梯级水电厂水调自动化系统建设与应用

张士军,方有清,金亚兰

(浙江华电乌溪江水力发电厂,浙江衢州324005)

1 背景

随着电力体制的改革深化，我国将形成激励清洁电源发展的新机制，水电作为清洁、廉价、可再生的绿色环保能源，越来越得到社会的高度重视。本厂作为梯级水电厂，如何发挥其水库的调节能力，适应电力市场的运营机制，是我们关注和亟需解决的课题。实现水电站水库及发电调度自动化，开发实用型高级应用软件，建立水调自动化系统(简称水调系统)，确保电厂、电网安全、稳定、优质、经济运行，对于提高科学管理水平,提高水电厂的水能利用率，增加发电效益，无疑具有重大的现实意义。

水调系统是电网调度自动化的一个重要组成部分，主要进行与水库运行有关的监视、预报、调度和管理。该系统基于对历史资料的收集整理，通过实时水文、气象和水库运行信息的自动采集，利用数据库管理技术，进行在线水文预报、调洪演算、优化调度和水务综合管理等，提供满足防洪、发电及其他综合利用要求的水库调度决策方案，同时支持水电厂和电网的经济调度。目前，华东电网以及浙江省电网已经完成网内的水调系统建设，我厂作为浙江电网的主力调峰电厂，势必需要进行相应的项目建设。

2 系统建设概述

浙江华电乌溪江水力发电厂位于浙西地区乌溪江流域，与福建仙霞岭相接壤，集水面积2151km2，水库总库容20.6亿m3，是衢江上游的重点防洪水库，在兰江以及钱塘江上的防洪地位非常显著,其中湖南镇水库为多年调节水库，黄坛口水库为季调节水库，以发电为主，具有防洪、灌溉、滞洪、错峰多种功能，是浙江省主力调峰电厂，为浙江省电网起到黑启动、守口子的作用。我厂的水情自动测报系统(简称水情系统)建设于20世纪80年代初期，由2个中心站、3个中继站、2个水文站、2个水位站和8个雨量站组成，在2001年通过了实用化验收，是华电第一家，全国第三家通过实用化验收的单位。为了进一步提高水库调度自动化程度，挖掘历史数据和实时数据在水库调度中的作用，2007年建成了水调系统，成为省电网水调自动化的一个子系统，实现了整个浙江省大型水库的联合调度运行。

3 系统的建设目标

湖南镇水库坝高129m，运行水头在75m～110m之间，三台5万kW机组与一台4.25万kW机组在正常水位时发电单耗在3.75m3～5.85m3之间，1台12万kW机组的单耗也仅4.05m3～6.32m3，而乌溪江流域降水汇流时间一般在3 h～6h，由于水库水位调节范围大，机组单耗控制对企业发电效益起着非常重要的作用,如何利用新技术，实现乌溪江水库的经济运行是建设水调系统的出发点，因此，通过对水情系统和监控数据的挖掘，依托省电网统一的水调自动化平台，结合电网的发电调度计划，在完成顶峰、守口子同时，科学分配每台机组出力，为企业提供实时的、有效的发电调度决策，以实现洪水到来前早发电，洪水过后有效地控制发电水位，确保水库能长时间在最佳水位运行，以更好地发挥企业社会效益和企业经济效益。

4 系统的功能建设

根据我厂水库的调节性能以及上下两座电站7台机组在电网中的调峰能力，结合省电网统一水调自动化建设的总体要求，我厂梯级水调系统主要功能有数据采集、数据处理、数据库管理、人机联系、实时监视和报警、信息发布、数据传输、系统及网络管理维护、安全防护、水务计算等，并依据电厂水库情况，开发了洪水预报、中短期发电调度以及防洪调度功能，另外与省调系统实现互联。

4.1 数据采集、处理

通过对水情自动测报系统、计算机实时监控系统(简称监控系统)、闸门启闭等系统各种来源、不同类型的数据进行在线实时采集，根据不同的应用需求对采集到的数据进行合理性校验，经过连续性、范围控制等正确性分析，按时间积分、平均等方法将时间上无序的实时数据计算成指定时间间隔的数据，依据应用要求进行自动加工处理，并进行各类综合计算和处理，生成各种水调计算结果数据，分类存入水调数据库供其他软件分析和再加工使用。对超过预先设定的报警限值的数据和异常或故障，立刻通过局域网发出报警信息及拨通值班手机或相关电话以语音方式自动通知有关运行人员。

4.2 数据管理与通信

水调系统是一种历史数据和实时数据并存的系统，为了确保系统存储管理长时间的历史数据的安全，可靠地提供实时的系统数据，要求系统具有良好的开放性，同时又要有很好的安全性，电厂选用Oracle数据库作为系统支持。

水调系统通过安全Ⅱ区的局域网与浙江省电网水调系统互联，进行数据通信；与监控系统、电能量计量系统等通过厂内局域网交换信息；与MIS、Web浏览服务系统的通信通过安全隔离装置实现。

