張 金 華1,曾 凡 林,舒 凱1,王 偉

(1.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司/南瑞集團有限公司，江蘇 南京 211003； 2.漢江水利水電(集團)有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430048)

1 研究背景

漢江梯級水庫是以丹江口水庫為核心的水利樞紐，包含了分布于漢江干流和支流堵河上的丹江、王甫洲、潘口、小漩、孤山(在建)等多座水電站，共同組成梯級水庫(水電站)群。其中，丹江口水利樞紐是治理開發(fā)漢江的關(guān)鍵性工程，也是南水北調(diào)中線水源工程[1]，以防洪、供水為主，同時還有發(fā)電、航運、生態(tài)等綜合利用要求。漢江梯級水庫在保障供水、漢江流域防洪及改善湖北電網(wǎng)的能源結(jié)構(gòu)方面發(fā)揮了不可替代的重要作用[2]。

漢江梯級水調(diào)系統(tǒng)承擔(dān)了包括水雨情信息采集、計算處理、信息展示、業(yè)務(wù)報送、水文預(yù)報、調(diào)度計劃編制和業(yè)務(wù)管理等與水庫調(diào)度運行相關(guān)的工作，是實現(xiàn)梯級水庫自動化管理和精細化調(diào)度的技術(shù)支撐。水庫調(diào)度系統(tǒng)與包括氣象部門、水文部門、防汛部門、湖北電網(wǎng)、各個電站在內(nèi)的多個單位的相關(guān)系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換，是一個融合了計算機、網(wǎng)絡(luò)通信、自動化、水文水資源等多個專業(yè)領(lǐng)域技術(shù)的綜合自動化系統(tǒng)。為了滿足業(yè)務(wù)應(yīng)用需要，前期漢江集團采取自主研發(fā)、與廠商部分合作等多種方式分期分批開發(fā)了多套水調(diào)軟件，這些軟件在一定時期內(nèi)為提升水庫調(diào)度自動化水平和提升水庫調(diào)度決策效率發(fā)揮了積極作用。但是，由于參與建設(shè)廠家眾多，存在功能缺少統(tǒng)一規(guī)劃、功能覆蓋面不夠、功能集成度不高、部分關(guān)鍵數(shù)據(jù)來源復(fù)雜且不統(tǒng)一等諸多不足[3]。

近年來，水庫調(diào)度系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展總體上呈現(xiàn)出如下趨勢及特點。

(1) 系統(tǒng)功能集成度得到了穩(wěn)步提升,比如長江防洪決策支持系統(tǒng)、鰲江流域洪水預(yù)報調(diào)度決策支持系統(tǒng)、三峽梯級水庫調(diào)度系統(tǒng)[4-6]；

(2) 改造設(shè)計及平滑過渡方案日漸完善，比如柘林水調(diào)系統(tǒng)、豐滿水調(diào)系統(tǒng)[7-9]；

(3) 系統(tǒng)軟件架構(gòu)由單純的C/S轉(zhuǎn)向B/S和C/S混合架構(gòu)，同時支持跨平臺[10-12]；

(4) 以智能化為導(dǎo)向的智能水電廠相關(guān)技術(shù)由概念逐步走向成熟應(yīng)用[13-15]；

(5) 基于系統(tǒng)平臺上的水庫調(diào)度專業(yè)應(yīng)用得到持續(xù)深化[16]；

(6) 以云平臺和大數(shù)據(jù)為代表的IT新技術(shù)逐步被引入到水庫調(diào)度系統(tǒng)應(yīng)用中[17]；

(7) 對網(wǎng)絡(luò)信息安全的重視程度大幅提高[18-19],并對水利信息化發(fā)展水平形成了完整的評價指標體系[20]。

打造農(nóng)產(chǎn)品物流平臺。在天津食品集團的大力扶持下，搭建實體貿(mào)易鏈和網(wǎng)上貿(mào)易平臺。建設(shè)總庫容為4萬噸的平房倉庫，發(fā)展大宗農(nóng)產(chǎn)品物流。將集團和國內(nèi)的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品打入保加利亞及歐洲國家，將保加利亞及歐洲特色農(nóng)產(chǎn)品引入中國，依托京津冀協(xié)同發(fā)展的廣闊市場，積極發(fā)展中保雙邊貿(mào)易。

鑒于漢江梯級水庫調(diào)度系統(tǒng)在長期運行中，暴露出穩(wěn)定性和可靠性不足、系統(tǒng)運行維護難度日益增大等缺陷，已不能滿足水利部提出的“水利工程補短板、水利行業(yè)強監(jiān)管”的要求；同時，考慮到水庫調(diào)度系統(tǒng)在水庫調(diào)度工作中的重要性，因此有必要在新的技術(shù)條件下對漢江梯級水庫原水庫調(diào)度系統(tǒng)進行設(shè)計及改造。

