基于智能水電廠架構(gòu)的白山防汛決策支持系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

張金華，李繼功，蔡 杰

（1.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院/南京南瑞集團(tuán)公司，江蘇省南京市 210003；2.白山發(fā)電廠，吉林省吉林市 132400）

基于智能水電廠架構(gòu)的白山防汛決策支持系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

張金華1，李繼功2，蔡 杰1

（1.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院/南京南瑞集團(tuán)公司，江蘇省南京市 210003；2.白山發(fā)電廠，吉林省吉林市 132400）

為擴(kuò)大白山發(fā)電廠數(shù)據(jù)信息的應(yīng)用和共享范圍，正確分析防汛形勢，科學(xué)預(yù)測和預(yù)報(bào)其發(fā)展趨勢，結(jié)合白山發(fā)電廠水庫特性及防汛業(yè)務(wù)需求，在智能水電廠統(tǒng)一規(guī)劃及設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上建設(shè)了白山發(fā)電廠防汛決策支持系統(tǒng)，系統(tǒng)應(yīng)用效果證明全面提升了防汛搶險(xiǎn)應(yīng)急指揮決策能力和效率，顯著提高了防汛指揮調(diào)度水平。

智能水電廠；防汛決策支持系統(tǒng)；系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

0 引言

我國洪水災(zāi)害頻繁，損失嚴(yán)重，21世紀(jì)的防洪減災(zāi)面臨著巨大的挑戰(zhàn)，防洪減災(zāi)是一項(xiàng)長期而艱巨的任務(wù)。針對傳統(tǒng)水電廠的地位和現(xiàn)狀，黃其勵(lì)提出了建設(shè)智能水電廠的必要性和可行性，描述了智能水電廠的內(nèi)涵和特征[1]。根據(jù)智能水電廠建設(shè)的目標(biāo)，劉觀標(biāo)等提出了智能水電廠的體系結(jié)構(gòu)[2]。針對傳統(tǒng)水電廠各自動(dòng)化系統(tǒng)之間耦合關(guān)系不良等問題[3]，發(fā)展以信息化、數(shù)字化、標(biāo)準(zhǔn)化、一體化為主要特征的智能化水電廠已經(jīng)成為了技術(shù)潮流。目前，國內(nèi)多個(gè)水電廠及集控中心已經(jīng)從自身的生產(chǎn)需求出發(fā)，建設(shè)了智能化水電廠或者開展了智能化水電廠規(guī)劃設(shè)計(jì)。

智能水電廠防汛決策支持系統(tǒng)是智能水電廠專家決策支持系統(tǒng)的重要內(nèi)容之一，是面向防汛決策指揮的防洪減災(zāi)非工程措施，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、管理科學(xué)與工程、系統(tǒng)工程以及防汛等領(lǐng)域的科學(xué)技術(shù)等，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下建立的協(xié)助決策者完成決策的一個(gè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件系統(tǒng)[3]。系統(tǒng)的實(shí)施將擴(kuò)大數(shù)據(jù)信息的應(yīng)用和共享范圍，為正確分析防汛形勢、科學(xué)預(yù)測和預(yù)報(bào)其發(fā)展趨勢，提高防汛指揮調(diào)度水平打下良好的基礎(chǔ)，從而達(dá)到全面提升防汛搶險(xiǎn)應(yīng)急指揮決策能力和效率的目的。

1 電廠概況及防汛任務(wù)

白山發(fā)電廠位于吉林省樺甸市，集控中心位于吉林市，由一廠、兩壩、四站構(gòu)成，工程以發(fā)電為主，兼有防洪、養(yǎng)殖等綜合效益，總裝機(jī)容量200萬kW，其中白山電站常規(guī)機(jī)組容量150萬kW，抽水蓄能機(jī)組容量30萬kW，紅石電站裝機(jī)容量20萬kW，為東北電網(wǎng)的大型骨干電站，系統(tǒng)中主要承擔(dān)調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用任務(wù)。流域地處高寒山區(qū)，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬季漫長、寒冷、干燥，夏季短暫、炎熱、多雨，上源主要分兩支，頭道松花江和二道松花江皆發(fā)源于長白山主峰白頭山，其中以二道松花江源頭長白山天池為正源。

白山水庫位于第二松花江干流，壩址控制流域面積19000km2，總庫容59.21億m3，調(diào)節(jié)庫容29.43億m3，為一不完全多年調(diào)節(jié)水庫。紅石水庫位于第二松花江干流上，上游距白山水電站38km，壩址以上控制流域面積20300km2，總庫容為2.28億m3（校核洪水位），有效庫容0.134億m3，為一日調(diào)節(jié)水庫，流域水系圖如圖1所示。

