流域智慧调控大楼的建设探索与思考

曹光荣，舒卫民，周保红，谭 华，朱韶楠，张辛楠

(中国长江电力股份有限公司，湖北 宜昌 443002)

我国是世界上洪水最多的国家。自公元前185年的汉初到1911年清末的2096年，长江中下游就发生的较大洪灾214次，平均10年一次[1]。按照国务院批复的《长江流域综合规划》，为治理长江水患，开发利用水资源，长江流域相继建成了一批大型水库[2]。目前，长江上游水库群已基本形成1个核心(三峡水库)、4个骨干(乌东德、白鹤滩、溪洛渡和向家坝水库)、5个群组(金沙江中游群、雅砻江群、岷江群、嘉陵江群、乌江群)[3]。中国三峡集团是全球最大的水电开发运营企业和我国最大的清洁能源集团，建设和运行金沙江下游-三峡梯级6座电站。6座电站中有5座位列世界前12大水电站，是保障长江安澜，促进流域绿色发展的核心骨干工程，防洪库容376亿m3,电站装机容量7 169.5万kW，设计年发电量3 000亿kWh，相当于每年减少CO2排放2.5亿t，70万kW及以上机组占全球72%，其中白鹤滩100万kW机组更是全球唯一。

三峡水利枢纽梯级调度通信中心(简称三峡梯调)是中国长江电力股份有限公司下属二级生产单位，主要负责金沙江下游-三峡梯级6座电站水库的联合优化调度、电力实时调度，以及在建水电工程水文气象服务保障等工作，统一接受水利部门、电网等上级调度机构调度指令，协调梯级电站水库调度运行，充分发挥梯级枢纽综合效益。

智慧大楼是以建筑为平台，兼具通信网络系统、办公自动化系统、建筑设备的，集管理、服务、系统为一体的最优化组合，为人们提供便捷、舒适、安全额度区域环境[4]。智慧大楼的最终表现形式是高度集成的信息化管理体系，是以数据输入为驱动，通过IT处理过程反馈得出结果，实现智慧大楼的具体功能[5]。

我国传统调控大楼受建设时期技术及理念限制，重在大楼基建及系统硬件建设，无法适应当前梯级水库精细化、智能化调度的要求。随着计算机、人工智能和通信等技术的发展，为建设智慧调控大楼提供了可能。三峡梯调为培育水资源利用与流域梯级联合调度核心能力，打造具备一定智慧调度功能的金沙江下游-三峡梯级联合调度支撑平台，通过加强与国内知名高校、科研机构和上级调度的合作研究，结合运行调度实践，借助已建成的智慧长江与水电科学湖北省重点实验室，围绕梯级水库智慧调度开展了一系列研究，初步形成了涵盖气象水文预报到多目标联合优化调度为核心的自动化调度决策支持系统。按照“采用最新技术、体现世界一流水平”的总要求，建设了建筑面积6 000余m2的梯级电站调控大楼，作为流域水资源统一调度指挥中心，并通过调度通信网，将自动化调度决策支持系统与调控大楼有机结合，在流域梯级智慧调控大楼建设方面进行了有益的探索。流域智慧调控大楼结构见图1。

图1 流域智慧调控大楼结构图

1 智慧楼宇建设

流域智慧调控大楼作为三峡梯调开展流域水资源统一调度的核心区域，接入了集基础通信能力与移动办公能力于一体的融合通信网络。在此基础上建设了包括机房能量管理、环境监测、安全管理的现代智能化信息机房，打造安全、稳定、高效的基础环境。综合运用云计算、大数据、卫星移动通信、可视化、边缘计算、人工智能技术建立了决策支持系统。按照功能分区通过大屏幕显示技术、视频会议技术、坐席联动技术、大屏可视化技术建设有调度大厅、系统会商室等专用智能业务场所，为梯级水库群联合调度业务的开展提供智慧化的作业场所，并实现与水文部门、气象部门等专业机构的智能系统会商。借助智慧工地管理系统促进智慧楼宇建设过程的全面管控。

