水電系統全景調度綜合實驗平臺建設及教學實踐

馮仲愷，牛文靜，周建中，莫 莉，張勇傳

（1.華中科技大學 水利與土木工程學院，湖北 武漢 430074；2.長江水利委員會水文局，湖北 武漢 430010）

作為現階段技術最成熟、運行最靈活的清潔能源，水電一直得到世界各國高度重視，已經成為裝機容量和發電量雙雙占比最高的低碳可再生電力資源[1]。近年來，我國水電行業更是處于快速建設和發展期，三峽、溪洛渡、向家壩、烏東德等眾多世界級巨型水電站相繼投產運行，逐步形成了西電東送、南北互供、全國互聯的統一聯合調度新格局[2]。伴隨系統規模的持續擴張與運行要求的日趨精細，水電系統調度運行從傳統的單一尺度中小流域的單目標靜態優化，逐步轉變為多尺度大規模跨流域水電系統的多目標均衡優化，因此經典理論方法難以科學量化和解析多維隨機變量互饋協變機制，亟需創新和發展新型理論方法來解決世界水電史上前所未有的多階段、多約束、多變量、全景調度問題。為保證水電行業健康有序發展，培養一大批具有較高科研素質和工程實踐能力的復合型專業人才無疑是其中的關鍵要素[3-4]。

然而，水電系統涉及電網潮流、發電控制、用水需求等眾多方面，其調度運行不可避免地受到水文、氣象、負荷等非線性時變隨機風險因素影響，使得傳統原型實驗教學面臨成本高昂、效率較低、風險巨大甚至無法復現等限制，導致教學中出現學生對相關物理過程不甚清晰、理論與實踐脫節等問題，成為制約水電調度專業人才培養質量的瓶頸所在[5]。為解決這一問題，本文結合虛擬現實、數字地球、計算機通信、人工智能等現代信息技術，構建了靈活性強、適用性廣和擴展性高的水電系統全景調度綜合實驗平臺，實現了基礎信息維護、水文特性分析、水文綜合預報、多尺度聯合調度、調度運行評估、風險評估決策等相關業務的一體化智能集成。該平臺可協助學生快速完成水電調度相關業務的在線智能仿真實驗，有利于檢驗所學知識、強化理論基礎、凝練創新成果、提升實踐能力，為我國培養富有科技創新意識和工程實踐能力的高素質水電調度專業人才提供了一種有效方式。

1 水電系統全景調度原型實驗教學面臨的問題

我國水電系統具有裝機容量巨大、電站數目眾多、利用需求各異、涉水矛盾突出、梯級聯系密切等復雜特征，其調度運行是多階段、多約束、多變量、全景優化的問題。在時間尺度上，水電調度涉及長期、中期、短期、超短期、實時等不同尺度業務邏輯的嵌套銜接，在制定最新運行方案時不僅需要充分考慮當前時段最新水情、雨情、工情信息，而且需要綜合考慮水文氣象中長期隨機演化規律，還要將細粒度狀態信息反饋至大尺度調度模型以便動態調整系統未來運行邊界；在空間尺度上，各電站通常由區域電網、省級電網、發電公司等多種部門同時管理，不僅需要滿足電網負荷與安穩運行限制，而且需要兼顧上下游、左右岸和區內外水量水質、電力電量、市場合約等多邊要素的協同分配，同時還要滿足發電企業、環境保護、生態建設、航運部門、農田灌溉、生活供水等不同對象的差異化需求。

由此可見，在如此錯綜復雜的運行環境下，常規原型物理實驗難以模擬復雜水電系統全景調度過程，會不可避免地面臨成本高昂、效率較低、相似度欠佳、風險巨大甚至無法復現等瓶頸。以生態調度為例，若無科學方案指導水庫調度生產來營造適宜環境（如水量、流速、水溫、脈沖頻次），極易干擾水生生物的生長繁衍，甚至造成珍稀物種的滅絕。因此，有必要開發先進科學、穩定可靠的水電系統全景調度綜合實驗平臺，不僅便于教師提升實驗教學質量，而且利于學生深入理解所學知識、凝練創新成果，還能助力提升水電系統長期生產運行效率與綜合管理效益。

