基于調控一體化的大型梯級水電智能調度機器人設計

田祚堡，王代春，鄒澤華，郭人維

(1.三峽水利樞紐梯級調度通信中心成都調控部，四川 成都 610094；2.三峽水利樞紐梯級調度通信中心成都調控中心，四川 成都 610094)

0 引言

當前水電站中各類運行設備規(guī)模逐漸擴大，對水電站進行合理的調度和控制，能夠保障水電站運行的安全性和穩(wěn)定性[1]。相關領域研究人員嘗試引入更加現(xiàn)代化的人工智能技術，實現(xiàn)對水電站的智能調控[2]。但現(xiàn)有水電站調控技術在實際應用中會出現(xiàn)調度精度低、調度指令下達不及時、調度質量差等問題，嚴重影響水電站的正常運行[3]。調控一體化最主要的目的是實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)傳輸和對數(shù)據(jù)的管理。因此，本文基于調控一體化，設計了大型梯級水電智能調度機器人。

1 大型梯級水電智能調度機器人設計

1.1 智能調度機器人調控一體化總體框架結構設計

結合水電站在運行過程中的智能調度需要，將調度機器人的結構劃分為兩部分，第一部分實現(xiàn)實時監(jiān)視控制功能，第二部分實現(xiàn)安全運行控制功能[4]。根據(jù)上述兩種功能的一體化設計需要，構建如圖1所示的智能調度機器人調控一體化總體框架結構。

圖1 智能調度機器人調控一體化總體框架結構

在實現(xiàn)圖1中所示功能時，機器人需要實現(xiàn)對水電站運行狀況的實時分析和感知，并輔助水電站調控人員實現(xiàn)各項任務的調度[5]。實時監(jiān)控控制位于安全分區(qū)的生產控制范圍內，接收來自上級調度中心下達的指令和要求，并由機器人向下級各個設備運行管控進行傳遞[6]。同時，將其與安全運行實現(xiàn)聯(lián)合控制能夠充分體現(xiàn)調度機器人的調控一體化特征。

1.2 導入梯級水電站群優(yōu)化調度算法

將梯級水電站群優(yōu)化調度控制看作對負荷的優(yōu)化分配，通過梯級發(fā)電計劃進行優(yōu)化制定，并對水電站內部負荷進行優(yōu)化配置。采取多樣的決策和控制目標能夠使調度具備更高的合理性。同時針對不同的調度任務，對調度策略進行最優(yōu)選擇。假設在水電站運行過程中共包含X個調度任務，第一步需要先確定調度任務中各個子任務的具體數(shù)量，可按照下述公式計算得出：

(1)

公式(1)中，N表示為調度任務中的子任務數(shù)量；Sx表示為調度子任務的數(shù)位；i表示為子任務編號。第一步，根據(jù)公式(1)確定調度任務中的子任務數(shù)量，第二步，按照相應順序，在機器人的worker中完成調度資源的排序，并對相應資源進行編碼。第三步，在調度的過程中還需要在相應條件下才能夠確保調度合理，其約束條件可用公式(2)表示：

mins.t=A·o·b

(2)

公式(2)中，s表示為機器人智能調度約束條件；t表示為調度任務中的子任務數(shù)量；A表示為線性矩陣；o表示為整數(shù)變量；b表示為轉換參數(shù)。將上述算法導入機器人程序中，利用其實現(xiàn)對梯級水電站群的優(yōu)化調度。

1.3 機器人智能決策與智能監(jiān)控模塊設計

通過上述導入的調度算法，對安全事故發(fā)生原因進行推理，并給出相應的調度策略。將機器人的決策模塊劃分為兩種不同的工作模式，一種為輔助決策工作模式，一種為直接決策工作模式。針對多重故障類水電站運行事件，考慮到導致事件發(fā)生原因較多，因此需要采用第一種輔助決策工作模式，結合時空序列信息，通過計算和分析的方式實現(xiàn)其策略處置。針對水電站在日常運行中常出現(xiàn)的問題或只能由于單一因素影響而造成的事件，可采用第二種直接決策工作模式，自動給出解決策略。

在智能調度機器人的智能監(jiān)控模塊中，引入信息過濾、大數(shù)據(jù)分析以及信息整合技術，對來自多個數(shù)據(jù)源的結構數(shù)據(jù)進行交互融合，提取關鍵信息，實現(xiàn)對水電站運行狀態(tài)的感知。在這一模塊中，調度智能機器人需要完成對數(shù)據(jù)的獲取、分析以及處理，針對具體事件進行動態(tài)感知，最后結合上述決策模塊生成相應的解決策略。