1.1 智慧调度大厅和机房建设

调度大厅作为调控大楼最核心的区域，是流域梯级电站调度的中枢。在建设过程中需要充分考虑智慧调度要求。调度大厅利用双层结构，土建层高9 m，面积近600 m2。满足运行调度人员每周7×24 h日常生产需求。结合调度业务需求，调度大屏和调度员席位设计成弧形，按值班功能分块，分前后两排坐席，每个席位不少于6面显示器。为更好地满足调度监视、展示效果，调度大屏按“主屏+两面侧屏”布置，总体显示面积168 m2。主屏采用三色激光DLP投影单元组成，侧屏采用LCD拼接单元组成，采用NoGap技术，拼缝小于0.1 mm，7×24 h不间断运行可达6～10万h。调度大厅顶部造型设计为异型天花，采用弧形铝板配合软膜天花灯带建造，在天花上方预留检修走马道，方便吊顶管线、消防暖通及灯具等维修。异型天花采用轻钢龙骨结构，为确保安全和施工质量，在设计阶段进行了吊顶及走马道受力分析，在材料加工前进行电子施工图放样和现场施工放样。调度大厅照明系统按照主控制室标准设计，其照度标准为500 Lx，根据人体工程学及控制室使用需求，为缓解工作人员长时间在大屏幕与工作台间切换视线所引起的视觉疲劳，桌面照明强度标准按照500 Lx设计，屏幕前方的垂直面照度控制在100 Lx以下，照明系统采用智能控制，充分体现绿色、环保、节能设计原则，形成一个无眩光、柔和、明亮的灯光环境。

按照智慧调控大楼建设要求，自动化和通信机房以电子信息系统机房A级标准设计，从机房位置选择、内部布局、装饰装修、温湿度、空气含尘浓度、噪声、电磁干扰、振动及静电、消防、空气调节、供电、照明、防雷与接地、综合布线、机房环境监控与安全防范、防渗防露及挡水排水措施等方面，全面满足数据中心内设备安全运行、节能减排以及智慧系统运行要求。机房机柜，在系统设计中充分考虑用户后期的扩容需求。调控楼的网络综合布线及机房综合布线、信息发布与查询系统、视频监控系统、门禁系统、照明系统均纳入楼宇智能化整体设计与建设。

贯彻以人为本的理念，在调控楼建有新风和暖通系统。为降低室内噪音，将原设计在地下室和楼顶的2台10 kV变压器、新风和暖通系统室外机，调整到调控楼室外场地，相应增加了暖通室内室外机的连接管长度，通过适当增加主机功率等技术措施来保障暖通效果。三峡梯调调度大厅见图2。

图2 三峡梯调调度大厅图

1.2 智慧工地管理系统

综合运用互联网、移动通信、数字视频等技术，搭建一个以进度为主线、以成本为核心、以项目为主体的多方协同、多级联动、管理预控、整合高效的生产经营管控平台，对“人、机、料、法、环”等各生产要素实现实时监控和全面管控，实现业务间的互联互通、数据共享和综合展现。系统支持电脑端和手机端登录，其主要功能包括：施工人员管理、安全教育管理、视频监控管理、材料进出场管理、隐蔽工程管理和施工进度管理。

施工期间新冠肺炎疫情尚未完全结束，项目组制定了严格的疫情防控措施，通过智慧工地管控平台，加强对施工进场人员、车辆和物资的防控，采用数字化手段全面落实了各项疫情防控措施，管理效率与管控力度得到了明显提升。

为保障项目的顺利实施，成立了由业主、设计、监理、施工等单位人员组成的施工现场管控项目组，充分利用智慧工地管理系统，对30多个合同项目进行统筹管理，细化项目管控计划，严格进度、费用、质量、安全、防疫管控措施，为项目的安全、规范、高效实施打下了坚实基础。

2 探索建设智慧调度决策支持系统

三峡梯调围绕“气流、水流、电流”业务链，与相关单位合作，经过20多年的科技创新和产研转化，先后建成了气象业务系统、水文预报系统、水调自动化系统、电调监控系统、水资源决策支持系统、可视化展示系统以及调度通信网等满足梯级水库群联合调度需求的业务体系，在数字化、智慧化、流域化调度等方面进行了一些探索，为金沙江下游-三峡梯级水库的智慧预报调度提供了有力支撑。梯级水库业务系统体系见图3。

2.1 气象业务系统

三峡梯调气象业务系统针对水库调度特殊需求，参照中国气象局信息化发展规划，按照省级气象台规模建设。系统采用分层设计思想，搭建了基础设施支撑环境、建立了数据支撑管理系统、气象预报预测和气象业务服务平台，涵盖了实况监测、智能预报分析及评价检验等功能模块。

在实况监测方面，接入了长江流域728个国家气象站、20 394个区域气象站，受电区域1 028个国家气象站，长江流域74部天气雷达，FY2、FY4和葵花8气象卫星数据。监测范围涵盖长江流域和受电区域，监测内容包括长江流域降水，三峡区域暴雨、雷电、大风等灾害性天气，受电区域台风、寒潮、高温等用电高影响天气，流域极端降水事件等。

图3 梯级水库业务系统体系图

在预报分析方面，一是利用雷达资料和地面观测资料，制作短临灾害性天气预警产品。二是利用全球先进气象模式产品，通过智能订正和人工修正，制作10 d内的网格预报产品(空间上5 km×5 km，时间间隔3 h)。三是利用全球气候监测资料和气候模式产品，制作延伸期(10-30日)、月、季节降水趋势预测。并已开展受电区域的气象要素趋势预报，包括气温、台风等。精度评价结果表明，气象业务系统预报产品精度，3 d以内降雨过程精确，4～10 d中期预报降水过程可靠，11～30 d延伸期预测总体趋势能较好把握。

在预报评价检验方面，实现了对多家主流模式预报和主客观融合预报进行分级降水TS、空报率、漏报率检验，以及时段内预报格点与雨量站点实况直观呈现对比。气象业务系统功能模块见图4。

图4 气象业务系统功能模块图

三峡梯调结合智慧调度发展规划，通过持续对气象业务系统升级完善，逐步构建了符合三峡、成都和昆明等多区域气象业务统一应用的专业系统，在金沙江下游-三峡梯级水利枢纽的施工建设、防洪调度、电力生产、航运以及安全经济运行中发挥了重要作用。

2.2 水文预报系统

长江上游水文预报系统是以水调自动化系统数据库为数据管理平台，以GIS为可视化平台，以洪水预报、水动力学等专业模型为核心，根据洪水预报与防洪调度的业务流程，采用B/S和C/S混合体系结构研发的软件平台，无缝接入世界主流数值气象预报成果，实现长江上游流域各预报站点和重点水库短中长期一体化预报。系统采用定时自动和人工交互的预报模式，提供预报专业模型计算服务，支撑高级业务应用平台中的各类调度分析计算。

系统基于研制的长江上游流域短、中、长期水文预报模型，采用“流域子单元-产汇流分区-降雨交互预报分区”多级面雨量接入方式，把长江上游流域100万km2，划分为1 437个流域子单元，377个产汇流分区，132个预报站点，通过与ECMWF(欧洲中期数值预报中心)、NCEP(美国国家环境预报中心)、GRAPES(中国气象局全球/区域集合预报系统)以及三峡梯调等多家数值预报产品的耦合，实现了10日预见期的径流预报；采用水文统计、物理成因和人工智能等多种方法，实现了12旬、18月和年极值尺度的径流预报；在此基础上，采用过程匹配技术，完成短中长期预报成果的协同一致。采用重点水库出库流量多模式设定、预报站点信息互馈实时校正等技术，全面考虑了流域内水利工程调蓄对预报过程的影响，提高了预报精度。

目前，预报系统已经实现了提前3～5 d准确预报三峡水库入库流量，提前6～7 d对洪水作出预估，提前8～10 d对洪水进行定性分析，其中24 h预报精度98%；2～7 d预报精度90%；月预报精度86%；三峡水库洪峰平均预报精度95.1%，平均预见期34.2 h；预报精度在行业内处于领先水平，为以三峡为核心的梯级水库优化调度提供了技术支撑。水文预报系统主要功能模块见图5。

图5 水文预报系统主要功能模块图

2.3 水调自动化系统

三峡梯级水调自动化系统于2003年投运，经过多年的运行、改造和完善，逐步发展成为一套满足金沙江下游-三峡梯级枢纽联合调度的业务支撑平台。

水调自动化系统功能包括基础应用、高级应用、服务及后台管理功能三部分。基础应用功能包括主系统云平台、数据库系统、数据采集、数据通信、数据处理、信息查询与展示、报表、数据监视和报警等。基础应用功能通过对数据进行全生命周期的管理，搭建高效、高质量数据支撑，实现对全流域水雨情的查询与监视，能对上游流域主要水库运行信息进行查询、展示与分析，提供方便快捷的报表查询、分析和设计工具。高级应用功能包括梯级水库调度方案编制、辅助决策工具集、水能利用分析、资料整编分析及基础数据管理等功能，实现梯级水库长中短期入库流量预报及梯级水库联合调度方案编制等，并为优化调度提供决策工具。服务及后台管理功能包括系统消息机制及应用服务中间件功能、第三方接口及系统二次开发功能、软件版本管理、系统管理与监控等。通过服务及后台管理功能，可以实现对系统第三方应用的功能和数据接入，并对软件实施高可靠性的系统及版本管理。

