柳江流域梯級水庫調度系統的設計開發與應用

潘 小 溱，　莫 明 海，　韋 喜 榴

(中國廣核美亞電力控股有限公司,廣東 深圳　518031)

柳江流域梯級水庫調度系統的設計開發與應用

潘 小 溱，莫 明 海，韋 喜 榴

(中國廣核美亞電力控股有限公司,廣東 深圳518031)

摘要：介紹了柳江流域梯級水庫調度系統的設計原則和應用方法。水庫調度管理是水電站管理的核心，目前單庫優化調度比較成熟，但在同一條河流上各梯級電站實現上下游協同調度、最大程度地發揮整個流域的整體效益方面實踐尚少。流域梯級水庫調度系統利用現代信息化手段，通過集中采集上下游電站的發電量、發電水頭等數據，協調調頻、調峰的關系；采取庫容補償、水文補償等方式，減少水庫棄水和單位電能發電耗水量；統一整編、整體預報，開展聯合優化調度，以獲得比單庫優化調度更優的經濟效益，實現全流域發電、防洪、航運等多項綜合效益提升，對梯級水電站運營的先進管理模式進行了有效探索，可為實現流域梯級電站調度綜合最優化管理提供一定的借鑒。

關鍵詞：柳江流域；梯級；水庫調度系統；設計開發

1系統開發的背景

該流域梯級水庫調度系統是為廣西柳江流域所屬水電站設計開發的。柳江是珠江水系——西江左岸的重要支流。柳江流域具有豐富的水資源，多年平均徑流總量達 588 億m3，水力資源理論蘊藏量為455.8 萬kW，其中可開發量為193.4 萬kW。其干流規劃 9 個梯級電站，有 3個電站在貴州省境內，有 6個電站在廣西壯族自治區境內(以下簡稱電廠1、電廠2、電廠3、電廠4、電廠5、電廠6)，總裝機容量為 95.45 萬kW，但各梯級水電站之間的調節能力較弱。因此，需要建設一個流域梯級水庫調度系統，利用現代信息化手段，實現同一條河流上下游聯合優化調度，促進全流域發電、防洪、航運等多項綜合效益提升，最大程度地發揮整個流域的整體效益。

2系統應用的意義和目標

(1)水務綜合管理對流域梯級水庫調度提出了內在和現實的要求。

該流域中，電廠1、電廠2、電廠4 已具有廠級水調系統，可獨自向廣西中調實時上傳數據；電廠3尚無水調系統，需通過人工輸入數據上傳中調；其中電廠1 與電廠2 已實現水情數據共享。為了保證各水電站安全度汛、安全通航、調節水資源，迫切需要建設一個覆蓋柳江流域各梯級電站的水調系統，對各水庫運行進行水務綜合管理。

(2)流域內其它調節水庫的建設為梯級水庫聯合調度優化提供了有利條件。

隨著流域內電廠5、電廠6 兩個水庫的建成和電廠2、電廠4 兩個電站完成擴機后，可充分運用龍頭水庫的調蓄能力進行科學合理的單站及梯級聯合優化調度，實現對天然入庫徑流進行有計劃的蓄泄，達到既能滿足市場需要，又能充分利用水能資源、保證電站安全穩定運行的目的，以獲取更大的經濟效益。

