金溪流域集控水調自動化系統建設及應用研究

楊勝儀，肖樹燦，李雨晨，張太衡

（1.華電福新能源股份有限公司池潭水力發電廠，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

水調自動化系統是利用先進的計算機網絡及通信技術，及時準確地獲取流域和其他相關系統的水文、氣象和水庫運行信息，利用數據庫管理技術進行水文預報、優化調度和水庫調度管理的綜合自動化系統[1]。經過多年的發展，我國大部分水電站和流域集控中心都已經建設水情水調自動化系統，并且已經成為水電站生產作業過程中的重要角色[2-5]。

金溪是閩江重要支流富屯溪的最大一級支流，流域屬中亞熱帶海洋性與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。金溪干流經過多年水電開發，現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節性能為不完全年調節，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節性能為日調節，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，為了發揮池潭水電廠的調節作用，在確保防汛安全、生態用水的前提下，充分挖掘梯級調度潛力，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自動化系統，實現池潭水力發電廠和金湖電力有限公司6個電站的水調一體化的目標。良淺、大言、孔頭、范厝、高唐5個電站在產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和水調自動化系統，兩個公司的水情水調系統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系統的需求，需通過開發新一代的金溪流域集控水調自動化系統進行統一管理。

1 平臺搭建

1.1 系統架構設計

金溪水調自動化系統是涉及到大量信息處理和業務計算的專業技術應用軟件，首要關鍵是要選擇合適的體系架構，本系統選擇了目前開發大型應用軟件的主流技術作為開發工具平臺，采用客戶/瀏覽器（C/S結構）來規劃和布置系統的業務流程。

金溪集控水調自動化系統共部署6臺服務器，其中安全Ⅲ區部署1臺通信服務器、1臺WEB應用服務器，安全Ⅱ區部署1臺通信服務器、2臺數據庫服務器、1臺計算服務器，外加1臺磁盤陣列；安全Ⅱ區和安全Ⅲ區之間部署1臺正向隔離，1臺反向隔離；安全Ⅱ區和安全I區之間部署1臺防火墻。6臺服務器部署的操作系統為Windows Server 2016 r2版本，數據庫采用 Sql Server 2016版本。

1.2 信息流程與處理

金溪集控的水庫優化調度系統將部署在網絡安全生產Ⅱ區，通過與池潭電廠和金湖公司的數據交互，搭建起數據通信平臺。

安全Ⅲ區通信服務器共部署數據同步程序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數據；反向隔離軟件，用于往安全Ⅱ區同步水情及閘門數據；正向隔離軟件，用于接收安全Ⅱ區同步出的水情數據；Securityserver程序，用于解析安全Ⅱ區傳出的文本文件并存庫；Securityclient程序，用于抽取數據庫數據形成文本文件。

安全Ⅱ區通信服務器共部署數據同步程序5個，其中MPI104主站程序，用于請求接收安全Ⅰ區傳出的電力數據；反向隔離軟件，用于接收安全Ⅲ區同步的水情及閘門狀態數據；正向隔離軟件，用于向安全Ⅲ區發送水情數據；Securityserver程序，用于解析安全Ⅲ區傳入的文本文件并存庫；Securityclient程序，用于抽取數據庫數據形成文本文件。

1.2.1 水雨情數據采集

池潭水電廠水情測站建設時間較早，現場設備不具備一發雙收的能力，通過中心站直接將解析后的數據送到金溪集控安全Ⅲ區通信服務器，穿過反向隔離裝置傳遞到金溪集控安全Ⅱ區通信服務器，存入安全Ⅱ區數據庫服務器。

金湖公司安全Ⅲ區設有專門的水情通信服務器，用于與外界交換水情數據，通過開通金溪集控安全Ⅲ區通信服務器與金湖公司安全Ⅲ區通信服務器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據，并穿過反向隔離裝置傳遞到金溪集控安全Ⅱ區通信服務器，存入安全Ⅱ區數據庫服務器。

1.2.2 閘門狀態數據采集

池潭水電廠的閘門控制系統并不與電廠公網連接，暫時無法接入池潭閘門狀態數據，只能通過手填方式錄入到新系統中。

金湖公司安全Ⅲ區水情通信服務器有閘門狀態數據，可采取水雨情數據采集的方式，一并獲取金湖公司5個電廠的實時閘門狀態數據，穿過安全Ⅲ區反向隔離傳遞到金溪集控安全Ⅱ區水調通信服務器，存入安全Ⅱ區數據庫服務器。

1.2.3 電力數據采集

由于金溪集控已經實現了6個電廠的電調一體化，池潭和金湖各廠的電力數據可從金溪集控直接獲取，通過在安全Ⅱ區通信服務器與安全Ⅰ區的監控系統工作站之間架設專用防火墻，采用104協議接入電力數據，請求周期為5 min，采集電力數據到安全Ⅱ區通信服務器，存入安全II區數據庫服務器。

圖1 金溪流域集控水調自動化系統網絡架構圖

2 系統功能建設

2.1 實時監視

實時監視是對金溪流域各廠的水情、電力、閘門狀態等數據的實時監視，其中雨量、水位和負荷數據采用實時數據，平均入庫流量、出庫流量、發電流量、泄洪流量等數據采用5 min水務計算結果數據，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

水務計算是水調系統的基本功能之一，以水量平衡為基礎，根據實時采集的雨量、水位、機組運行數據、閘門狀態數據等計算5 min、小時、日、旬、月等時間尺度的水務數據相關指標，并通過報表對流域水情、水庫調度、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、水務數據任意組合的要求，調度人員依據具體需求，在設計模式下利用類Excel功能設計報表模板，添加數據源。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，實現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，已經被廣泛應用的數理統計模型，即平穩時間序列外推法模型，根據各水庫區間流量還原計算結果存在極值及連續負值問題，難以采用常見的滑動平均或最小二乘法進行處理，故需要對極端數據進行處理，在未延長數據序列和延長數據序列兩種情景下分別測試模型性能，結果表明，延長數據序列后，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。基于斜率距離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。同時結合實例分析了相似性計算結果。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，滾動預報下游各區間至次日24：00的洪水總量、洪峰、峰現時間、入庫洪水過程等。綜合考慮現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，得到區間洪水資料。基于流域退水曲線擬合研究成果開展基流分割，以此為基礎，研究流域梯級各區間新安江模型參數率定并應用于預報過程。

2.4 發電調度

2.4.1 中長期發電調度

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

2.4.2 短期發電調度

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節水電站，主要任務是承擔電網的調峰調頻任務，下游5座電站全部都是日調節，主要任務是在高效區發電，盡量少棄水。考慮到不同電站由于發電水頭、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，因此采用調峰為目標進行短期優化調度，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，這些模型的區別在于調峰幅度和棄水量不同。

2.4.3 實時發電調度

結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電計劃，可滿足實時調度需求，主要有后臺滾動校正和前臺人工調整兩種模式。

2.4.4 梯級防洪調度

梯級防洪調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的較高位置，以抬高發電水頭，避免過渡下泄導致水位下降過低影響發電水頭；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電水頭。

3 結語

水情水調自動化系統建設的過程中涵蓋的內容較多，而且具有較為復雜的網絡構造，因此需要使用有效、科學的設計方案，確保系統運行的穩定狀態。通過對金溪流域集控水情水調自動化系統的建設，實現了流域梯級電站水調一體化的目標，同時實現了不同時間尺度的預報、發電計劃制作等高級應用，為水情水調工作打下了堅實的基礎平臺。