柳江流域梯級水庫調(diào)度系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)與應(yīng)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(diào)度系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)與應(yīng)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(diào)度系統(tǒng)的設(shè)計原則和應(yīng)用方法。水庫調(diào)度管理是水電站管理的核心，目前單庫優(yōu)化調(diào)度比較成熟，但在同一條河流上各梯級電站實現(xiàn)上下游協(xié)同調(diào)度、最大程度地發(fā)揮整個流域的整體效益方面實踐尚少。流域梯級水庫調(diào)度系統(tǒng)利用現(xiàn)代信息化手段，通過集中采集上下游電站的發(fā)電量、發(fā)電水頭等數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)調(diào)頻、調(diào)峰的關(guān)系；采取庫容補償、水文補償?shù)确绞?，減少水庫棄水和單位電能發(fā)電耗水量；統(tǒng)一整編、整體預(yù)報，開展聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度，以獲得比單庫優(yōu)化調(diào)度更優(yōu)的經(jīng)濟效益，實現(xiàn)全流域發(fā)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(jìn)管理模式進(jìn)行了有效探索，可為實現(xiàn)流域梯級電站調(diào)度綜合最優(yōu)化管理提供一定的借鑒。

關(guān)鍵詞：柳江流域；梯級；水庫調(diào)度系統(tǒng)；設(shè)計開發(fā)

1系統(tǒng)開發(fā)的背景

該流域梯級水庫調(diào)度系統(tǒng)是為廣西柳江流域所屬水電站設(shè)計開發(fā)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(dá) 588 億m3，水力資源理論蘊藏量為455.8 萬kW，其中可開發(fā)量為193.4 萬kW。其干流規(guī)劃 9 個梯級電站，有 3個電站在貴州省境內(nèi)，有 6個電站在廣西壯族自治區(qū)境內(nèi)(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(diào)節(jié)能力較弱。因此，需要建設(shè)一個流域梯級水庫調(diào)度系統(tǒng)，利用現(xiàn)代信息化手段，實現(xiàn)同一條河流上下游聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度，促進(jìn)全流域發(fā)電、防洪、航運等多項綜合效益提升，最大程度地發(fā)揮整個流域的整體效益。

2系統(tǒng)應(yīng)用的意義和目標(biāo)

(1)水務(wù)綜合管理對流域梯級水庫調(diào)度提出了內(nèi)在和現(xiàn)實的要求。

該流域中，電廠1、電廠2、電廠4 已具有廠級水調(diào)系統(tǒng)，可獨自向廣西中調(diào)實時上傳數(shù)據(jù)；電廠3尚無水調(diào)系統(tǒng)，需通過人工輸入數(shù)據(jù)上傳中調(diào)；其中電廠1 與電廠2 已實現(xiàn)水情數(shù)據(jù)共享。為了保證各水電站安全度汛、安全通航、調(diào)節(jié)水資源，迫切需要建設(shè)一個覆蓋柳江流域各梯級電站的水調(diào)系統(tǒng)，對各水庫運行進(jìn)行水務(wù)綜合管理。

(2)流域內(nèi)其它調(diào)節(jié)水庫的建設(shè)為梯級水庫聯(lián)合調(diào)度優(yōu)化提供了有利條件。

隨著流域內(nèi)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(diào)蓄能力進(jìn)行科學(xué)合理的單站及梯級聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度，實現(xiàn)對天然入庫徑流進(jìn)行有計劃的蓄泄，達(dá)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(wěn)定運行的目的，以獲取更大的經(jīng)濟效益。

電站經(jīng)濟運行的最主要任務(wù)是如何在最優(yōu)水頭下、最大限度地利用上游來水，而同流域中各電站優(yōu)化的主要任務(wù)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(shù)；Q為電站引用流量；H為電站水頭；i為電站個數(shù)；n為電站總數(shù)。

上述各參數(shù)均為變量。由于現(xiàn)代氣象預(yù)報、測量技術(shù)以及大數(shù)據(jù)處理的發(fā)展，使得尋求流域電站綜合效益最大化成為可能。

(3)現(xiàn)代成熟的計算機通信技術(shù)可以保證流域梯級水庫調(diào)度系統(tǒng)的實現(xiàn)。

為實現(xiàn)各梯級電站的統(tǒng)一協(xié)同調(diào)度，必須實現(xiàn)對需要的數(shù)據(jù)集中采集、統(tǒng)一整編、整體預(yù)報、聯(lián)合調(diào)度。采用現(xiàn)代先進(jìn)、成熟的計算機及通信技術(shù)，可以及時、準(zhǔn)確地獲取流域中各水庫及其相關(guān)水系的水文、氣象和水庫運行信息，根據(jù)各水庫水情預(yù)報及各電站的運行特性，運用“補償調(diào)度的常規(guī)模型”和“發(fā)電量最大模型”制定水庫調(diào)度方案，協(xié)調(diào)上下游之間的發(fā)電量、發(fā)電水頭以及調(diào)頻、調(diào)峰之間的關(guān)系，通過庫容補償、水文補償，減少水庫棄水和單位電能發(fā)電耗水量，以實現(xiàn)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(wǎng)安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟的運行。