電站經濟運行的最主要任務是如何在最優水頭下、最大限度地利用上游來水，而同流域中各電站優化的主要任務是找到相互匹配的各水頭和需用流量，即：

式中N為流域中各電站出力之和；K為常數；Q為電站引用流量；H為電站水頭；i為電站個數；n為電站總數。

上述各參數均為變量。由于現代氣象預報、測量技術以及大數據處理的發展，使得尋求流域電站綜合效益最大化成為可能。

(3)現代成熟的計算機通信技術可以保證流域梯級水庫調度系統的實現。

為實現各梯級電站的統一協同調度，必須實現對需要的數據集中采集、統一整編、整體預報、聯合調度。采用現代先進、成熟的計算機及通信技術，可以及時、準確地獲取流域中各水庫及其相關水系的水文、氣象和水庫運行信息，根據各水庫水情預報及各電站的運行特性，運用“補償調度的常規模型”和“發電量最大模型”制定水庫調度方案，協調上下游之間的發電量、發電水頭以及調頻、調峰之間的關系，通過庫容補償、水文補償，減少水庫棄水和單位電能發電耗水量，以實現對各電站水庫的綜合管理，保證各水電站安全度汛、充分利用水資源，同時保證電網安全、優質、經濟的運行。

3系統架構設計

(1)系統設計原則。

首先，軟硬件頂層設計應遵循安全、可靠、開放、實用、可擴展的原則。硬件配置應考慮到計算機技術的發展，同時從使用的角度出發，其應具有經濟、實用且維護方便的特點。系統軟件均采用商業化軟件和模塊化的設計思路，建立在統一而完整的數據庫平臺上，通過數據庫接口軟件和用戶接口軟件，在統一的圖形界面和用戶瀏覽器窗口下進行集中的數據庫管理，實現各種計算及應用、統計分析和管理的功能。

其次，系統不僅要滿足各梯級電站的接入，預留電廠5、電廠6等電站的接入口，并應滿足以下三點要求：①達到廣西中調水調自動化系統實用化驗收的標準；②提高流域優化調度及地區調度管理水平；③系統關鍵技術達到國內領先水平。

(2)網絡結構和安全控制設計。

柳江流域梯級水庫優化調度系統采用交換式局域網結構，構成功能分布的開放系統，將流域中的電廠1、電廠2、電廠3、電廠4 接入到系統中，并預留電廠5、電廠6 等電站的接入口，滿足用戶方便地對系統進行維護、擴容和升級等方面的要求。

對數據庫服務器采用計算機集群系統，以提高系統的可靠性。系統采用基于客戶機/服務器(C/S)和瀏覽器/服務器(B/S)相結合的模式，以及手機APP服務器多層結構。所有人機工作站均支持各種功能的操作界面。中心服務器采用兩臺相同配置的服務器,構成雙機集群系統，完全實現故障的自動切換，其網絡結構見圖1。

安全控制方面，根據電力二次系統安全防護 規定(如圖1所示)，在Ⅰ 區與Ⅱ區之間通過防火墻進行邏輯隔離，設置適當的訪問控制。系統的數據采集不會影響到機組監控系統的穩定與安全；同樣，機組的監控系統也不會干擾數據的采集。同理，系統與中調及各電廠數據交換的通信亦通過防火墻進行控制。

該系統可以實現正反向安全隔離數據傳輸。應該具有Ⅱ區系統數據可以通過正向隔離裝置傳輸到安全 Ⅲ區的功能，同時可以實現反向安全隔離數據傳輸；Ⅲ區系統數據通過反向隔離裝置傳輸到安全 Ⅱ區的功能。安全Ⅲ 區的文件為 E 語言格式的純文本文件，反向隔離裝置支持對 E 語言文件的內容與格式進行強內容過濾。正、反向傳輸軟件均符合《電力二次系統安全防護規定》，達到數據庫動態同步、手工數據補傳、網上實時數據同步、報警、輔助配置工具、數據同步及數據驗證六點要求，滿足電網調度的最新要求。

(3)數據庫設計。

梯級水庫調度系統是歷史數據和實時數據并存的系統。數據庫作為系統最底層的一個核心部分，不僅需要存儲并管理長時間的歷史數據，還要提供實時數據，因此，系統必須具有高性能和高可靠性。鑒于其中的歷史數據與其它很多系統存在數據交換關系，因此，該系統必須具有良好的開放性和安全性。