水调系统实时数据通信软件采用TCP/IP协议，以客户/服务器方式工作,应用层协议遵照《电力系统实时数据通信应用层协议DL47692在水调系统中的应用》标准。数据通信子系统由通信客户端和通信服务端两个部分组成，其中通信客户端在水调分中心通信服务器上运行，通信服务端在水调中心通信服务器上运行。

4.3 网络数据服务

所有的数据存取均通过网络数据服务系统完成，确保数据库系统安全的同时，合理优化数据存取，提高数据库访问效率。其中的数据接口模块，负责所有的数据输入/输出，各种应用系统仅面向具体的应用，无需考虑数据来源。

4.4 人机界面

系统中的人机界面提供丰富多彩的监视、查询和分析画面，图形界面既可展示实时动态数据、图形，又可对历史数据进行综合分析比较以图形、列表显示。我厂水调系统人机界面子系统主要包括图形支持、报表支持、人机界面编辑。

4.5 网络安全隔离

根据国家经贸委30号令《电网和电厂计算机监控系统及调度数据网络安全防护规定》及《电力二次系统安全防护框架》等相关文件规定和要求，电厂实时监控系统处于安全Ⅰ区，水调系统内网处于安全Ⅱ区，水调系统外网(Web浏览服务器及水调外网数据库)、MIS系统等处于安全Ⅲ区，安全Ⅰ区与安全Ⅱ区的系统之间通信经过防火墙，安全Ⅰ区和安全Ⅱ区的系统与位于安全Ⅲ区的通信则通过物理隔离装置实施安全隔离。

4.6 Web浏览服务

我厂水调系统Web浏览服务软件运行在专用的水调Web浏览服务器上，置于安全Ⅲ区,采用符合国际标准最新版本的Web软件，确保水调系统有关信息的发布，供其他用户浏览查询，同时又能阻止来自外界的各种非法入侵，防止各种非法攻击。为保证系统的安全，水调外网Web服务器上构建了与水调内网同步更新的实时/历史数据库的副本。

4.7 水务计算

乌溪江水库水调系统水务计算软件完全动态配置计算方法，软件由三个部分组成:计算流程定义模块、在线运行模块、算法库。

计算流程定义是实现水务计算自动化的重要部分，通过它定义各个电站的水量平衡计算中参加计算的要素、资料、处理方法及流程，形成计算文件。

在线计算模块根据编辑得到的计算文件，调用算法模型库中的相关函数，进行水务计算，在线计算模块中不但提供自动计算功能而且提供手工计算及修改等功能。

算法库是实现各种计算的重要部件，它包含出入库平衡计算框架模型、发电流量计算函数库、泄洪流量计算函数库、其他类型计算函数库四个部分。

4.8 水库调度决策系统

乌溪江水库调度决策系统主要由湖南镇水库以上控制流域洪水预报、湖南镇水电站～黄坛口水电站区间洪水预报、梯级水库调度(防洪调度、发电调度)组成。

a)洪水预报

湖南镇水库流域相对较小，洪水预见期相对较短，因此进行准确的短期洪水预报非常有必要，有助于水调人员准确掌握未来的来水情况，从而采取合理的调度措施。同时由于湖南镇水库属于不完全多年调节，调节性能较大，根据流域的长期来水情况计划水库的长期运行，非常有意义,因此，我厂水调高级应用中进行了短期洪水预报和长期水文预报以及湖南镇水电站和黄坛口水电站之间的区间洪水预报方案的编制。乌溪江流域短期洪水预报采用数字流域水文模型进行预报；长期水文预报采取系统分析法加气象预报的方法。

b)梯级水库调度

乌溪江水库调度分为防洪调度和发电调度，其中防洪调度是在满足灌溉、供水等综合利用基础上，确保大坝防洪渡汛安全，产生的是社会效益；发电调度则是在确保灌溉、供水、防洪的基础上，提高机组发电效益，产生的是经济效益。湖南镇水库的防洪控制点为下游，由于下游的黄坛口水库调节能力较弱，因此防洪度汛的安全主要通过湖南镇水库结合湖南镇水电站～黄坛口水电站区间来水、黄坛口水电站进行错峰补偿调度。根据流域情况和洪水特性可选择如调度规程、水位控制模式、出库控制模式、预报预泄控制模式、闸门控制模式中的任何一种进行洪水调度。

湖南镇水电站水调的发电调度分为短期优化发电调度、中长期发电调度。以月、旬为时段，以梯级发电量最大为目标采用确定性优化编制厂未来一年(可人工设定)的长期优化发电计划，以满足生产实际对长期计划制定要求，为尽量避免水库弃水或蓄水过低造成单位水能损失提供科学依据，以此可指导水库的中短期运行；以15min或1h为时段，以梯级发电收益最大为目标，制定各电站的次日计划运行方式。由于考虑的是短期运行，在计算中考虑了两水库的调节性能问题，对于梯级电站带来的联合计算复杂性问题，采用从上游到下游逐步逼近优化的方法进行求解。