圖1 白山發(fā)電廠流域水系圖Fig. 1 Drainage system map of Baishan hydropower plant

白山、紅石水庫是第二松花江干流上重要的控制性工程，也是松花江流域防洪工程體系的重要組成部分，在流域防洪中具有舉足輕重的作用。白山防汛任務(wù)的要點(diǎn)是“三?！薄岸弧?，即保大壩安全、保人身安全、保發(fā)電效益，下游不人造洪峰、上游不人造水位。白山水電站是高壩大庫，大壩的安全不僅直接關(guān)系到豐滿大壩及下游地區(qū)千百萬人民生命財(cái)產(chǎn)的安全和國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，而且對保證東北電網(wǎng)的安全運(yùn)行和創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益具有十分重要的意義。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

防汛決策支持系統(tǒng)運(yùn)用先進(jìn)的信息技術(shù)、水文技術(shù)、防汛調(diào)度與管理技術(shù)，對防汛相關(guān)信息進(jìn)行全面匯聚整合，并完成相關(guān)防汛信息的處理、查詢、分析和防汛決策指揮調(diào)度管理，為防汛指揮決策提供有力的技術(shù)支持和保障的信息自動(dòng)化系統(tǒng)。

2.1 與智能水電廠關(guān)系

白山防汛決策支持系統(tǒng)建立在智能一體化平臺基礎(chǔ)上，在智能水電廠建設(shè)的體系架構(gòu)中屬于專家系統(tǒng)部分，具備汛期對汛情的分析、診斷、決策建議功能，采用B/S架構(gòu)[5]，并通過統(tǒng)一平臺接入實(shí)時(shí)和歷史水雨情、空間數(shù)據(jù)、工情等數(shù)據(jù)，由業(yè)務(wù)支撐層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層提供上述信息的統(tǒng)計(jì)、分析、查詢、模擬仿真、后臺計(jì)算等邏輯處理。

防汛系統(tǒng)總體上部署于安全Ⅲ區(qū)，從一體化管控平臺Ⅲ區(qū)獲取所需水雨情數(shù)據(jù)，同時(shí)從氣象系統(tǒng)中獲取云圖及氣象會(huì)商信息，同時(shí)向省防汛部門收發(fā)水情電報(bào)，防汛系統(tǒng)與智能水電廠其他各部分的關(guān)聯(lián)關(guān)系及數(shù)據(jù)流程如圖2所示。

圖2 白山發(fā)電廠防汛決策支持系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程圖Fig. 2 Data flow diagram of flood control decision support system for Baishan hydropower plant

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)白山發(fā)電廠的水庫特性和承擔(dān)的防汛任務(wù)，并結(jié)合智能化水電廠統(tǒng)一規(guī)劃要求，進(jìn)行了防汛決策支持系統(tǒng)各項(xiàng)功能設(shè)計(jì)，主要功能如下。

2.2.1 防汛指揮

為保障水電廠防汛工作的有序開展，并提高防汛工作開展的效率，從國家到地方直至水電廠均會(huì)制定一些跟防汛工作相關(guān)的法律、法規(guī)、規(guī)程、防汛預(yù)案、防汛辦公文等文件，如《中華人民共和國防洪法》、國務(wù)院頒布的《中華人民共和國防汛條例》、松花江防汛指揮部發(fā)布的《白山、豐滿水庫聯(lián)合調(diào)度規(guī)程》、白山發(fā)電廠審定的《白山發(fā)電廠防汛工作手冊》及各項(xiàng)預(yù)案、檢查大綱等，此外還有一些經(jīng)過審定的防汛靜態(tài)資料和防汛值班表，這些文件是開展防汛調(diào)度工作的依據(jù)文件，各級用戶在工作中經(jīng)常需要查閱，同時(shí)部分資料如防汛值班表、防汛組織結(jié)構(gòu)等每年隨著水電廠組織結(jié)構(gòu)的變化發(fā)生一些調(diào)整。因此，防汛指揮部分的功能需要支持用戶對防汛系統(tǒng)相關(guān)文件進(jìn)行歸類，并支持靈活調(diào)整或更新，需要將一些常見的文件格式如word或pdf直接通過網(wǎng)頁打開瀏覽。