基于數據的一致性、實時性、可靠性要求高，數據的存儲必須嚴格按照數據庫標準要求，嚴控不合格數據進入數據庫，以減少數據檢索時間，因此而需要使用比較可靠、穩定、技術成熟且應用廣泛的商用數據庫軟件。同時，鑒于各電站系統的客戶端及服務器端大都采用美國微軟操作系統，因此，最終系統選擇使用微軟公司的 MSSQL Server 軟件。

為保證數據的集中控制和數據庫中數據的邏輯結構與應用程序相互獨立，數據物理結構的變化不影響數據的邏輯結構，系統采用了分布式數據庫群設計，為每個電廠設計了一個專門用于存儲本電廠的數據庫。系統設計了一個管理數據庫，用于保存梯級電站的相關配置及不屬于某個電廠的數據。所有數據庫通過一個數據庫服務組件聯系在一起，通過該數據庫組件提供本系統或其它系統的數據調用。數據庫架構見圖2。

4系統具有的功能與實現

(1)數據自動采集處理系統。

數據自動采集處理系統包括電廠、中調、雨量等數據的采集、水務計算、數據發布、安全監視等功能，獲取水文、氣象及防汛信息，在數據庫管理系統中存儲管理, 通過人機界面中雨量分布圖、報表、棒圖、過程線等控件組成實時流域圖，進行汛情實時監視和報警。作為梯級水庫調度系統的基礎功能，該采集系統需要長期在線運行。

首先，系統需要對各電站、廣西中調、氣象數據庫不同類型的數據進行在線實時采集、合理性校驗及交換，必須保證及時和準確。所采集的數據包括實時的水位、流量、雨量、機組出力及電字和工況、閘門的開度等。雨量數據作為梯級水情預報的必要數據，可直接從廣西中調氣象數據庫采集，實時查詢流域的當前小時平均雨量。

系統通過從各電廠采集到的水位、電量等實時原始數據，從監控系統中采集到的機組閘門信息，從廣西中調采集到的雨量數據以及向上級廣西中調報送的業務信息，在系統 MIS 網上發布并通過短信發布相關信息。系統數據流程各項聯系情況見圖3。

其次，系統需要對流域中的電廠1、電廠2、電廠3、電廠4 進行水務計算。通過水量平衡原理，采用系統水情數據、機組運行數據及閘門運行數據等，依據庫容曲線、計算公式和不同的算法，按指定的時間間隔自動定時進行計算，給出入庫流量、出庫流量、泄洪流量、耗水率等一系列結果并提供給生產人員調度使用。

第三，數據查詢和發布功能。集控中心的值班人員在客戶端通過數據的查詢獲得相應的數據顯示，了解當前系統的運行情況。系統采用的數據可以用曲線圖和表格方式顯示，通過單個圖元或多個圖元的組合實現水情、水調、防汛等應用需要的實時數據監視、實時或歷史圖形和數據列表查詢。數據發布包含三個方面內容：一是向廣西中調發布各電廠實時及整編的水庫水情水調數據；二是在內部 MIS 網發布實時的水庫水情水調 信息；三是每日定時或在一定條件下自動觸發水調短信，報告實時的水庫水情水調信息。

第四，安全監控報(預)警功能。通過安全監控報(預)警，實時監視系統中各種動態水情數據、應用軟件、各個網絡節點情況，根據預先設定好的報警項目、預警限值和級別，發現有異常時即自動報警。報警方式可以選擇監視屏幕畫面閃爍報警、語音報警及短信通知報警，運行人員依靠監視畫面，可以直接監視流域內各電站的水位變化曲線、雨量分布情況、閘門工況、機組運行、網絡狀態、水庫運行、來水趨勢等情況。

(2)柳江流域梯級水庫聯合調度系統。

調度系統是在確保大壩安全的前提下，利用采集的數據和計算結果處理好發電與來水之間的關系，充分運用梯級水庫的調蓄能力，尋求科學合理的單站和梯級聯合優化運行策略，制作發電計劃，實現對天然入庫徑流進行有計劃地蓄泄，達到充分利用水能資源、電站安全穩定運行、獲取更大經濟效益的目的。

