梯級水電站智慧調(diào)度的建設(shè)淺析
——以三峽梯級水電站實時調(diào)度為例

龐樹森，張玉松，王 冕，段 萌

（三峽梯級調(diào)度通信中心，湖北 宜昌443100）

1 引言

2009 年，“智慧地球”（Smart Earth）這一概念問世。這一概念建立在IT技術(shù)及物理科學(xué)的發(fā)展上，通過云計算與計算機實現(xiàn)數(shù)字地球與人類社會和物理系統(tǒng)有機結(jié)合起來形成“物聯(lián)網(wǎng)”系統(tǒng)[1]。隨著科技的發(fā)展，人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算、未來仿真技術(shù)、VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)、遙測技術(shù)、通信技術(shù)等得到不斷的應(yīng)用，智慧城市[2-3]、智慧流域[4-5]等概念相繼提出并開始智能化建設(shè)。當(dāng)前，隨著梯級水電站的流域化、市場化、綜合化的不斷發(fā)展，趙云發(fā)等提出了具備智慧特征的梯級水電站調(diào)度業(yè)務(wù)新形態(tài)——智慧梯調(diào)[6]，智慧梯調(diào)將是未來梯級水電站運行管理的發(fā)展趨勢。而水電站智慧調(diào)度作為智慧梯調(diào)的一部分，智慧調(diào)度的研究和建設(shè)對流域梯級水電站調(diào)度運行管理具有重要意義。

水電站實時調(diào)度作為梯級水電站運行管理的重要組成部分，通過合理安排梯級水電站的運行方式和調(diào)整梯級水庫的水位及出庫流量，使梯級水電站及其接入的電網(wǎng)得到最大的經(jīng)濟效益。三峽—葛洲壩梯級水電站實時調(diào)度建立在長江流域統(tǒng)一調(diào)度的基礎(chǔ)上，基于防洪、航運、發(fā)電、水資源調(diào)度等為一體的調(diào)度模式下，發(fā)揮梯級水庫的綜合效益。本文從三峽—葛洲壩梯級水電站實時調(diào)度出發(fā)，分析智慧調(diào)度在運行調(diào)度上的應(yīng)用構(gòu)想，更好的為今后梯級水電站實時調(diào)度工作服務(wù)。

2 智慧調(diào)度需要具備“水電合一”調(diào)度能力的全能值班員

智慧調(diào)度的建設(shè)首先是人的建設(shè)，人是調(diào)度經(jīng)驗的集成者也是調(diào)度方案執(zhí)行的決策者，具備水電知識的全能值班員是智慧調(diào)度建設(shè)的關(guān)鍵因素。

當(dāng)前，三峽梯級水電站實時調(diào)度全面推進(jìn)“水電合一”調(diào)度管理模式，這一模式的優(yōu)勢在于培養(yǎng)一批既懂水又懂電、還熟悉電力市場交易的全能值班員，這類全能值班員既要有“水電合一”調(diào)度思維，又要有電力市場改革意識，還要有流域整體性的視野，由全能調(diào)度員組成的經(jīng)驗知識庫，可以有效地結(jié)合調(diào)度系統(tǒng)做出最優(yōu)調(diào)度決策。通過“水電合一”調(diào)度的推進(jìn)，三峽梯級調(diào)度實時調(diào)度能力將處于國內(nèi)實時調(diào)度領(lǐng)先水平。智慧調(diào)度要求下的全能值班員除了具備扎實的調(diào)度業(yè)務(wù)能力外，還需要提升應(yīng)急事故處理能力，建立良好的溝通和表達(dá)能力，熟悉自動化與通信技術(shù)，有較強的事前預(yù)測、事中控制和事后總結(jié)能力。

表1 全能值班員應(yīng)具備能力

3 智慧調(diào)度需要先進(jìn)的智慧調(diào)度系統(tǒng)

智慧調(diào)度系統(tǒng)是集“大數(shù)據(jù)、云計算、仿真技術(shù)”為一體的全部調(diào)度業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)。為探索三峽梯級水電站調(diào)度的新路徑，需要打造具備“狀態(tài)感知、實時分析、自主決策、學(xué)習(xí)提升”等功能的智慧調(diào)度系統(tǒng)。智慧調(diào)度系統(tǒng)的應(yīng)用一方面能夠減少調(diào)度人員實時調(diào)度壓力，為調(diào)度員提供準(zhǔn)確的調(diào)度決策信息，另一方面通過實時出力經(jīng)濟最優(yōu)控制，提高梯級水庫水能利用率，減少水庫棄水水量。智慧調(diào)度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 三峽梯級水電站智慧調(diào)度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1 調(diào)度決策支持系統(tǒng)

3.1.1 全流域梯級水庫調(diào)度自動化系統(tǒng)

