南水北調(diào)中線干線工程輸水運(yùn)行調(diào)度管理的探討

李士翰 劉 悅 王 松

南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局天津分局

南水北調(diào)中線干線工程輸水運(yùn)行調(diào)度管理的探討

李士翰 劉 悅 王 松

南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局天津分局

南水北調(diào)中線工程是一項(xiàng)跨流域的特大型調(diào)水工程，是優(yōu)化我國(guó)水資源配置的戰(zhàn)略性基礎(chǔ)設(shè)施，文章就南水北調(diào)中線干線工程輸水運(yùn)行調(diào)度管理進(jìn)行簡(jiǎn)要的分析，以供參考。

南水北調(diào)；中線干線工程；輸水運(yùn)行；調(diào)度管理

1.影響輸水調(diào)度管理主要因素和隱患

1.1 設(shè)備因素

包括調(diào)度設(shè)備因素和其他系統(tǒng)設(shè)備因素。調(diào)度設(shè)備因素主要指的是調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)出現(xiàn)故障。如：網(wǎng)絡(luò)傳輸中斷造成閘控系統(tǒng)水情數(shù)據(jù)無(wú)法傳送，調(diào)度遠(yuǎn)程指令包丟失，報(bào)警系統(tǒng)誤報(bào)或者未報(bào)等。調(diào)度設(shè)備一旦無(wú)法工作，造成的直接影響就是調(diào)度工作中斷，對(duì)調(diào)度影響較大。其他系統(tǒng)設(shè)備因素有：閘門(mén)卡死無(wú)法調(diào)整開(kāi)度等金結(jié)設(shè)備故障，啟閉機(jī)內(nèi)部各種儀器儀表?yè)p壞等機(jī)電設(shè)備故障，35kV電路電壓異常、停電、低壓高壓設(shè)備異常放電等電氣設(shè)備故障。金結(jié)機(jī)電、電氣設(shè)備故障造成的影響一般是閘門(mén)無(wú)法操作或者退出調(diào)度。一般情況下若無(wú)閘門(mén)指令操作，對(duì)調(diào)度影響較小或局部影響。

1.2 人為因素

由于自動(dòng)化系統(tǒng)還處于初級(jí)階段，自動(dòng)化程度有限，仍然需要人為的操作和控制。影響調(diào)度的各類問(wèn)題需要人為主動(dòng)去巡查發(fā)現(xiàn)，水位、開(kāi)度、指令等信息需要人工復(fù)核，突發(fā)事件的處理需要調(diào)度人員的協(xié)調(diào)報(bào)告反饋。因此，調(diào)度人員的能力、責(zé)任心也是影響調(diào)度安全的主要因素。常見(jiàn)的風(fēng)險(xiǎn)因素有：調(diào)度數(shù)據(jù)報(bào)送錯(cuò)誤或造假；調(diào)度監(jiān)控不到位，未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)水情異常；據(jù)不執(zhí)行上級(jí)調(diào)度指令，擅自操作閘門(mén)；發(fā)生突發(fā)事件時(shí)，未能及時(shí)、有效的開(kāi)展應(yīng)急調(diào)度響應(yīng)。

1.3 其他因素

工程事故、水質(zhì)污染、極端天氣災(zāi)害等突發(fā)情況也會(huì)對(duì)輸水調(diào)度產(chǎn)生較大的影響。

2.中線輸水調(diào)度控制策略

南水北調(diào)中線節(jié)制閘與分水口相對(duì)位置如圖1所示。當(dāng)前南水中線輸水調(diào)度策略假定由當(dāng)前流量變化至目標(biāo)流量的過(guò)程為分段線性函數(shù)，推算流量的變化過(guò)程，實(shí)現(xiàn)前饋控制。之后，以前饋的計(jì)算結(jié)果為參考，利用三點(diǎn)控制模型進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)反饋控制。在輸水調(diào)度過(guò)程中，采用閘前常水位控制模式，保持各節(jié)制閘的閘前水位在既定目標(biāo)水位附近。在供水流量需求發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)前饋加反饋的混合控制方式實(shí)施調(diào)度，使輸水狀態(tài)由原穩(wěn)定狀態(tài)過(guò)渡到新的穩(wěn)定狀態(tài)。

圖1 節(jié)制閘與分水口相對(duì)位置示意

對(duì)于某一節(jié)制閘，當(dāng)末狀態(tài)穩(wěn)定流量小于初狀態(tài)穩(wěn)定流量時(shí)，稱為“關(guān)閉”工況；當(dāng)末狀態(tài)穩(wěn)定流量大于初狀態(tài)穩(wěn)定流量時(shí)，稱為“開(kāi)啟”工況。中線當(dāng)前實(shí)時(shí)調(diào)度控制規(guī)則具體如下：(1)由前饋模型得出的該時(shí)段預(yù)期過(guò)閘流量以及實(shí)時(shí)獲得的水位計(jì)算閘門(mén)開(kāi)度；(2)判斷本時(shí)段閘門(mén)開(kāi)度調(diào)整量是否達(dá)到或超過(guò)一個(gè)步進(jìn)量，若是則進(jìn)行調(diào)整，否則不進(jìn)行調(diào)整。步進(jìn)量指閘門(mén)一次調(diào)整的最小值，取0.02m；(3)一次閘門(mén)調(diào)整的幅度大小不超過(guò)3倍步進(jìn)量，即0.06m；(4)閘門(mén)開(kāi)度位于初始狀態(tài)穩(wěn)定開(kāi)度和末狀態(tài)穩(wěn)定開(kāi)度之間；(5)對(duì)于關(guān)閉工況，若閘前水位超過(guò)預(yù)設(shè)的報(bào)警水位時(shí)，則過(guò)閘流量不進(jìn)行減少；(6)對(duì)于關(guān)閉工況，閘前水位超過(guò)預(yù)設(shè)的高水位時(shí)，當(dāng)前閘的過(guò)閘流量不小于上游端閘的流量；(7)對(duì)于開(kāi)啟工況下，閘前水位已低于目標(biāo)水位0.1m時(shí)，則過(guò)閘流量不進(jìn)行增加；(8)對(duì)于開(kāi)啟工況下，閘前水位已低于目標(biāo)水位0.2m時(shí)，反而要減少一個(gè)步進(jìn)量。