本系統通過對各水電站的優化調度，合理安排水量的調配，實現流域梯級電站的水量水頭有效補償；通過5 d區間入庫流量的滾動預報，提高下游水電站的水能利用程度；系統通過長期計劃和調整計劃保證流域梯級電站的出力、電量滿足電網安全運行和經濟運行的需求；通過及時調整，爭取雨洪資源得到更加充分的運用。

首先，建立流域洪水預報功能。基于該流域內的電站均為徑流式的情況，以電廠1入庫，電廠2、電廠3 和電廠4 區間為預報對象，建立以小時為時段的短期洪水預報。

其次，建立梯級防洪調度功能。根據流域洪水預報、歷史洪水、不同頻率的設計洪水數據以及水情測報的實時數據，基于水調系統和洪水調度模型，根據規劃設計確定或上級主管部門核定的水庫安全標準和下游防護對象的防洪標準、防洪調度方式及各防洪特征水位等需求和約束，實現利用水庫的蓄泄能力對入庫洪水進行蓄泄控制、攔蓄洪水、削減洪峰、根除或降低洪水災害，使洪水造成的損失最小，以保障大壩和下游的防洪安全。在制定防洪調度方案功能時，根據入庫洪水過程線、水位庫容曲線、泄洪建筑物的型式尺寸及調度規則等已知的基本資料，推求下泄流量和庫水位，結合閘門的啟閉規則，將下泄流量分配到各閘門，形成閘門開度的決策支持方案。

第三，建立梯級發電調度功能。根據梯級防洪調度方案，處理好發電和防洪之間的關系，充分運用龍頭水庫的調蓄能力，建立起科學、合理的單

站和梯級聯合優化運行策略。發電調度模式有多種，可以分為長期、中期、短期發電計劃。對于梯級內的電站基本為徑流式電站的情況，可實現短期發電調度功能，以滿足采用15 min,30 min或1 h為時段制定未來1 d至數日(大于5 d)的發電計劃的需要，調度對象包括電廠1、電廠2、電廠3、電廠4。

5結語

柳江流域梯級水庫優化調度系統以全流域調度多發電、提高水能利用率、增加效益為目的，已在各梯級水電站運行中成功應用。在該系統運行中，通過采用數學模型進行梯級水庫群優化調度研究，建立以水定電或以電定水的梯級水庫群發電優化調度模型，動態規劃，逐步優化算法，逐次逼近，從而使梯級調度水平不斷提升。

水庫調度系統實施以來，結合水電站管理和水電清潔能源開發的實際情況，充分挖掘龍頭水庫調蓄的巨大潛力，各電站超額完成了2014 年發電計劃的15%～25%，實現經濟效益達幾千萬元，為落實國家清潔能源發展規劃、實現國家節能減排“雙目標”作出了應有的貢獻。

參考文獻：

[1]水電廠計算機監控系統基本技術條件，DL/T578-2008[S].

[2]電網水調自動化系統功能規范，DL/T316-2010[S].

[3]水文情報預報規范，GB/T 22482-2008[S].

[4]實時雨水情數據庫表結構與標識符標準，SL323-2005[S].

[5]水力發電廠自動化設計技術規范，DL/T5081-1997[S].

潘小溱(1962-)，女，江蘇泰州人，工程師，學士，從事水電廠信息化技術工作；

莫明海(1977-)，男，廣西柳江人，助理工程師，從事水電廠運行與維護工作；

韋喜榴(1967-)，男，廣西宜州人，高級工程師，從事水庫運行管理工作.

(責任編輯：李燕輝)

收稿日期:2014-12-11

文章編號:1001-2184(2015)02-0071-04

文獻標識碼:B

中圖分類號:TV21;TV737;TV12;TV697

作者簡介: