新一代水電廠群防汛調(diào)度決策支持系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用

舒凱 賴廣洪 馮永修 林廣洪 宗偉

關(guān)鍵詞：水電廠群;防汛調(diào)度;決策支持系統(tǒng);相似洪水分析;洪水預(yù)報(bào)

防汛調(diào)度決策系統(tǒng)具備水庫流域水雨情監(jiān)視、數(shù)據(jù)處理與計(jì)算、圖表展示、洪水預(yù)報(bào)及發(fā)電調(diào)度等功能，為水電廠水庫調(diào)度、防洪調(diào)度及發(fā)電調(diào)度等奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)，并在水電廠日常生產(chǎn)中發(fā)揮了積極作用。本文以廣東能源集團(tuán)防汛調(diào)度決策系統(tǒng)升級(jí)改造為例，說明新、老系統(tǒng)的改造思路、升級(jí)方案及實(shí)現(xiàn)方法。

1改造思路及目標(biāo)

近年來隨著云平臺(tái)、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)查詢等信息通信技術(shù)的快速發(fā)展，以及跨流域優(yōu)化調(diào)度研究的持續(xù)深入，水電廠群防汛調(diào)度決策支持系統(tǒng)改造的相關(guān)研究及應(yīng)用也得到了快速提升，總體上呈現(xiàn)如下趨勢(shì)及特點(diǎn)：

（1）硬件設(shè)備的性能快速提升，以交換機(jī)堆疊和服務(wù)器群集為代表的冗余技術(shù)大幅度提高了信息系統(tǒng)的可靠性;

（2）以云平臺(tái)、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)及移動(dòng)查詢?yōu)榇淼男畔⒓夹g(shù)被廣泛地引入系統(tǒng)建設(shè)中，大幅度提高了系統(tǒng)的伸縮性、可擴(kuò)展性及用戶生產(chǎn)信息獲取的便利性;

（3）信息系統(tǒng)的安全性提到了新的高度，從安全設(shè)備的投入、設(shè)備的國產(chǎn)化傾向到軟件的安全訪問控制要求，都有了相應(yīng)的規(guī)范要求;

（4）應(yīng)對(duì)持續(xù)增長(zhǎng)的決策能力和決策效率要求、人類活動(dòng)影響對(duì)徑流預(yù)測(cè)的影響、跨流域補(bǔ)償調(diào)度及與電網(wǎng)智能互動(dòng)的需求，緊密圍繞業(yè)務(wù)開發(fā)的應(yīng)用功能進(jìn)一步豐富。

針對(duì)舊系統(tǒng)存在的各種不足，并結(jié)合決策支持系統(tǒng)發(fā)展的技術(shù)動(dòng)向，擬定了“打好硬件基礎(chǔ)，重建系統(tǒng)架構(gòu)，豐富業(yè)務(wù)應(yīng)用”的系統(tǒng)改造思路。

2改造方案設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)建設(shè)目標(biāo)及擬定的改造思路，在重新構(gòu)建系統(tǒng)硬件基礎(chǔ)的前提下，按照“集中存儲(chǔ)、集中應(yīng)用、集中通信及分散使用”的原則調(diào)整系統(tǒng)整體架構(gòu)以提升系統(tǒng)的可靠性及解決主站和子站的數(shù)據(jù)一致性問題。各廠水調(diào)數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)應(yīng)用集中部署在主站，子站水情遙測(cè)數(shù)據(jù)同時(shí)向主站和子站系統(tǒng)發(fā)送，子站系統(tǒng)采集機(jī)組閘門數(shù)據(jù)的同時(shí)通過III區(qū)向主站系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)，上傳電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)的數(shù)據(jù)原則上通過主站系統(tǒng)上傳，但保留直調(diào)廠站與電網(wǎng)的連接，逐步統(tǒng)一主站與外部氣象及水文部門系統(tǒng)的通信，系統(tǒng)架構(gòu)及數(shù)據(jù)流如圖1所示。

2.2設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)

主站系統(tǒng)采用云平臺(tái)架構(gòu)，采用彈性可擴(kuò)展、負(fù)載均衡、按需自動(dòng)服務(wù)的虛擬化支撐環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)備用和負(fù)載均衡等特性，增強(qiáng)新系統(tǒng)的抗風(fēng)險(xiǎn)能力，子站系統(tǒng)主要部署于電站的生產(chǎn)非控制區(qū)，各項(xiàng)服務(wù)器采用國產(chǎn)服務(wù)器并采用RAID5磁盤冗余技術(shù)，根據(jù)電力監(jiān)控系統(tǒng)安全防護(hù)的相關(guān)要求，安裝部署了安全隔離、縱向加密、入侵檢測(cè)、安全審計(jì)、漏洞掃描等網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備，核心交換機(jī)采用堆疊技術(shù)以提高網(wǎng)絡(luò)層面冗余。各項(xiàng)服務(wù)器操作系統(tǒng)采用經(jīng)過國家安全認(rèn)證的凝思磐石安全操作系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫采用Oracle 12C中文企業(yè)版，并打上最新安全補(bǔ)丁，新系統(tǒng)包含以下五個(gè)部分建設(shè)內(nèi)容：

（1）廣東能源集團(tuán)主站建設(shè);

（2）九個(gè)水電廠廠站子站建設(shè);

（3）主站與廠站端通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè);

（4）主站端、廠站端系統(tǒng)對(duì)外通信接入處理;

（5）與其他系統(tǒng)之間和跨安全區(qū)的安全防護(hù)。

2.3系統(tǒng)功能

新系統(tǒng)根據(jù)業(yè)務(wù)需求在舊系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行了較大的擴(kuò)充和提升，功能涵蓋了從系統(tǒng)管理、信息監(jiān)視到?jīng)Q策支持方面的功能，系統(tǒng)功能架構(gòu)如圖2所示：

2.3.1系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理實(shí)現(xiàn)了信息采集、計(jì)算處理、系統(tǒng)維護(hù)及權(quán)限管理方面的功能，屬于新系統(tǒng)的支持體系功能，是新系統(tǒng)安全和管理方面的技術(shù)保障。

（1）權(quán)限管理。新系統(tǒng)在合理利用操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫安全功能的基礎(chǔ)上提升了管理精細(xì)化程度及靈活性，加強(qiáng)了各類信息資源的全面保護(hù)，有效防止未經(jīng)授權(quán)的誤操作引起的系統(tǒng)故障。

（2）系統(tǒng)維護(hù)。系統(tǒng)管理與維護(hù)軟件系統(tǒng)管理與維護(hù)包括設(shè)備監(jiān)視、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視、數(shù)據(jù)庫監(jiān)視、數(shù)據(jù)監(jiān)視、應(yīng)用軟件監(jiān)視以及預(yù)警監(jiān)視六方面的內(nèi)容。

（3）信息采集。數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)間的各類數(shù)據(jù)交換和通信，在水調(diào)管理后臺(tái)代理引擎的管理下，執(zhí)行管理中心的各種控制命令，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)網(wǎng)絡(luò)多個(gè)節(jié)點(diǎn)的互為備用，同時(shí)提供統(tǒng)一管理的日志信息功能。

（4）計(jì)算處理。計(jì)算處理包括數(shù)據(jù)資料自動(dòng)整編及水務(wù)計(jì)算功能，實(shí)現(xiàn)保障系統(tǒng)運(yùn)行自動(dòng)計(jì)算的需要。

2.3.2信息監(jiān)視

信息監(jiān)視是新系統(tǒng)的信息展示界面，實(shí)現(xiàn)各類信息的綜合展示及日常業(yè)務(wù)流程的處理，軟件要求美觀，符合專業(yè)習(xí)慣及流程貼近生產(chǎn)實(shí)際，主要功能如下：

（1）數(shù)據(jù)監(jiān)視與管理。數(shù)據(jù)監(jiān)視與管理模塊負(fù)責(zé)采集和處理計(jì)算數(shù)據(jù)的查看、分析、對(duì)比和報(bào)警等功能，提供流域和水電廠運(yùn)行的各類信息，數(shù)據(jù)監(jiān)視以表格和圖形的方式展示。

（2）GIS應(yīng)用。CIS應(yīng)用模塊負(fù)責(zé)對(duì)水庫流域有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、儲(chǔ)存、管理、運(yùn)算、分析、顯示和描述。

（3）Web應(yīng)用。水調(diào)Weh基于Internet/lntranet的B/S方式設(shè)計(jì)，提供HTML5方式的水調(diào)Web頁面，與能源集團(tuán)移動(dòng)辦公系統(tǒng)高度集成，具備數(shù)據(jù)查詢、信息發(fā)布、數(shù)據(jù)及狀態(tài)監(jiān)視、遠(yuǎn)程文檔管理、網(wǎng)頁鏈接等功能。

（4）調(diào)度值班管理。水庫調(diào)度值班管理是水調(diào)人員值班工作的基本應(yīng)用軟件。主要功能包括：值班員登錄、交接班管理、當(dāng)班記錄、日志管理等功能。

（5）三防調(diào)度會(huì)商管理。三防（防汛、防旱、防風(fēng)）模塊負(fù)責(zé)三防信息的上傳下達(dá)、三防值班、防汛調(diào)度視頻會(huì)商、三防文檔資料的錄入、查詢和信息檢索等功能。

2.3.3決策支持

決策支持功能為信息的應(yīng)用，是新系統(tǒng)建設(shè)的落腳點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)水庫來水、水庫調(diào)度、評(píng)價(jià)分析等功能，充分體現(xiàn)新系統(tǒng)的生產(chǎn)價(jià)值。

（1）水文預(yù)報(bào)。水文預(yù)報(bào)包括洪水預(yù)報(bào)和中長(zhǎng)期水文預(yù)報(bào)，對(duì)各種時(shí)間粒度的來水情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，為各項(xiàng)防洪和發(fā)電調(diào)度決策提供來水依據(jù)。

（2）水庫調(diào)度。水庫調(diào)度包括防洪調(diào)度和各種時(shí)間粒度的發(fā)電計(jì)劃，輔助用戶根據(jù)水雨工情、防汛部門控制要求及電網(wǎng)需求等因素應(yīng)用水量平衡原理及優(yōu)化調(diào)度方法而快速地生成水庫調(diào)度蓄泄方案，包括方案編制、模擬仿真及方案管理功能。

（3）經(jīng)濟(jì)運(yùn)行評(píng)價(jià)?？己酥笜?biāo)包括水情數(shù)據(jù)合格率、來水預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率、計(jì)劃報(bào)表合格率、調(diào)洪優(yōu)化增發(fā)電量、水能利用提高率、調(diào)峰棄水損失電量等16個(gè)指標(biāo)。

（4）相似洪水分析。相似洪水分析模塊采用統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行相似洪水的識(shí)別，挖掘流域歷史洪水?dāng)?shù)據(jù)，用于延長(zhǎng)洪水預(yù)報(bào)預(yù)見期。

（5）水文資料整編。水文資料整編模塊負(fù)責(zé)各廠站對(duì)水庫運(yùn)行情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析及資料匯編，具備自動(dòng)生成、校核、審批、報(bào)送、導(dǎo)出、打印等功能。

3關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1全新系統(tǒng)架構(gòu)

廣東能源集團(tuán)各電廠除了需要滿足自身生產(chǎn)的需要，同時(shí)還應(yīng)滿足南網(wǎng)總調(diào)、廣東電網(wǎng)對(duì)于直調(diào)水電廠數(shù)據(jù)上報(bào)的要求，增加了氣象局、梅州水文局、贛州水文局、東江局、主站SIS系統(tǒng)、應(yīng)急指揮系統(tǒng)、X3系統(tǒng)、微氣象站等多個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換;新系統(tǒng)主站系統(tǒng)的應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大給系統(tǒng)資源需求及安全性提出了新的要求，針對(duì)上述需求，提出了全新的架構(gòu)。

