汉江梯级水库调度系统改造设计及应用

张 金 华1,曾 凡 林,舒 凯1,王 伟

(1.国网电力科学研究院有限公司/南瑞集团有限公司，江苏 南京 211003； 2.汉江水利水电(集团)有限责任公司，湖北 武汉 430048)

1 研究背景

汉江梯级水库是以丹江口水库为核心的水利枢纽，包含了分布于汉江干流和支流堵河上的丹江、王甫洲、潘口、小漩、孤山(在建)等多座水电站，共同组成梯级水库(水电站)群。其中，丹江口水利枢纽是治理开发汉江的关键性工程，也是南水北调中线水源工程[1]，以防洪、供水为主，同时还有发电、航运、生态等综合利用要求。汉江梯级水库在保障供水、汉江流域防洪及改善湖北电网的能源结构方面发挥了不可替代的重要作用[2]。

汉江梯级水调系统承担了包括水雨情信息采集、计算处理、信息展示、业务报送、水文预报、调度计划编制和业务管理等与水库调度运行相关的工作，是实现梯级水库自动化管理和精细化调度的技术支撑。水库调度系统与包括气象部门、水文部门、防汛部门、湖北电网、各个电站在内的多个单位的相关系统进行数据交换，是一个融合了计算机、网络通信、自动化、水文水资源等多个专业领域技术的综合自动化系统。为了满足业务应用需要，前期汉江集团采取自主研发、与厂商部分合作等多种方式分期分批开发了多套水调软件，这些软件在一定时期内为提升水库调度自动化水平和提升水库调度决策效率发挥了积极作用。但是，由于参与建设厂家众多，存在功能缺少统一规划、功能覆盖面不够、功能集成度不高、部分关键数据来源复杂且不统一等诸多不足[3]。

近年来，水库调度系统技术发展总体上呈现出如下趋势及特点。

(1) 系统功能集成度得到了稳步提升,比如长江防洪决策支持系统、鳌江流域洪水预报调度决策支持系统、三峡梯级水库调度系统[4-6]；

(2) 改造设计及平滑过渡方案日渐完善，比如柘林水调系统、丰满水调系统[7-9]；

(3) 系统软件架构由单纯的C/S转向B/S和C/S混合架构，同时支持跨平台[10-12]；

(4) 以智能化为导向的智能水电厂相关技术由概念逐步走向成熟应用[13-15]；

(5) 基于系统平台上的水库调度专业应用得到持续深化[16]；

(6) 以云平台和大数据为代表的IT新技术逐步被引入到水库调度系统应用中[17]；

(7) 对网络信息安全的重视程度大幅提高[18-19],并对水利信息化发展水平形成了完整的评价指标体系[20]。

打造农产品物流平台。在天津食品集团的大力扶持下，搭建实体贸易链和网上贸易平台。建设总库容为4万吨的平房仓库，发展大宗农产品物流。将集团和国内的优质产品打入保加利亚及欧洲国家，将保加利亚及欧洲特色农产品引入中国，依托京津冀协同发展的广阔市场，积极发展中保双边贸易。

鉴于汉江梯级水库调度系统在长期运行中，暴露出稳定性和可靠性不足、系统运行维护难度日益增大等缺陷，已不能满足水利部提出的“水利工程补短板、水利行业强监管”的要求；同时，考虑到水库调度系统在水库调度工作中的重要性，因此有必要在新的技术条件下对汉江梯级水库原水库调度系统进行设计及改造。

2 系统设计

汉江梯级水库水库调度系统建设是一个复杂的信息化项目，具有接入数据类型差异大、接口方式复杂、外部联系多、功能涵盖面广、可靠性要求高等特点。系统建成后，将为汉江集团水库调度工作精细化管理与科学调度决策提供必不可少的技术支撑和平台保障。

2.1 网络结构

计算机设备及网络是水库调度系统的物理基础，根据业务应用需求，汉江梯级水库水库调度系统基于私有云平台架构，分为丹江口主中心和武汉备中心，在两地分别部署了一套超融合一体机。根据业务的需求虚化出多台应用服务器，成为承载水库调度系统业务运行的主体，丹江口和武汉之间通过光纤进行衔接，系统安全防护所需的防火墙和安全隔离装置部署于区域边界，工作站区域划分了独立的VLAN，与丹江口和武汉相应服务器区域通过网络设备相互可达；王甫洲和小漩集控作为现地数据采集节点，通过广域网与丹江口主中心和武汉备中心连接。原系统中的王甫洲、丹江口和小漩集控为独立的分系统，新系统的网络架构为实现业务流及系统功能的整合奠定了良好的基础。网络结构如图1所示。

2.2 数据流程

根据系统运行的需要及系统安全防护要求[21]，水库调度系统需要采取不同的形式，分别采取不同的接口方式接入各种类型的水雨工情数据，最后汇总至安全III区进行各种计算处理；计算成果通过反向隔离传输至安全II区，最后向省调传输上报相应成果。因此，系统的数据流控制需要进行双向控制。数据流控制如图2所示。

3 功能设计

3.1 功能架构

根据汉江梯级水库水库调度业务需求，总体而言，可以将系统从功能架构上分为信息采集、计算处理及后台服务、信息展示及值班管理、外部联系及决策支持等五大部分。各部分功能存在较强的依存关系：信息采集是系统运行的基础，计算处理及后台服务为水库调度系统的支撑，信息展示及值班管理为业务应用主体，外部联系为信息发布及上报的核心，决策支持是实现水库精细化调度目标的保障。系统功能结构如图3所示。

图1 水库调度系统网络结构Fig.1 Network structure of reservoir scheduling system

图2 水库调度系统数据流程示意Fig.2 Data flow of reservoir scheduling system

图3 系统功能架构示意Fig.3 Function structure of reservoir scheduling system

3.2 信息采集

信息采集的范围包括遥测信息采集、水情报文信息采集、电站机组及闸门信息采集、电网水库调度系统转发的上游水库信息和气象信息采集。其中，遥测信息采集的范围包括库周水雨情遥测站、气象信息遥测站及水资源站，信息采集的主信道为GPRS，部分站点采用北斗作为备用信道。由于遥测站采用了不同厂家及不同批次的遥测设备，遥测站与中心站之间的通信协议均不相同，因此，为了方便管理和维护，采用了多信道多协议水雨情信息采集平台软件进行接入；为了提高信息采集冗余程度，在水库调度系统III区从丹江和武汉同步采集进入系统，随后存储到丹江主数据库。

水情报文信息采集包括从长江水利委员会水文局、汉江水文局、十堰水文局通过水情报文交换系统获取的汉江流域内的各个报汛雨量站、报汛水文站、报汛水库站及河道闸站的水位、雨量及流量信息。接入的方式采取数据库存储过程开发的各项触发器，进行点号转换后进入水库调度系统以完成各项计算处理。

电网转发的信息采集的范围包括流域内龙背湾、三里坪等在内一些电站的库水位、入库等主要流量信息。这些电站与汉江没有直接的通信通道，但是其水库的蓄泄对汉江的水文预报及水库调度具有比较重要的影响，通过电网转发是一种比较节省投资的接入方式。

气象信息采集包括从国家气象局、国家气候中心、地方气象局所获取的长期气象预报信息及短期的气象格点降雨信息的数据。这些信息是提高水文预报精度的重要支撑数据。

3.3 计算处理及后台服务

计算处理及后台服务是水库调度系统各项业务运行的核心，计算处理包括实时计算、时段数据整编、水量平衡计算、各项累计电量及各项累计供水量计算，计算算法根据汉江水库调度业务需求进行设计，计算成果作为信息上报及各种界面展示的数据来源。后台服务包括数据库访问中间件、短信服务、报警服务、安全隔离传输、进程及服务器资源管理，是水库调度系统信息发布、水库调度系统各项功能的后台支撑。

3.4 信息展示及值班管理

信息展示及值班管理是水库调度系统的人机界面接口，信息展示包括各项根据汉江水库调度业务信息展示需要的图形画面、报表及查询页面，功能包括C/S客户端、水调Web及微信小程序查询，其中大屏展示画面为综合信息界面，展示包括汉江集团的供水、防洪及发电信息。值班管理是根据汉江水调值班业务应用需求而定制开发值班、排班、数据维护、报文补传、项目管理等功能。

