金溪流域集控水调自动化系统建设及应用研究

杨胜仪，肖树灿，李雨晨，张太衡

（1.华电福新能源股份有限公司池潭水力发电厂，福建 三明 365000；2.华电电力科学研究院有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引言

水调自动化系统是利用先进的计算机网络及通信技术，及时准确地获取流域和其他相关系统的水文、气象和水库运行信息，利用数据库管理技术进行水文预报、优化调度和水库调度管理的综合自动化系统[1]。经过多年的发展，我国大部分水电站和流域集控中心都已经建设水情水调自动化系统，并且已经成为水电站生产作业过程中的重要角色[2-5]。

金溪是闽江重要支流富屯溪的最大一级支流，流域属中亚热带海洋性与大陆性相互影响的季风气候，流域多年平均降雨量1 734.2 mm，全流域集水面积约7 130 km2。金溪干流经过多年水电开发，现已形成了以池潭水电站为龙头，以良浅、大言、黄潭、孔头、范厝、高唐、谟武、贵岭等8个径流式电站为纽带的水力联系紧密的水电站群（其中池潭、良浅、大言、孔头、范厝、高唐为华电集团所属单位）。该电站群中池潭水电站水库调节性能为不完全年调节，水头较高，耗水率较小，运行削落深度较大；8个径流式电站水库调节性能为日调节，水头低，耗水率较大，运行削落深度较小。

随着华电集团金溪流域集控中心的建成，为了发挥池潭水电厂的调节作用，在确保防汛安全、生态用水的前提下，充分挖掘梯级调度潜力，提高金溪流域梯级水电厂的整体效益，迫切需要建立梯级电站水调自动化系统，实现池潭水力发电厂和金湖电力有限公司6个电站的水调一体化的目标。良浅、大言、孔头、范厝、高唐5个电站在产权关系上属于金湖电力有限公司，池潭电厂和金湖公司分别建有水情测报系统和水调自动化系统，两个公司的水情水调系统由于建设厂家和版本不完全相同，无法满足扩展为集控中心水调系统的需求，需通过开发新一代的金溪流域集控水调自动化系统进行统一管理。

1 平台搭建

1.1 系统架构设计

金溪水调自动化系统是涉及到大量信息处理和业务计算的专业技术应用软件，首要关键是要选择合适的体系架构，本系统选择了目前开发大型应用软件的主流技术作为开发工具平台，采用客户/浏览器（C/S结构）来规划和布置系统的业务流程。

金溪集控水调自动化系统共部署6台服务器，其中安全Ⅲ区部署1台通信服务器、1台WEB应用服务器，安全Ⅱ区部署1台通信服务器、2台数据库服务器、1台计算服务器，外加1台磁盘阵列；安全Ⅱ区和安全Ⅲ区之间部署1台正向隔离，1台反向隔离；安全Ⅱ区和安全I区之间部署1台防火墙。6台服务器部署的操作系统为Windows Server 2016 r2版本，数据库采用 Sql Server 2016版本。

1.2 信息流程与处理

金溪集控的水库优化调度系统将部署在网络安全生产Ⅱ区，通过与池潭电厂和金湖公司的数据交互，搭建起数据通信平台。

安全Ⅲ区通信服务器共部署数据同步程序5个，其中GetTransferData程序，用于抽取池潭电厂和金湖公司的水情及闸门状态数据；反向隔离软件，用于往安全Ⅱ区同步水情及闸门数据；正向隔离软件，用于接收安全Ⅱ区同步出的水情数据；Securityserver程序，用于解析安全Ⅱ区传出的文本文件并存库；Securityclient程序，用于抽取数据库数据形成文本文件。

安全Ⅱ区通信服务器共部署数据同步程序5个，其中MPI104主站程序，用于请求接收安全Ⅰ区传出的电力数据；反向隔离软件，用于接收安全Ⅲ区同步的水情及闸门状态数据；正向隔离软件，用于向安全Ⅲ区发送水情数据；Securityserver程序，用于解析安全Ⅲ区传入的文本文件并存库；Securityclient程序，用于抽取数据库数据形成文本文件。

1.2.1 水雨情数据采集

池潭水电厂水情测站建设时间较早，现场设备不具备一发双收的能力，通过中心站直接将解析后的数据送到金溪集控安全Ⅲ区通信服务器，穿过反向隔离装置传递到金溪集控安全Ⅱ区通信服务器，存入安全Ⅱ区数据库服务器。

金湖公司安全Ⅲ区设有专门的水情通信服务器，用于与外界交换水情数据，通过开通金溪集控安全Ⅲ区通信服务器与金湖公司安全Ⅲ区通信服务器2台服务器防火墙访问权限，从金溪集控直接高频请求金湖公司水情数据，并穿过反向隔离装置传递到金溪集控安全Ⅱ区通信服务器，存入安全Ⅱ区数据库服务器。

1.2.2 闸门状态数据采集

池潭水电厂的闸门控制系统并不与电厂公网连接，暂时无法接入池潭闸门状态数据，只能通过手填方式录入到新系统中。

金湖公司安全Ⅲ区水情通信服务器有闸门状态数据，可采取水雨情数据采集的方式，一并获取金湖公司5个电厂的实时闸门状态数据，穿过安全Ⅲ区反向隔离传递到金溪集控安全Ⅱ区水调通信服务器，存入安全Ⅱ区数据库服务器。