2.2.2 水雨情信息監(jiān)視及查詢

水雨情信息的監(jiān)視及查詢是防汛決策支持系統(tǒng)的基本功能，該部分功能結(jié)合地理信息系統(tǒng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了信息顯示和信息定位功能，并支持用戶對一些關(guān)鍵水雨情信息設(shè)置特定的閾值，當(dāng)達(dá)到一定條件時(shí)進(jìn)行高亮度顯示及越限屏幕告警，以便快速定位，同時(shí)支持用戶進(jìn)行流域雨情的等值線面和雨強(qiáng)分析，水雨情信息查詢功能包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查詢和歷史數(shù)據(jù)查詢，查詢方式包括單點(diǎn)查詢及條件查詢。

2.2.3 防汛應(yīng)急預(yù)案管理

防汛應(yīng)急預(yù)案系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的條件，自動(dòng)啟動(dòng)數(shù)字化預(yù)案，開啟防汛設(shè)施，按計(jì)劃進(jìn)行搶險(xiǎn)救災(zāi)。主要功能包括應(yīng)急預(yù)案管理（查詢、增、刪、改）、信息監(jiān)視、信息預(yù)警、應(yīng)急預(yù)案啟動(dòng)等，系統(tǒng)將傳統(tǒng)基于文本的紙質(zhì)預(yù)案經(jīng)過數(shù)字化抽象，解決傳統(tǒng)紙質(zhì)預(yù)案的存儲、管理、升級和使用不便等問題，構(gòu)建一個(gè)包括所有已編及未編的防洪應(yīng)急預(yù)案相關(guān)信息的預(yù)案庫，實(shí)現(xiàn)預(yù)案的查找、統(tǒng)計(jì)和匯總。

依據(jù)已經(jīng)制定的重要防汛搶險(xiǎn)應(yīng)急預(yù)案的規(guī)定，在水雨情滿足各種應(yīng)急響應(yīng)條件時(shí)，立即自動(dòng)提示報(bào)警，并給出相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案響應(yīng)等級與響應(yīng)措施，當(dāng)給予相關(guān)需求條件時(shí)，能自動(dòng)從預(yù)案庫中組合出輔助決策、調(diào)度參考提示的處置方案。

2.2.4 防汛物質(zhì)及隊(duì)伍管理

為保障防汛搶險(xiǎn)工作的需要，水電廠防汛需要在靠近防汛搶險(xiǎn)地點(diǎn)附近合適的位置建設(shè)防汛物質(zhì)倉庫，有些電廠由于搶險(xiǎn)地點(diǎn)多、存儲的物質(zhì)種類繁多，通常需要建設(shè)多個(gè)防汛倉庫，倉庫中有些物質(zhì)還有存放的時(shí)效，如何對這些物質(zhì)的存放地點(diǎn)、庫存數(shù)量、有效期、出入庫情況等信息進(jìn)行管理，同時(shí)對低于一定數(shù)量的物質(zhì)進(jìn)行庫存告警是防汛物質(zhì)管理需要解決的問題，同時(shí)當(dāng)險(xiǎn)情發(fā)生時(shí)，根據(jù)險(xiǎn)情發(fā)生的位置及防汛物質(zhì)的需求，支持用戶以最短的路徑調(diào)撥防汛物質(zhì)。

防汛隊(duì)伍管理主要是根據(jù)防汛統(tǒng)一指揮、分級、分部門負(fù)責(zé)的原則，明確各級防汛機(jī)構(gòu)的職責(zé)，保證工作的連續(xù)性，做到及時(shí)反映本地區(qū)的防汛情況，果斷地執(zhí)行防汛搶險(xiǎn)調(diào)度指令。防汛隊(duì)伍管理是把洪水災(zāi)害的影響和損失減少到最低程度，奪取抗洪搶險(xiǎn)工作勝利的重要基礎(chǔ)和保障，防汛隊(duì)伍管理主要包括人員管理、隊(duì)伍位置管理、人員調(diào)配等功能。

2.2.5 水情拍報(bào)系統(tǒng)

白山水庫是具有一定洪水調(diào)節(jié)能力的水庫，其在松花江流域防汛體系中承擔(dān)了比較重要的任務(wù)，因此白山發(fā)電廠的水情報(bào)文拍發(fā)的可靠性及失效性要求比一般的水庫要求高，目前跟省水文局之間采用光纖通信，水情拍報(bào)采用報(bào)文自動(dòng)生成、定時(shí)拍發(fā)的機(jī)制。同時(shí)白山流域面積較大，雖然電廠自身建設(shè)了比較完備的水情測報(bào)站網(wǎng)，但流域內(nèi)水文部門設(shè)置的大量的報(bào)汛站點(diǎn)信息對于開展流域的汛情預(yù)報(bào)及與水情測報(bào)站網(wǎng)形成信息比對有比較重要的意義，因此防汛系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了自動(dòng)收報(bào)及譯報(bào)功能。

