控管理軟件能夠實現(xiàn)完整的監(jiān)控管理功能，是網絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)的核心。管理服務器主要完成現(xiàn)場圖像接收，用戶登錄管理，優(yōu)先權的分配，控制信號的協(xié)調，圖像的實時監(jiān)控，錄像的存儲、檢索、 回放、備份、恢復等功能。 監(jiān)視終端由監(jiān)控工作站和電視墻等終端顯示設備組成。監(jiān)視終端可采用普通的 PC 機

7、，通過客戶端軟件或標準瀏覽器訪問監(jiān)控管理服務器。一般采用用戶登錄的方式登錄監(jiān)控系統(tǒng)，根據管理的權限使用系統(tǒng)功能。對于中心監(jiān)控室，通常會配置高性能的 PC 機作為監(jiān)控工作站， 并建立電視墻系統(tǒng)。 在監(jiān)視終端上還可實現(xiàn)多畫面實時監(jiān)控，遠程控制攝像機云臺、燈光控制、制訂錄像計劃等操作。網絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)的特點網絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)同其他視頻監(jiān)控系統(tǒng)如閉路電視系統(tǒng)和數字硬盤錄像系統(tǒng)相比較而言，它具有以下一些特點：（1）網絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)不需要PC 來處理模擬視頻信號， 而是把攝像機輸出的模擬視頻信號通過獨立的嵌入式視頻服務器直接轉換成IP 數字信號通過網絡進行傳輸。（ 2）網絡視頻服務器采用專用操作系統(tǒng)，工作穩(wěn)

8、定、安全可靠，并且外形小巧，非常便于在有限空間安裝。（ 3）網絡視頻服務器具備視頻處理、網絡通信、自動控制等強大功能，不僅完全替代數字硬盤錄像系統(tǒng)采用 PC 機加多媒體卡的方式，而且減少了故障點，大大提高了系統(tǒng)整體可靠性。（ 4）網絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)是一種完全基于 IP 網絡，采用 Browser/Server 結構設計的新一代綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)，可方便地通過以太網接入水電站已存在信息網絡系統(tǒng)中，除了可以滿足現(xiàn)場實時監(jiān)控的要求外，還能通過光纖、無線等通訊方式實現(xiàn)遠程集中監(jiān)控。（ 5）網絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)具有模塊化結構的特點，所有擴容監(jiān)控點和監(jiān)控設備均可在原有系統(tǒng)不作任何改動的前提下直接接入系統(tǒng)，大大降低

9、了擴容成本和保護了已有投資。視頻監(jiān)控系統(tǒng)的應用視頻監(jiān)控系統(tǒng)在水電站中的應用主要包括以下幾個方面：1水庫大壩管理（ 1）通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)可監(jiān)測水庫蓄水水位情況。（ 2）操作人員在使用控制系統(tǒng)操作閘門時，可通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)視閘門和水流情況。（ 3）在某些環(huán)境下，如水庫的溢洪道等地方，大部分時間屬于無人值守狀態(tài)，需要設置監(jiān)控攝像機實時監(jiān)控。（4）監(jiān)測水庫、壩區(qū)的周邊環(huán)境。2設備監(jiān)控對站區(qū)重要室內設備：水輪機室、水車室、GIS 室、母線廊道、發(fā)電機層、蝶閥層、技術供水室、電氣層、開關室、尾水廊道等進行監(jiān)控；對站區(qū)重要室外設備如主變壓器、副廠房、避雷器群、斷路器、接地刀閘等進行監(jiān)控；監(jiān)控應達到以下效果

10、：清楚地監(jiān)視場地內的人員活動情況、設備的具體運行狀況和儀表盤上的讀數。3安全防范保障水電站空間范圍內的建筑和設備的安全，起到防盜、防火的作用。在圍墻、大門等處通過攝像、微波、紅外探頭以防止非法闖入；在建筑物門窗安裝報警探頭如門磁、紅外、玻璃破碎探測器等， 并在重點部位安裝攝像機進行24 小時不間斷視頻監(jiān)控， 實現(xiàn)報警聯(lián)動錄像的作用。由于各個水電站對視頻監(jiān)控系統(tǒng)要求的不同，以上只是簡單地對視頻監(jiān)控系統(tǒng)所能應用的范圍作一個簡單的介紹。在實際應用中應根據水電站的實際情況，在滿足運行管理要求的基礎上進行監(jiān)控應用范圍的確定。網絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設計方案多種多樣，以下舉例說明視頻監(jiān)控

11、系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)。在介紹該例之前，首先需要了解一些關鍵技術。（ 1）MPEG-4 標準。 MPEG 系列標準包括 MPEG-1、 MPEG-2、MPEG-4 等， MPEG-4 標淮利用很窄的帶寬， 通過幀重建技術壓縮和傳輸數據， 以求用最少的數據獲得最佳的圖像質量。與 MPEG-1 和 MPEG-2 標準相比， MPEG-4 除了傳統(tǒng)的編碼功能之外，還加入了更多引人注目的功能，包括基于對象的壓縮編碼方法、空域和時域的存取性和可擴展性以及很好的糾錯能力等。 MPEG-4 標準不僅可以提供一個具有更高壓縮效率的新多媒體信息傳輸標準，同時也可以達到更好的多媒體互動性以及全方位的存取性。 MPEG-

12、4 編碼系統(tǒng)是開放的，可隨時加入新的編碼算法模塊，它能支持多種多媒體應用，可根據不同的應用需求，現(xiàn)場配置解碼器。由于MPEG-4 采用了基于對象的壓縮編碼方法，它把圖像和視頻分割成不同的對象分別處理，除了能提高數據壓縮，還能實現(xiàn)基于內容的交互功能。 MPEG-4 能有效地處理基于對象的多媒體壓縮、存取與交互，因此被廣泛地應用到發(fā)電廠及電力系統(tǒng)的遠程監(jiān)控、可視電話和遠程教學等領域。（2）IP 組播技術。在了解組播技術之前，需要首先了解IP 通信中另外兩個技術，即IP單播和 IP 廣播。采用IP 單播方式進行通信，發(fā)送信息的源主機必須向每個希望接收此數據包的 IP 主機發(fā)送一份單獨的數據包拷貝，這

13、種巨大的冗余會給發(fā)送數據的源主機帶來沉重的負擔，因為它必須對每個 IP 主機的要求都做出響應， 這使得主機的負擔過于沉重， 響應時間會大大延長。而采用IP 廣播方式進行通信，則源主機向一個網段中的所有IP 主機發(fā)送 IP 信息包，該網段中的所有IP 主機都接收該信息包。IP 廣播的主要缺點就是每個廣播都要發(fā)送數據至一個網段中的所有機器，消耗了該網段中所有IP 主機的資源，而且數據要被該網段中大多數IP主機所丟棄， 由于大多數 IP 主機不希望接收此數據包。 在實時的監(jiān)控系統(tǒng)中， 由于視頻數據量很大，采用 IP 單播方式和 IP 廣播方式都是不可取的，前者會耗盡源主機的資源，而后者會耗費多數IP

14、 主機的資源。為解決這個問題，IP組播技術應運而生。IP 組播通信介于IP 單播和IP廣播通信之間，它能使源主機發(fā)送IP 信息包到IP 網絡中任何一組特定的主機上。IP 組播是指一個IP報文向一個“主機組”的傳送，這個包含零個或多個主機的主機組由一個單獨的D 類IP 地址標識，在 IP 地址的“小數點” 表示法中，組播地址范圍是從到，除了目的地址部分，組播報文與普通報文沒有區(qū)別，網絡盡力傳送組播報文但是并不保證一定送達。主機組的成員可以動態(tài)變化，主機有權選擇加入或者退出某個主機組，主機可以加入多個主機組， 也可以向自己沒有加入的主機組發(fā)送數據。采用 IP 組播方式進行通信， 源主機只需發(fā)送數據

15、的一個拷貝，多個接收者則都可以接收到，網絡在每個接收者的最后一個路由器或主機復制它，在一個給定的網絡上每一個包只傳送一次。這樣就大大節(jié)約了數據傳送所需要耗費的資源。（ 3）多線程通信與同步技術。眾所周知， Windows 是多任務處理系統(tǒng)，線程的應用大大減少了程序運行的開銷，線程間存在一定邏輯關系，要訪問相同資源就需要實現(xiàn)多線程間的通信與同步，如果兩個以上線程同時訪問同一緩沖區(qū)，就可能產生讀寫數據錯誤的問題，所以必須通過一定的機制來達到線程處理中的讀寫同步。 Windows 提供了靈活的線程通信與同步方案，包括利用全局變量、用戶自定義消息、事件對象和臨界區(qū)等。為了提高系統(tǒng)運行效率，使得各個功能

16、模塊之間能夠并行工作，在視頻監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設計中大多采用了多線程編程方式，其中服務器端軟件主要包含主線程、數據采集、壓縮、傳輸、報警及云臺控制等多個線程，客戶端軟件主要包括主線程、接收、解壓縮以及控制命令發(fā)送等多個線程。了解了以上幾個關鍵技術后，我們就可以看一個基于B/S 構架模型的網絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)的例子。該例是某水電站采用的網絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)，它同樣由前端視頻采集部分、網絡通信部分和監(jiān)控中心部分組成，前端視頻采集部分由攝像裝置、音頻裝置、報警裝置、控制信號輸出裝置以及 XviD 編解碼器等組成，完成圖像采集、音頻采集和播放、出錯報警和控制等功能。網絡通信部分由交換機 （Switch Hub）、

17、IP 網絡以及數字矩陣等組成， 完成數據傳輸、 交換和模數信號銜接等功能。 監(jiān)控中心部分由監(jiān)控中心服務器 （由多臺視頻服務器和磁盤陣列組成） 、視頻工作站以及電視墻等組成，其中監(jiān)控中心服務器為服務器（Server）端，視頻工作站為客戶（ Brower）端，形成 B/S 構架模型，服務器端對前端視頻采集部分提供的數據進行處理，如數據壓縮、 數據傳輸、圖像報警檢測、 視頻存儲等。 同時，客戶端有選擇性地加入 IP 組播主機組，并經過身份驗證，可以訪問中央監(jiān)控服務器，查詢監(jiān)控視頻資源，系統(tǒng)中的客戶端可以隨時加人或退出網絡，整個系統(tǒng)的規(guī)模可以動態(tài)改變，具有很強的適應性。為了能夠加強客戶端的圖像顯示功能

