亭子口水利樞紐水庫調(diào)度自動化系統(tǒng)淺談

(嘉陵江亭子口水利水電開發(fā)有限公司，四川 蒼溪，628400)

1 工程概況

亭子口水利樞紐位于四川省廣元市蒼溪縣境內(nèi)，下距蒼溪縣城約15km，是嘉陵江干流開發(fā)中唯一的控制性工程，是以防洪、灌溉及城鄉(xiāng)供水、發(fā)電為主，兼顧航運，并具有攔沙減淤等效益的綜合利用工程。

水庫正常蓄水位(防洪高水位)458m，死水位438m，設(shè)計洪水位461.3m，校核洪水位463.07m，總庫容40.67億m3。水庫預(yù)留防洪庫容10.6億m3(非常運用時為14.4億m3),具有年調(diào)節(jié)性能，可灌溉農(nóng)田19.48萬hm2。電站裝機1100MW，通航建筑物為2×500t級。工程等別為Ⅰ等，工程規(guī)模為大(1)型。

工程于2009年11月正式開工，2013年6月18日下閘蓄水，同年8月首臺機組投產(chǎn)發(fā)電，2014年5月4臺機組全部投產(chǎn)發(fā)電。

2 水情自動測報系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

亭子口水利樞紐水情自動測報系統(tǒng)，由水情數(shù)據(jù)采集、傳輸、接收處理中心及水文預(yù)報系統(tǒng)組成。以亭子口水利樞紐為中心站，采用GPRS/GSM、北斗衛(wèi)星混合組網(wǎng)的通信方式，將各水情遙測站自動采集的水情信息自動傳輸?shù)街行恼?。中心站對所接收的水情信息?jīng)計算機數(shù)據(jù)處理后存入實時數(shù)據(jù)庫，供水情預(yù)報和信息服務(wù)系統(tǒng)及第三方系統(tǒng)軟件調(diào)用。水情預(yù)報系統(tǒng)完成不同預(yù)見期的預(yù)報成果，為亭子口水利樞紐的安全調(diào)度提供決策依據(jù)。

2.2 水情自動測報系統(tǒng)續(xù)建和站網(wǎng)布置情況

依據(jù)樞紐第一階段水情自動測報系統(tǒng)的運行特點，以及為保證暴雨區(qū)的預(yù)報精度，二期續(xù)建擴大規(guī)模，加大庫區(qū)站點密度，以滿足水庫防洪與電站經(jīng)濟調(diào)度、下游防洪等功能需要。亭子口洪水大多來源于白龍江及廣元至亭子口區(qū)間的暴雨區(qū)，而青川、三磊壩、昭化、雁門、上寺一帶暴雨最為頻繁，水情站網(wǎng)布設(shè)偏重于該區(qū)域。支流白龍江三磊壩及以上區(qū)間的水情信息，利用寶珠寺和碧口水庫的水情自動測報系統(tǒng)所采集的信息?？紤]該區(qū)域?qū)νぷ涌谒畮焖轭A(yù)報非常重要，亭子口公司已與廣元寶珠機械電氣工程有限責(zé)任公司簽訂了長期的水情信息合作協(xié)議，確保能得到該區(qū)域最準確的水情信息。

新增水位站和雨量站后，亭子口水利樞紐水情自動測報系統(tǒng)規(guī)模為1∶35。在35個遙測站中，有9個水位雨量站和25個雨量站，1個氣象站，覆蓋略陽至亭子口壩區(qū)。廣元以上區(qū)域有雨量站14個，水位雨量站3個；上寺以上區(qū)域雨量站7個，水位雨量站1個；三磊壩～廣元～上寺～昭化區(qū)間雨量站5個，水位雨量站2個；昭化～亭子口壩址處區(qū)域雨量站7個，水位雨量站3個。壩區(qū)設(shè)置1個自動氣象站，實時監(jiān)視壩區(qū)氣溫、空氣濕度、氣壓、降雨量、蒸發(fā)量、天氣現(xiàn)象等項目。

2.3 水文數(shù)據(jù)傳輸

2.3.1 通信組網(wǎng)