上述前饋加反饋的調(diào)度策略以流量分析為基礎(chǔ)，并利用水位進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，取得了一定的效果，但實(shí)際運(yùn)行中也發(fā)現(xiàn)一些不足需進(jìn)一步完善，主要有：(1)由于水位波動(dòng)、參數(shù)和模型計(jì)算誤差、設(shè)備數(shù)據(jù)采集誤差等，實(shí)際中不可能將閘前水位嚴(yán)格控制在某一點(diǎn)處，否則將造成閘門(mén)的反復(fù)調(diào)整。因此，調(diào)度應(yīng)具有一定的“魯棒性”，合理確定水位控制的區(qū)間，以目標(biāo)水位區(qū)間代替目標(biāo)水位點(diǎn)進(jìn)行調(diào)度。(2)當(dāng)前的調(diào)度策略中僅考慮各閘自身的水位、流量情況，沒(méi)有統(tǒng)籌考慮上、下游的水情，可能導(dǎo)致發(fā)生不科學(xué)的調(diào)度。(3)當(dāng)前的反饋控制策略中沒(méi)有考慮水位降幅的約束，在實(shí)際調(diào)度中，可能發(fā)生閘前水位發(fā)生驟降。因此，在輸水實(shí)時(shí)調(diào)度模型中應(yīng)明確水位降幅約束。(4)目前的調(diào)度策略不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整渠道水位的功能。當(dāng)前的調(diào)度策略僅考慮入渠流量與分水流量的平衡，但是未考慮渠道水體體積的變化情況。應(yīng)統(tǒng)一考慮入渠、分水、渠道蓄水變化的水量平衡，以滿足運(yùn)行初期經(jīng)常遇到的水位調(diào)整的工況。

3.南水北調(diào)中線干線自動(dòng)化調(diào)度系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

3.1 調(diào)度系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

通過(guò)實(shí)時(shí)的研究，借鑒國(guó)際經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)發(fā)建設(shè)南水北調(diào)系統(tǒng)系統(tǒng)的構(gòu)成主要包括：應(yīng)用系統(tǒng)、支出平臺(tái)、基礎(chǔ)設(shè)施、組織管理、技術(shù)保障五部分。

3.1.1 應(yīng)用系統(tǒng)。應(yīng)用系統(tǒng)是與業(yè)務(wù)有關(guān)的用戶直接使用的子系統(tǒng)的集合主要的功能是：自動(dòng)化調(diào)度監(jiān)控、水質(zhì)監(jiān)控、工程安全監(jiān)測(cè)等：

(1)自動(dòng)化調(diào)度監(jiān)控。包括閘站自動(dòng)的監(jiān)控、水調(diào)業(yè)務(wù)、閘站視頻監(jiān)控等；①閘站自動(dòng)監(jiān)控主要的任務(wù)是根據(jù)節(jié)制閘渠道的運(yùn)行控制方式進(jìn)行全線閉環(huán)自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化調(diào)度。②水調(diào)業(yè)務(wù)是水量調(diào)度日常的處理，編制期間水量分配方案等功能。③閘站視頻監(jiān)控是為了有效的實(shí)現(xiàn)輸水工程閘站的控制，實(shí)時(shí)了解工程進(jìn)度情況，實(shí)現(xiàn)了閘站無(wú)人情況下對(duì)設(shè)備有效的自動(dòng)管理。

(2)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。包括對(duì)水質(zhì)量的數(shù)據(jù)采集、水質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、水質(zhì)量研究分析等；

(3)工程安全監(jiān)測(cè)。包括，工程安全監(jiān)測(cè)、工程防洪信息管理、工程運(yùn)行維護(hù)等；

綜上所述，輸水調(diào)度管理，要從設(shè)備和人員的角度出發(fā)，辯證看待兩者之間的關(guān)系，做到設(shè)備可靠、人員可靠。并且要加強(qiáng)自動(dòng)化控制技術(shù)的運(yùn)用，從而將輸水運(yùn)行調(diào)度水平提升。

[1]周夢(mèng)，練繼建，程曦，趙新.南水北調(diào)中線總干渠冰期運(yùn)行調(diào)度措施研究[J].人民長(zhǎng)江，2016，21：106-109.

[2]王帥.南水北調(diào)東線膠東干線應(yīng)急調(diào)度研究[D].濟(jì)南大學(xué)，2016.

[3]李宏碩.水利調(diào)度自動(dòng)化在南水北調(diào)工程中的研究應(yīng)用[J].科技展望，2016，33：66.