18、，還引入了電視墻。其結構圖如圖8-1 所示。在 MPEG-4 標準方面， 為了既能滿足性能要求又能降低成本， 該系統(tǒng)采用純軟件編解碼和MPEG-4 壓縮技術。該系統(tǒng)采用XviD 編解碼器。目前， XviD 是 PC 機 MPEG-4 編碼內核中可選模式最多的視頻編解碼器。XviD 不僅提供了標準的MPEG 量化方式， 還特別提供了更適合低碼流壓縮的h.263 量化方式，并且XviD 還可以在雙重（ 2-pass）運算時，根據對畫面信息的綜合分析， 動態(tài)地決定某段場景的畫面量化方式。XviD 的主要特點還包括運動偵測和曲線平衡分配、動態(tài)關鍵幀距、心理視覺亮度修正、B 幀技術等，這些技術在此不作一

19、一論述。視頻 音頻 報警視頻 音頻 報警視頻 音頻 報警視頻 音頻 報警控制控制控制控制信號信號信號信號XviD編解碼器XviD編解碼器XviD編解碼器XviD編解碼器電視墻電視墻解碼器解碼器Switch Hub數字矩陣數字矩陣Switch HubIP網絡磁盤陣列服務器監(jiān)控中心服務器服務器視頻工作站2視頻工作站N視頻工作站1圖 8-1某水電站網絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)結構圖在 IP 組播方面， 服務器將視頻數據按組播地址發(fā)送出去，并且可以同時進行視頻存儲，以便以后查詢，客戶端有選擇性地加入一個或多個組播組，接收視頻數據并播放出來，以達到遠程監(jiān)控的目的。服務器端首先將實時采集到的數據存放在緩沖區(qū)中，當緩沖

20、區(qū)滿時，立即啟動與之對應的發(fā)送線程， 將數據發(fā)送到相應的組播地址，然后清空緩沖區(qū)， 等待接收下一批數據。路由器通過 Internet 的組管理協(xié)議 IGMP 來管理組中的成員，在 IGMP2.0 中增加了對成員離開的及時響應功能， 當組中沒有成員時， 可以及時停止該組的組播， 減小了網絡負擔。 與此同時，當客戶端加入某個組時，也同時創(chuàng)建一個連接字符串，該字符串連接相應的監(jiān)聽字符串來保持聯(lián)系，當組中的成員數量不為0 時，繼續(xù)發(fā)送，若為0，則停止發(fā)送線程，以提高系統(tǒng)的效率。在多線程通信與同步技術方面，該系統(tǒng)同時利用Microsoft Foundation Class（即 MS-VisualC+ 的

21、類庫，簡稱MFC ）中的 Event 對象和一些全局變量來實現(xiàn)線程間的通信，利用MFC 中的信號量（Semaphore）來保證線程間的同步，并且根據各個線程占用CPU的時間來設置線程優(yōu)先級，較好地解決了線程間通信、同步及通信效率問題。視頻監(jiān)控系統(tǒng)的維護為確保視頻監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)揮應有的功效，應加強對系統(tǒng)運行的管理工作，克服重建設輕管理的弊病。應根據系統(tǒng)管理辦法和管理規(guī)程應做好系統(tǒng)的管理和維護。如定期線路及設備檢查維護、定期光盤更換、監(jiān)控服務器維護及監(jiān)控終端及攝像設備的維護等。8.2 水電站廠內經濟運行系統(tǒng)水電站采用計算機監(jiān)控系統(tǒng)后，以往采用的功率成組調節(jié)裝置、按流量調節(jié)裝置和按水位調節(jié)裝置等就不能滿

22、足水電站負荷分配和負荷調節(jié)及控制的實時性要求，需要實行水電站廠內經濟運行。水電站廠內經濟運行經濟負荷分配、機組開停機決策及運行機組最佳組合、主接線連接狀態(tài)分析、出現(xiàn)故障時自動選擇并切換機組、自動發(fā)電控制AGC （ Automatic GenerationControl ）、自動電壓控制AVC（ Automatic Voltage Control）等內容。水電站廠內經濟運行概述在電網運行中，由于水電站調節(jié)性能好，調節(jié)速度快，一般情況下是由水電站來承擔電力系統(tǒng)日負荷中的峰荷和腰荷，電網負荷給定的方式有兩種，一是瞬間負荷給定值方式，即按電網 AGC 定時計算出的給定值，即時下達給水電站執(zhí)行。水庫大，

