网络环境下的梯级水电站优化调度智能决策支持系统研究.pdf

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1、2008 年 5 月 May 2008 天,津,大,学,学,报,(,社,会,科,学,版,)JOURNAL OF TIANJIN UNIVERSITY（SOCIAL SCIENCES）第 10 卷第 3 期Vol.10 No.3 收稿日期：2007-09-30.作者简介：蔡绍宽（1955 ），男，博士研究生，教授级高级工程师.通讯作者：宋 洋，songyang_.网络环境下的梯级水电站优化调度智 能决策支持系统研究 蔡绍宽，宋 洋（天津大学建筑建筑工程学院，天津 300072）摘 要：以网络环境下构建流域梯级水电站联合优化调度智能决策系统为研究对象，将智能优化和网络通讯等技术应用于流域梯级水电站

2、的信息管理、水文预报及优化调度决策中，研制开发了较为实用的流域梯级水电站联合优化调度辅助决策系统。系统可对生成的调度方案进行合理评价和优化决策，为实现梯级水电站调度方案实施的智能化、信息化和网络化管理提供理论与技术支持。最后进行了工程实例研究。关键词：梯级水电站；优化调度系统；网络环境；智能决策支持 中图分类号：TV697.1 文献标志码：A 文章编号：1008-4339（2008）03-0215-05 随着计算机应用技术的迅猛发展和网络应用的不断扩大，信息化、网络化和全球化成为当今时代的三大特征。计算机网络技术的广泛应用，不但改变着整个水电站运行管理的体制和机制，而且也改变着水电站运行管理的

3、组织模式、管理思想、管理方法和管理手段。水电站运行管理已逐步由传统的手工作业转化为计算机管理，继而向网络化方向发展。技术架构也由单机模式向局域网环境下的客户端/服务器结构和广域网环境下的浏览器/服务器结构过渡。以梯级水电站调度决策支持系统、流域水文自动测报系统、流域用水预报系统为基础，研究网络环境下梯级水电站优化调度系统，该系统依托现代遥感技术、GIS 技术、网络信息传输技术、先进的信息获取技术，获得最新流域的各类调度相关信息。系统的建设可实现全方位、全天候、动态地以不同方式（如文本、图表等）对流域所属水电工程的运行进行动态监测，实现梯级水电站优化调度的综合管理，提高流域梯级水电站的综合效益。

4、通过调度中心的数据处理服务器，确定流域梯级水电站的实时最优调度模式，根据调度结果实施对流域梯级电站的调度管理。一、系统开发架构 系统以 Internet 作为信息基础设施架构，以信息 广泛共享为目标，以工程数据库为数据组织和处理的形式，利用网络数据库技术创建调度数据库，并建立友好用户界面以显示控制结果，配置环境如下。（1）网络环境。一般水电开发公司已经建成内部局域网并且与外部 Internet 连接，本系统最终运行在以此网络为基础的 VPN 虚拟专网上。（2）软件环境。本系统采用 ASRNET 开发，数据库采用 MS SQLServer2000。根据现有软件基础和未来软件开发运行的需要，确定系

5、统软件运行环境如下1：1）WWW 服务器，要求系统平台为 Windows 2000 Advance Server 或 Windows Server 2003，Web 服务器为 IIS5.5 以上版本 NETFramework V1.14322；2）数据库服务器要求系统平台为 Windows2000 Ad-vance Server 或 Windows Server 2003，关系数据库为MS SQLServer2000；3）客户机要 求系统平 台为Windows 2000/XP，浏览器为 IE5.5 以上版本。B/S 结构是将 Web 技术与 C/S 结构技术相结合的模式，实现了开发环境与应用环

6、境分离。它将客户端的表示层用 Web 浏览器取代。大量的业务处理放在应用服务器，应用服务器又成为 Web 服务器，作为应用层2。数据库服务器作为数据层，系统结构见图 1。1.服务器端方案设计 服务器和客户端通过 Internet 接收和发送数据。这是个请求和回应的过程。客户端发送请求，服务器 216 天 津 大 学 学 报（社会科学版）2008 年 5 月 图 1 系统结构 对请求进行处理并给出响应，返回处理结果到客户端的浏览器。服务器端页面开发技术选用 JSP，系统服务器端设计的功能包括：1）同时处理多个用户请求的能力；2）验证用户的登陆请求；3）维护、管理系统数据库；4）完成数据库查询请求

7、，构造回答的 Web 页面；5）处理客户端一般请求，返回静态 Web 页面；6）完成数据计算请求，返回计算结果；7）接受客户端上传请求，存储文件；8）接受客户端下载请求，下传文件；9）接受客户端 Excel 文档数据导入请求，存储导入数据；10）接受客户端导出数据请求，将数据导出到客户端 Excel 文档；11）接受客户端图形显示请求，显示静态图片；12）接受客户端图形绘制请求，返回动态绘制的图形结果。2.客户器端方案设计 客户端通过 Internet 连接到网络服务器，在这个过程中，Internet 的慢速性表现突出，客户端主要是供系统运行、管理的 Web 页面。考虑到系统的实用性、安全性等

