楊勝儀，肖樹燦，李雨晨，張?zhí)?/p>

（1.華電福新能源股份有限公司池潭水力發(fā)電廠，福建 三明 365000；2.華電電力科學研究院有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引言

水調(diào)自動化系統(tǒng)是利用先進的計算機網(wǎng)絡及通信技術(shù)，及時準確地獲取流域和其他相關(guān)系統(tǒng)的水文、氣象和水庫運行信息，利用數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)進行水文預報、優(yōu)化調(diào)度和水庫調(diào)度管理的綜合自動化系統(tǒng)[1]。經(jīng)過多年的發(fā)展，我國大部分水電站和流域集控中心都已經(jīng)建設水情水調(diào)自動化系統(tǒng)，并且已經(jīng)成為水電站生產(chǎn)作業(yè)過程中的重要角色[2-5]。

金溪是閩江重要支流富屯溪的最大一級支流，流域?qū)僦衼啛釒ШＱ笮耘c大陸性相互影響的季風氣候，流域多年平均降雨量1 734.2 mm，全流域集水面積約7 130 km2。金溪干流經(jīng)過多年水電開發(fā)，現(xiàn)已形成了以池潭水電站為龍頭，以良淺、大言、黃潭、孔頭、范厝、高唐、謨武、貴嶺等8個徑流式電站為紐帶的水力聯(lián)系緊密的水電站群（其中池潭、良淺、大言、孔頭、范厝、高唐為華電集團所屬單位）。該電站群中池潭水電站水庫調(diào)節(jié)性能為不完全年調(diào)節(jié)，水頭較高，耗水率較小，運行削落深度較大；8個徑流式電站水庫調(diào)節(jié)性能為日調(diào)節(jié)，水頭低，耗水率較大，運行削落深度較小。

隨著華電集團金溪流域集控中心的建成，為了發(fā)揮池潭水電廠的調(diào)節(jié)作用，在確保防汛安全、生態(tài)用水的前提下，充分挖掘梯級調(diào)度潛力，提高金溪流域梯級水電廠的整體效益，迫切需要建立梯級電站水調(diào)自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)池潭水力發(fā)電廠和金湖電力有限公司6個電站的水調(diào)一體化的目標。良淺、大言、孔頭、范厝、高唐5個電站在產(chǎn)權(quán)關(guān)系上屬于金湖電力有限公司，池潭電廠和金湖公司分別建有水情測報系統(tǒng)和水調(diào)自動化系統(tǒng)，兩個公司的水情水調(diào)系統(tǒng)由于建設廠家和版本不完全相同，無法滿足擴展為集控中心水調(diào)系統(tǒng)的需求，需通過開發(fā)新一代的金溪流域集控水調(diào)自動化系統(tǒng)進行統(tǒng)一管理。

1 平臺搭建

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)設計

金溪水調(diào)自動化系統(tǒng)是涉及到大量信息處理和業(yè)務計算的專業(yè)技術(shù)應用軟件，首要關(guān)鍵是要選擇合適的體系架構(gòu)，本系統(tǒng)選擇了目前開發(fā)大型應用軟件的主流技術(shù)作為開發(fā)工具平臺，采用客戶/瀏覽器（C/S結(jié)構(gòu)）來規(guī)劃和布置系統(tǒng)的業(yè)務流程。

金溪集控水調(diào)自動化系統(tǒng)共部署6臺服務器，其中安全Ⅲ區(qū)部署1臺通信服務器、1臺WEB應用服務器，安全Ⅱ區(qū)部署1臺通信服務器、2臺數(shù)據(jù)庫服務器、1臺計算服務器，外加1臺磁盤陣列；安全Ⅱ區(qū)和安全Ⅲ區(qū)之間部署1臺正向隔離，1臺反向隔離；安全Ⅱ區(qū)和安全I區(qū)之間部署1臺防火墻。6臺服務器部署的操作系統(tǒng)為Windows Server 2016 r2版本，數(shù)據(jù)庫采用 Sql Server 2016版本。

1.2 信息流程與處理

金溪集控的水庫優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)將部署在網(wǎng)絡安全生產(chǎn)Ⅱ區(qū)，通過與池潭電廠和金湖公司的數(shù)據(jù)交互，搭建起數(shù)據(jù)通信平臺。

安全Ⅲ區(qū)通信服務器共部署數(shù)據(jù)同步程序5個，其中GetTransferData程序，用于抽取池潭電廠和金湖公司的水情及閘門狀態(tài)數(shù)據(jù)；反向隔離軟件，用于往安全Ⅱ區(qū)同步水情及閘門數(shù)據(jù)；正向隔離軟件，用于接收安全Ⅱ區(qū)同步出的水情數(shù)據(jù)；Securityserver程序，用于解析安全Ⅱ區(qū)傳出的文本文件并存庫；Securityclient程序，用于抽取數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)形成文本文件。