3.5 外部联系

汉江梯级水库的水库调度系统跟外部的联系主要包括向长江委防汛系统报送丹江口水库和潘口水库的各项报文，向湖北省电力公司上传各项电站运行数据，同时，以Web service对外提供通用第三方数据访问接口。

3.6 决策支持

决策支持是水库调度系统的高级应用部分，包括水文预报、防洪调度、发电调度、精度评定及分析、效益考核与评估等功能，属于水库调度系统的决策分析功能，是提升水库调度决策水平及实现水库精细化调度的重要模块。

4 系统设计难点

汉江水库调度系统属于复杂的大型水库调度系统，系统设计及工程建设的难点主要体现在信息的接入、数据流的控制及洪水预报等几个方面。

(1)汉江水库调度系统接入的信息种类繁多，各个数据源所具备的接口技术条件参差不齐，信息接入必须因地制宜合理地采取接入技术手段，同时还需要考虑数据源短时间中断后的恢复问题。

(2)原系统由于是分系统，分别处于不同的安全区域独立运行，新系统整合后需要考虑不同接入数据源的安全防护问题，整个系统的接入总体分为安全Ⅱ区接入和安全Ⅲ区接入，一些关键的业务报送信息分别在不同的安全区域完成，因此水库调度系统存在双向的数据流，数据流的整体规划是保障系统稳定运行及方便系统运维的保障。

(3)汉江流域面积大、下垫面条件复杂，多年来随着经济水平的发展，人类活动对天然径流形成影响显著，同时现有水情站网由自建遥测站和水利系统报汛站网混合组成，站网密度不够且布局不能完全满足洪水预报要求，从历史资料整理情况来看，不同的区域具备资料条件参差不齐。

5 系统特色

在对汉江梯级水库水库调度系统进行调研分析的基础上，结合汉江的业务需求和水库调度信息新技术的发展情况，经过改造，系统的实用性、稳定性得到了大幅提高，与前期水库调度系统及国内类似系统比较，形成了如下特色。

(1)实现了系统功能和数据来源的整合。水库调度系统采集的数据源来源广泛，包括气象信息、水情交换系统、自建遥测站、水资源站、气象站、电站机组、闸门、电量、状态等信息的采集，解决了老系统功能分散及数据零散，数据种类不齐全、来源不统一等问题，并在信息采集更为全面的基础上实现了更精细化的水务计算，同时扩大了计算的范围，降低了值班运行人员的劳动强度。

(2)实现了集成化的信息监视功能。在信息采集到位的前提下，在重点分析汉江集团业务需求和特点的基础上，合理利用技术实现了汉江集团供水计划完成情况、防洪形势、电站运行等信息的集成化的信息展示。

(3)基于业务流程的值班管理系统。在认真梳理汉江水库调度信息值班业务流程的基础上，展开了定制性的技术开发工作，实现了值班日志、排班管理、报文补录、通信录管理、工作检查、个人任务管理及报文补录等功能，大幅提高了值班运行效率和实现了水库调度工作的闭环管理。

(4)实现了上报信息的稳定自动传输。针对报汛业务的应用需求及湖北省调数据传输要求进行了软件开发，完成了条件判断、自动补传、数据锁定、人工补传等功能，实现了各项上报信息的高效、稳定自动传输。

(5)基于气象降雨的洪水预报。在克服汉江流域面积大、流域内人类活动显著、站网密度小、部分区域资料条件有限等诸多不利因素的基础上，基于数字高程模型进行了合理的流域及单元划分，采用三水源新安江模型及校正模型完成了洪水预报方案编制及软件开发，并引入了国家气象中心格点数字预报成果，有效地提高了预见期。

6 结 语

汉江梯级水库在保障供水、流域防洪及电网安全方面具有举足轻重的地位，其水库调度系统是实现兴利目标的技术基础。系统改造设计及应用的要点在于：基于安全架构，合理规划数据流、兼顾可靠性和经济性目标完成信息接入、集成化的业务信息展示及值班平台、紧贴业务需求及应用现状的决策支持功能。实践表明：系统改造完成并投入试运行以来，能够安全、可靠地运行，且功能实用，其思路及架构可为类似大型复杂梯级水库调度系统的改造提供宝贵的经验。建议在智能计算和关联告警方面进一步开展深入研究及其应用工作。