黃梓穎

（廣東粵電新豐江發(fā)電有限責(zé)任公司,廣東 河源 517021）

1 工程概述

新豐江水庫(kù)水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)功能涵蓋了從系統(tǒng)管理、信息監(jiān)視到?jīng)Q策支持方面的功能,利用網(wǎng)絡(luò)連接,采用統(tǒng)一集中一個(gè)服務(wù)器。是一個(gè)集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與處理、水務(wù)計(jì)算與管理、水文資料整編、水庫(kù)水文預(yù)報(bào)、水庫(kù)防洪調(diào)度、水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度、防汛業(yè)務(wù)管理等功能于一體的專用自動(dòng)化系統(tǒng)。系統(tǒng)自動(dòng)獲取水庫(kù)運(yùn)行和流域水情信息,在線進(jìn)行水務(wù)計(jì)算、水文預(yù)報(bào)和水庫(kù)調(diào)度綜合管理。依據(jù)相關(guān)數(shù)學(xué)模型和大型數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行計(jì)算和處理,迅速提供防洪調(diào)度和發(fā)電調(diào)度決策方案,實(shí)現(xiàn)水庫(kù)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度[1-2]。

水電廠群防汛調(diào)度決策支持系統(tǒng)局域網(wǎng)絡(luò)采用安全高效的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),分成水調(diào)內(nèi)網(wǎng)和水調(diào)外網(wǎng)兩個(gè)部分,與位于本地具有同級(jí)關(guān)系的機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)、電能量計(jì)量系統(tǒng)、水雨情測(cè)報(bào)系統(tǒng)等進(jìn)行信息交換。水情內(nèi)外網(wǎng)之間配置一臺(tái)正向安全隔離設(shè)備,一臺(tái)反向安全隔離設(shè)備,通過集團(tuán)管理信息網(wǎng)與集團(tuán)水調(diào)系統(tǒng)連接,實(shí)現(xiàn)電站水調(diào)信息上傳和接收等功能。水情實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)由內(nèi)向外通過正向安全隔離設(shè)備從二區(qū)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器傳送到三區(qū)通信服務(wù)器再傳向集團(tuán)數(shù)據(jù)庫(kù)和服務(wù)器,集團(tuán)下發(fā)的計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)通過反向安全隔離設(shè)備由外向內(nèi)從三區(qū)服務(wù)器傳送到二區(qū)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。具體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖見圖1。

2 系統(tǒng)功能

2.1 基礎(chǔ)功能

系統(tǒng)搭建值班平臺(tái),利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,進(jìn)行實(shí)時(shí)采集監(jiān)測(cè)流域的雨量、水位數(shù)據(jù),監(jiān)視各遙測(cè)站的數(shù)據(jù)和工作狀態(tài),并實(shí)現(xiàn)越限報(bào)警、報(bào)警信息記錄等,同時(shí)監(jiān)測(cè)接入廠房監(jiān)控系統(tǒng)的機(jī)組有功數(shù)據(jù)、狀態(tài)情況等,接入電能量系統(tǒng)電表讀數(shù)數(shù)據(jù),經(jīng)過數(shù)據(jù)處理、水務(wù)計(jì)算處理成水情水調(diào)數(shù)據(jù),為日常工作提供便捷[3]。

2.2 高級(jí)應(yīng)用功能

系統(tǒng)安裝高級(jí)應(yīng)用功能,以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、防洪調(diào)度、洪水預(yù)報(bào)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)、個(gè)性化文檔定制等高級(jí)應(yīng)用功能。采用新安江三水源模型及卡爾曼濾波實(shí)時(shí)校正預(yù)測(cè)短期洪水情況,采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、門限自回歸、支持向量機(jī)模型、歷史流量等進(jìn)行組合模型預(yù)報(bào)中長(zhǎng)期洪水情況,為防洪調(diào)度提供了很強(qiáng)的參考性。同時(shí)將中長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)運(yùn)行所分配給中期,能在其中各時(shí)段間進(jìn)行合理分配,制定出短期最優(yōu)運(yùn)行方式。其依據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷信息、實(shí)時(shí)水雨情信息和短期洪水預(yù)報(bào),制定水電站次日運(yùn)行計(jì)劃,以滿足不同的目標(biāo)需求,根據(jù)不同模式自動(dòng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)運(yùn)行演算,為水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度提供技術(shù)支持[4-5]。

2.3 資料整編功能

系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)內(nèi)容,應(yīng)用編排公式,自動(dòng)計(jì)算日月年水文數(shù)據(jù)指標(biāo)和統(tǒng)計(jì)值,經(jīng)人工審核后能進(jìn)行確實(shí)上傳并永久存儲(chǔ)。實(shí)現(xiàn)水文資料永久無(wú)紙化存儲(chǔ),保證了水文資料的連續(xù)性。