8、目标，系统客户端采用瘦客户机，即一种可以不具有硬盘驱动器的计算机，它直接访问运行于网络服务器上的应用程序。因此，传送到客户端的 Web页面不能对客户端配置有任何特殊要求，只要安装最简单的浏览器，用户就能够通过 Internet 访问系统，进行各种操作。为提高客户端访问系统的速度，系统客户端的设计采用了一系列降低页面文件大小的措施：1）采用基于 Web 标准的页面布局方式，代码量比传统的布局方式节省很多，从而能大大节省带宽，提高系统访问速度；2）系统左侧设有导航菜单，参照 Windows XP 风格的模块菜单设计，既简单，又实用，远比其他设计方案节省带宽；3）系统设有统一的页面模板，绝大多数页面

9、布局、颜色搭配方案统一；4）页面设计简洁明快，能提高页面传送速度；5）客户端脚本使用ASP.NET 语言，扩大页面兼容性；6）绝大多数超链接元素和表格元素都由 CSS 和 DHTML 产生，从而降低了页面的数据含量；7）尽可能少地采用图片元素，以保证页面的下载速度；8）选用标准的页面颜色和字体，以满足瘦客户机最低限度的支持能力。二、系统数据库 B/S 模式的三层逻辑结构的其中一层就是数据库服务层。梯级电站水库优化调度系统涉及数据多，数据量大，对数据的读取和存储贯穿调度的始终。因此，数据库系统的好坏直接关系到调度系统的性能是否稳定以及效率的高低。用 ASP.NET 开发的系统，大都采用 SQL

10、SERVER 2000 数据库管理系统。SQL SERVER 2000 是由 Microsoft 开发和推广的关系型数据库管理系统。它是基于客户端/服务器模式的数据库系统，图形化界面使用户能够更加快捷方便地对数据库进行管理，同时提供了丰富的编程接口，为程序的开发提供了更多的便利3。SQL SERVER 2000 以其性能高、稳定性好、便于管理和易于开发等优势，受到众多开发人员的青睐，已成为目前被广泛应用的数据库管理系统之一。SQL SERVER 2000 既可对 Web 应用支持，也可对数据存储支持。SQL SERVER 2000 对 Web 应用的支持主要表现在对 XML 的支持，对数据 W

11、eb 访问的支持，对分布式分区视图的支持，对 Web 和应用程序宿主的支持，安全性的支持以及 NET Enterprise Server Microsoft BizTalk 和 Microsoft Commerce Server 的集成。SQL SERVER 2000 对数据仓储的支持主要表现在可伸缩性、数据转换服务、索引视图、数据挖掘、综合性分析服务、联机分析处理、OLAP 灵活性、支持Web 的分析和原数据服务等。ASP.NET 作为 Web 应用程序的开发工具，可以用来开发前台应用程序界面，但是对后台数据库的操作就有些力不从心，而 ADO.NET 则是专门针对数据库进行操作，而且专门为

12、SQL SERVER 数据库定义了一系列的操作规范以及操作函数、方法、对象。由于其具有各自的特点，因此在应用程序的创建过程中，将它们结合在一起，可以使系统得到完美的结合，充分发挥各自的优点。当一个 Web 客户端请求一个 ASP.NET 页面时，如果需要访问 SQL SERVER 数据库，ActiveX 脚本实例化一个 ADO.NET Connection 和Recordset 对象，然后向SQL SERVER发出数据访问请求，当 SQL SERVER 处理完请求后，它将结果返回给ASP.NET 脚本中的 ADO.NET对象，然后 IIS 将 ASP.NET 的输出转换为 HTML 的形式，并

13、返回给客 第 10 卷第 3 期 蔡绍宽等：网络环境下的梯级水电站优化调度智能决策支持系统研究 217 户端。梯级水电站优化调度智能决策支持系统数据库由如下四部分组成。1.数据库 逻辑上可以将数据库分为气象资料数据库、水文资料数据库、社会经济数据库、电站状况数据库、水工建筑物数据库、地理数据库等。另外还有水务管理数据库，包括：1）水情、雨情旬、月、年统计表；2）雨量、水位、流量的自动整理；3）发电用水；4）实时入库流量；5）月、旬、日报表、瞬时报表；6）雨情资料统计。2.模型库 模型库子系统是与梯级水电站联合优化调度决策有关的各种模型的集合，包括水文预报模型、降雨径流预报模型、长短期梯级水电站