5 应用情况

我厂水调系统建成后，作为浙江电网水调系统的一个组成部分，实时、准确、有效地传递乌溪江水库的水情数据、水务信息、实时洪水预报、降水(或径流)中长期预报、水库调度、机组信息，同时为电厂实时提供每小时的水量平衡数据、水文预报数据，并能针对上级调度计划编制本企业短期优化发电调度、中长期发电调度计划。系统在2008年主汛期的运行中，各项指标满足了企业运行要求，系统可靠性、水文预报准确率达到考核要求，由于系统具备了水调的辅助决策功能，极大提高了企业水库调度的自动化水平，特别是对相关实时系统信息处理,实时的水务计算，短、中、长期水文预报以及水库调度的计算效率得到明显提高，为一厂、三地、三厂房企业运管模式提供了便捷、可靠的水调系统平台。在实际应用中表现如下几个特点:

(1)系统结构合理、运行灵活

根据企业信息化建设的总体构架，水调系统数据库服务器、应用服务器、Web服务器、系统维护工作站集中部署在信息中心机房，统一管理、业务管理和系统管理职责清晰，运行、管理灵活。所有实时计算、通信服务都在应用服务器上进行，数据存储、应用、信息发布分离，同时在功能配置上，不仅包含了日常水务计算、资料整编、水文预报，还把调度、计划等会商功能整合在一起，系统结构、功能划分一目了然，并通过告警模块在线监测系统的软硬件设备，对运行数据越限情况、数据传输情况、网络通道情况、关键进程运行情况，有一整套确保系统安全、稳定运行的技术保障机制，系统稳定性好。

(2)纠错能力强，操作方便

实时数据在通信、传输过程中往往受到外界因素干扰产生异常数据，而不正确的数据直接影响在线计算的结果，为了确保平台提供的信息有效、可信，系统对水情、机组、闸门数据能进行合理性检查和纠错，对有效数据分类存入数据库供其他软件分析和再加工使用。当出现异常时，可以通过人机操作界面，进行数据修正和补充，并能实现业务重算。

(3)核心业务贴近用户需求，有实用价值

a)水文资料整编力求准确细致

乌溪江梯级电站已有近30年的历史，其中湖南镇电站二十世纪七十年代末完成一期工程，设有引水式机组四台，九十年代完成二期工程，设坝后机组一台，电厂经历两轮扩容增容改造，现湖黄机组共有水轮机型式4种、尾水断面3个、引水系统4个，并具有单管单机型式、一管多机型式以及坝后引水方式等，水文计算十分复杂。为解决计算准确性问题，我们从水轮机、发电机效率入手，利用各引水系统水力学模型试验结果，直接运用出力公式作实时闭合计算，收到良好效果，湖黄梯级坝址断面的水文计算结果，无论从梯级之间的平衡比对，还是与历史资料的连续性分析，计算误差均小于1%，完全符合水文资料整编规范，为梯级水库的优化调度与机组运行优化组合提供了良好的资料基础。

b)洪水预报模型适合乌溪江流域产汇流特征

乌溪江流域地处浙西山区，小水电建设遍地开花，小水电总集雨面积占湖南镇坝址以上集雨面积的64.4%，其中具有季调节性能以上的小水库集雨面积占14.7%。根据这一情况，我们在水情测报系统中增设了碧龙、周公源水库的水位测点，在使用三层蒸散发模型的基础上，将小水库流域面积上的标准土壤蓄满改为水库蓄满，对碧龙、周公源水库作独立的洪水预报，最后以流量演算的方式作整合，这样不仅可提高洪水预报的精度，还可以及时了解各小水库的蓄水动态，利用小水库的调蓄优势，一定程度上减轻我厂的调洪压力，同时最大程度地提高流域的水量利用，增加我厂的发电效益，如调蓄成功，最大一次可多获水量2600万m3，折合电量约835万kW·h。

c)将中短期水库优化调度与长期计划调度结合起来

以年度调度为例，我们将其分为三个时期作计算:前期实际运行情况统计、优化时段的优化调度计算(以电量最大为原则)、后期的发电调度展望评估(以经验频率计算为基础)，通过对三个时期的分析计算，再以人机交互与仿真计算，确定最佳运行方案与可能完成的电量目标，来指导生产与经营，合理安排检修计划，适时与浙江省电力调度中心联系，取得调度方案的实施。近年来，虽然乌溪江流域进入了建库以来典型的枯水年段，但水能利用情况仍保持良好势头，水能利用提高率均为5.5%以上，全厂计划调度也更趋合理。总之，在核心业务开发上，通过反复对历史数据的演算和计算模型的优化，目前系统业务模块提供的信息，通过了实际的运作考验，可以作为领导和生产部门决策的依据。

6 结束语

水调系统的实施，为乌溪江水电厂提供实时准确的乌溪江流域雨水情的同时，也为乌溪江流域水库防洪和发电调度工作提供了强有力的技术保证。目前浙江省电网水库调度自动化给全省大中型水电厂提供了统一的平台，具备了在满足电网负荷要求的条件下，运用水库的调蓄能力，将水电、火电调度有机地结合，为水电厂多发电、少弃水，火电厂煤耗降低创造了条件，实现了根据各流域或水系的水情自动测报系统提供的雨水情信息和中长期预报的来水，优化调度，使电网、电厂效率最大化的目的。