新一代水電廠群防汛調度決策支持系統關鍵技術研究及應用

舒凱 賴廣洪 馮永修 林廣洪 宗偉

關鍵詞：水電廠群;防汛調度;決策支持系統;相似洪水分析;洪水預報

防汛調度決策系統具備水庫流域水雨情監視、數據處理與計算、圖表展示、洪水預報及發電調度等功能，為水電廠水庫調度、防洪調度及發電調度等奠定了堅實的技術基礎，并在水電廠日常生產中發揮了積極作用。本文以廣東能源集團防汛調度決策系統升級改造為例，說明新、老系統的改造思路、升級方案及實現方法。

1改造思路及目標

近年來隨著云平臺、大數據、物聯網、移動查詢等信息通信技術的快速發展，以及跨流域優化調度研究的持續深入，水電廠群防汛調度決策支持系統改造的相關研究及應用也得到了快速提升，總體上呈現如下趨勢及特點：

（1）硬件設備的性能快速提升，以交換機堆疊和服務器群集為代表的冗余技術大幅度提高了信息系統的可靠性;

（2）以云平臺、大數據、物聯網及移動查詢為代表的信息技術被廣泛地引入系統建設中，大幅度提高了系統的伸縮性、可擴展性及用戶生產信息獲取的便利性;

（3）信息系統的安全性提到了新的高度，從安全設備的投入、設備的國產化傾向到軟件的安全訪問控制要求，都有了相應的規范要求;

（4）應對持續增長的決策能力和決策效率要求、人類活動影響對徑流預測的影響、跨流域補償調度及與電網智能互動的需求，緊密圍繞業務開發的應用功能進一步豐富。

針對舊系統存在的各種不足，并結合決策支持系統發展的技術動向，擬定了“打好硬件基礎，重建系統架構，豐富業務應用”的系統改造思路。

2改造方案設計

2.1系統架構

根據建設目標及擬定的改造思路，在重新構建系統硬件基礎的前提下，按照“集中存儲、集中應用、集中通信及分散使用”的原則調整系統整體架構以提升系統的可靠性及解決主站和子站的數據一致性問題。各廠水調數據和業務應用集中部署在主站，子站水情遙測數據同時向主站和子站系統發送，子站系統采集機組閘門數據的同時通過III區向主站系統轉發，上傳電網調度系統的數據原則上通過主站系統上傳，但保留直調廠站與電網的連接，逐步統一主站與外部氣象及水文部門系統的通信，系統架構及數據流如圖1所示。

2.2設備及網絡

主站系統采用云平臺架構，采用彈性可擴展、負載均衡、按需自動服務的虛擬化支撐環境，從而實現系統備用和負載均衡等特性，增強新系統的抗風險能力，子站系統主要部署于電站的生產非控制區，各項服務器采用國產服務器并采用RAID5磁盤冗余技術，根據電力監控系統安全防護的相關要求，安裝部署了安全隔離、縱向加密、入侵檢測、安全審計、漏洞掃描等網絡安全設備，核心交換機采用堆疊技術以提高網絡層面冗余。各項服務器操作系統采用經過國家安全認證的凝思磐石安全操作系統，數據庫采用Oracle 12C中文企業版，并打上最新安全補丁，新系統包含以下五個部分建設內容：

（1）廣東能源集團主站建設;

（2）九個水電廠廠站子站建設;

（3）主站與廠站端通信網絡建設;

（4）主站端、廠站端系統對外通信接入處理;

（5）與其他系統之間和跨安全區的安全防護。

2.3系統功能

新系統根據業務需求在舊系統基礎上進行了較大的擴充和提升，功能涵蓋了從系統管理、信息監視到決策支持方面的功能，系統功能架構如圖2所示：

2.3.1系統管理

系統管理實現了信息采集、計算處理、系統維護及權限管理方面的功能，屬于新系統的支持體系功能，是新系統安全和管理方面的技術保障。

（1）權限管理。新系統在合理利用操作系統和數據庫安全功能的基礎上提升了管理精細化程度及靈活性，加強了各類信息資源的全面保護，有效防止未經授權的誤操作引起的系統故障。

（2）系統維護。系統管理與維護軟件系統管理與維護包括設備監視、網絡監視、數據庫監視、數據監視、應用軟件監視以及預警監視六方面的內容。

（3）信息采集。數據采集處理系統間的各類數據交換和通信，在水調管理后臺代理引擎的管理下，執行管理中心的各種控制命令，實現了多個網絡多個節點的互為備用，同時提供統一管理的日志信息功能。

（4）計算處理。計算處理包括數據資料自動整編及水務計算功能，實現保障系統運行自動計算的需要。

2.3.2信息監視

信息監視是新系統的信息展示界面，實現各類信息的綜合展示及日常業務流程的處理，軟件要求美觀，符合專業習慣及流程貼近生產實際，主要功能如下：

（1）數據監視與管理。數據監視與管理模塊負責采集和處理計算數據的查看、分析、對比和報警等功能，提供流域和水電廠運行的各類信息，數據監視以表格和圖形的方式展示。

（2）GIS應用。CIS應用模塊負責對水庫流域有關地理分布數據進行采集、儲存、管理、運算、分析、顯示和描述。

（3）Web應用。水調Weh基于Internet/lntranet的B/S方式設計，提供HTML5方式的水調Web頁面，與能源集團移動辦公系統高度集成，具備數據查詢、信息發布、數據及狀態監視、遠程文檔管理、網頁鏈接等功能。