23、調節(jié)性能好，機組容量大，在電網中承擔調峰、調頻的水電站一般采用這種方式。另一種則是日負荷給定曲線的方式，即電網調度中心前一日即下達某水電站一天的負荷給定值曲線，到當天零時計算機監(jiān)控系統(tǒng)即自動將此預先給定的日負荷曲線存于當天該執(zhí)行的日負荷曲線存放區(qū)，以便水電站實行廠內經濟運行。無論采用那種方式，電網下達給電站執(zhí)行的負荷（即總負荷）需要在水電站各機組間進行分配。如何進行負荷分配，確定最優(yōu)工作機組臺數和組合，如何執(zhí)行自動發(fā)電控制AGC 和自動電壓控制AVC 等問題就是水電站廠內經濟運行所要解決的。水電站實行廠內經濟運行就是在給定系統(tǒng)負荷條件下，水電站在某一水頭下運行，對水電站各機組的動力特性曲線、最

24、優(yōu)工作機組臺數和組合、機組的合理啟停以及在各運行機組間有功負荷的最優(yōu)分配方案進行分析和研究，得到水電站廠內最優(yōu)運行方式，用以指導水電站的實際運行，并執(zhí)行自動發(fā)電控制AGC 和自動電壓控制AVC ，以獲得水電站運行的最大效益。國內外資料表明，水電站實行廠內經濟運行可增發(fā)電能或節(jié)約耗水達1 3。水電站采用計算機監(jiān)控系統(tǒng)后，實行廠內經濟運行可采用水電站廠內經濟運行系統(tǒng)。一般情況下把水電站廠內經濟運行系統(tǒng)集成到水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)中，成為水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的一部分。 水電站廠內經濟運行系統(tǒng)一般由經濟負荷分配程序ED（Ecomoning Dispatch），機組開停機決策及運行機組最佳組合程序UC(U

25、nitCommitment)，以及主接線連接狀態(tài)分析程序CA（Connectivity Analyser ），出現(xiàn)故障時切換機組自動選擇程序GR（Generation Rejection），自動發(fā)電控制程序AGC（Automatic Generation Control）、自動電壓控制程序AVC（ Automatic VoltageControl ）等組成。本節(jié)著重論述廠內經濟運行的短期調度和實時控制問題，而對水庫調度，中、長期經濟計算不作論述。水電站動力特性分析當水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)執(zhí)行廠內經濟運行功能時，不論是 ED 、UC、CA 、GR，還是 AGC和 AVC ，都離不開機組動力特性曲線

26、。 因此機組動力特性分析是一項非常重要的內容，其分析精度直接影響到水電站實行廠內經濟運行的效益。水電站動力特性分析的數據最好是真機試驗的實測數據，若水電站沒有做過真機試驗或實測數據不全，則可以采用水輪機模型試驗數據。由實測數據或模型試驗數據可以整理得到動力特性數據。根據已知的動力特性數據就可以對水電站進行動力特性分析，動力特性分析的主要目的是繪制動力特性曲線，獲取動力特性曲線方程，找出水電站生產運行過程中的能量轉換規(guī)律，以便制定水電站最優(yōu)運行方式。水電站機組動力特性曲線包括流量出力特性曲線、耗水率特性曲線、流量微增率曲線、出力微增率特性曲線等。圖8-2 為黃河下游山西保德境內天橋水電站 1 號

27、機組的動力特性曲線平鋪圖，它們從左到右、從上到下依次為流量出力特性曲線、耗水率特性曲線、流量微增率曲線和出力微增率曲線。如果某一水頭的動力特性數據未知，則可以通過插值的方法得到插值特性曲線，圖8-3 為黃河上游甘肅蘭州境內的劉家峽水電站第5 號機組流量出力特性曲線，95.3m 的曲線即為插值流量出力特性曲線。水電站動力特性曲線方程將自動保存到監(jiān)控系統(tǒng)的數據庫中，可供ED、 UC、CA 、GR、AGC 和 AVC 等程序的調用。圖 8-2天橋水電站 1 號機組動力特性曲線平鋪圖水電站日負荷特性曲線前面已經講到電網負荷給定的方式有兩種，一是瞬間負荷給定值方式；另一種則是日負荷給定曲線的方式。對于瞬

28、間負荷給定值方式，不能事先確定日負荷曲線，只有日負荷給定曲線的方式才可以事先確定。事先確定的日負荷曲線稱為日負荷計劃。日負荷計劃是調度部門根據電力系統(tǒng)能量平衡、水電站來水、防洪、灌溉以及上下游梯級水電站短期調度等諸多因素而制定的，制定后下達給水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)將在當天零時開始自動執(zhí)行該日負荷計劃。水電站某天的日負荷計劃可以圖 8-3 劉家峽水電站5 號機組流量出力特性曲線由日負荷特性曲線表示， 把一天分為 24個時段，其日負荷特性如圖8-4 所示。圖 8-4 分別描述了天橋水電站水電站 2002 年 10 月 21 日的日負荷特性曲線。2001 年 3 月 2 日和劉家峽圖 8-4