2 系統(tǒng)設(shè)計

漢江梯級水庫水庫調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)是一個復(fù)雜的信息化項目，具有接入數(shù)據(jù)類型差異大、接口方式復(fù)雜、外部聯(lián)系多、功能涵蓋面廣、可靠性要求高等特點。系統(tǒng)建成后，將為漢江集團水庫調(diào)度工作精細化管理與科學(xué)調(diào)度決策提供必不可少的技術(shù)支撐和平臺保障。

2.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

計算機設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)是水庫調(diào)度系統(tǒng)的物理基礎(chǔ)，根據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用需求，漢江梯級水庫水庫調(diào)度系統(tǒng)基于私有云平臺架構(gòu)，分為丹江口主中心和武漢備中心，在兩地分別部署了一套超融合一體機。根據(jù)業(yè)務(wù)的需求虛化出多臺應(yīng)用服務(wù)器，成為承載水庫調(diào)度系統(tǒng)業(yè)務(wù)運行的主體，丹江口和武漢之間通過光纖進行銜接，系統(tǒng)安全防護所需的防火墻和安全隔離裝置部署于區(qū)域邊界，工作站區(qū)域劃分了獨立的VLAN，與丹江口和武漢相應(yīng)服務(wù)器區(qū)域通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備相互可達；王甫洲和小漩集控作為現(xiàn)地數(shù)據(jù)采集節(jié)點，通過廣域網(wǎng)與丹江口主中心和武漢備中心連接。原系統(tǒng)中的王甫洲、丹江口和小漩集控為獨立的分系統(tǒng)，新系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)為實現(xiàn)業(yè)務(wù)流及系統(tǒng)功能的整合奠定了良好的基礎(chǔ)。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 數(shù)據(jù)流程

根據(jù)系統(tǒng)運行的需要及系統(tǒng)安全防護要求[21]，水庫調(diào)度系統(tǒng)需要采取不同的形式，分別采取不同的接口方式接入各種類型的水雨工情數(shù)據(jù)，最后匯總至安全III區(qū)進行各種計算處理；計算成果通過反向隔離傳輸至安全II區(qū)，最后向省調(diào)傳輸上報相應(yīng)成果。因此，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流控制需要進行雙向控制。數(shù)據(jù)流控制如圖2所示。

3 功能設(shè)計

3.1 功能架構(gòu)

根據(jù)漢江梯級水庫水庫調(diào)度業(yè)務(wù)需求，總體而言，可以將系統(tǒng)從功能架構(gòu)上分為信息采集、計算處理及后臺服務(wù)、信息展示及值班管理、外部聯(lián)系及決策支持等五大部分。各部分功能存在較強的依存關(guān)系：信息采集是系統(tǒng)運行的基礎(chǔ)，計算處理及后臺服務(wù)為水庫調(diào)度系統(tǒng)的支撐，信息展示及值班管理為業(yè)務(wù)應(yīng)用主體，外部聯(lián)系為信息發(fā)布及上報的核心，決策支持是實現(xiàn)水庫精細化調(diào)度目標的保障。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖1 水庫調(diào)度系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.1 Network structure of reservoir scheduling system

圖2 水庫調(diào)度系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程示意Fig.2 Data flow of reservoir scheduling system

圖3 系統(tǒng)功能架構(gòu)示意Fig.3 Function structure of reservoir scheduling system

3.2 信息采集

信息采集的范圍包括遙測信息采集、水情報文信息采集、電站機組及閘門信息采集、電網(wǎng)水庫調(diào)度系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)的上游水庫信息和氣象信息采集。其中，遙測信息采集的范圍包括庫周水雨情遙測站、氣象信息遙測站及水資源站，信息采集的主信道為GPRS，部分站點采用北斗作為備用信道。由于遙測站采用了不同廠家及不同批次的遙測設(shè)備，遙測站與中心站之間的通信協(xié)議均不相同，因此，為了方便管理和維護，采用了多信道多協(xié)議水雨情信息采集平臺軟件進行接入；為了提高信息采集冗余程度，在水庫調(diào)度系統(tǒng)III區(qū)從丹江和武漢同步采集進入系統(tǒng)，隨后存儲到丹江主數(shù)據(jù)庫。