三峽梯級水庫自動化系統(tǒng)是獲取長江流域梯級水電站實時運行信息的有效渠道，能為調(diào)度員提供實時水雨情、樞紐運行信息、氣象水文預(yù)報信息等，當(dāng)前三峽梯級調(diào)度自動化系統(tǒng)正在進(jìn)行升級改造，改造后的調(diào)度自動化系統(tǒng)將具備智能化、可視化、數(shù)字化的特點，為實時調(diào)度決策提供數(shù)據(jù)支持。隨著梯級業(yè)務(wù)的不斷延伸開展，需建立全流域梯級水庫調(diào)度系統(tǒng)，系統(tǒng)提供長江中上游及各支流水庫群調(diào)度所有信息。

3.1.2 實時監(jiān)控系統(tǒng)

實時監(jiān)控系統(tǒng)是調(diào)度員的眼睛，可實現(xiàn)實時、準(zhǔn)確、可靠的對各電廠及線路所有控制對象的安全監(jiān)視和控制。實時監(jiān)控系統(tǒng)以統(tǒng)一信息化為基礎(chǔ)，可與水庫調(diào)度自動化系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，具備實時數(shù)據(jù)采集顯示、調(diào)節(jié)與控制、安全運行及事故追憶等基本功能。

3.1.3 智慧調(diào)度決策系統(tǒng)

葛洲壩水庫是三峽水庫的航運反調(diào)節(jié)水庫，調(diào)節(jié)能力弱，三峽和葛洲壩水庫具備聯(lián)合調(diào)度控制的條件，三峽—葛洲壩智慧調(diào)度決策系統(tǒng)將通過設(shè)定調(diào)度控制策略，實現(xiàn)梯級水電站聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度，同時該系統(tǒng)能夠快速準(zhǔn)確地提供調(diào)度決策信息，保障電網(wǎng)系統(tǒng)及水庫調(diào)度安全，實現(xiàn)電站負(fù)荷實時經(jīng)濟最優(yōu)，實現(xiàn)調(diào)度決策從“自動化”到“智能化”的跨越。智慧調(diào)度系統(tǒng)包括模型決策支持系統(tǒng)和專家經(jīng)驗支持系統(tǒng)，結(jié)合模型與專家知識庫手段對決策進(jìn)行支持，利用模型與專家的定性與定量分析，通過綜合計算得到方案結(jié)果。決策系統(tǒng)還可根據(jù)三峽水庫蓄水期-消落期-汛期等不同時期的調(diào)度需求，提供長、中、短期調(diào)度方案。

3.1.4 調(diào)度實時控制及滾動預(yù)測系統(tǒng)

三峽及葛洲壩水庫調(diào)度難點就是控制樞紐上、下游水位以及葛洲壩水庫出庫流量。調(diào)度實時控制與滾動預(yù)測系統(tǒng)推演未來水庫調(diào)度運行的水位、流量、出力、泥沙變化過程，實時感知最新的水雨情信息變化、調(diào)度運行數(shù)據(jù)信息實時輸入喚醒系統(tǒng)滾動計算預(yù)測變化趨勢，對可能出現(xiàn)的調(diào)度風(fēng)險給出警示及相應(yīng)建議方案。通過與歷史庫典型調(diào)度案例對比分析，利用可視化技術(shù)實現(xiàn)畫面多樣化展示，實現(xiàn)信息共享與提取、實時處理與反饋相結(jié)合。

3.1.5 調(diào)度質(zhì)量后評價系統(tǒng)

調(diào)度質(zhì)量后評價系統(tǒng)結(jié)合梯級水電站智慧調(diào)度系統(tǒng)在實時性、穩(wěn)定性、安全性等方面的要求，設(shè)計適用于水電站實時調(diào)度質(zhì)量評價平臺及評價方法，結(jié)合人工干預(yù)，減少質(zhì)量評價的主觀性，提高實時調(diào)度評價質(zhì)量，為梯級水電站調(diào)度運行的安全穩(wěn)定和可靠運行提供反饋信息。三峽—葛洲壩梯級水電站調(diào)度質(zhì)量后評價系統(tǒng)依據(jù)確定的評價目標(biāo)和約束條件，以調(diào)度水位控制、發(fā)電計劃修改、設(shè)備檢修控制以及電網(wǎng)系統(tǒng)安全為主要評價因子，根據(jù)實際運行資料，對調(diào)度全過程進(jìn)行綜合評價。此外還需要建立調(diào)度風(fēng)險管理模型，量化風(fēng)險評估，評價調(diào)度過程風(fēng)險因素，提高實時調(diào)度風(fēng)險管控能力。

3.2 調(diào)度輔助系統(tǒng)

3.2.1 報警和預(yù)警系統(tǒng)