（4）調度值班管理。水庫調度值班管理是水調人員值班工作的基本應用軟件。主要功能包括：值班員登錄、交接班管理、當班記錄、日志管理等功能。

（5）三防調度會商管理。三防（防汛、防旱、防風）模塊負責三防信息的上傳下達、三防值班、防汛調度視頻會商、三防文檔資料的錄入、查詢和信息檢索等功能。

2.3.3決策支持

決策支持功能為信息的應用，是新系統建設的落腳點，實現水庫來水、水庫調度、評價分析等功能，充分體現新系統的生產價值。

（1）水文預報。水文預報包括洪水預報和中長期水文預報，對各種時間粒度的來水情況進行預測，為各項防洪和發電調度決策提供來水依據。

（2）水庫調度。水庫調度包括防洪調度和各種時間粒度的發電計劃，輔助用戶根據水雨工情、防汛部門控制要求及電網需求等因素應用水量平衡原理及優化調度方法而快速地生成水庫調度蓄泄方案，包括方案編制、模擬仿真及方案管理功能。

（3）經濟運行評價?？己酥笜税ㄋ閿祿细衤省硭A測準確率、計劃報表合格率、調洪優化增發電量、水能利用提高率、調峰棄水損失電量等16個指標。

（4）相似洪水分析。相似洪水分析模塊采用統計方法進行相似洪水的識別，挖掘流域歷史洪水數據，用于延長洪水預報預見期。

（5）水文資料整編。水文資料整編模塊負責各廠站對水庫運行情況進行統計、分析及資料匯編，具備自動生成、校核、審批、報送、導出、打印等功能。

3關鍵技術研究

3.1全新系統架構

廣東能源集團各電廠除了需要滿足自身生產的需要，同時還應滿足南網總調、廣東電網對于直調水電廠數據上報的要求，增加了氣象局、梅州水文局、贛州水文局、東江局、主站SIS系統、應急指揮系統、X3系統、微氣象站等多個系統進行數據交換;新系統主站系統的應用范圍進一步擴大給系統資源需求及安全性提出了新的要求，針對上述需求，提出了全新的架構。

（1）開發了支持多協議的數據接口軟件，解決了原系統功能模塊分散與數據零散、數據不齊備、來源不統一等問題，緩解了值班人員的工作壓力;

（2）按照“集中存儲、集中應用、集中通信及分散使用”的原則設計了全新的系統應用架構及數據存儲架構，實現了一處維護，多處數據源一致的目標;

（3）主站系統軟件部署在私有云平臺上，一方面虛擬化后資源可以根據需要進行隨時擴充;另一方面虛機的數量可以擴充，實現關鍵節點的冗余和負載均衡。

3.2相似洪水分析

新系統根據暴雨指標、初始指標、洪水指標、時間指標、水庫指標、雨洪關系指標、形狀指標等七大類指標應用聚類分析法、相似性搜索模型、灰色關聯度分析等系統工程方法，并結合水文產匯流規律對長序列次洪資料進行了歸類分析，有效地提升了相似洪水分析的效率，部分資料序列較長的流域根據洪水特征值尋找到的歷史相似洪水之間確定性系數達到了0.9以上，加強了預報技術人員對流域產匯流特性和洪水演進規律的認識，提高了實時洪水作業預報工作中對洪水發展趨勢的預判水平。

3.3洪水預報

新系統主要采取如下措施提升作業預報精度，有效地提高了洪水預報預見期3 -6h，并提升了預報精度水平：

（1）根據流域調查資料進行歷史資料還原，實現率參資料的一致性和準確性;

（2）預報方案制作時采用DEM數據從地圖上進行流域邊界、流域特征、單元面積等流域特征提取，基于數字高程和泰森多邊形技術進行了合理的流域及單元劃分，并采用Arc/info軟件進行流域信息的提取、流域的劃分及單元面積統計更為準確，更能反映流域的最新變化，編制的洪水預報方案更加合理;

（3）同時近些年隨著短期氣象降雨精度不斷提高，新系統將國家氣象局格點數值預報成果引入洪水作業預報中。

結語

新系統于2020年3月開始投運，于2020年12月完成全部建設任務并通過現場驗收。

（1）新系統自投運以來，運行穩定可靠、安全性提高、可維護性加強;

（2）新系統遵循“集中存儲、集中應用、集中通信及分散使用”的思路進行部署，有效地解決了主站和子站的數據一致性問題，并具有較強的推廣應用價值;

（3）新系統通過開發相似洪水分析、耦合氣象預報的洪水預報等軟件模塊，豐富了系統應用功能，有效地應對了下墊面條件變化對徑流預測精度影響的問題。