29、 日負荷特性曲線水電站負荷分配算法水電站廠內經濟運行負荷分配方法很多，這里只介紹最近研究和應用較多的兩種算法：動態(tài)規(guī)劃法和遺傳算法。1動態(tài)規(guī)劃法動態(tài)規(guī)劃法的數學模型為：目標函數：24WminWF (t ,l )WZ(m, l )lt 1式中 WF (t, l ) t 時段 l 組合下的發(fā)電用水量；WZ (m,l ) 從 t1時段的組合 m 轉移到 t 時段的組合 l 產生的轉換耗水量。約束條件：n功率平衡 PctPkt , t 1,2, 24出力限制 Pktk 1Rkt式中： Pc t 時段電力系統(tǒng)給定的發(fā)電任務；tPk t 時段第 k 臺機組的出力；Rk 第 k 臺機組的出力范圍。上述數學模

30、型是一個在時域上和空間上同時進行優(yōu)化計算的復雜問題。模型不但描述了水電站各臺機組在時段上開停機狀態(tài)的最優(yōu)組合，而且也描述了機組的空間最優(yōu)組合及各個時段內負荷的空間最優(yōu)分配問題?？蓪⒃搯栴}的求解過程分解為： 空間上機組間負荷優(yōu)化分配的子模塊( 經濟負荷分配程序即ED)和時域上機組優(yōu)化運行的主模塊（開停機決策及機組最佳組合程序即UC）（ t1,24）?？臻g上機組間負荷優(yōu)化分配子模塊的計算機程序流程圖如圖8-5(a)所示；時域上機組優(yōu)化運行主模塊的計算機程序流程圖如圖8-5(b) 所示。可以采用高級語言按照計算機程序流程圖分別編譯為經濟負荷分配程序ED和開停機決策及機組最佳組合程序UC。2遺傳算法遺

31、傳算法數學模型為：24n目標函數 Wmin3600 Qi (Pi t ) u ituit (1 uit 1 )Ci uit 1 (1 uit ) Di (1 uiJX )t1i1nPtP tu t約束條件ciii 1PitRit其中 Qi (Pi ) 機組 i 在 t 時段內的平均流量；uit 機組 i 在 t 時刻開停機狀態(tài)變量，運行為1，檢修或停機為0；Ci 開機過程中的耗水量；D i 停機過程中的耗水量；tPi t 機組 i 在 t 時段內的平均出力；JXui 機組 i 檢修狀態(tài)變量，檢修為1，不檢修為 0；同樣可將該模型描述的問題的求解過程分解為：空間上機組間負荷優(yōu)化分配的子模塊( 經

32、濟負荷分配程序即ED)和時域上機組優(yōu)化運行的主模塊（開停機決策及機組最佳組合程序即UC）（ t 1, ,24 ）。把遺傳算法分為主模塊和子模塊不僅為了層次清楚，而且還有一個重要的用處：因計劃日負荷和實際需要的負荷有時是有出入的。如某一時段調度部門電話通知需在原計劃的基礎上增發(fā)電量較大，負荷需在此時段重新分配時，只調用子模塊即可解決問題。這樣大大縮短了計算機運算速度，能更好地體現(xiàn)實時性。子模塊需解決的問題是： 在保證電能質量和安全生產的前提下， 在某一時段， 某一水頭下，如何在 n 臺機組間最優(yōu)分配電力系統(tǒng)給定的負荷任務，使得耗流量最小。主模塊需解決的問題是：在保證電能質量和安全生產的前提下，在

33、某一水頭下，如何在n 臺機組間最優(yōu)分配電力系統(tǒng)給定的負荷任務，使得日耗水量最小。遺傳算法的求解有個體編碼、個體評價、優(yōu)劣排序、選種雜交、變異解碼、收斂準則等步驟，遺傳算法計算機程序流程圖如圖 8-6 所示，其中（ a）為主模塊計算機程序流程圖， （b）為子模塊計算機程序流程圖。同樣可以采用高級語言按照計算機程序流程圖分別編譯為經濟負荷分配程序 ED和開停機決策及機組最佳組合程序 UC。3兩種算法的比較在優(yōu)化求解方法上， 動態(tài)規(guī)劃法較為通用， 但是動態(tài)規(guī)劃法需要映射空間或函數的連續(xù)性，需要在整個解空間上作全面的搜索，當水電站機組臺數和解空間維數增多時，其速度較慢，往往達不到實時性要求。遺傳算法不

34、需要映射空間或函數的連續(xù)性， 它可以多點出發(fā)同時在整個空間上作快速搜索，有較大把握獲得全局最優(yōu)解且速度較快。但采用遺傳算法時，對不同的水電站其個體編碼、評價函數以及收斂準則等將有很大區(qū)別，這影響了遺傳算法的通用性；在遺傳算法的計算過程中，若雜交率、變異率、評價函數和收斂準則等選取不當，可能會引起求解“早熟” 、“進化遲鈍”或不收斂（發(fā)散）等。到底采用何種算法， 要視水電站的機組臺數、求解維數以及對實時性的要求等方面而確定。圖 8-5動態(tài)規(guī)劃法經濟負荷分配計算機程序流程圖開 始開 始輸入水頭、機組特性及日負荷數據對機組狀態(tài)變量 P t 進行基因編碼i對機組狀態(tài)變量 u it 進行基因編碼隨機產生