由于三峽—葛洲壩水庫調(diào)度的復(fù)雜性，特別是葛洲壩水庫調(diào)度對水位控制要求的精度高，同時兩壩區(qū)間來水隨機性和電網(wǎng)負(fù)荷需求的不確定性，導(dǎo)致水電站實際運行與計劃時常出現(xiàn)偏差。所以必須建設(shè)報警及預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)可在水庫水位運行出現(xiàn)偏差及水位預(yù)測將會超過限定或設(shè)定值時及時通過短信、語音、圖像、網(wǎng)絡(luò)媒介等反饋給調(diào)度員。報警和預(yù)警系統(tǒng)將為預(yù)防調(diào)度事故和水庫無故棄水贏得寶貴時間，其中報警限制和預(yù)警時間都可以根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)置。

3.2.2 生產(chǎn)信息發(fā)布及報送系統(tǒng)

調(diào)度報表和電力生產(chǎn)信息的傳輸和發(fā)布需要建立一套完整的生產(chǎn)信息發(fā)布及報送系統(tǒng)，該系統(tǒng)可按照既定模板實時提取生產(chǎn)信息，向指定群組或人員發(fā)送短信息、郵件和傳真。同時該系統(tǒng)與上述其他系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和系統(tǒng)集成，可直接在其他系統(tǒng)上進(jìn)行信息配置并發(fā)布。

3.2.3 自動化通信輔助系統(tǒng)

自動化通信輔助系統(tǒng)包括發(fā)電計劃下發(fā)系統(tǒng)、樞紐信息及生產(chǎn)信息展示平臺、電力生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)交換平臺系統(tǒng)。智能化的自動化通信輔助系統(tǒng)是調(diào)度決策系統(tǒng)的重要補充，是完成調(diào)度任務(wù)的重要輔助工具。

3.2.4 調(diào)度會商平臺

調(diào)度會商是為調(diào)度關(guān)鍵期提供全方位決策支持的會議機制，三峽水庫調(diào)度會商根據(jù)三峽水庫在防洪、發(fā)電、航運等調(diào)度關(guān)鍵時期提供水雨情預(yù)報會商、航運協(xié)調(diào)會商、實時調(diào)度會商等機制。水電站科學(xué)運行必須建立完善的調(diào)度會商機制，為綜合上下游梯級水庫調(diào)度目標(biāo)和水雨情調(diào)度實況，提供調(diào)度最優(yōu)決策。

4 面向電力市場的水電站智慧優(yōu)化調(diào)度

電力市場的改革不斷深化，水電站逐步參與電力市場交易，梯級水電站在電力市場環(huán)境下構(gòu)建符合電網(wǎng)系統(tǒng)運行規(guī)律、水庫調(diào)度規(guī)則，并遵循電力市場交易的嶄新模式，使梯級水電站發(fā)電量最優(yōu)，是智慧調(diào)度研究的一個新方向。三峽梯級水電站智慧調(diào)度建設(shè)需要兼顧電力市場交易所帶來的水庫調(diào)度風(fēng)險因素，將三峽及葛洲壩水庫調(diào)度目標(biāo)和水位控制要求與電力市場下經(jīng)濟效益最大化相結(jié)合，建立復(fù)雜調(diào)度條件下，集防洪調(diào)度、航運調(diào)度、生態(tài)調(diào)度、應(yīng)急調(diào)度和電力市場下的電力調(diào)度于一體的調(diào)度模型，達(dá)到水資源優(yōu)化配置的目的。此外應(yīng)強化流域水情、市場供需形勢和市場電價等方面預(yù)測工作，加大業(yè)務(wù)研究深度，建立相互協(xié)調(diào)、補償機制，更好地服務(wù)于智慧調(diào)度決策，提高調(diào)度決策的科學(xué)性。

5 總結(jié)

智慧調(diào)度建設(shè)是實現(xiàn)水電站現(xiàn)代化管理的趨勢。智能決策系統(tǒng)和智能輔助系統(tǒng)的搭建，將提高水電站調(diào)度管理水平，優(yōu)化調(diào)度方式和實時調(diào)度工作流程，協(xié)調(diào)調(diào)度目標(biāo)和任務(wù)，增加發(fā)電效益，從而提高企業(yè)核心競爭力。

本文依據(jù)三峽—葛洲壩梯級水電站調(diào)度及智慧梯調(diào)建設(shè)現(xiàn)狀，并結(jié)合電力市場改革的發(fā)展探討智慧調(diào)度建設(shè)的思路。提出智慧梯調(diào)的建設(shè)首先是人的建設(shè)，需要培訓(xùn)技術(shù)能力強的全能調(diào)度員，其次需要智能調(diào)度支持系統(tǒng)，為實時調(diào)度提供信息、決策服務(wù)。