（1）開發(fā)了支持多協(xié)議的數(shù)據(jù)接口軟件，解決了原系統(tǒng)功能模塊分散與數(shù)據(jù)零散、數(shù)據(jù)不齊備、來源不統(tǒng)一等問題，緩解了值班人員的工作壓力;

（2）按照“集中存儲(chǔ)、集中應(yīng)用、集中通信及分散使用”的原則設(shè)計(jì)了全新的系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了一處維護(hù)，多處數(shù)據(jù)源一致的目標(biāo);

（3）主站系統(tǒng)軟件部署在私有云平臺(tái)上，一方面虛擬化后資源可以根據(jù)需要進(jìn)行隨時(shí)擴(kuò)充;另一方面虛機(jī)的數(shù)量可以擴(kuò)充，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的冗余和負(fù)載均衡。

3.2相似洪水分析

新系統(tǒng)根據(jù)暴雨指標(biāo)、初始指標(biāo)、洪水指標(biāo)、時(shí)間指標(biāo)、水庫指標(biāo)、雨洪關(guān)系指標(biāo)、形狀指標(biāo)等七大類指標(biāo)應(yīng)用聚類分析法、相似性搜索模型、灰色關(guān)聯(lián)度分析等系統(tǒng)工程方法，并結(jié)合水文產(chǎn)匯流規(guī)律對(duì)長(zhǎng)序列次洪資料進(jìn)行了歸類分析，有效地提升了相似洪水分析的效率，部分資料序列較長(zhǎng)的流域根據(jù)洪水特征值尋找到的歷史相似洪水之間確定性系數(shù)達(dá)到了0.9以上，加強(qiáng)了預(yù)報(bào)技術(shù)人員對(duì)流域產(chǎn)匯流特性和洪水演進(jìn)規(guī)律的認(rèn)識(shí)，提高了實(shí)時(shí)洪水作業(yè)預(yù)報(bào)工作中對(duì)洪水發(fā)展趨勢(shì)的預(yù)判水平。

3.3洪水預(yù)報(bào)

新系統(tǒng)主要采取如下措施提升作業(yè)預(yù)報(bào)精度，有效地提高了洪水預(yù)報(bào)預(yù)見期3 -6h，并提升了預(yù)報(bào)精度水平：

（1）根據(jù)流域調(diào)查資料進(jìn)行歷史資料還原，實(shí)現(xiàn)率參資料的一致性和準(zhǔn)確性;

（2）預(yù)報(bào)方案制作時(shí)采用DEM數(shù)據(jù)從地圖上進(jìn)行流域邊界、流域特征、單元面積等流域特征提取，基于數(shù)字高程和泰森多邊形技術(shù)進(jìn)行了合理的流域及單元?jiǎng)澐?，并采用Arc/info軟件進(jìn)行流域信息的提取、流域的劃分及單元面積統(tǒng)計(jì)更為準(zhǔn)確，更能反映流域的最新變化，編制的洪水預(yù)報(bào)方案更加合理;

（3）同時(shí)近些年隨著短期氣象降雨精度不斷提高，新系統(tǒng)將國家氣象局格點(diǎn)數(shù)值預(yù)報(bào)成果引入洪水作業(yè)預(yù)報(bào)中。

結(jié)語

新系統(tǒng)于2020年3月開始投運(yùn)，于2020年12月完成全部建設(shè)任務(wù)并通過現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收。

（1）新系統(tǒng)自投運(yùn)以來，運(yùn)行穩(wěn)定可靠、安全性提高、可維護(hù)性加強(qiáng);

（2）新系統(tǒng)遵循“集中存儲(chǔ)、集中應(yīng)用、集中通信及分散使用”的思路進(jìn)行部署，有效地解決了主站和子站的數(shù)據(jù)一致性問題，并具有較強(qiáng)的推廣應(yīng)用價(jià)值;

（3）新系統(tǒng)通過開發(fā)相似洪水分析、耦合氣象預(yù)報(bào)的洪水預(yù)報(bào)等軟件模塊，豐富了系統(tǒng)應(yīng)用功能，有效地應(yīng)對(duì)了下墊面條件變化對(duì)徑流預(yù)測(cè)精度影響的問題。