35、 m 個初始點，選擇 w s , w c , wv ,由 uit 確定運行機組及基因碼鏈長度隨機產生 m 個初始點形成機組出力母體群進入子模塊進行遺傳運算：選種、雜交、變異由子模塊中求得的 Pit 計算日耗水量 W解碼計算各母體的優(yōu)良度計算 Q t按優(yōu)良度從大到小順序排列各母體計算各母體的優(yōu)良度進行遺傳運算：選種、雜交、變異按優(yōu)良度從大到小順序排列各母體NN滿足精度滿足精度YY輸出最優(yōu)開停機計劃 uit及負荷分配結果輸出 t 時段負荷分配結果 Pi t結 束結 束P t圖 8-6 遺傳算法經濟負荷分配計算機程序流程圖i水電站自動發(fā)電控制（ AGC ）電力系統(tǒng)的負荷是經常變化的，變化的負荷會帶來

36、頻率及電壓的變化，為了維持系統(tǒng)的頻率和電壓在期望值上，就需要控制電力系統(tǒng)的有功功率和無功功率，使之與所需的負荷功率平衡。在系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)，僅出現(xiàn)小的波動時，可以認為有功功率的不平衡主要影響系統(tǒng)的頻率和功角，基本上不影響系統(tǒng)的母線電壓；而無功功率的不平衡主要影響系統(tǒng)的母線電壓，而不影響系統(tǒng)的頻率和功角。因此，有功功率控制和無功功率控制可以分解為兩個相對獨立的問題，分別由自動發(fā)電控制AGC 和自動電壓控制AVC 完成。由 ED 和 UC 確定的有功負荷最優(yōu)分配和開停機最佳組合方案可以通過水電站自動發(fā)電控制程序AGC 進行實施，而自動電壓控制AVC的實施一般在AGC之后進行。因此這里首先對AGC的實施

37、進行介紹。在AGC的實施過程中，主要注意以下幾個方面的問題：1 AGC 的運行與管理。該問題包括 AGC 的投入和退出、 AGC 的調度權問題、機組調節(jié)及控制方式、關于優(yōu)先和限制問題等。機組 AGC 功能投入指該機組參加AGC ，AGC 程序將對其進行負荷方配和啟停指導；而機組 AGC 功能退出指該機組不參加 AGC，AGC 程序將不對其進行負荷方配和啟停指導。 如果全廠 AGC 功能投入，則全廠所有機組參加 AGC ；全廠 AGC 功能退出則意味著不啟動機組負荷方配和啟停指導功能。AGC 的調度權可以由 AGC 程序界面設定，如可以設置為網調、梯調或當地等。當調度權設置為當地時，運行人員可以

38、干預 AGC 的任何一項功能。機組調節(jié)基本方式有開環(huán)、閉環(huán)和手動三種；而調節(jié)組合則有閉環(huán)、開環(huán)、手動、閉環(huán)手動、開環(huán)手動五種。機組控制基本方式有自動、半自動和手動三種；而控制組合有自動、半自動、手動、自動手動、半自動手動五種。優(yōu)先方式主要用于水電站有多個出線電壓等級的情況，如某水電站有 220KV 和 500KV 兩個電壓等級， 則 AGC 可以設置為 220KV 優(yōu)先、 500KV 優(yōu)先或無優(yōu)先三種情況。 限制負荷方式可以設定某一臺或幾臺機組的限制負荷，如1 號、 2 號機組最多能帶220KV線路的限制負荷，3 號、 4 號機組最多能帶500KV 線路的限制負荷等。2負荷調整與避開振動和空蝕

39、限制區(qū)域水電站在實施AGC時，應注意機組啟停時的負荷轉移、分配以及設定值的變動，從而引起機組負荷的頻繁調節(jié)，AGC應盡可能保證全廠負荷以最快速度平穩(wěn)地逼近系統(tǒng)設定值。在發(fā)電機組的負荷控制中，經?；嘏龅讲豢蛇\行區(qū)，即在該區(qū)域機組的振動和空蝕比較厲害，此時應在負荷分配時避開機組的振動和空蝕限制區(qū)域。避開振動和空蝕限制區(qū)域的原則是:避免機組負荷調整頻繁穿越振動和空蝕限制區(qū)域；避免機組負荷大范圍波動； AGC負荷給定值與系統(tǒng)負荷給定值相差最小等。3遠程控制隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展和技術水平的提高， 特別是我國水電站 “無人值班”（少人值守） 目標的提出， 水電站 AGC的遠程功能更顯得重要， 遠程 AGC已

40、成為實現(xiàn) “無人值班”（少人值守） 水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)必備的功能；是評價該系統(tǒng)功能是否完善，監(jiān)控能力是否達到要求的一個檢驗標志；遠程 AGC實現(xiàn)方式有兩種：電網調度中心給出水電站各時段的總負荷，機組開停機和經濟負荷分配完全由水電站廠內經濟運行系統(tǒng)來實現(xiàn)；調度中心分別給出遠程開停機命令和相應有功功率設定值，即機組開停機操作也由調度中心遙控完成。目前大多數水電站采用第一種方式。4備用容量設置備用容量對于電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行是非常重要的。對于水電站而言，備用容量常分為旋轉備用容量和冷、熱備用容量等。冷、熱備用容量用于滿足變化比較緩慢的負荷要求，或按計劃進行的負荷調整等；而旋轉備用容量則主要用于頻