水调自动化系统利用数据、计算和存储资源，将宜昌、成都及昆明三地的业务进行整合，通过搭建云计算架构和大数据中心，提供系统智能化解决方案及可视化展示、大数据管理等新功能应用，提高系统多业务协同能力和应急处置能力，建立统一的水调自动化系统平台，使其具备支撑梯级水库智慧调度的功能。水调系统构架见图6。

2.4 三峡梯级电调监控系统

三峡梯级电调监控系统按照“调控一体化”运行管理模式设计和建设，具有数据采集与处理、安全运行监视、智能报警、运行调度、操作控制和管理等功能，同时负责接受上级调度系统下达的各项指令，向上级调度传送所需的数据，实现了梯级电站的远程全面监视，同时具备远方控制、调节能力。

目前，三峡集团所属梯级水电站所产生的清洁电能源源不断地输送到华中、华东、华南和西南地区，惠及11省2市。

2.5 水资源决策支持系统

在满足防洪、航运、发电、供水、生态等综合需求条件下，以实现流域水资源利用综合效益最大为目标，开发具有自主知识产权和核心技术、能够满足金沙江下游-三峡梯级水库群综合运行管理需求的梯级水库群联合优化调度管理应用系统，提升水资源利用效率。

图6 水调系统构架图

水资源决策支持系统包括水库群调度模拟、河道演进仿真、联合优化调度和预报调度效益综合评估等4个模块。水库群调度模拟、河道演进仿真以长江上游流域控制性大型水库为对象，通过建立水库调度规则，模拟上游水库未来调度运行的可能情景，分析上游水库群调蓄对金沙江下游-三峡梯级电站的影响，能开展径流模拟计算及其河道演算。优化调度模块综合考虑防洪、供水、航运、生态等水资源综合利用需求和电力市场需求等约束，能快速高效分析计算满足不同调度目标的最优方案，实现梯级电站综合调度最优化。预报调度效益综合评估模块可基于长系列数据，对长中短期预报成果及梯级水库调度的结果进行评估，根据评估结果推荐未来时段或指定情景下的预报模型和调度方案，提出优化建议。水资源决策支持系统功能见图7。

图7 水资源决策支持系统功能图

系统通过对各功能模块进行集成，实现方案编制、评估、实施和反馈的一体化功能，具备流域全信息集成、跨区域联合调度、多模型多方案对比决策、场景综合应用、可视化展示等功能，有力提升联合调度竞争力。

2.6 调度通信网

为支持流域智慧调控大楼各智慧流域调度系统的数据传输需要、同时满足调度语音通信及视频会商的需求，建设了流域调度通信系统，以实现厂站、上级调度机构和三峡梯调调度数据以及梯调预报调度业务系统之间的互联互通。流域调度通信系统主要包括传输系统、调度交换系统、融合通信系统。

传输系统。为实现调度数据在调度机构和厂站之间的可靠传输，建立了以地面光传输网通信为主和天上卫星通信为辅的跨区域、长距离(6 700 km)、稳定可靠的传输系统，实现宜昌、成都、昆明三地调度调控中心、6座梯级电站和上级调度机构的稳定数据交互。

调度交换系统。调度交换系统是一套服务电力调度运行的语音通信系统，采用电路交换与软交换双网双技术融合的方式构架，遵守电力调度通信网“统一规划、统一调度、分级建设、分级管理”的管理原则。调度交换系统提供了电厂、调控楼调度大厅以及上级调度单位间的专用语音通信。调度交换系统设备还提供了多套录音功能，调度电话录音会同时保存在电路模拟数字录音设备和软交换录音设备中。

融合通信系统。为满足公司跨区域经营、生产、办公和管理的需求，建立了集基础通信能力和移动办公能力一体的融合通信系统，实现语音、消息、群组、移动办公、多媒体会议等功能，为公司提供电话、视频、融合会议、企业通信录、群组等各项融合通信系统功能，可实现设备故障的专家远程诊断、网络培训，移动办公。同时可以减少员工出差的次数，初步测算每年可以为公司节省210万元的成本费用。随着公司生产经营业务的不断扩大，融合通信系统视频、语音、融合会议等功能应用范围也将持续拓展。梯级电站通信光环网见图8。

2.7 可视化展示系统

为系统全面展示梯级水库调度核心业务和综合效益，在调度大厅研发了可视化展示系统。系统深度融合大数据、云计算、AI、融合通信等前沿技术应用，将信息、技术、设备与水资源管理需求有机结合，支撑对各业务过程进行全面表现，提升科学化决策调度管理水平。

图8 梯级电站通信光环网图

流域梯级联合调度数据“广度”非凡，涉及防洪、发电、航运、生态调度等多领域综合性业务，信息系统众多、数据资源种类复杂多样。通过对水文、气象、生态、航运、通信自动化等各领域信息系统、数据平台、前端感知设备等广泛的数据资源进行总结提炼，建设了“气象水文预报”、“防洪调度”、“发电调度”、“综合利用”、“通信自动化系统”等5个展示专题。通过对专题业务充分挖掘，将各主题的数据指标、功能应用、交互逻辑等内容进行了科学梳理，从流域大范围态势到具体设备运维情况，实现了从宏观业务的全面监测到微观具体业务的钻取查询，实现信息全方位、多角度、多层面的直观、生动展示。其构建了一个智能决策中枢，赋能用户业务管理决策的科学化、智能化。

大屏可视化展示平台总体结构共分6个层次、2个体系。由下至上分别为数据来源层、基础设施层、数据资源层、应用系统层、用户界面层、应用场景，左右两侧分别为标准与规范体系、信息安全防护体系。大屏可视化构架见图9。

3 结 语

三峡梯调深入贯彻“抓创新就是抓发展 谋创新就是谋未来”理念，以提升梯级电站智慧化调度能力为目标，在新建的流域梯级调控大楼，围绕调度核心业务研发并安装了6大业务系统，通过调度通信网将上级调度机构、厂站和三峡梯调，以及独立的业务系统融为一体，实现了数据的融合通融，业务的有机整合，有效提高了工作效率及业务智慧化水平，促进了与业务相关方的沟通协调，更快地响应上级调度机构的调度指令。形成了梯级水库联合优化调度支撑平台，显著提高了梯级水库预报调度的智能化水平。

图9 大屏可视化构架图

在2020年梯级水库调度过程中，借助智慧系统，三峡梯调科学编制调度方案，高效、精准执行调度指令，圆满完成了各项调度任务。在2020年长江流域5场编号洪水调度过程中，金沙江下游-三峡梯级水库拦蓄洪水330亿m3，避免了荆江分洪区的启用，避免了60余万人口转移、约3.26万hm2耕地和约0.66万hm2水产养殖面积被淹；溪洛渡、向家坝、三峡、葛洲坝4座电站发电量2 269亿kWh，占全国水电发电总量近20%，占全国发电量的3.5%。其中三峡电站年发电量1 118亿kWh创造了新的世界记录；三峡船闸年货物通过量达1.4亿t，是三峡工程建设前该断面最大年货运量1 800万t的7倍；梯级水库向下游补水达300余亿m3，在保障长江安澜，助力长江绿色可持续发展方面发挥了核心作用。

三峡梯调围绕建设智慧调控大楼进行了有益的探索与实践，取得了一定的成效。为实现更高水平、更深层次的智慧化调度，全面建成流域智慧调控大楼，更好地发挥梯级水库综合效益，需要继续科技攻关：一是坚持科技引领、创新驱动，加大对智慧调度关键、核心技术研发投入，解决人工经验系统化、预报调度深度智能化等痛点和难点问题。二是深化数字化转型，实现业务系统的全面互联互通，并逐步整合成基于同一业务平台的智慧化调度平台，实现“实体长江”到“数字长江”，再到“智慧长江”的转化，为流域梯级水库智慧调度提供模拟和决策支持，为长江经济带发展、长江大保护和双碳目标实现发挥更大作用。