3系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

(1)系統(tǒng)設(shè)計原則。

首先，軟硬件頂層設(shè)計應(yīng)遵循安全、可靠、開放、實用、可擴展的原則。硬件配置應(yīng)考慮到計算機技術(shù)的發(fā)展，同時從使用的角度出發(fā)，其應(yīng)具有經(jīng)濟、實用且維護(hù)方便的特點。系統(tǒng)軟件均采用商業(yè)化軟件和模塊化的設(shè)計思路，建立在統(tǒng)一而完整的數(shù)據(jù)庫平臺上，通過數(shù)據(jù)庫接口軟件和用戶接口軟件，在統(tǒng)一的圖形界面和用戶瀏覽器窗口下進(jìn)行集中的數(shù)據(jù)庫管理，實現(xiàn)各種計算及應(yīng)用、統(tǒng)計分析和管理的功能。

其次，系統(tǒng)不僅要滿足各梯級電站的接入，預(yù)留電廠5、電廠6等電站的接入口，并應(yīng)滿足以下三點要求：①達(dá)到廣西中調(diào)水調(diào)自動化系統(tǒng)實用化驗收的標(biāo)準(zhǔn)；②提高流域優(yōu)化調(diào)度及地區(qū)調(diào)度管理水平；③系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。

(2)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和安全控制設(shè)計。

柳江流域梯級水庫優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)采用交換式局域網(wǎng)結(jié)構(gòu)，構(gòu)成功能分布的開放系統(tǒng)，將流域中的電廠1、電廠2、電廠3、電廠4 接入到系統(tǒng)中，并預(yù)留電廠5、電廠6 等電站的接入口，滿足用戶方便地對系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)、擴容和升級等方面的要求。

對數(shù)據(jù)庫服務(wù)器采用計算機集群系統(tǒng)，以提高系統(tǒng)的可靠性。系統(tǒng)采用基于客戶機/服務(wù)器(C/S)和瀏覽器/服務(wù)器(B/S)相結(jié)合的模式，以及手機APP服務(wù)器多層結(jié)構(gòu)。所有人機工作站均支持各種功能的操作界面。中心服務(wù)器采用兩臺相同配置的服務(wù)器,構(gòu)成雙機集群系統(tǒng)，完全實現(xiàn)故障的自動切換，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖1。

安全控制方面，根據(jù)電力二次系統(tǒng)安全防護(hù) 規(guī)定(如圖1所示)，在Ⅰ 區(qū)與Ⅱ區(qū)之間通過防火墻進(jìn)行邏輯隔離，設(shè)置適當(dāng)?shù)脑L問控制。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集不會影響到機組監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定與安全；同樣，機組的監(jiān)控系統(tǒng)也不會干擾數(shù)據(jù)的采集。同理，系統(tǒng)與中調(diào)及各電廠數(shù)據(jù)交換的通信亦通過防火墻進(jìn)行控制。

該系統(tǒng)可以實現(xiàn)正反向安全隔離數(shù)據(jù)傳輸。應(yīng)該具有Ⅱ區(qū)系統(tǒng)數(shù)據(jù)可以通過正向隔離裝置傳輸?shù)桨踩?Ⅲ區(qū)的功能，同時可以實現(xiàn)反向安全隔離數(shù)據(jù)傳輸；Ⅲ區(qū)系統(tǒng)數(shù)據(jù)通過反向隔離裝置傳輸?shù)桨踩?Ⅱ區(qū)的功能。安全Ⅲ 區(qū)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(nèi)容與格式進(jìn)行強內(nèi)容過濾。正、反向傳輸軟件均符合《電力二次系統(tǒng)安全防護(hù)規(guī)定》，達(dá)到數(shù)據(jù)庫動態(tài)同步、手工數(shù)據(jù)補傳、網(wǎng)上實時數(shù)據(jù)同步、報警、輔助配置工具、數(shù)據(jù)同步及數(shù)據(jù)驗證六點要求，滿足電網(wǎng)調(diào)度的最新要求。

(3)數(shù)據(jù)庫設(shè)計。

梯級水庫調(diào)度系統(tǒng)是歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)并存的系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫作為系統(tǒng)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(shù)據(jù)，還要提供實時數(shù)據(jù)，因此，系統(tǒng)必須具有高性能和高可靠性。鑒于其中的歷史數(shù)據(jù)與其它很多系統(tǒng)存在數(shù)據(jù)交換關(guān)系，因此，該系統(tǒng)必須具有良好的開放性和安全性。

基于數(shù)據(jù)的一致性、實時性、可靠性要求高，數(shù)據(jù)的存儲必須嚴(yán)格按照數(shù)據(jù)庫標(biāo)準(zhǔn)要求，嚴(yán)控不合格數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)據(jù)庫，以減少數(shù)據(jù)檢索時間，因此而需要使用比較可靠、穩(wěn)定、技術(shù)成熟且應(yīng)用廣泛的商用數(shù)據(jù)庫軟件。同時，鑒于各電站系統(tǒng)的客戶端及服務(wù)器端大都采用美國微軟操作系統(tǒng)，因此，最終系統(tǒng)選擇使用微軟公司的 MSSQL Server 軟件。

為保證數(shù)據(jù)的集中控制和數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)與應(yīng)用程序相互獨立，數(shù)據(jù)物理結(jié)構(gòu)的變化不影響數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)采用了分布式數(shù)據(jù)庫群設(shè)計，為每個電廠設(shè)計了一個專門用于存儲本電廠的數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)設(shè)計了一個管理數(shù)據(jù)庫，用于保存梯級電站的相關(guān)配置及不屬于某個電廠的數(shù)據(jù)。所有數(shù)據(jù)庫通過一個數(shù)據(jù)庫服務(wù)組件聯(lián)系在一起，通過該數(shù)據(jù)庫組件提供本系統(tǒng)或其它系統(tǒng)的數(shù)據(jù)調(diào)用。數(shù)據(jù)庫架構(gòu)見圖2。

4系統(tǒng)具有的功能與實現(xiàn)

(1)數(shù)據(jù)自動采集處理系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)自動采集處理系統(tǒng)包括電廠、中調(diào)、雨量等數(shù)據(jù)的采集、水務(wù)計算、數(shù)據(jù)發(fā)布、安全監(jiān)視等功能，獲取水文、氣象及防汛信息，在數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)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(jìn)行汛情實時監(jiān)視和報警。作為梯級水庫調(diào)度系統(tǒng)的基礎(chǔ)功能，該采集系統(tǒng)需要長期在線運行。

首先，系統(tǒng)需要對各電站、廣西中調(diào)、氣象數(shù)據(jù)庫不同類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行在線實時采集、合理性校驗及交換，必須保證及時和準(zhǔn)確。所采集的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)作為梯級水情預(yù)報的必要數(shù)據(jù)，可直接從廣西中調(diào)氣象數(shù)據(jù)庫采集，實時查詢流域的當(dāng)前小時平均雨量。

系統(tǒng)通過從各電廠采集到的水位、電量等實時原始數(shù)據(jù)，從監(jiān)控系統(tǒng)中采集到的機組閘門信息，從廣西中調(diào)采集到的雨量數(shù)據(jù)以及向上級廣西中調(diào)報送的業(yè)務(wù)信息，在系統(tǒng) MIS 網(wǎng)上發(fā)布并通過短信發(fā)布相關(guān)信息。系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程各項聯(lián)系情況見圖3。

其次，系統(tǒng)需要對流域中的電廠1、電廠2、電廠3、電廠4 進(jìn)行水務(wù)計算。通過水量平衡原理，采用系統(tǒng)水情數(shù)據(jù)、機組運行數(shù)據(jù)及閘門運行數(shù)據(jù)等，依據(jù)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(jìn)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(jié)果并提供給生產(chǎn)人員調(diào)度使用。

第三，數(shù)據(jù)查詢和發(fā)布功能。集控中心的值班人員在客戶端通過數(shù)據(jù)的查詢獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)顯示，了解當(dāng)前系統(tǒng)的運行情況。系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)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(xiàn)水情、水調(diào)、防汛等應(yīng)用需要的實時數(shù)據(jù)監(jiān)視、實時或歷史圖形和數(shù)據(jù)列表查詢。數(shù)據(jù)發(fā)布包含三個方面內(nèi)容：一是向廣西中調(diào)發(fā)布各電廠實時及整編的水庫水情水調(diào)數(shù)據(jù)；二是在內(nèi)部 MIS 網(wǎng)發(fā)布實時的水庫水情水調(diào) 信息；三是每日定時或在一定條件下自動觸發(fā)水調(diào)短信，報告實時的水庫水情水調(diào)信息。

第四，安全監(jiān)控報(預(yù))警功能。通過安全監(jiān)控報(預(yù))警，實時監(jiān)視系統(tǒng)中各種動態(tài)水情數(shù)據(jù)、應(yīng)用軟件、各個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點情況，根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的報警項目、預(yù)警限值和級別，發(fā)現(xiàn)有異常時即自動報警。報警方式可以選擇監(jiān)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(jiān)視畫面，可以直接監(jiān)視流域內(nèi)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(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、水庫運行、來水趨勢等情況。

(2)柳江流域梯級水庫聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)。

調(diào)度系統(tǒng)是在確保大壩安全的前提下，利用采集的數(shù)據(jù)和計算結(jié)果處理好發(fā)電與來水之間的關(guān)系，充分運用梯級水庫的調(diào)蓄能力，尋求科學(xué)合理的單站和梯級聯(lián)合優(yōu)化運行策略，制作發(fā)電計劃，實現(xiàn)對天然入庫徑流進(jìn)行有計劃地蓄泄，達(dá)到充分利用水能資源、電站安全穩(wěn)定運行、獲取更大經(jīng)濟效益的目的。

本系統(tǒng)通過對各水電站的優(yōu)化調(diào)度，合理安排水量的調(diào)配，實現(xiàn)流域梯級電站的水量水頭有效補償；通過5 d區(qū)間入庫流量的滾動預(yù)報，提高下游水電站的水能利用程度；系統(tǒng)通過長期計劃和調(diào)整計劃保證流域梯級電站的出力、電量滿足電網(wǎng)安全運行和經(jīng)濟運行的需求；通過及時調(diào)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(yù)報功能?；谠摿饔騼?nèi)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(qū)間為預(yù)報對象，建立以小時為時段的短期洪水預(yù)報。

其次，建立梯級防洪調(diào)度功能。根據(jù)流域洪水預(yù)報、歷史洪水、不同頻率的設(shè)計洪水?dāng)?shù)據(jù)以及水情測報的實時數(shù)據(jù)，基于水調(diào)系統(tǒng)和洪水調(diào)度模型，根據(jù)規(guī)劃設(shè)計確定或上級主管部門核定的水庫安全標(biāo)準(zhǔn)和下游防護(hù)對象的防洪標(biāo)準(zhǔn)、防洪調(diào)度方式及各防洪特征水位等需求和約束，實現(xiàn)利用水庫的蓄泄能力對入庫洪水進(jìn)行蓄泄控制、攔蓄洪水、削減洪峰、根除或降低洪水災(zāi)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(diào)度方案功能時，根據(jù)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(diào)度規(guī)則等已知的基本資料，推求下泄流量和庫水位，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。

第三，建立梯級發(fā)電調(diào)度功能。根據(jù)梯級防洪調(diào)度方案，處理好發(fā)電和防洪之間的關(guān)系，充分運用龍頭水庫的調(diào)蓄能力，建立起科學(xué)、合理的單

站和梯級聯(lián)合優(yōu)化運行策略。發(fā)電調(diào)度模式有多種，可以分為長期、中期、短期發(fā)電計劃。對于梯級內(nèi)的電站基本為徑流式電站的情況，可實現(xiàn)短期發(fā)電調(diào)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(shù)日(大于5 d)的發(fā)電計劃的需要，調(diào)度對象包括電廠1、電廠2、電廠3、電廠4。

5結(jié)語

柳江流域梯級水庫優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)以全流域調(diào)度多發(fā)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(yīng)用。在該系統(tǒng)運行中，通過采用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行梯級水庫群優(yōu)化調(diào)度研究，建立以水定電或以電定水的梯級水庫群發(fā)電優(yōu)化調(diào)度模型，動態(tài)規(guī)劃，逐步優(yōu)化算法，逐次逼近，從而使梯級調(diào)度水平不斷提升。

水庫調(diào)度系統(tǒng)實施以來，結(jié)合水電站管理和水電清潔能源開發(fā)的實際情況，充分挖掘龍頭水庫調(diào)蓄的巨大潛力，各電站超額完成了2014 年發(fā)電計劃的15%～25%，實現(xiàn)經(jīng)濟效益達(dá)幾千萬元，為落實國家清潔能源發(fā)展規(guī)劃、實現(xiàn)國家節(jié)能減排“雙目標(biāo)”作出了應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)基本技術(shù)條件，DL/T578-2008[S].

[2]電網(wǎng)水調(diào)自動化系統(tǒng)功能規(guī)范，DL/T316-2010[S].

[3]水文情報預(yù)報規(guī)范，GB/T 22482-2008[S].

[4]實時雨水情數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)與標(biāo)識符標(biāo)準(zhǔn)，SL323-2005[S].

[5]水力發(fā)電廠自動化設(shè)計技術(shù)規(guī)范，DL/T5081-1997[S].

潘小溱(1962-)，女，江蘇泰州人，工程師，學(xué)士，從事水電廠信息化技術(shù)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(hù)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(zé)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(xiàn)標(biāo)識碼:B

中圖分類號:TV21;TV737;TV12;TV697

作者簡介: