“都江堰渠首枢纽闸群智能联合调度系统”初探

2010-08-15冉毅

四川水力发电 2010年3期

冉毅

(四川省都江堰管理局,四川都江堰 611830)

1 都江堰信息化建设的背景

建于公元前 256年的都江堰水利枢纽工程历经两千多年的历史沧桑而经久不衰,至今仍在发挥着巨大效益,造福人民,成为古代水利工程中留存至今、永续利用的光辉典范。建立“都江堰渠首枢纽闸群智能联合调度系统”,实现都江堰渠首枢纽水资源的优化配置、优化调度和防洪调度的优化决策指挥,抓住了都江堰水资源管理的核心和龙头,对带动整个都江堰灌区水资源优化配置、优化调度方法的研究和实现具有重要意义。

2 渠首枢纽现状

都江堰渠首枢纽工程位于都江堰市城西,距成都市区 60 km。工程修建在岷江上游出山口与成都平原扇形的顶端,海拔 727 m,为全灌区的制高点。岷江水经渠首枢纽引入灌区,居高临下,设计灌溉成都平原及川中丘陵灌区农田 1 186.40万亩(1 hm2=15亩),终期将达到 1 500万亩。

都江堰渠首枢纽工程主要由鱼嘴、宝瓶口和飞沙堰三大主体工程和百丈堤、二王庙顺水埂等辅助工程组成。1949年以来,随着都江堰灌区的不断发展,在渠首枢纽原有工程基础上相继修建了外江闸、沙黑总河闸、飞沙堰工业拦水闸以及六大干渠分水节制闸等配套工程,与都江堰三大工程相互配合运行,更加充分合理地利用岷江水源,满足都江堰灌区工农业生产用水和城市生活用水不断增长的需要。目前灌区实灌面积已经达到了1 030万亩。

3 渠首枢纽信息化现状

1998年至今,根据都江堰灌区续建配套与节水改造规划实施项目安排,都江堰渠首先后完成了内江走马河等四大干渠首段(都江堰市城区段)2.983 km河道整治;内江仰天窝闸、蒲柏闸、走江闸、工业引水渠尾水闸、沟通道进、出口闸和相关三个干渠水文测站的更新改造。在灌区水利信息化建设中,渠首枢纽已完成了:(1)信息网络建设;(2)内江闸群自控及渠道枢纽图像监视系统;(3)渠首岷江来水、内江总干渠水量及六大干渠水位流量情况的实时采集;(4)渠首内江总干渠水质在线监测系统。外江闸群的自动化系统也基本建设完成。

以上系统的改造和建成,在一定程度上提高了工程安全运行和水资源的优化配置,但从当前的水资源调度要求看,整个渠首枢纽信息化系统的建设起点较低,出现了落后和反应慢的趋势,已不适应灌区工农业生产发展对水量调度的要求,急需对其进行技术更新、改造、完善。

4 系统技术路线

都江堰渠首枢纽由内江片区闸群和外江片区闸群组成,经过信息化第一阶段的建设,光纤网络已经覆盖了整个渠首范围,所有闸房都完成了自动化改造,依托基于 PLC的闸门自动控制系统和光纤网络,可以在管理站、渠首管理处调度分中心和管理局调度中心实现闸门的本地/集中/远程控制;在重点断面、分水闸房上下游等部位设置了信息采集装置,整个岷江上游来水和六大干渠水资源调配信息能够充分获取;建设了比较完善的视频监控系统,渠首外江片区与内江片区所有闸门启闭状况及部分闸房上下游河道堤防和水流的实时图像通过光纤网络可以传送至各级调度控制中心;基本实现了渠首枢纽信息数字化、传输网络化和部分调度自动化,从而为实施“都江堰渠首枢纽闸群智能联合调度系统”、构建渠首枢纽水资源优化配置、优化调度与防洪调度决策指挥系统提供了技术保障。

然而,水资源优化配置、优化调度是一个具有极高难度的研究课题,更何况都江堰渠首枢纽关联着六大干渠,供水范围涉及 37个县(市 /区)、6个地级市和一个特大中心城市,灌溉面积达上千万亩,担负着成都平原经济圈的生活用水、工业用水、农业用水和环保用水。如此复杂的多任务、多目标、强关联过程的协调优化,既有大量理论与方法层面的研究课题,又有若干技术与工程实施层面的问题,需要进行艰苦的理论创新与技术创新。

核心的困难是面对如此复杂的对象建模和问题求解。精确建立描述变量之间关系的数字模型几乎不具有可能性,因此,以数学模型为基础的解析优化方法遇到了根本的困难。然而,多少年来都江堰水利调度管理人员都在有效地进行(尽管不是最优化)灌区水资源的调配,这就为智能优化决策方法的实现提供了可能。

智能优化决策建立在人工智能、最优化理论、计算机科学与控制理论的研究成果之上,主要采用智能控制中专家控制的思想,通过充分获取并深入挖掘渠首水资源调度过程中“专家”的经验和方法,包括不同用水季节、不同来水情况下水资源调配过程的经验,建立知识库;把经验数据与水利学模型进行拟合和验证,经过反复分析、比较、论证,确定若干可以真正应用的水资源调配的决策规则并建立规则库;基于知识库和规则库开发不同情形下的水资源优化配置方案进行数字仿真,使之成为能够实施的具体调度算法;把各种算法结果分解为六大干渠各闸门启闭运行的具体调度指令,通过通信网络下达实施;随时监控并反馈调度结果,经验证认可后形成一套完整的调度规则和算法,初步建成渠首枢纽水资源优化调度智能决策系统。

5 系统目标及必经阶段

渠首闸群智能联合调度系统是一个很大的工程,不可能一蹴而就,必须分阶段逐步实施。我们根据实地调查、研究、分析以及与实际操作人员、相关管理人员进行沟通之后认为,可以将都江堰渠首闸群智能联合调度分为两个阶段。

5.1 第一阶段

(1)阶段内容。

①强化安全保障措施:创造内江闸群和外江闸群联合调度所需的基本条件。该内容主要包括水情基础设施的建设及改造,闸门控制设施改造,闸门控制保障设施等。

②建设闸门控制所需的若干基础模型及算法等:整合现有控制系统;建立联合调度所需的水文计算模型;开始模型的模拟运行与参数率定;建立来水/输水模型,即建立渠首主要干支渠的来水/输水模型,根据该模型,可以大致估算河水在渠道中流动的时间,为闸门调度提供时间依据;建立流量与闸门开启的关系;确定水文模型参数并优化;建立基于流量的调度模型。

(2)阶段目标。

该阶段的主要目标是通过建设、改造内外江闸群的基础设施,以及建立相关水文模型,为实现渠首智能调度提供稳定可靠、完善的基础平台,并建立起远控、集控、现地控的体系结构,实现闸门的自动化控制,同时,通过对相关水文模型的摸索与研究,建立起基于流量的调度模型,最终实现根据用户给定的流量进行内外江闸群水资源的联合调度。