新一代水电厂群防汛调度决策支持系统关键技术研究及应用

舒凯 赖广洪 冯永修 林广洪 宗伟

关键词：水电厂群;防汛调度;决策支持系统;相似洪水分析;洪水预报

防汛调度决策系统具备水库流域水雨情监视、数据处理与计算、图表展示、洪水预报及发电调度等功能，为水电厂水库调度、防洪调度及发电调度等奠定了坚实的技术基础，并在水电厂日常生产中发挥了积极作用。本文以广东能源集团防汛调度决策系统升级改造为例，说明新、老系统的改造思路、升级方案及实现方法。

1改造思路及目标

近年来随着云平台、大数据、物联网、移动查询等信息通信技术的快速发展，以及跨流域优化调度研究的持续深入，水电厂群防汛调度决策支持系统改造的相关研究及应用也得到了快速提升，总体上呈现如下趋势及特点：

（1）硬件设备的性能快速提升，以交换机堆叠和服务器群集为代表的冗余技术大幅度提高了信息系统的可靠性;

（2）以云平台、大数据、物联网及移动查询为代表的信息技术被广泛地引入系统建设中，大幅度提高了系统的伸缩性、可扩展性及用户生产信息获取的便利性;

（3）信息系统的安全性提到了新的高度，从安全设备的投入、设备的国产化倾向到软件的安全访问控制要求，都有了相应的规范要求;

（4）应对持续增长的决策能力和决策效率要求、人类活动影响对径流预测的影响、跨流域补偿调度及与电网智能互动的需求，紧密围绕业务开发的应用功能进一步丰富。

针对旧系统存在的各种不足，并结合决策支持系统发展的技术动向，拟定了“打好硬件基础，重建系统架构，丰富业务应用”的系统改造思路。

2改造方案设计

2.1系统架构

根据建设目标及拟定的改造思路，在重新构建系统硬件基础的前提下，按照“集中存储、集中应用、集中通信及分散使用”的原则调整系统整体架构以提升系统的可靠性及解决主站和子站的数据一致性问题。各厂水调数据和业务应用集中部署在主站，子站水情遥测数据同时向主站和子站系统发送，子站系統采集机组闸门数据的同时通过III区向主站系统转发，上传电网调度系统的数据原则上通过主站系统上传，但保留直调厂站与电网的连接，逐步统一主站与外部气象及水文部门系统的通信，系统架构及数据流如图1所示。

2.2设备及网络

主站系统采用云平台架构，采用弹性可扩展、负载均衡、按需自动服务的虚拟化支撑环境，从而实现系统备用和负载均衡等特性，增强新系统的抗风险能力，子站系统主要部署于电站的生产非控制区，各项服务器采用国产服务器并采用RAID5磁盘冗余技术，根据电力监控系统安全防护的相关要求，安装部署了安全隔离、纵向加密、入侵检测、安全审计、漏洞扫描等网络安全设备，核心交换机采用堆叠技术以提高网络层面冗余。各项服务器操作系统采用经过国家安全认证的凝思磐石安全操作系统，数据库采用Oracle 12C中文企业版，并打上最新安全补丁，新系统包含以下五个部分建设内容：

（1）广东能源集团主站建设;

（2）九个水电厂厂站子站建设;

（3）主站与厂站端通信网络建设;

（4）主站端、厂站端系统对外通信接入处理;

（5）与其他系统之间和跨安全区的安全防护。

2.3系统功能

新系统根据业务需求在旧系统基础上进行了较大的扩充和提升，功能涵盖了从系统管理、信息监视到决策支持方面的功能，系统功能架构如图2所示：

2.3.1系统管理

系统管理实现了信息采集、计算处理、系统维护及权限管理方面的功能，属于新系统的支持体系功能，是新系统安全和管理方面的技术保障。

（1）权限管理。新系统在合理利用操作系统和数据库安全功能的基础上提升了管理精细化程度及灵活性，加强了各类信息资源的全面保护，有效防止未经授权的误操作引起的系统故障。

（2）系统维护。系统管理与维护软件系统管理与维护包括设备监视、网络监视、数据库监视、数据监视、应用软件监视以及预警监视六方面的内容。

（3）信息采集。数据采集处理系统间的各类数据交换和通信，在水调管理后台代理引擎的管理下，执行管理中心的各种控制命令，实现了多个网络多个节点的互为备用，同时提供统一管理的日志信息功能。

（4）计算处理。计算处理包括数据资料自动整编及水务计算功能，实现保障系统运行自动计算的需要。

2.3.2信息监视

信息监视是新系统的信息展示界面，实现各类信息的综合展示及日常业务流程的处理，软件要求美观，符合专业习惯及流程贴近生产实际，主要功能如下：

（1）数据监视与管理。数据监视与管理模块负责采集和处理计算数据的查看、分析、对比和报警等功能，提供流域和水电厂运行的各类信息，数据监视以表格和图形的方式展示。

（2）GIS应用。CIS应用模块负责对水库流域有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述。

（3）Web应用。水调Weh基于Internet/lntranet的B/S方式设计，提供HTML5方式的水调Web页面，与能源集团移动办公系统高度集成，具备数据查询、信息发布、数据及状态监视、远程文档管理、网页链接等功能。