2 水電系統全景調度綜合實驗平臺建設的意義

長期教育實踐表明，高素質專業人才對推動各大行業的健康有序發展起著極其重要的作用。構建水電系統全景調度綜合實驗平臺，不僅能夠有效解決原型實驗教學存在的成本高昂、效率較低等瓶頸問題，而且有利于深化教育改革、推動素質教育，還能促進水利水電行業智能化管理水平的提升，最終實現教師、學生、學校和行業的多方共贏。具體分析如下：①對教師而言，實驗平臺可綜合運用大數據、人工智能、網絡通信、云計算、虛擬現實等現代信息技術，對水電工程涉及的勘測規劃—研究設計—水能利用—梯級調控—運行維護等全生命過程進行在線虛擬仿真實驗，利于完善實驗教學方法、改進實驗教學方式、提升實驗教學質量；②對學生而言，實驗平臺協助理解水電站“水能—機械能—電能”的復雜非線性耦合轉換過程，不僅可以實現與課堂所學理論知識彼此對照、相互促進，而且可以順利開展創新實踐計劃和科研項目，進而夯實理論基礎、提升創新意識、增強實踐能力；③對學校而言，實驗平臺可利用優勢力量形成包含紙質教材、教輔材料、電子教案、資源庫、數據庫、模型庫、方法庫、教學網站、課程論壇、網絡課程、微云會議室等立體化水電調度實驗教學平臺，充分滿足教師和學生“多層次、多維度、多目標、多任務、多情景、多渠道”的教與學資源差異化需求，進而打造知名實驗教學平臺品牌、提升學科影響力；④對水電行業而言，實驗平臺有利于培養形成具有超強凝聚力、執行力與戰斗力的高水平專業技術隊伍，不斷提升自主研發和系統運維能力，進而增強流域水資源管理水平和決策科學性，切實保障我國重大水利水電工程綜合運行效益。

3 水電系統全景調度綜合實驗平臺建設

通過有機集成水文預報、工程水文學、水電系統經濟運行、水電能源學、水資源開發利用等相關課程知識，嚴格遵循國家和行業相關的編碼規范、傳輸方式和通信協議標準，以實用性、可靠性、開放性、擴展性、靈活性和安全性為設計準則，以系統決策理論、運籌學、高性能并行技術等理論方法為基礎，以虛擬現實、數字地球、計算機通信、人工智能等現代信息技術為手段，以“瀏覽器—服務器—數據庫”三層系統結構為框架，以重大水利水電工程涉及的勘測規劃—研究設計—水能利用—梯級調控—運行維護為主線，構建了先進科學、靈活便捷、安全可靠的水電系統全景調度綜合實驗平臺，如圖1所示，對基礎信息維護、水文特性分析、水文綜合預報、多尺度聯合調度、調度效益分析、風險評估決策等水電調度業務邏輯實現了可視化交互式無縫操作，幫助學生同步提升理論知識、創新意識和實踐能力。具體建設內容如下。

圖1 水電系統全景調度綜合實驗平臺示意圖

3.1 海量多源異構水電運維數據管理系統

水電調度運行既有水位、出力、流量等相對規范的結構化數據，也有圖片、視頻、文檔等數目眾多的半結構化數據，還有專家經驗、模糊語義等形式各異的非結構化信息，呈現出典型的海量、多源、異構特征[6]。為此，構建了涵蓋基礎信息（如防洪庫容、保證出力）、特性曲線（如水位—庫容、下泄流量—尾水位）、水情、雨情、工情、空間信息及決策推理規則等水電運維數據管理系統，綜合運用圖表聯動與三維場景等方式對水電調度數據進行快捷方便的特征提取、數據挖掘與智能展示，實現對信息存儲、校核、發布等多元數據需求的集中管理。開發了面向水情數據平臺、節能發電調度系統、能量管理系統、市場交易系統、負荷預測系統、檢修系統等多個應用業務系統的數據傳輸接口，實現了信息類型、數據點號、傳輸機制、校驗標準、數據庫源等內容的智能信息交互，為多元業務邏輯的動態集成提供統一數據支撐。

3.2 水文特性分析及綜合預報系統

徑流過程同時受到大氣降雨、地表植被、土壤下滲等綜合因素影響，加之自然環境變化和大中型水利工程的脅迫作用，導致流域產匯流、時空演化規律異常復雜。為此，研發了水文特性分析及綜合預報系統：一方面，依托長系列氣象水文實測與預測相關資料，綜合運用功率譜分析、線性回歸、傅立葉變換、小波分析、經驗模態分解等方法，解析不同區域、不同時間尺度下氣象水文序列的頻率特性、周期性、波動性、趨勢性、跳躍性等內在特征，科學辨識變化條件下水資源時空分布規律及演化趨勢[7]；另一方面，構建涵蓋新安江模型、水箱模型、薩克拉門托模型等經典水文模型和神經網絡、支持向量機、隨機森林、高斯過程等新興人工智能方法在內的預報方法庫，采用單純形法、遺傳算法、粒子群算法、人工蜂群算法等方法智能優選模型參數，根據模型性能表現自適應推薦滿足不同預報對象實際需求的預報模型，利用未來降雨集合預報數據（如氣象預報、人工經驗）快速生成精度高、預見期長的徑流預報信息，為流域內水資源合理分配調度提供決策依據。