3 系統(tǒng)在新豐江水庫(kù)應(yīng)用情況

3.1 基礎(chǔ)功能應(yīng)用情況

系統(tǒng)自2020年開始安裝調(diào)試,至2021年在新豐江水庫(kù)投入試運(yùn)行應(yīng)用一年以來(lái),總體運(yùn)行情況良好,沒有發(fā)生數(shù)據(jù)泄漏服務(wù)器入侵等網(wǎng)絡(luò)安全事故,基本能實(shí)現(xiàn)水庫(kù)調(diào)度工作功能,為水庫(kù)的防洪調(diào)度起到了重要的作用[6]。

系統(tǒng)自運(yùn)行以來(lái),其個(gè)性化報(bào)表定制和結(jié)構(gòu)化文檔功能,能深度滿足用戶的需求,對(duì)于用戶需要的水情數(shù)據(jù)進(jìn)行公式獲取,排版后直接導(dǎo)出,極大程度提高了用戶的辦公效率。同時(shí)系統(tǒng)準(zhǔn)確的洪水預(yù)報(bào)和精確的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行預(yù)測(cè),為新豐江水庫(kù)防洪抗旱發(fā)揮了重要作用。同時(shí),系統(tǒng)利用已建成的雨量測(cè)站,進(jìn)行自動(dòng)雨量計(jì)算,并進(jìn)行蓄水量變化計(jì)算,有效提高計(jì)算效率,解決了之前人工計(jì)算緩慢低效等問題[7]。

系統(tǒng)根據(jù)水量平衡公式,進(jìn)行小時(shí)、日、月、年的水量平衡計(jì)算,提高水庫(kù)調(diào)度效率,公式如下：

式中：I為給定時(shí)段Δt內(nèi)輸入水量；O為給定時(shí)段Δt內(nèi)輸出水量；W1、W2分別為初、末蓄水量；ΔW為時(shí)段Δt內(nèi)蓄水量的變化量。

根據(jù)該公式可以計(jì)算出水庫(kù)小時(shí)、日等時(shí)段蓄水量變化,同時(shí)作為基礎(chǔ)公式也應(yīng)用于新豐江水庫(kù)調(diào)洪計(jì)算、洪水演算等高級(jí)應(yīng)用上。以2023年6月1日的水庫(kù)數(shù)據(jù)為例,系統(tǒng)采用0點(diǎn)作為日數(shù)據(jù)分界點(diǎn),自動(dòng)讀取6月1日0時(shí)和6月1日24時(shí)的水庫(kù)數(shù)據(jù),通過庫(kù)容曲線二分法插算,計(jì)算時(shí)段初末蓄水量變化值。再利用發(fā)電量及發(fā)電機(jī)組NHQ曲線進(jìn)行出庫(kù)計(jì)算,由此計(jì)算出水庫(kù)入庫(kù)水量及入庫(kù)流量。如果通過手工計(jì)算,需要人工進(jìn)行曲線讀取,并進(jìn)行二分法計(jì)算。計(jì)算過程較為繁瑣,但系統(tǒng)根據(jù)該方法系統(tǒng)根據(jù)用戶需求可以自動(dòng)選取時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行計(jì)算,以6月為例,日計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 新豐江水庫(kù)6月入庫(kù)水量流量計(jì)算結(jié)果表

表1僅展示系統(tǒng)計(jì)算的日數(shù)據(jù)結(jié)果,根據(jù)公式原理,可以再進(jìn)行小時(shí)、5分鐘、旬、月、年計(jì)算,計(jì)算原理與日計(jì)算相同。

基于新豐江水庫(kù)流域面積大,且暴雨中心分布散,因此流域設(shè)立了15個(gè)雨量站,并采用泰森多邊形法進(jìn)行流域平均降雨量推算。公式如下：

式中：fi為第i個(gè)雨量站所在的多邊形面積；F為流域面積；P為降雨量。

具體雨量站分布見圖2。

圖2 新豐江雨量測(cè)站分布圖

系統(tǒng)利用分布雨量站收集的雨量數(shù)據(jù),采用泰森多邊形法進(jìn)行流域雨量計(jì)算,根據(jù)雨量站分布及權(quán)重計(jì)算,得出雨量測(cè)站計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 新豐江流域數(shù)字單元?jiǎng)澐直?/p>

對(duì)于實(shí)際降雨,流域降雨計(jì)算見表3。

表3 流域測(cè)站時(shí)段降雨計(jì)算結(jié)果表

可以看出,通過權(quán)重計(jì)算各測(cè)站降雨量得出小時(shí)流域平均降雨量。該降雨計(jì)算方法對(duì)于實(shí)際匯流形成過程分析,洪水預(yù)報(bào)等水庫(kù)調(diào)度有著較為深入的幫助。

3.2 抗旱應(yīng)用情況

2021年全年新豐江水庫(kù)來(lái)水量極低,屬50年一遇干旱年份。僅5月份和6月份各有一場(chǎng)較為明顯降雨,抗旱形勢(shì)十分嚴(yán)峻。5月31日開始全流域普降大雨,但是由于前期流域干旱情況較為嚴(yán)重,該降雨情況較難進(jìn)行洪水預(yù)測(cè)。系統(tǒng)根據(jù)中央氣象臺(tái)氣象預(yù)計(jì),將流域分為10個(gè)小模塊采用新安江三水源模型及卡爾曼濾波實(shí)時(shí)校正以及歷史洪水預(yù)報(bào)進(jìn)行組合洪水預(yù)測(cè),并根據(jù)前期實(shí)際情況成功預(yù)測(cè)此次降雨為超滲產(chǎn)流,具有較大洪量及較長(zhǎng)洪水退水過程,洪量預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)80%。為接下來(lái)近一周的水庫(kù)調(diào)度提供參考,確保未來(lái)一周出庫(kù)流量控制情況有所依據(jù)。具體預(yù)報(bào)過程見圖3。

圖3 洪水預(yù)報(bào)過程圖

根據(jù)該預(yù)報(bào)結(jié)果,進(jìn)行后續(xù)出庫(kù)流量調(diào)整,確保水庫(kù)在保證下游供水和機(jī)組發(fā)電的情況下,能提高1 m水位。

2021年汛期過后,新豐江水庫(kù)旱情并沒有明顯改善,機(jī)組已位于降低出力區(qū)發(fā)電時(shí)間較長(zhǎng),抗旱形勢(shì)進(jìn)一步嚴(yán)峻。利用系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行預(yù)測(cè)功能,根據(jù)未來(lái)不同來(lái)水量預(yù)測(cè),進(jìn)行水庫(kù)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行分析。采用確定出庫(kù)流量、根據(jù)NHQ曲線確保機(jī)組發(fā)電安全的綜合預(yù)測(cè)模型,進(jìn)行第四季度及2022年的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行預(yù)測(cè)分析。為未來(lái)一段時(shí)間的水庫(kù)調(diào)度運(yùn)行提供了參考依據(jù),確保在2021年新豐江水庫(kù)在遭遇50年一遇旱情的情況下,水庫(kù)沒有在死水位以下運(yùn)行的情況[8-9]。

3.3 防汛應(yīng)用情況

2022年開汛較早,汛期以來(lái)“旱澇急轉(zhuǎn)”情況明顯,利用防汛調(diào)度決策系統(tǒng)中的相似洪水預(yù)報(bào)功能,通過大數(shù)據(jù)相似分析新豐江水庫(kù)過去六十年水庫(kù)入庫(kù)情況,截取相似度較高的入庫(kù)過程,進(jìn)行洪水預(yù)報(bào)。為新豐江水庫(kù)調(diào)度提供了強(qiáng)有力的預(yù)報(bào)依據(jù)[10-11]。

3.4 當(dāng)前存在問題

系統(tǒng)自試運(yùn)行以來(lái),基礎(chǔ)功能及應(yīng)用功能均能合理實(shí)現(xiàn),為新豐江水庫(kù)的水庫(kù)調(diào)度應(yīng)用提供了有力的技術(shù)支持。但是系統(tǒng)目前仍存在一些問題：

1）基礎(chǔ)功能仍不夠完善。當(dāng)前系統(tǒng)雖能滿足日常值班所需工作,但在水文資料統(tǒng)計(jì)、水文系列值計(jì)算等功能上,常出現(xiàn)“拆東墻補(bǔ)西墻”的情況。將某一基礎(chǔ)功能修改研發(fā)完善后,會(huì)牽涉到另一功能出現(xiàn)問題,影響應(yīng)用。這需要在未來(lái)的使用過程當(dāng)中持續(xù)完善。

2）數(shù)據(jù)傳輸仍不夠穩(wěn)定。系統(tǒng)運(yùn)行一年來(lái),數(shù)據(jù)傳輸偶爾會(huì)出現(xiàn)受防火墻、網(wǎng)絡(luò)通信或軟件自身缺陷問題導(dǎo)致中斷,及時(shí)報(bào)警后進(jìn)行人工處理恢復(fù)。但該情況不應(yīng)屬于新搭建系統(tǒng)該出現(xiàn)的問題,接下來(lái)可以考慮加大網(wǎng)絡(luò)帶寬等措施,以確保數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性保障。

3）高級(jí)應(yīng)用功能不夠便捷。高級(jí)應(yīng)用為實(shí)現(xiàn)大量水文專業(yè)功能,采用較為復(fù)雜的人機(jī)交互頁(yè)面和顯示頁(yè)面。頁(yè)面不夠簡(jiǎn)潔,操作也較為復(fù)雜,下一步建議可將多按鈕合為一個(gè)快捷鍵等方式進(jìn)行優(yōu)化。

4 結(jié)語(yǔ)

水電廠群防汛調(diào)度決策支持系統(tǒng)自1990年開發(fā)應(yīng)用以來(lái),當(dāng)前已為第四個(gè)版本。系統(tǒng)所采用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)傳輸功能基本能符合安全要求,所選取的水雨情傳輸精度也基本能滿足使用要求,運(yùn)行可靠。同時(shí)利用近三十年與新豐江水庫(kù)水情情況的磨合和數(shù)據(jù)收集,加入相似洪水預(yù)報(bào)等高級(jí)應(yīng)用功能,當(dāng)前版本能更適合新豐江水庫(kù)調(diào)度,更好地為新豐江水庫(kù)調(diào)度做出貢獻(xiàn)。