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，及時準確地獲取流域和其他相關系統(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)權關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)技術應用軟件，首要關鍵是要選擇合適的體系架構，本系統(tǒng)選擇了目前開發(fā)大型應用軟件的主流技術作為開發(fā)工具平臺，采用客戶/瀏覽器（C/S結(jié)構）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，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?？蔀閷嶋H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，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平臺。