（4）调度值班管理。水库调度值班管理是水调人员值班工作的基本应用软件。主要功能包括：值班员登录、交接班管理、当班记录、日志管理等功能。

（5）三防调度会商管理。三防（防汛、防旱、防风）模块负责三防信息的上传下达、三防值班、防汛调度视频会商、三防文档资料的录入、查询和信息检索等功能。

2.3.3决策支持

决策支持功能为信息的应用，是新系统建设的落脚点，实现水库来水、水库调度、评价分析等功能，充分体现新系统的生产价值。

（1）水文预报。水文预报包括洪水预报和中长期水文预报，对各种时间粒度的来水情况进行预测，为各项防洪和发电调度决策提供来水依据。

（2）水库调度。水库调度包括防洪调度和各种时间粒度的发电计划，辅助用户根据水雨工情、防汛部门控制要求及电网需求等因素应用水量平衡原理及优化调度方法而快速地生成水库调度蓄泄方案，包括方案编制、模拟仿真及方案管理功能。

（3）经济运行评价。考核指标包括水情数据合格率、来水预测准确率、计划报表合格率、调洪优化增发电量、水能利用提高率、调峰弃水损失电量等16个指标。

（4）相似洪水分析。相似洪水分析模塊采用统计方法进行相似洪水的识别，挖掘流域历史洪水数据，用于延长洪水预报预见期。

（5）水文资料整编。水文资料整编模块负责各厂站对水库运行情况进行统计、分析及资料汇编，具备自动生成、校核、审批、报送、导出、打印等功能。

3关键技术研究

3.1全新系统架构

广东能源集团各电厂除了需要满足自身生产的需要，同时还应满足南网总调、广东电网对于直调水电厂数据上报的要求，增加了气象局、梅州水文局、赣州水文局、东江局、主站SIS系统、应急指挥系统、X3系统、微气象站等多个系统进行数据交换;新系统主站系统的应用范围进一步扩大给系统资源需求及安全性提出了新的要求，针对上述需求，提出了全新的架构。

（1）开发了支持多协议的数据接口软件，解决了原系统功能模块分散与数据零散、数据不齐备、来源不统一等问题，缓解了值班人员的工作压力;

（2）按照“集中存储、集中应用、集中通信及分散使用”的原则设计了全新的系统应用架构及数据存储架构，实现了一处维护，多处数据源一致的目标;

（3）主站系统软件部署在私有云平台上，一方面虚拟化后资源可以根据需要进行随时扩充;另一方面虚机的数量可以扩充，实现关键节点的冗余和负载均衡。

3.2相似洪水分析

新系统根据暴雨指标、初始指标、洪水指标、时间指标、水库指标、雨洪关系指标、形状指标等七大类指标应用聚类分析法、相似性搜索模型、灰色关联度分析等系统工程方法，并结合水文产汇流规律对长序列次洪资料进行了归类分析，有效地提升了相似洪水分析的效率，部分资料序列较长的流域根据洪水特征值寻找到的历史相似洪水之间确定性系数达到了0.9以上，加强了预报技术人员对流域产汇流特性和洪水演进规律的认识，提高了实时洪水作业预报工作中对洪水发展趋势的预判水平。

3.3洪水预报

新系统主要采取如下措施提升作业预报精度，有效地提高了洪水预报预见期3 -6h，并提升了预报精度水平：

（1）根据流域调查资料进行历史资料还原，实现率参资料的一致性和准确性;

（2）预报方案制作时采用DEM数据从地图上进行流域边界、流域特征、单元面积等流域特征提取，基于数字高程和泰森多边形技术进行了合理的流域及单元划分，并采用Arc/info软件进行流域信息的提取、流域的划分及单元面积统计更为准确，更能反映流域的最新变化，编制的洪水预报方案更加合理;

（3）同时近些年随着短期气象降雨精度不断提高，新系统将国家气象局格点数值预报成果引入洪水作业预报中。

结语

新系统于2020年3月开始投运，于2020年12月完成全部建设任务并通过现场验收。

（1）新系统自投运以来，运行稳定可靠、安全性提高、可维护性加强;

（2）新系统遵循“集中存储、集中应用、集中通信及分散使用”的思路进行部署，有效地解决了主站和子站的数据一致性问题，并具有较强的推广应用价值;

（3）新系统通过开发相似洪水分析、耦合气象预报的洪水预报等软件模块，丰富了系统应用功能，有效地应对了下垫面条件变化对径流预测精度影响的问题。