41、率調整、突變負荷或緊急事故備用以及大型工廠沖擊負荷等。旋轉備用的方式可將必須的備用容量分配到各臺運行機組，必要時也可在采取上述方式的同時由1 臺機組空載備用。5其他限制條件在實現(xiàn)水電站 AGC 時，除了必須滿足電力系統(tǒng)負荷平衡外，還要考慮的限制條件很多，如經常提到的下游工農業(yè)用水限制，航運對水流變化速率的限制，汛期對庫容的影響等；同時要考慮若干時段后電力系統(tǒng)負荷變化的趨勢，避免電力系統(tǒng)負荷在短時間內回升或下降而進行不必要的開、停機操作，造成空載流量浪費等，這些限制條件應予以重視。從以上論述中可以看出，水電站AGC 的工程化和實用化很重要。自動發(fā)電控制理論已經比較成熟，但能否把理論與實踐相結合，

42、切實可行的解決工程中出現(xiàn)的問題，是關系到水電站AGC 直至整個廠內經濟運行是否真正付予實施的關鍵所在。水電站自動電壓控制（ AVC ）電壓自動控制AVC 主要用于無功電壓控制，通常在 AGC 之后進行。 AVC 的主要調節(jié)方式是發(fā)電機的勵磁調節(jié)。在調節(jié)過程中，各運行機組的有功功率基本保持不變，因此，勵磁調節(jié)的主要目的是改變發(fā)電機的無功功率輸出，進而調節(jié)母線的電壓。電壓自動控制AVC 的作用包括安全性和經濟性兩個方面。在安全性方面：首先需要考慮的是系統(tǒng)對電壓的要求。當水電站母線電壓的測量值和母線電壓設定值的偏差大于允許范圍時， AVC 能夠通過調節(jié)裝置自動調節(jié)水電站內各臺發(fā)電機組的勵磁系統(tǒng)，使母

43、線電壓迅速、平穩(wěn)地回到設定值。其次，需要考慮的是系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在調節(jié)母線電壓時，必須保證水電站各運行機組的正常穩(wěn)定運行，由于在調節(jié)勵磁系統(tǒng)的時候，對發(fā)電機組的運行穩(wěn)定性影響很大，因此在對各機組進行無功調節(jié)時，要考慮各發(fā)電機組的勵磁調節(jié)范圍，以確保各機組的穩(wěn)定運行。最后，還需要考慮其他方面的因素對安全性的影響。如發(fā)電機的定子電流是否在定子發(fā)熱的允許范圍之內，發(fā)電機的轉子電流是否在轉子發(fā)熱的允許范圍之內，發(fā)電機的端電壓是否在允許范圍之內等。在經濟性方面：首先需要考慮的是無功功率的經濟分配。水電站AVC 是在 AGC 確定了開停機計劃和機組最優(yōu)負荷分配的情況下進行控制的，此時調節(jié)運行機組的勵磁電流，

44、即機組的無功功率， 就可以控制發(fā)電機到變壓器組因無功功率產生的有功損耗。水電站 AVC 要求在調整母線電壓為設定值的同時，確定廠內參與AVC 的各機組無功功率的經濟分配，通常是以廠內的功率損耗（主要是變壓器的損耗）最小原則作為優(yōu)化目標的。進行廠內無功經濟分配的計算方法同樣可以采用動態(tài)規(guī)劃法或遺傳算法。其次，在無功功率調節(jié)過程中，要充分利用發(fā)電機組無功調節(jié)的能力，這樣能大大降低對無功補償設備的投資，節(jié)約電廠總的投資及運行費用。水電站進行 AVC 時，要求實時計算出每臺發(fā)電機組的最大無功功率調節(jié)能力，以便在該范圍內進行安全、穩(wěn)定的無功調節(jié)。當遇到以下情況時， AVC 應該退出運行：無功調節(jié)失靈；備

45、勵投入運行；出線故障；電氣故障；系統(tǒng)振蕩。水電站廠內經濟運行的其他程序除了AGC 、AVC之外，水電站廠內經濟運行還包括ED、 UC、CA 、 GR 等其他程序。1經濟分配程序ED前面已經講到經濟分配的方法有動態(tài)規(guī)劃法和遺傳方法等，這些算法可以通過高級語言編譯成經濟分配程序 ED， ED 程序的計算結果可以提供給 AGC 和 AVC 使用。2機組最優(yōu)組合程序UC機組最優(yōu)組合程序UC 可以在經濟分配程序ED編譯的過程中一起編譯。UC程序的計算結果同樣可以提供給AGC和 AVC使用。同時水電站操作員可以根據UC的建議，進行開停機操作。3主接線連接狀態(tài)分析程序CACA 程序能按照電廠主接線各設備的工

46、作情況，如斷路器的分合狀態(tài)等，進行主接線狀態(tài)的分析，由此確定母線是否分裂并設置相應的標志。4切換機組自動選擇程序GR在發(fā)動機組出現(xiàn)故障時，GR 程序能按照“預安排”的方式來選擇穩(wěn)定措施。計算機周期性地檢測線路功率及發(fā)電功率，按照電網局規(guī)定的故障地點、故障類型與應選的穩(wěn)定措施之間的關系，預先安排各種故障的穩(wěn)定措施。當故障發(fā)生時，由繼電保護來啟動，按預先安排的穩(wěn)定措施來執(zhí)行。8.3 水電站微機調速系統(tǒng)水電站調速的主要硬件設備是水輪機調速器，它是水電站的重要控制設備，可實現(xiàn)對水輪發(fā)電機組的轉速和有功功率等參數的自動調節(jié)。當前在我國，水輪機調速器行業(yè)的技術水平迅速提高，調速器產品日漸更新，微機調速器在

47、水電站中得到廣泛應用。尤其是水電站實行計算機監(jiān)控后，更加快了微機調速器的應用與發(fā)展。在我國水輪機調速器的歷史上，經歷了機械液壓調速器、電液調速器、微機調速器等多個發(fā)展時期。 20 世紀 50 年代先后仿制生產了型、 CT40 型機調和電子管式電調； 60 年代設計制造 XT 小型、 TT 特小型機調，并在 80 年代將 XT 型改進為 YT 型，從而成為我國機調的代表性產品。 70 年代初，研制晶體管式電調，并從分離式電子元件發(fā)展到集成電路式電調。80年代初，研制了以微處理器為核心的微機調速器，并開始研制適應變參數、并聯(lián)PID 的微機調節(jié)器，其調速產品如 WT S 雙微機調速器（ Z 80 單

48、板機）、 SJ 700 系列微機調速器等。 90 年代以來，可編程控制器（ PLC）、可編程計算機控制器（ PCC）技術在水輪機調速器中得到應用，目前， PLC 型調速器已成為我國微機調速器的主導產品。 此外，還研制 STD 總線結構和多微機的水輪機調速器，并開展自適式控制、預測控制、神經網絡控制在水輪機調節(jié)系統(tǒng)中的應用研究。 目前我國每年生產水輪機調速器近 1000 臺，其中約 150 臺為大型微機調速器， 而多數為中小型微機調速器，小型調速器產品之中機調也占相當大的比重。總之，微機調速器以其功能、性能、可靠性等的優(yōu)越性，已成為發(fā)展的主流產品，這是我國水輪機調速器發(fā)展的總趨勢。微機調速器的硬

49、件微機調速器的一個顯著特點是功能齊全而硬件設備投資少。這是因為微機調速器絕大部分功能是由計算機軟件來實現(xiàn)的，不是由硬件來完成的，硬件只是為軟件功能的實現(xiàn)提供了環(huán)境基礎。由于計算機本身具有數字計算和邏輯判斷能力，致使可以在微機調速器里開發(fā)模擬調速器無法實現(xiàn)的功能，并使現(xiàn)代控制理論在微機調速器中的應用成為可能。由于微機調速器的型號很多， 以下選擇在中小型水電站中應用較有代表性的幾種進行介紹。1新一代 YDT 系列調速器（大規(guī)模集成電路型）新一代 YDT 系列調速器是改進型電液調速器，用于調節(jié)和控制中小型混流式和軸流定槳式水輪機，屬組合式調速器。它由電氣調節(jié)器、電液隨動系統(tǒng)及油壓裝置三部分組成。電氣

50、調節(jié)器采用最新大規(guī)模集成電路和高可靠性的抗干擾電源，調節(jié)方式為并聯(lián)PID ，還設有啟動開度預置撥碼開關。其電氣線路大為簡化，可靠性高，穩(wěn)定性好，參數調整迅速、準確、無過調現(xiàn)象；可按預定啟動開度快速、平滑地啟動機組， 啟動開度可任意設定；可設置兩段關閉裝置；采用大功率電液伺服閥，抗油污能力強。新一代 YDT 型調速器是在原YDT 晶體管型調速器的基礎上改進而成的。其主要特點是：采用發(fā)電機殘壓測頻方式，提高了測頻準確度；電氣部分增加了頻率微分電路，因而具有PID 調節(jié)規(guī)律。2 BYWT 調速器（步進電機PLC 型）BYWT系列調速器是步進電機PLC 微機調速器，適應于中小型混流式、貫流式和軸流式水輪發(fā)電機組的控制。 它由微機調節(jié)器、 步進隨動系統(tǒng)及油壓裝置三部分組成，結構為組合式。微機調節(jié)器采用 PLC ，可靠性高，通訊組網能力強，可實現(xiàn)對機組的自動發(fā)電控制（ AGC）。其主要特點是： BYWT 調速器采用大功率步進電機及相應配套驅動器、編碼器。以步進電機凸輪傳動機構直接控制主配壓閥，取代了易發(fā)卡的電液轉換器，大大提高了調速器運行的可靠性；人機對話工具采用數碼管或觸摸屏； BYWT 小型系列采用單泵供油系統(tǒng)，設