14、联合优化调度模型、水力计算模型、调度方案评估模型等等。3.方法库管理系统及方法库 方法库主要包括人工神经网络算法、遗传算法、随机动态规划算法、图形仿真算法、概率统计算法等。通过使用不同算法使一个模型形成不同的求解路径，不仅能满足不同情况的要求，还能比较用不同方法求解同一问题的优劣。4.知识库 知识库是管理系统和决策支持系统的核心组成部分。首先由数据库提供原始数据，然后根据所决策问题的特点，利用知识发现方法对数据进行精简、预处理，得到比较可靠的、适用于所决策问题的新的数据。再从精简后的数据中挖掘出新的、有效的新知识加入到知识库中（另外还应进行知识的一致性和完整性验证）。这样可以大大提高水电站的运

15、行效能以及为决策提供的数据信息的准确性。本文采用专家系统与神经网络独立推理的并行结构4。系统主要由专家系统进行推理，只是在专家系统没有足够的规则对所提出的问题进行推理的时候，或者获取的调度信息不足以启动专家系统进行推理的情况下，专家系统将问题与当前的状态信息提交给神经网络，由神经网络进行推理。专家系统推理机在知识库完整、获取调度信息足以支持推理的情况下，由专家系统进行推理。在神经网络推理完成时，每次的推理结构都将被记录下来作为专家系统规则自动学习的样本。三、系统的功能与实现 基于 B/S 模式的梯级水电站优化调度系统的开发，融入了 ASP.NET 技术、DLL 技术、WEB SERVICE技术

16、、GDI+技术、OWC 技术等5。其中，ASP.NET 技术主要用于用户界面层的开发，DLL 技术用于开发各个优化调度模块、WEB SERVICE 技术用于系统集成、GDI+技术和 OWC 技术主要用于开发显示给用户的图形、图表，数据库技术对数据的存储和读取起到关键作用，贯穿优化调度的始终。系统开发采用面向对象的开发方法，在面向对象的开发过程中，系统被看成是由对象组成的，对象是一个独立的实体。系统的运行是通过对象之间互相发送消息来执行的。系统的开发需要经过以下几步：1）制定行动计划；2）系统分析；3）反复进行系统设计；4）系统 实施。系统分析的基本方法为 ROMC 法6，它是一种基于分解决策过

17、程基本活动的方法，是决策者进行表达（R），操作（O），存储（M）和控制（C）的方法。系统主要有以下功能。（1）长期水文预报模块：以建立的流域长期水文预报模型对来年的各水电站各月径流量进行预报。（2）水情测报与管理模块：水情测报系统的基本组成和工作原理如图 2 所示。测报内容包括：水库水位，出、入库流量，发电流量，泄洪流量，雨量站实测数据，水文站的流量、流速、水位，闸门远行状态及开度，机组出力和全厂总出力等长期优化调度模块，以梯级电站年发电量最大为目标进行的优化调度。（3）水务管理模块包括：1）电站所属水系、水情站网分布图表；2）电站的系统图；3）水、雨情旬、月、年统计表；4）雨量、水位、流量的

18、自动整理；5）发电用水计算，水量平衡计算7；6）适时入库流量计算；7）月、旬、日报表、瞬时报表计算；8）雨情资料统计。（4）长期优化调度模块：基于长期水文预报结果，以梯级水电站全年的总发电量最大为目标进行梯级水电站优化调度。（5）短期优化调度模块包括：1）日优化调度模块，基于短期水情测报结果，以梯级电站一天的发电量最大为目标的优化调度；2）厂内经济运行模块，梯级电站每天在电网给定负荷下的最优负荷分配，使得梯级电站各机组运行平稳、高效，并使首级水库放水最小以及三级水库弃水最小；3）实时优化调度模块，根据当前时段的径流，考虑后续一个小时的区间来流情况下各机组的负荷分配，使得水库处在高水头发电、提高

19、水能利用率和机组的运行效率，并充分利用区间径流，减少首级电站的放水。218 天 津 大 学 学 报（社会科学版）2008 年 5 月 图 2 水情测报系统的基本组成和工作原理 （6）数据管理模块：把区间径流、调度方案存入数据库，以备查用；把优化调度的成果以数据表及图形方式显示给用户，形象生动，便于分析。（7）信息查询模块：根据查询条件对水库调度的相关信息进行查询。（8）综合数据报表模块：用于统计报表制作及数据填报的综合数据报表系统，提供了高效的 Web 报表设计方案、强大的报表展现能力、灵活的部署机制，并且具备强大的填报功能，为企业级统计分析提供了高性能、高效率的报表系统解决方案。（9）优化调