3.3 水電全周期多尺度聯合調度系統

水電調度通常需要兼顧防洪、發電、調峰、供水、航運、生態等眾多相互競爭、不可公度的興利目標以及水位、流量、出力、電量等復雜運行限制集合，如何快速生成兼顧復雜利用需求的優質調度方案是國際研究熱點與難點問題。為此，研發了包含中長期調度、短期調度、實時調度等模塊的水電系統多尺度聯合調度系統，充分考慮水文預報信息、電站運行限制、電網安穩約束、綜合水量需求、市場合約電量等諸多因素[8]，科學選取單庫、梯級和跨流域等不同規模計算對象，以年、月、旬、周、日、時、分等時間步長為調度時段，以發電量最大、蓄滿率最大、調峰電量最大、供水保證率最大、梯級耗水率最小、生態缺水量最小、防洪庫容動用最小等調控目標，利用數學規劃方法（如線性規劃、非線性規劃、動態規劃、逐步優化算法）來快速生成各水庫運行方案，進一步利用以水定電、以電定水、關聯搜索、固定單元要素（如末水位、發電流量、出力）等啟發式方法對所得結果進行精細化微調修正，以便獲得切實可用的優化調度結果。

3.4 水電調度運行評估系統

水庫調度過程需要對歷史運行數據進行復盤分析、總結提煉，對實時決策過程進行在線監視、運行評估與科學決策，從而提升梯級整體運行效益[10]。為此，研發了涵蓋水文精度評定、運行指標評價、效益補償分析等功能在內的水電調度運行評估系統。例如，在構建水庫特性參數（如興利庫容、發電水頭、調節性能、保證出力以及發電引用流量）、空間拓撲結構（如梯級水力聯系、異步并網節點）、系統輸入（如負荷需求、區間徑流）等運行效益層次化評價體系后，模擬計算電站與梯級的相關運行指標（如耗水率、節水增發電量、考核電量、水能利用提高率、裝機利用小時數、調峰棄水損失電量），綜合運用線性加權法、灰色關聯分析、模糊綜合評估等方法，理清調度效益中自然—人為二元因素的貢獻度，根據各水庫運行情況科學分配梯級效益增量，進而提高多利益主體梯級水庫群的協同調度積極性，保障水電系統經濟安全運行。

3.5 水電調度風險評估與決策系統

水電調度不僅受決策者知識經驗、決策偏好、決策層次差異的影響，而且受流域實時工況和不同投資主體的影響，是一類多隨機變量強耦合作用下的復雜風險決策問題[10-11]。為此，研發了涵蓋風險源辨識、風險指標構建、運行風險分析、風險—效益均衡決策等功能在內的水電調度風險評估決策系統。首先從層次結構和時空尺度辨識影響水電安全運行的關鍵風險來源；其次建立反映不同風險因子關聯關系的綜合評價指標體系；隨后構建風險評價指標集的自適應量化分析方法，以便科學評價梯級運行風險（如洪水遭遇風險、棄水風險、供水短缺風險、生態破壞風險、出力不足風險）；最后依據水庫群防洪、發電、航運、生態、蓄放水等調度目標的風險承受度確定最終決策方案，以盡可能降低梯級運行風險，減少發電計劃與執行過程的不利偏差。

4 結語

我國已經形成裝機容量大、輸電范圍廣、運行限制多、調控要求高的超大規模互聯水電系統，其調度運行面臨一系列極富挑戰性的重大科學技術難題。在此背景下，兼具科技創新意識與工程實踐能力的專業人才是解決我國水電調度難題的關鍵環節，而科學先進的實驗平臺對提升教學效果和培養質量有著極其重要的作用。為此，本文聚焦西電東送、南水北調和智能電網建設等國家重大工程需求，運用先進信息技術成功構建了水電系統全景調度綜合實驗平臺，實現了“信息維護→水文預報→綜合調度→方案評價→風險評估→智能決策”等關聯業務邏輯的無縫耦合。應用效果表明，該平臺可促進學生融合所學專業知識與實際工程需求，顯著提升其綜合科研素質與應用實踐能力，為復合型水利人才培養提供了一種行之有效的方法。