水情報文信息采集包括從長江水利委員會水文局、漢江水文局、十堰水文局通過水情報文交換系統(tǒng)獲取的漢江流域內(nèi)的各個報汛雨量站、報汛水文站、報汛水庫站及河道閘站的水位、雨量及流量信息。接入的方式采取數(shù)據(jù)庫存儲過程開發(fā)的各項觸發(fā)器，進行點號轉(zhuǎn)換后進入水庫調(diào)度系統(tǒng)以完成各項計算處理。

電網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)的信息采集的范圍包括流域內(nèi)龍背灣、三里坪等在內(nèi)一些電站的庫水位、入庫等主要流量信息。這些電站與漢江沒有直接的通信通道，但是其水庫的蓄泄對漢江的水文預(yù)報及水庫調(diào)度具有比較重要的影響，通過電網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)是一種比較節(jié)省投資的接入方式。

氣象信息采集包括從國家氣象局、國家氣候中心、地方氣象局所獲取的長期氣象預(yù)報信息及短期的氣象格點降雨信息的數(shù)據(jù)。這些信息是提高水文預(yù)報精度的重要支撐數(shù)據(jù)。

3.3 計算處理及后臺服務(wù)

計算處理及后臺服務(wù)是水庫調(diào)度系統(tǒng)各項業(yè)務(wù)運行的核心，計算處理包括實時計算、時段數(shù)據(jù)整編、水量平衡計算、各項累計電量及各項累計供水量計算，計算算法根據(jù)漢江水庫調(diào)度業(yè)務(wù)需求進行設(shè)計，計算成果作為信息上報及各種界面展示的數(shù)據(jù)來源。后臺服務(wù)包括數(shù)據(jù)庫訪問中間件、短信服務(wù)、報警服務(wù)、安全隔離傳輸、進程及服務(wù)器資源管理，是水庫調(diào)度系統(tǒng)信息發(fā)布、水庫調(diào)度系統(tǒng)各項功能的后臺支撐。

3.4 信息展示及值班管理

信息展示及值班管理是水庫調(diào)度系統(tǒng)的人機界面接口，信息展示包括各項根據(jù)漢江水庫調(diào)度業(yè)務(wù)信息展示需要的圖形畫面、報表及查詢頁面，功能包括C/S客戶端、水調(diào)Web及微信小程序查詢，其中大屏展示畫面為綜合信息界面，展示包括漢江集團的供水、防洪及發(fā)電信息。值班管理是根據(jù)漢江水調(diào)值班業(yè)務(wù)應(yīng)用需求而定制開發(fā)值班、排班、數(shù)據(jù)維護、報文補傳、項目管理等功能。

3.5 外部聯(lián)系

漢江梯級水庫的水庫調(diào)度系統(tǒng)跟外部的聯(lián)系主要包括向長江委防汛系統(tǒng)報送丹江口水庫和潘口水庫的各項報文，向湖北省電力公司上傳各項電站運行數(shù)據(jù)，同時，以Web service對外提供通用第三方數(shù)據(jù)訪問接口。

3.6 決策支持

決策支持是水庫調(diào)度系統(tǒng)的高級應(yīng)用部分，包括水文預(yù)報、防洪調(diào)度、發(fā)電調(diào)度、精度評定及分析、效益考核與評估等功能，屬于水庫調(diào)度系統(tǒng)的決策分析功能，是提升水庫調(diào)度決策水平及實現(xiàn)水庫精細化調(diào)度的重要模塊。

4 系統(tǒng)設(shè)計難點

漢江水庫調(diào)度系統(tǒng)屬于復(fù)雜的大型水庫調(diào)度系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計及工程建設(shè)的難點主要體現(xiàn)在信息的接入、數(shù)據(jù)流的控制及洪水預(yù)報等幾個方面。

(1)漢江水庫調(diào)度系統(tǒng)接入的信息種類繁多，各個數(shù)據(jù)源所具備的接口技術(shù)條件參差不齊，信息接入必須因地制宜合理地采取接入技術(shù)手段，同時還需要考慮數(shù)據(jù)源短時間中斷后的恢復(fù)問題。

(2)原系統(tǒng)由于是分系統(tǒng)，分別處于不同的安全區(qū)域獨立運行，新系統(tǒng)整合后需要考慮不同接入數(shù)據(jù)源的安全防護問題，整個系統(tǒng)的接入總體分為安全Ⅱ區(qū)接入和安全Ⅲ區(qū)接入，一些關(guān)鍵的業(yè)務(wù)報送信息分別在不同的安全區(qū)域完成，因此水庫調(diào)度系統(tǒng)存在雙向的數(shù)據(jù)流，數(shù)據(jù)流的整體規(guī)劃是保障系統(tǒng)穩(wěn)定運行及方便系統(tǒng)運維的保障。

(3)漢江流域面積大、下墊面條件復(fù)雜，多年來隨著經(jīng)濟水平的發(fā)展，人類活動對天然徑流形成影響顯著，同時現(xiàn)有水情站網(wǎng)由自建遙測站和水利系統(tǒng)報汛站網(wǎng)混合組成，站網(wǎng)密度不夠且布局不能完全滿足洪水預(yù)報要求，從歷史資料整理情況來看，不同的區(qū)域具備資料條件參差不齊。

5 系統(tǒng)特色

在對漢江梯級水庫水庫調(diào)度系統(tǒng)進行調(diào)研分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合漢江的業(yè)務(wù)需求和水庫調(diào)度信息新技術(shù)的發(fā)展情況，經(jīng)過改造，系統(tǒng)的實用性、穩(wěn)定性得到了大幅提高，與前期水庫調(diào)度系統(tǒng)及國內(nèi)類似系統(tǒng)比較，形成了如下特色。

(1)實現(xiàn)了系統(tǒng)功能和數(shù)據(jù)來源的整合。水庫調(diào)度系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)源來源廣泛，包括氣象信息、水情交換系統(tǒng)、自建遙測站、水資源站、氣象站、電站機組、閘門、電量、狀態(tài)等信息的采集，解決了老系統(tǒng)功能分散及數(shù)據(jù)零散，數(shù)據(jù)種類不齊全、來源不統(tǒng)一等問題，并在信息采集更為全面的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了更精細化的水務(wù)計算，同時擴大了計算的范圍，降低了值班運行人員的勞動強度。

(2)實現(xiàn)了集成化的信息監(jiān)視功能。在信息采集到位的前提下，在重點分析漢江集團業(yè)務(wù)需求和特點的基礎(chǔ)上，合理利用技術(shù)實現(xiàn)了漢江集團供水計劃完成情況、防洪形勢、電站運行等信息的集成化的信息展示。

(3)基于業(yè)務(wù)流程的值班管理系統(tǒng)。在認真梳理漢江水庫調(diào)度信息值班業(yè)務(wù)流程的基礎(chǔ)上，展開了定制性的技術(shù)開發(fā)工作，實現(xiàn)了值班日志、排班管理、報文補錄、通信錄管理、工作檢查、個人任務(wù)管理及報文補錄等功能，大幅提高了值班運行效率和實現(xiàn)了水庫調(diào)度工作的閉環(huán)管理。

(4)實現(xiàn)了上報信息的穩(wěn)定自動傳輸。針對報汛業(yè)務(wù)的應(yīng)用需求及湖北省調(diào)數(shù)據(jù)傳輸要求進行了軟件開發(fā)，完成了條件判斷、自動補傳、數(shù)據(jù)鎖定、人工補傳等功能，實現(xiàn)了各項上報信息的高效、穩(wěn)定自動傳輸。

(5)基于氣象降雨的洪水預(yù)報。在克服漢江流域面積大、流域內(nèi)人類活動顯著、站網(wǎng)密度小、部分區(qū)域資料條件有限等諸多不利因素的基礎(chǔ)上，基于數(shù)字高程模型進行了合理的流域及單元劃分，采用三水源新安江模型及校正模型完成了洪水預(yù)報方案編制及軟件開發(fā)，并引入了國家氣象中心格點數(shù)字預(yù)報成果，有效地提高了預(yù)見期。

6 結(jié) 語

漢江梯級水庫在保障供水、流域防洪及電網(wǎng)安全方面具有舉足輕重的地位，其水庫調(diào)度系統(tǒng)是實現(xiàn)興利目標的技術(shù)基礎(chǔ)。系統(tǒng)改造設(shè)計及應(yīng)用的要點在于：基于安全架構(gòu)，合理規(guī)劃數(shù)據(jù)流、兼顧可靠性和經(jīng)濟性目標完成信息接入、集成化的業(yè)務(wù)信息展示及值班平臺、緊貼業(yè)務(wù)需求及應(yīng)用現(xiàn)狀的決策支持功能。實踐表明：系統(tǒng)改造完成并投入試運行以來，能夠安全、可靠地運行，且功能實用，其思路及架構(gòu)可為類似大型復(fù)雜梯級水庫調(diào)度系統(tǒng)的改造提供寶貴的經(jīng)驗。建議在智能計算和關(guān)聯(lián)告警方面進一步開展深入研究及其應(yīng)用工作。