安全Ⅱ區(qū)通信服務器共部署數(shù)據(jù)同步程序5個，其中MPI104主站程序，用于請求接收安全Ⅰ區(qū)傳出的電力數(shù)據(jù)；反向隔離軟件，用于接收安全Ⅲ區(qū)同步的水情及閘門狀態(tài)數(shù)據(jù)；正向隔離軟件，用于向安全Ⅲ區(qū)發(fā)送水情數(shù)據(jù)；Securityserver程序，用于解析安全Ⅲ區(qū)傳入的文本文件并存庫；Securityclient程序，用于抽取數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)形成文本文件。

1.2.1 水雨情數(shù)據(jù)采集

池潭水電廠水情測站建設時間較早，現(xiàn)場設備不具備一發(fā)雙收的能力，通過中心站直接將解析后的數(shù)據(jù)送到金溪集控安全Ⅲ區(qū)通信服務器，穿過反向隔離裝置傳遞到金溪集控安全Ⅱ區(qū)通信服務器，存入安全Ⅱ區(qū)數(shù)據(jù)庫服務器。

金湖公司安全Ⅲ區(qū)設有專門的水情通信服務器，用于與外界交換水情數(shù)據(jù)，通過開通金溪集控安全Ⅲ區(qū)通信服務器與金湖公司安全Ⅲ區(qū)通信服務器2臺服務器防火墻訪問權(quán)限，從金溪集控直接高頻請求金湖公司水情數(shù)據(jù)，并穿過反向隔離裝置傳遞到金溪集控安全Ⅱ區(qū)通信服務器，存入安全Ⅱ區(qū)數(shù)據(jù)庫服務器。

1.2.2 閘門狀態(tài)數(shù)據(jù)采集

池潭水電廠的閘門控制系統(tǒng)并不與電廠公網(wǎng)連接，暫時無法接入池潭閘門狀態(tài)數(shù)據(jù)，只能通過手填方式錄入到新系統(tǒng)中。

金湖公司安全Ⅲ區(qū)水情通信服務器有閘門狀態(tài)數(shù)據(jù)，可采取水雨情數(shù)據(jù)采集的方式，一并獲取金湖公司5個電廠的實時閘門狀態(tài)數(shù)據(jù)，穿過安全Ⅲ區(qū)反向隔離傳遞到金溪集控安全Ⅱ區(qū)水調(diào)通信服務器，存入安全Ⅱ區(qū)數(shù)據(jù)庫服務器。

1.2.3 電力數(shù)據(jù)采集

由于金溪集控已經(jīng)實現(xiàn)了6個電廠的電調(diào)一體化，池潭和金湖各廠的電力數(shù)據(jù)可從金溪集控直接獲取，通過在安全Ⅱ區(qū)通信服務器與安全Ⅰ區(qū)的監(jiān)控系統(tǒng)工作站之間架設專用防火墻，采用104協(xié)議接入電力數(shù)據(jù)，請求周期為5 min，采集電力數(shù)據(jù)到安全Ⅱ區(qū)通信服務器，存入安全II區(qū)數(shù)據(jù)庫服務器。

圖1 金溪流域集控水調(diào)自動化系統(tǒng)網(wǎng)絡架構(gòu)圖

2 系統(tǒng)功能建設

2.1 實時監(jiān)視

實時監(jiān)視是對金溪流域各廠的水情、電力、閘門狀態(tài)等數(shù)據(jù)的實時監(jiān)視，其中雨量、水位和負荷數(shù)據(jù)采用實時數(shù)據(jù)，平均入庫流量、出庫流量、發(fā)電流量、泄洪流量等數(shù)據(jù)采用5 min水務計算結(jié)果數(shù)據(jù)，通過柱狀圖、水位過程線、綜合運行圖展示。

2.2 水務計算

2.2.1 水務計算

水務計算是水調(diào)系統(tǒng)的基本功能之一，以水量平衡為基礎(chǔ)，根據(jù)實時采集的雨量、水位、機組運行數(shù)據(jù)、閘門狀態(tài)數(shù)據(jù)等計算5 min、小時、日、旬、月等時間尺度的水務數(shù)據(jù)相關(guān)指標，并通過報表對流域水情、水庫調(diào)度、機組運行等情況作綜合展示。

2.2.2 自定義報表

水務計算中的一項重要應用是自定義報表功能，要滿足定制化、水務數(shù)據(jù)任意組合的要求，調(diào)度人員依據(jù)具體需求，在設計模式下利用類Excel功能設計報表模板，添加數(shù)據(jù)源。Luckysheet是一款純前端類似Excel的在線表格，功能強大、配置簡單、完全開源，自定義報表基于Luckysheet開發(fā)，實現(xiàn)了高效率的自定義報表編制。