20、度智能决策支持：系统根据水库调度规则模型、调度专家经验以及人机交互系统等，建立数字化的调度模拟平台和优化调度决策支持平台，实现优化调度的智能化辅助决策。在梯级电站的调度运行过程中不断地更新系统中的调度规则及专家经验，使之不断完善并能适应系统环境变化。四、工程实例 以一台电脑作为服务器，其余联网电脑作为客户机。将开发好的系统移植到服务器上，客户机通过 IE（Internet Explorer）可直接访问，完成各种操作，包括数据录入、优化调度、数据存储、数据查询、图形显示等操作。打开浏览器，在地址栏输入服务器网址，点击“转到”即出现系统登录主页见图 3。以此优化调度决策为例，假定各水电站来水已通过

21、径流预报模型计算得到，根据系统运行机理，首先确定初始状态，包括水库水位、库容、流量等，然后需要选择放水策略。由于放水量具有多种选择，根据专家系统推理规则，借助知识库中的知识以及数据库的数据信息，进行优化决策。（1）主控程序目标请求：要求从放水量选择域U=q1，q2，qm中推荐满足当前调度决策的最优 事件。（2）决策系统主控程序调用专家系统进行推理决策。数据库=来水预测，当前水位，机组数据，市场电价，状态变量，决策变量，知识库以启发式规则表示。RULE1：IF 给定初始放水，THEN 以步长 q 进行探索性移动，得到策略 2；RULE2：IF 满足放水量控制目标范围，THEN 做模式移动 q2=

22、2q1q0；RULE3：IF 不满足放水量控制目标范围，THEN修正 q=q/2；RULE4：IF 得到状态策略 2，THEN 从 q2出发以步长 q 做模式移动 q3=2q2q1；RULE5：IF 满足放水量控制目标范围，THEN 做模式移动 q4=2q3q2；RULE6：IF 放水量小于某给定值，即效益趋于稳定，THEN 确定最优策略；RULE7：IF 没有找到目标解，THEN 返回主控程序（系统间歇，刷新状态，改变运行方式，）；假定推断结果事件 qi（i=1，2，m）为优化结果，则事件 qi决策事件，推荐为放水量。（3）按 qi进行放水，改变各水库的状态信息，刷新数据库，同时，决策支持系

23、统进入下一运行状态。（4）当决策支持系统完成一次循环活动后，决策系统主控制程序发出第 i（i=1，2，m）个目标推断请求：选择域 U=q1，q2，qm，重复（2）、（3）直至 i=m 终止计算决策。调度系统输出界面如图 46 所示。图 3 优化调度系统登录主界面 第 10 卷第 3 期 蔡绍宽等：网络环境下的梯级水电站优化调度智能决策支持系统研究 219 图 4 机组负荷任务输入 图 5 负荷图实时生成输出 图 6 实时优化调度成果查询 五、结 语 本文对以网络技术、流域水文自动测报系统、流 域用水预报系统为基础，研究网络环境下梯级水电站优化调度系统，该系统依托网络信息传输技术、先进的信息获取

24、技术，系统的建设可实现全方位、全天候、动态地以不同方式（如文本、图片等）对流域水电工程的调度方案进行实时优选，实现梯级水电站优化调度的综合管理，提高其综合效益。参考文献：1 Deitel H M，Deitel P J，Waldt B D,et al.Web 服务实用技术教程M励志，译.北京：机械工业出版社，2004.2 黄美莹，郑纬民.基于 BS 模式和 JSP 技术的网络流量动态监控系统J计算机工程与应用，2002（1）：144-146.3 Otey M，Conte P.SQL Server 2000 开发指南M陈恩义，吴 强，刘鸿波，译.北京：清华大学出版社，2002.4 陶文源，卢衍桐.

25、专家系统与人工神经网络在决策支持系统的集成J计算机仿真，1998（3）：35-38.5 涂扬举，马光文，刘治理.基于三层 B/S 结构的水电站中长期优化调度系统J水力发电学报，2006，25（2）：90-93.6 张光科，邱桢耀.基于 Web Service 的水电站优化调度决策支持系统J水利水电技术，2005，36（7）：120-122.7 Paravan D.Improvements to the water management of a run-of-river HPP reservoir：Methodology and case study JControl Engineering

26、Practice，2004（12）：377-385.Automatic Management System for Optimal Operation of Cascaded Hydropower Plants in Network Environment CAI Shao-kuan，SONG Yang（School of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China）Abstract：In order to establish a united optimal operation aided decision system

27、 with web-based method for a basin cascade plants,the technologies of intelligent optimization and network information are applied to such aspects of the basin cascadehydropower plants as information management，hydrological forecasting and optimal operation.The developed system can provide with rati

28、onal appraisal to the generated operation schemes and make optimal decision.It offers theoretical foundation and technical supports management for the operation scheme of the basin cascade hydropower plants，which realizes intellec-tualization，informationization and cyberization.A practical engineering analysis is made at last.Keywords：cascaded hydropower plants；optimal operation system；network environment；intelligent decision-making support