2.2.6 系統(tǒng)權(quán)限管理

由于防汛系統(tǒng)是一個(gè)分級的指揮系統(tǒng)，不同層級的人員在防汛工作中承擔(dān)了不同的任務(wù)，相應(yīng)地對于防汛系統(tǒng)中的各項(xiàng)信息或者決策信息的查閱權(quán)限也是分層級的，不同的用戶應(yīng)擁有不同的權(quán)限，部分頁面的訪問權(quán)限也會(huì)根據(jù)業(yè)務(wù)的需要授予不同的角色。系統(tǒng)權(quán)限管理主要通過用戶管理、用戶組管理、角色管理、功能管理等實(shí)現(xiàn)整個(gè)防汛決策支持系統(tǒng)的有序使用。

2.3 系統(tǒng)應(yīng)用

基于智能水電廠架構(gòu)的白山防汛決策支持系統(tǒng)建立在對白山發(fā)電廠水庫特性及防汛業(yè)務(wù)需求深度分析的基礎(chǔ)上，綜合應(yīng)用了水文、地理信息系統(tǒng)、管理決策等多個(gè)學(xué)科的知識進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)及軟件開發(fā)，系統(tǒng)于2012年8月完成設(shè)備采購、軟件聯(lián)合開發(fā)及應(yīng)用部署，期間經(jīng)過兩年多的試運(yùn)行，逐步與用戶習(xí)慣磨合、調(diào)整及業(yè)務(wù)應(yīng)用，于2014年9月完成最終的工程驗(yàn)收。

3 結(jié)論

隨著水電廠業(yè)務(wù)整合及信息共享程度的不斷提高，建設(shè)智能水電廠是自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢，防汛決策支持系統(tǒng)作為智能水電廠建設(shè)的重要專業(yè)應(yīng)用子系統(tǒng)，需要在智能水電廠的體系架構(gòu)下進(jìn)行統(tǒng)一的規(guī)劃和設(shè)計(jì)。

（1）針對白山發(fā)電廠的水庫特性和防汛業(yè)務(wù)需求，基于智能化水電廠基礎(chǔ)技術(shù)架構(gòu)的白山防汛決策支持系統(tǒng)很好地完成了水電廠防汛決策的相關(guān)業(yè)務(wù)，全面提升了防汛搶險(xiǎn)應(yīng)急指揮決策能力和效率，顯著提高了防汛指揮調(diào)度水平。

（2）防汛系統(tǒng)可以與地理信息技術(shù)更進(jìn)一步地結(jié)合，根據(jù)經(jīng)濟(jì)模型，實(shí)現(xiàn)災(zāi)情分析及洪澇災(zāi)害損失評估功能。

（3）防汛系統(tǒng)的建設(shè)與電廠的防汛業(yè)務(wù)流程、防汛指揮體系有比較緊密的聯(lián)系，與流程綁定越緊密，系統(tǒng)越實(shí)用。

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2017-02-25

2017-05-20

張金華（1976—），男，高級工程師，信息系統(tǒng)項(xiàng)目管理師，主要研究方向：智能水電廠研究及應(yīng)用，水調(diào)自動(dòng)化系統(tǒng)研究、設(shè)計(jì)、及應(yīng)用等。E-mail：zhangjinhua@sgepri.sgcc.com.cn

李繼功（1970—），男，高級工程師，主要研究方向，水庫調(diào)度及水電廠防汛。E-mail：lijigong@126.com

蔡 杰（1983—），男，工程師，主要研究方向，智能水電廠研究及開發(fā)，水電廠自動(dòng)化及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。E-mail：caijie@sgepri.sgcc.com.cn

Design and Realization for Baishan Flood Control Decision Support System Based on Smart Hydropower Plant

ZHANG Jinhua1，LI Jigong2，CAI Jie1
（1.State Grid Electric Power Research Institute，Nanjing 210003，China；2.Baishan hydropower plant，Jilin 132000，China）

In order to expand the information and application sharing of of Baishan hydropower plant，analysis the situation of flood control Correctly，and predict and forecast its development trend scientific，combined with the reservoir characteristics and flood control requirements of Baishan hydropower plant，the flood control decision support system of Baishan hydropower plant has been constructed on the foundation of smart hydropower plant unified planning，the system application effect proved that，which enhanced fully the decision-making ability and efficiency in flood control emergency command，and improved the flood control level significantly.

smart hydropower plant；flood control decision support system；design and realization of system

TK71

A學(xué)科代碼：570.6520

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.03.003