1.2.3 电力数据采集

由于金溪集控已经实现了6个电厂的电调一体化，池潭和金湖各厂的电力数据可从金溪集控直接获取，通过在安全Ⅱ区通信服务器与安全Ⅰ区的监控系统工作站之间架设专用防火墙，采用104协议接入电力数据，请求周期为5 min，采集电力数据到安全Ⅱ区通信服务器，存入安全II区数据库服务器。

图1 金溪流域集控水调自动化系统网络架构图

2 系统功能建设

2.1 实时监视

实时监视是对金溪流域各厂的水情、电力、闸门状态等数据的实时监视，其中雨量、水位和负荷数据采用实时数据，平均入库流量、出库流量、发电流量、泄洪流量等数据采用5 min水务计算结果数据，通过柱状图、水位过程线、综合运行图展示。

2.2 水务计算

2.2.1 水务计算

水务计算是水调系统的基本功能之一，以水量平衡为基础，根据实时采集的雨量、水位、机组运行数据、闸门状态数据等计算5 min、小时、日、旬、月等时间尺度的水务数据相关指标，并通过报表对流域水情、水库调度、机组运行等情况作综合展示。

2.2.2 自定义报表

水务计算中的一项重要应用是自定义报表功能，要满足定制化、水务数据任意组合的要求，调度人员依据具体需求，在设计模式下利用类Excel功能设计报表模板，添加数据源。Luckysheet是一款纯前端类似Excel的在线表格，功能强大、配置简单、完全开源，自定义报表基于Luckysheet开发，实现了高效率的自定义报表编制。

2.3 径流预报

2.3.1 长期径流预报

长期径流预报以旬、月为预报时段，多月或者年为预报周期，综合考虑长期径流预测精度要求等多种因素，采用一种较为成熟，已经被广泛应用的数理统计模型，即平稳时间序列外推法模型，根据各水库区间流量还原计算结果存在极值及连续负值问题，难以采用常见的滑动平均或最小二乘法进行处理，故需要对极端数据进行处理，在未延长数据序列和延长数据序列两种情景下分别测试模型性能，结果表明，延长数据序列后，各月模型性能均有所提高，可为实际径流预报工作提供重要参考。

2.3.2 中期径流预报

中期径流预报以日为预报时段，多日为预报周期，由于历史径流资料系列较长且考虑以往常规方式效果不佳，采用降雨-径流时间序列相似性分析进行中期径流预报。基于斜率距离度量时间序列相似性，物理意义明确，符合人的直觉且计算量较小，因此，采用斜率距离研究降雨-径流序列相似性。模型开发过程中考虑并测试了降雨和径流不同序列不同权重不同赋值对时间序列相似性的影响。同时结合实例分析了相似性计算结果。可为实际制定中期预报方案，提供重要参考。

2.3.3 短期径流预报

短期径流预报以1 h为预报时段，滚动预报下游各区间至次日24：00的洪水总量、洪峰、峰现时间、入库洪水过程等。综合考虑现有各水文模型的特点及适用性，选择新安江模型开展洪水预报模型研究，通过对原有洪水资料进行还原计算及部分校正，得到区间洪水资料。基于流域退水曲线拟合研究成果开展基流分割，以此为基础，研究流域梯级各区间新安江模型参数率定并应用于预报过程。

2.4 发电调度

2.4.1 中长期发电调度

中长期发电调度以年、月为周期，月、旬、日为时段，提供梯级发电量最大和最小出力最大两个目标的模型，求解算法采用动态规划变形算法（POA结合DDDP算法）。通过设置调度周期、调度时段、参与调度计算电站、各电站逐时段来水过程和中长期发电调度约束，求解模型生成各电站中长期发电调度过程。中长期调度模式下，下游日调节电站一般固定水位运行。

2.4.2 短期发电调度

池潭水电站是金溪流域的龙头电站，也是唯一一座不完全年调节水电站，主要任务是承担电网的调峰调频任务，下游5座电站全部都是日调节，主要任务是在高效区发电，尽量少弃水。考虑到不同电站由于发电水头、机组类型以及装机容量均不同，相同弃水量情况下代表的弃水电量也存在不同，因此采用调峰为目标进行短期优化调度，针对不同来水情况，可以选择汛期模型、枯水期模型和平水期模型，这些模型的区别在于调峰幅度和弃水量不同。

2.4.3 实时发电调度

结合金溪流域梯级电站群最新预报来水以及当前时刻水位，考虑水位、流量、出力等约束条件，利用以电定水算法校正短期发电计划，可满足实时调度需求，主要有后台滚动校正和前台人工调整两种模式。

2.4.4 梯级防洪调度

梯级防洪调度采用末水位控制模型和削峰模型两种模型，其中削峰模型能够减小洪峰流量和展平洪水过程，起到较好的滞洪效果，缓解下游的防洪压力，该模型主要应用于来水预报不是很准确的场景，将上库水位维持在水库上限以内的较高位置，以抬高发电水头，避免过渡下泄导致水位下降过低影响发电水头；末水位控制模型能够很好地控制水库水位达到期末水位，且方便闸门控制，该模型主要应用于来水预报比较准确的场景，如果入库流量预报不准确，龙头电站前期过渡下泄可能导致下游电站防洪压力增加，且后期水位过低影响发电水头。

3 结语

水情水调自动化系统建设的过程中涵盖的内容较多，而且具有较为复杂的网络构造，因此需要使用有效、科学的设计方案，确保系统运行的稳定状态。通过对金溪流域集控水情水调自动化系统的建设，实现了流域梯级电站水调一体化的目标，同时实现了不同时间尺度的预报、发电计划制作等高级应用，为水情水调工作打下了坚实的基础平台。