2.3 徑流預報

2.3.1 長期徑流預報

長期徑流預報以旬、月為預報時段，多月或者年為預報周期，綜合考慮長期徑流預測精度要求等多種因素，采用一種較為成熟，已經(jīng)被廣泛應用的數(shù)理統(tǒng)計模型，即平穩(wěn)時間序列外推法模型，根據(jù)各水庫區(qū)間流量還原計算結(jié)果存在極值及連續(xù)負值問題，難以采用常見的滑動平均或最小二乘法進行處理，故需要對極端數(shù)據(jù)進行處理，在未延長數(shù)據(jù)序列和延長數(shù)據(jù)序列兩種情景下分別測試模型性能，結(jié)果表明，延長數(shù)據(jù)序列后，各月模型性能均有所提高，可為實際徑流預報工作提供重要參考。

2.3.2 中期徑流預報

中期徑流預報以日為預報時段，多日為預報周期，由于歷史徑流資料系列較長且考慮以往常規(guī)方式效果不佳，采用降雨-徑流時間序列相似性分析進行中期徑流預報?；谛甭示嚯x度量時間序列相似性，物理意義明確，符合人的直覺且計算量較小，因此，采用斜率距離研究降雨-徑流序列相似性。模型開發(fā)過程中考慮并測試了降雨和徑流不同序列不同權(quán)重不同賦值對時間序列相似性的影響。同時結(jié)合實例分析了相似性計算結(jié)果。可為實際制定中期預報方案，提供重要參考。

2.3.3 短期徑流預報

短期徑流預報以1 h為預報時段，滾動預報下游各區(qū)間至次日24：00的洪水總量、洪峰、峰現(xiàn)時間、入庫洪水過程等。綜合考慮現(xiàn)有各水文模型的特點及適用性，選擇新安江模型開展洪水預報模型研究，通過對原有洪水資料進行還原計算及部分校正，得到區(qū)間洪水資料?；诹饔蛲怂€擬合研究成果開展基流分割，以此為基礎(chǔ)，研究流域梯級各區(qū)間新安江模型參數(shù)率定并應用于預報過程。

2.4 發(fā)電調(diào)度

2.4.1 中長期發(fā)電調(diào)度

中長期發(fā)電調(diào)度以年、月為周期，月、旬、日為時段，提供梯級發(fā)電量最大和最小出力最大兩個目標的模型，求解算法采用動態(tài)規(guī)劃變形算法（POA結(jié)合DDDP算法）。通過設置調(diào)度周期、調(diào)度時段、參與調(diào)度計算電站、各電站逐時段來水過程和中長期發(fā)電調(diào)度約束，求解模型生成各電站中長期發(fā)電調(diào)度過程。中長期調(diào)度模式下，下游日調(diào)節(jié)電站一般固定水位運行。

2.4.2 短期發(fā)電調(diào)度

池潭水電站是金溪流域的龍頭電站，也是唯一一座不完全年調(diào)節(jié)水電站，主要任務是承擔電網(wǎng)的調(diào)峰調(diào)頻任務，下游5座電站全部都是日調(diào)節(jié)，主要任務是在高效區(qū)發(fā)電，盡量少棄水?？紤]到不同電站由于發(fā)電水頭、機組類型以及裝機容量均不同，相同棄水量情況下代表的棄水電量也存在不同，因此采用調(diào)峰為目標進行短期優(yōu)化調(diào)度，針對不同來水情況，可以選擇汛期模型、枯水期模型和平水期模型，這些模型的區(qū)別在于調(diào)峰幅度和棄水量不同。

2.4.3 實時發(fā)電調(diào)度

結(jié)合金溪流域梯級電站群最新預報來水以及當前時刻水位，考慮水位、流量、出力等約束條件，利用以電定水算法校正短期發(fā)電計劃，可滿足實時調(diào)度需求，主要有后臺滾動校正和前臺人工調(diào)整兩種模式。

2.4.4 梯級防洪調(diào)度

梯級防洪調(diào)度采用末水位控制模型和削峰模型兩種模型，其中削峰模型能夠減小洪峰流量和展平洪水過程，起到較好的滯洪效果，緩解下游的防洪壓力，該模型主要應用于來水預報不是很準確的場景，將上庫水位維持在水庫上限以內(nèi)的較高位置，以抬高發(fā)電水頭，避免過渡下泄導致水位下降過低影響發(fā)電水頭；末水位控制模型能夠很好地控制水庫水位達到期末水位，且方便閘門控制，該模型主要應用于來水預報比較準確的場景，如果入庫流量預報不準確，龍頭電站前期過渡下泄可能導致下游電站防洪壓力增加，且后期水位過低影響發(fā)電水頭。

3 結(jié)語

水情水調(diào)自動化系統(tǒng)建設的過程中涵蓋的內(nèi)容較多，而且具有較為復雜的網(wǎng)絡構(gòu)造，因此需要使用有效、科學的設計方案，確保系統(tǒng)運行的穩(wěn)定狀態(tài)。通過對金溪流域集控水情水調(diào)自動化系統(tǒng)的建設，實現(xiàn)了流域梯級電站水調(diào)一體化的目標，同時實現(xiàn)了不同時間尺度的預報、發(fā)電計劃制作等高級應用，為水情水調(diào)工作打下了堅實的基礎(chǔ)平臺。