根據(jù)樞紐水情自動測報系統(tǒng)區(qū)間所在流域的自然地理特性，亭子口水利樞紐水情自動測報系統(tǒng)遙測站至中心站采用GPRS通信為主信道，GSM短信通信及北斗衛(wèi)星通信為備用信道混合組網(wǎng)。其中，壩上增建的1套浮子式水位系統(tǒng)采用GPRS通信為主信道，GSM短信為備用信道。水位雨量站和大部分雨量站采用GPRS/GSM和北斗衛(wèi)星雙信道，少部分雨量站采用GPRS/GSM信道。

2.3.2 工作體制

亭子口水利樞紐水情自動測報系統(tǒng)采用混合式工作體制，具有現(xiàn)地和遠地編程控制功能的定時自報或事件自報功能，并具有查詢應(yīng)答功能。北斗衛(wèi)星通信和GPRS通信具有定時自報或事件自報功能，GSM短信通信具有定時自報或事件自報以及查詢應(yīng)答等功能。

2.4 洪水預(yù)報方案

洪水預(yù)報采用流域降雨徑流預(yù)報和河段流量預(yù)報方法。

預(yù)報方案是將流域分為廣元以上區(qū)域，上寺以上區(qū)域，三磊壩～廣元～上寺～昭化區(qū)間，昭化～亭子口壩址處區(qū)域四個區(qū)域，分別作預(yù)報方案。

該預(yù)報方案的評定，根據(jù)SL250～2000《水文情況預(yù)報規(guī)范》規(guī)定，對1981～2006年洪水樣本進行綜合檢驗，略陽～廣元各項評定要素的合格率稍低為乙等，上寺以上區(qū)域達乙等，廣元、三磊壩、上寺、昭化、亭子口均為甲等以上。

2.5 系統(tǒng)特點及實際運行情況

2.5.1 系統(tǒng)特點

(1)在充分研究河網(wǎng)特性、暴雨特性的基礎(chǔ)上，論證站網(wǎng)、科學(xué)布局，既滿足了施工期洪水預(yù)報精度要求，又最大限度降低了投資；

(2)系統(tǒng)采用定時自報、超限加報、定時或隨機查詢應(yīng)答等工作方式，并支持休眠喚醒工作方式，降低了測站能耗，工作方式可編程設(shè)置；

(3)遙測站可現(xiàn)地讀取數(shù)據(jù)，設(shè)置參數(shù)，發(fā)送流量數(shù)據(jù)和人工觀測水位；

(4)系統(tǒng)采用GPRS/GSM和北斗衛(wèi)星相結(jié)合的通訊方式，提高了水文站點通訊的可靠性和暢通率。

2.5.2 實際運行情況

亭子口水利樞紐水情自動測報系統(tǒng)第一期于2009年5月1日投入運行，2013年完成續(xù)建。系統(tǒng)至今已運行5年，經(jīng)歷了暴雨、洪水、雷電、高溫、高濕、大風(fēng)等惡劣環(huán)境的考驗，系統(tǒng)總體運行情況良好，功能達到設(shè)計要求，為亭子口水利樞紐施工安全度汛發(fā)揮了重要作用。

從經(jīng)歷的幾場較大洪水看，預(yù)報合格率為100%，優(yōu)良率為95%，系統(tǒng)對大洪水的水情預(yù)報質(zhì)量比較可靠。系統(tǒng)總的運行質(zhì)量和水情預(yù)報精度有待后期驗證。

2009年7月中旬，上游暴雨頻繁，壩址連續(xù)出現(xiàn)了3個洪峰，最大流量達11800m3/s，導(dǎo)流明渠上游圍堰水位接近10年一遇洪水位384m，是1999年以來最大一場洪水。水情人員利用水情測報系統(tǒng)采集到的各遙測站的實時水雨情信息，提前10h預(yù)報洪峰流量為12000m3/s，導(dǎo)流明渠上下游圍堰水位分別為384.00m和381.11m，為亭子口公司抗洪搶險贏得了充足的準備時間。

2013年主汛期，共發(fā)生了12次漲水過程，其中洪峰流量5000m3/s以下3次，5000m3/s～8000m3/s的6次，8000m3/s以上的4次，洪水發(fā)生之頻繁為歷年少見。最大洪峰出現(xiàn)在6月6月21日，洪量達11800m3/s。這場洪水歷時長、暴雨強度大、雷電多，在惡劣的條件下，系統(tǒng)運行一切正常，提前8h發(fā)布了洪峰流量為12000m3/s的預(yù)報，完全滿足亭子口水庫的調(diào)度要求。

3 水調(diào)自動化系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

亭子口水調(diào)系統(tǒng)采用開放式結(jié)構(gòu)，提供冗余的、支持分布式處理環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，滿足可擴充性、安全可靠性、開放性等要求，具備強大的網(wǎng)絡(luò)通信功能。水調(diào)系統(tǒng)通過中間件實現(xiàn)雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)中的雙網(wǎng)負載平衡，應(yīng)用軟件采用多階層的設(shè)計方法，所有的應(yīng)用客戶端都不直接與數(shù)據(jù)庫相連，而是通過網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)服務(wù)進行集中管理和服務(wù)，可有效地避免系統(tǒng)單點故障對系統(tǒng)整體可靠性造成的損害。利用水情自動測報系統(tǒng)和洪水預(yù)報系統(tǒng)，可對流域徑流的形成和洪水過程的演進進行實時監(jiān)測、監(jiān)控和演算、預(yù)報，科學(xué)合理地制定水庫洪水、發(fā)電調(diào)度方案。

3.2 軟件設(shè)計

亭子口水調(diào)系統(tǒng)的子系統(tǒng)分別為：實時數(shù)據(jù)監(jiān)視預(yù)警，值班管理，圖形系統(tǒng)，報表系統(tǒng)，洪水預(yù)報調(diào)度系統(tǒng)，水庫調(diào)度，短信發(fā)布系統(tǒng)，數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，系統(tǒng)管理，并有Web瀏覽器。主要軟件功能包括：水調(diào)報表自動計算，定時洪水預(yù)報，數(shù)據(jù)報警，數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)備份，隔離傳輸，WEB瀏覽服務(wù)子系統(tǒng)，防洪、發(fā)電等調(diào)度軟件，數(shù)據(jù)庫管理與維護，數(shù)據(jù)通信，報表子系統(tǒng)，數(shù)據(jù)查詢與實時監(jiān)視，短信平臺子系統(tǒng)，日志記錄，統(tǒng)計與分析等。

3.3 洪水預(yù)報

3.3.1 洪水預(yù)報系統(tǒng)

亭子口洪水預(yù)報系統(tǒng)，依據(jù)對壩址上游流域自然地理和暴雨洪水特性的分析，并考慮水庫運行調(diào)度的具體特點，其功能主要包括：歷史洪水管理，實時洪水預(yù)報，模型庫及參數(shù)管理，預(yù)報方案管理，場次洪水管理，參數(shù)率定等。

預(yù)報采用新安江模型，首先對預(yù)熱期、預(yù)見期、預(yù)報時段長、雨量統(tǒng)計方式、預(yù)報斷面等進行確定，然后進行洪水長、中、短期預(yù)報。洪水預(yù)報預(yù)見期越長，精度越更高，基本預(yù)報方案預(yù)見期為3h、6h、9h、12h、24h、48h方案，預(yù)報內(nèi)容包括洪峰預(yù)報、過程預(yù)報和洪量預(yù)報等。

3.4 水庫調(diào)度

3.4.1 防洪調(diào)度系統(tǒng)

洪水調(diào)度系統(tǒng)主要功能是制定洪水調(diào)度方案并對方案進行管理。在水庫的調(diào)洪計算中，入庫洪水過程線作為已知條件，水位庫容曲線、泄洪建筑物泄流曲線以及發(fā)電機組的特性曲線等作為資料條件，再加上被調(diào)度電站自身安全運行的約束條件，經(jīng)過洪水調(diào)度模型計算，最終推求出電站的下泄流量過程和庫水位過程，并結(jié)合閘門的啟閉規(guī)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。

亭子口水利樞紐的調(diào)度方式包括：調(diào)度規(guī)程調(diào)度，給定閘門調(diào)度，給定水位調(diào)度，給定出流調(diào)度四種方式。水庫防洪調(diào)度方案包括：對一次洪水過程進行洪峰流量及一、三、五、七日洪量的預(yù)報，以及有關(guān)的宏觀調(diào)洪分析判斷，是否需要調(diào)洪等；調(diào)度方案提供參數(shù)有：閘門類別，時間，開度，調(diào)度過程等。

3.4.2 發(fā)電調(diào)度系統(tǒng)

水庫發(fā)電調(diào)度系統(tǒng)分為以下內(nèi)容：以時段為單位的實時發(fā)電調(diào)度；以旬月為單位的年發(fā)電計劃；以日為單位的月發(fā)電計劃；中長期發(fā)電優(yōu)化調(diào)度；實時控制調(diào)度；發(fā)電調(diào)度數(shù)據(jù)庫管理。

在制定發(fā)電調(diào)度計劃中，需要選擇入庫流量的輸入方式，共有三種輸入方式：頻率法，典型年法，預(yù)估入庫流量法。系統(tǒng)默認為預(yù)估入庫流量法。頻率法可按照任意時段任意頻率從數(shù)據(jù)庫中讀取流量，流量顯示在右方的入庫流量表中，用戶可對入庫流量進行修改；點擊典型年法，輸入年份后，系統(tǒng)直接從數(shù)據(jù)庫中讀取所輸入年份相應(yīng)于調(diào)度時段的入庫流量；調(diào)度方式分別為調(diào)度圖、給定時段末出力、給定時段末水位三種方式。系統(tǒng)按照輸入的流量和選擇的調(diào)度方式制作發(fā)電計劃。

3.5 系統(tǒng)實際運行情況

2013年汛期，流域內(nèi)多次發(fā)生持續(xù)性強降雨，強降雨頻繁為歷史罕見。面對嚴峻的防汛形勢，亭子口公司本著“安全第一、預(yù)防為主”的原則，準確預(yù)報，精心調(diào)度，積極有效地攔洪、預(yù)泄、削峰、錯峰，在確保樞紐自身安全度汛的同時，為緩解下游防汛壓力，提高下游梯級電站的綜合效益，配合下游地方政府搶險救災(zāi)等方面，發(fā)揮了重要作用。

削減洪峰，減輕下游防汛壓力。在了解上游流域天氣預(yù)報及電站運行情況的基礎(chǔ)上，準確分析洪水特性，盡可能削減洪峰。2013年最大洪峰流量11800m3/s，最大出庫流量5800m3/s，消減洪峰6000m3/s，削減率達51%。在確保工程安全前提下，積極配合下游電站需求，為其防洪、發(fā)電創(chuàng)造便利條件。成功攔蓄洪尾，在預(yù)報9月中下旬上游流域有一次明顯降雨過程后，與省電力部門溝通協(xié)調(diào)，加大發(fā)電出力，預(yù)泄騰庫3億m3，9月19日洪峰過后攔尾回升至目標水位，本次重復(fù)利用庫容增發(fā)電量約6000萬kW·h。

系統(tǒng)總的運行質(zhì)量和水情預(yù)報精度有待后期驗證。

4 結(jié)語

4.1 水情自動測報系統(tǒng)從施工期第一階段到續(xù)建完工，總體運行情況良好，所有測站中，昭化、江口、壩上水位站十分重要，應(yīng)做好設(shè)備備份與維護，及時修正水位流量關(guān)系，并設(shè)置人工應(yīng)急報汛手段，確保昭化、江口、壩上站水情信息準確暢通。

4.2 亭子口水利樞紐已基本完工，上游干流及支流建成有較多電站，天然河道已改變，入庫洪水預(yù)見期明顯縮短，需要與上游電站建立長期的水情信息協(xié)議，及時完善、補充預(yù)報方案，特別是要掌握白龍江碧口、寶珠寺水庫泄流情況，提高預(yù)報精度，增長預(yù)見期。

4.3 水調(diào)自動化系統(tǒng)的使用，既為保證樞紐和下游的安全提供的依據(jù)，也為水庫帶來了較大的社會效益和經(jīng)濟效益。進一步完善水情、水調(diào)自動化系統(tǒng)，并根據(jù)水情站網(wǎng)布設(shè)及蓄水后入庫洪水匯流特性，修訂了水文預(yù)報方案，洪水預(yù)報精度、遇見期得到提高，為實現(xiàn)攔洪、預(yù)泄、削峰、錯峰等調(diào)度措施提供技術(shù)支持。