1.4 機器人調度執(zhí)行模塊與終端展示設計

針對智能調度機器人的調度執(zhí)行模塊和重點展示進行設計。利用這一模塊對水電站運行狀況、設備運行數(shù)據(jù)、報警信息等內容以直觀立體的形式進行多維度展現(xiàn)，全景式解析展示。在結合信息傳輸、三維立體模型展示等技術后，確保調度機器人具備對調度過程及具體執(zhí)行情況的可視化展示功能。針對部分簡單的操作對機器人進行自動操作設置，在沒有調度中心發(fā)送操作指令的情況下，機器人可以自主完成簡單的或重復性的工作任務，以此減輕調度中心的調度負擔，實現(xiàn)水電調度的自動化和智能化。

2 對比實驗

為驗證調度機器人是否能夠實現(xiàn)電子化的指令執(zhí)行操作，并確保實驗結果具有可對比性，選擇將本文設計的調度機器人作為實驗組，將基于遺傳算法的調度機器人作為對照組，對比兩組機器人的實際運行情況。選擇將調度機器人下達調度指令時的質量作為評價指標，質量越高，機器人在執(zhí)行調度指令時越能夠達到理想效果。針對機器人下達調度指令時的質量可通過誤擾率和占線率以及信道阻塞時長實現(xiàn)量化評價。誤擾率、占線率與信道阻塞時長與接收和發(fā)送指令時的質量均成反比例關系，誤擾率、占線率與信道阻塞時長數(shù)值越小，則質量越優(yōu)。在記錄各個指令的誤擾率、占線率與信道阻塞時長時，可按照下述公式計算得出，其中誤擾率的計算公式為：

χ=e/K×100

(3)

公式(3)中，χ表示為實驗組或對照組機器人在下達調度指令過程中產生的誤擾率；e表示為調度指令在傳輸過程中的誤碼；K表示為調度指令在傳輸過程中的總碼數(shù)。通過誤碼率的公式計算，得出的結果可以實現(xiàn)對規(guī)定時間內調度指令數(shù)據(jù)傳輸?shù)木_性。占線率的計算公式為：

S=r/b×100

(4)

公式(4)中，S表示為實驗組或對照組機器人在下達調度指令過程中產生的占線率；r表示為調度指令下達時出現(xiàn)站線情況的次數(shù)；b表示為共下達調度指令的次數(shù)。信道阻塞時長可利用機器人內部自帶的時鐘芯片進行測定?？紤]到實驗的客觀性，在實驗組機器人和對照組機器人中各添加一個M48T08-150PC1型號的時鐘芯片。該型號時鐘芯片RTC總線接口為Parallel。根據(jù)上述實驗準備，將計算得出的誤擾率、占線率和通過M48T08-150PC1 型號時鐘芯片測定得出的信道阻塞時長數(shù)據(jù)進行記錄，并將結果繪制成表格(見表1)。

表1 實驗組與對照組機器人調度指令接收發(fā)送質量

根據(jù)表1中記錄的實驗數(shù)據(jù)可以看出，實驗組機器人在3次調度指令的下達時，其誤擾率、占線率和信道阻塞時長的數(shù)值均明顯小于對照組機器人。在實驗過程中，實驗組機器人下達調度指令時其占線率均為0，說明不存在占線情況，而對照組機器人由于其指令傳輸通道有限，指令中數(shù)據(jù)過多或同時下達多條指令時極易出現(xiàn)占線情況。實驗組機器人導入了梯級水電站群優(yōu)化調度算法，在這一算法的應用下實現(xiàn)了對調度指令的規(guī)律性傳遞，且指令傳輸通道更多，因此不會出現(xiàn)占線問題。從誤擾率角度分析，實驗組機器人的誤擾率均控制在5.0%以下，產生的誤碼對于調度指令下達結果不會造成影響。實驗組機器人的誤擾率超過5.0%，在第3次下達調度指令時，其誤擾率超過了20.0%，下達指令當中的誤碼會嚴重影響最終調度結果。

由此可以看出，實驗組機器人下達調度指令的質量更高，通過上述論述可得出，實驗組調度機器人對水電智能調度效果更理想。

3 結語

為促進水電站向著更智能化的方向發(fā)展，本文將調控一體化作為設計目標，設計了一種全新的水電智能調度機器人，通過對比實驗的方式也進一步驗證了這一機器人的實際應用優(yōu)勢。未來水電站的調度場景還將更加豐富，需要進行調度控制的設備還會逐漸增加，因此，為了確保本文設計的機器人能夠在未來水電站中實現(xiàn)更強適應性的應用，還將從調度效率、調度精度等方面對機器人進行優(yōu)化設計，從而促進水電站整體運行質量的提升。