流域智慧調控大樓的建設探索與思考

曹光榮，舒衛民，周保紅，譚 華，朱韶楠，張辛楠

(中國長江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443002)

我國是世界上洪水最多的國家。自公元前185年的漢初到1911年清末的2096年，長江中下游就發生的較大洪災214次，平均10年一次[1]。按照國務院批復的《長江流域綜合規劃》，為治理長江水患，開發利用水資源，長江流域相繼建成了一批大型水庫[2]。目前，長江上游水庫群已基本形成1個核心(三峽水庫)、4個骨干(烏東德、白鶴灘、溪洛渡和向家壩水庫)、5個群組(金沙江中游群、雅礱江群、岷江群、嘉陵江群、烏江群)[3]。中國三峽集團是全球最大的水電開發運營企業和我國最大的清潔能源集團，建設和運行金沙江下游-三峽梯級6座電站。6座電站中有5座位列世界前12大水電站，是保障長江安瀾，促進流域綠色發展的核心骨干工程，防洪庫容376億m3,電站裝機容量7 169.5萬kW，設計年發電量3 000億kWh，相當于每年減少CO2排放2.5億t，70萬kW及以上機組占全球72%，其中白鶴灘100萬kW機組更是全球唯一。

三峽水利樞紐梯級調度通信中心(簡稱三峽梯調)是中國長江電力股份有限公司下屬二級生產單位，主要負責金沙江下游-三峽梯級6座電站水庫的聯合優化調度、電力實時調度，以及在建水電工程水文氣象服務保障等工作，統一接受水利部門、電網等上級調度機構調度指令，協調梯級電站水庫調度運行，充分發揮梯級樞紐綜合效益。

智慧大樓是以建筑為平臺，兼具通信網絡系統、辦公自動化系統、建筑設備的，集管理、服務、系統為一體的最優化組合，為人們提供便捷、舒適、安全額度區域環境[4]。智慧大樓的最終表現形式是高度集成的信息化管理體系，是以數據輸入為驅動，通過IT處理過程反饋得出結果，實現智慧大樓的具體功能[5]。

我國傳統調控大樓受建設時期技術及理念限制，重在大樓基建及系統硬件建設，無法適應當前梯級水庫精細化、智能化調度的要求。隨著計算機、人工智能和通信等技術的發展，為建設智慧調控大樓提供了可能。三峽梯調為培育水資源利用與流域梯級聯合調度核心能力，打造具備一定智慧調度功能的金沙江下游-三峽梯級聯合調度支撐平臺，通過加強與國內知名高校、科研機構和上級調度的合作研究，結合運行調度實踐，借助已建成的智慧長江與水電科學湖北省重點實驗室，圍繞梯級水庫智慧調度開展了一系列研究，初步形成了涵蓋氣象水文預報到多目標聯合優化調度為核心的自動化調度決策支持系統。按照“采用最新技術、體現世界一流水平”的總要求，建設了建筑面積6 000余m2的梯級電站調控大樓，作為流域水資源統一調度指揮中心，并通過調度通信網，將自動化調度決策支持系統與調控大樓有機結合，在流域梯級智慧調控大樓建設方面進行了有益的探索。流域智慧調控大樓結構見圖1。

圖1 流域智慧調控大樓結構圖

1 智慧樓宇建設

流域智慧調控大樓作為三峽梯調開展流域水資源統一調度的核心區域，接入了集基礎通信能力與移動辦公能力于一體的融合通信網絡。在此基礎上建設了包括機房能量管理、環境監測、安全管理的現代智能化信息機房，打造安全、穩定、高效的基礎環境。綜合運用云計算、大數據、衛星移動通信、可視化、邊緣計算、人工智能技術建立了決策支持系統。按照功能分區通過大屏幕顯示技術、視頻會議技術、坐席聯動技術、大屏可視化技術建設有調度大廳、系統會商室等專用智能業務場所，為梯級水庫群聯合調度業務的開展提供智慧化的作業場所，并實現與水文部門、氣象部門等專業機構的智能系統會商。借助智慧工地管理系統促進智慧樓宇建設過程的全面管控。

1.1 智慧調度大廳和機房建設

調度大廳作為調控大樓最核心的區域，是流域梯級電站調度的中樞。在建設過程中需要充分考慮智慧調度要求。調度大廳利用雙層結構，土建層高9 m，面積近600 m2。滿足運行調度人員每周7×24 h日常生產需求。結合調度業務需求，調度大屏和調度員席位設計成弧形，按值班功能分塊，分前后兩排坐席，每個席位不少于6面顯示器。為更好地滿足調度監視、展示效果，調度大屏按“主屏+兩面側屏”布置，總體顯示面積168 m2。主屏采用三色激光DLP投影單元組成，側屏采用LCD拼接單元組成，采用NoGap技術，拼縫小于0.1 mm，7×24 h不間斷運行可達6～10萬h。調度大廳頂部造型設計為異型天花，采用弧形鋁板配合軟膜天花燈帶建造，在天花上方預留檢修走馬道，方便吊頂管線、消防暖通及燈具等維修。異型天花采用輕鋼龍骨結構，為確保安全和施工質量，在設計階段進行了吊頂及走馬道受力分析，在材料加工前進行電子施工圖放樣和現場施工放樣。調度大廳照明系統按照主控制室標準設計，其照度標準為500 Lx，根據人體工程學及控制室使用需求，為緩解工作人員長時間在大屏幕與工作臺間切換視線所引起的視覺疲勞，桌面照明強度標準按照500 Lx設計，屏幕前方的垂直面照度控制在100 Lx以下，照明系統采用智能控制，充分體現綠色、環保、節能設計原則，形成一個無眩光、柔和、明亮的燈光環境。

按照智慧調控大樓建設要求，自動化和通信機房以電子信息系統機房A級標準設計，從機房位置選擇、內部布局、裝飾裝修、溫濕度、空氣含塵濃度、噪聲、電磁干擾、振動及靜電、消防、空氣調節、供電、照明、防雷與接地、綜合布線、機房環境監控與安全防范、防滲防露及擋水排水措施等方面，全面滿足數據中心內設備安全運行、節能減排以及智慧系統運行要求。機房機柜，在系統設計中充分考慮用戶后期的擴容需求。調控樓的網絡綜合布線及機房綜合布線、信息發布與查詢系統、視頻監控系統、門禁系統、照明系統均納入樓宇智能化整體設計與建設。

貫徹以人為本的理念，在調控樓建有新風和暖通系統。為降低室內噪音，將原設計在地下室和樓頂的2臺10 kV變壓器、新風和暖通系統室外機，調整到調控樓室外場地，相應增加了暖通室內室外機的連接管長度，通過適當增加主機功率等技術措施來保障暖通效果。三峽梯調調度大廳見圖2。

圖2 三峽梯調調度大廳圖

1.2 智慧工地管理系統

綜合運用互聯網、移動通信、數字視頻等技術，搭建一個以進度為主線、以成本為核心、以項目為主體的多方協同、多級聯動、管理預控、整合高效的生產經營管控平臺，對“人、機、料、法、環”等各生產要素實現實時監控和全面管控，實現業務間的互聯互通、數據共享和綜合展現。系統支持電腦端和手機端登錄，其主要功能包括：施工人員管理、安全教育管理、視頻監控管理、材料進出場管理、隱蔽工程管理和施工進度管理。

施工期間新冠肺炎疫情尚未完全結束，項目組制定了嚴格的疫情防控措施，通過智慧工地管控平臺，加強對施工進場人員、車輛和物資的防控，采用數字化手段全面落實了各項疫情防控措施，管理效率與管控力度得到了明顯提升。

為保障項目的順利實施，成立了由業主、設計、監理、施工等單位人員組成的施工現場管控項目組，充分利用智慧工地管理系統，對30多個合同項目進行統籌管理，細化項目管控計劃，嚴格進度、費用、質量、安全、防疫管控措施，為項目的安全、規范、高效實施打下了堅實基礎。

2 探索建設智慧調度決策支持系統

三峽梯調圍繞“氣流、水流、電流”業務鏈，與相關單位合作，經過20多年的科技創新和產研轉化，先后建成了氣象業務系統、水文預報系統、水調自動化系統、電調監控系統、水資源決策支持系統、可視化展示系統以及調度通信網等滿足梯級水庫群聯合調度需求的業務體系，在數字化、智慧化、流域化調度等方面進行了一些探索，為金沙江下游-三峽梯級水庫的智慧預報調度提供了有力支撐。梯級水庫業務系統體系見圖3。

2.1 氣象業務系統

三峽梯調氣象業務系統針對水庫調度特殊需求，參照中國氣象局信息化發展規劃，按照省級氣象臺規模建設。系統采用分層設計思想，搭建了基礎設施支撐環境、建立了數據支撐管理系統、氣象預報預測和氣象業務服務平臺，涵蓋了實況監測、智能預報分析及評價檢驗等功能模塊。

在實況監測方面，接入了長江流域728個國家氣象站、20 394個區域氣象站，受電區域1 028個國家氣象站，長江流域74部天氣雷達，FY2、FY4和葵花8氣象衛星數據。監測范圍涵蓋長江流域和受電區域，監測內容包括長江流域降水，三峽區域暴雨、雷電、大風等災害性天氣，受電區域臺風、寒潮、高溫等用電高影響天氣，流域極端降水事件等。

圖3 梯級水庫業務系統體系圖

在預報分析方面，一是利用雷達資料和地面觀測資料，制作短臨災害性天氣預警產品。二是利用全球先進氣象模式產品，通過智能訂正和人工修正，制作10 d內的網格預報產品(空間上5 km×5 km，時間間隔3 h)。三是利用全球氣候監測資料和氣候模式產品，制作延伸期(10-30日)、月、季節降水趨勢預測。并已開展受電區域的氣象要素趨勢預報，包括氣溫、臺風等。精度評價結果表明，氣象業務系統預報產品精度，3 d以內降雨過程精確，4～10 d中期預報降水過程可靠，11～30 d延伸期預測總體趨勢能較好把握。

在預報評價檢驗方面，實現了對多家主流模式預報和主客觀融合預報進行分級降水TS、空報率、漏報率檢驗，以及時段內預報格點與雨量站點實況直觀呈現對比。氣象業務系統功能模塊見圖4。

圖4 氣象業務系統功能模塊圖

三峽梯調結合智慧調度發展規劃，通過持續對氣象業務系統升級完善，逐步構建了符合三峽、成都和昆明等多區域氣象業務統一應用的專業系統，在金沙江下游-三峽梯級水利樞紐的施工建設、防洪調度、電力生產、航運以及安全經濟運行中發揮了重要作用。

2.2 水文預報系統

長江上游水文預報系統是以水調自動化系統數據庫為數據管理平臺，以GIS為可視化平臺，以洪水預報、水動力學等專業模型為核心，根據洪水預報與防洪調度的業務流程，采用B/S和C/S混合體系結構研發的軟件平臺，無縫接入世界主流數值氣象預報成果，實現長江上游流域各預報站點和重點水庫短中長期一體化預報。系統采用定時自動和人工交互的預報模式，提供預報專業模型計算服務，支撐高級業務應用平臺中的各類調度分析計算。

系統基于研制的長江上游流域短、中、長期水文預報模型，采用“流域子單元-產匯流分區-降雨交互預報分區”多級面雨量接入方式，把長江上游流域100萬km2，劃分為1 437個流域子單元，377個產匯流分區，132個預報站點，通過與ECMWF(歐洲中期數值預報中心)、NCEP(美國國家環境預報中心)、GRAPES(中國氣象局全球/區域集合預報系統)以及三峽梯調等多家數值預報產品的耦合，實現了10日預見期的徑流預報；采用水文統計、物理成因和人工智能等多種方法，實現了12旬、18月和年極值尺度的徑流預報；在此基礎上，采用過程匹配技術，完成短中長期預報成果的協同一致。采用重點水庫出庫流量多模式設定、預報站點信息互饋實時校正等技術，全面考慮了流域內水利工程調蓄對預報過程的影響，提高了預報精度。

目前，預報系統已經實現了提前3～5 d準確預報三峽水庫入庫流量，提前6～7 d對洪水作出預估，提前8～10 d對洪水進行定性分析，其中24 h預報精度98%；2～7 d預報精度90%；月預報精度86%；三峽水庫洪峰平均預報精度95.1%，平均預見期34.2 h；預報精度在行業內處于領先水平，為以三峽為核心的梯級水庫優化調度提供了技術支撐。水文預報系統主要功能模塊見圖5。

圖5 水文預報系統主要功能模塊圖

2.3 水調自動化系統

三峽梯級水調自動化系統于2003年投運，經過多年的運行、改造和完善，逐步發展成為一套滿足金沙江下游-三峽梯級樞紐聯合調度的業務支撐平臺。

水調自動化系統功能包括基礎應用、高級應用、服務及后臺管理功能三部分。基礎應用功能包括主系統云平臺、數據庫系統、數據采集、數據通信、數據處理、信息查詢與展示、報表、數據監視和報警等。基礎應用功能通過對數據進行全生命周期的管理，搭建高效、高質量數據支撐，實現對全流域水雨情的查詢與監視，能對上游流域主要水庫運行信息進行查詢、展示與分析，提供方便快捷的報表查詢、分析和設計工具。高級應用功能包括梯級水庫調度方案編制、輔助決策工具集、水能利用分析、資料整編分析及基礎數據管理等功能，實現梯級水庫長中短期入庫流量預報及梯級水庫聯合調度方案編制等，并為優化調度提供決策工具。服務及后臺管理功能包括系統消息機制及應用服務中間件功能、第三方接口及系統二次開發功能、軟件版本管理、系統管理與監控等。通過服務及后臺管理功能，可以實現對系統第三方應用的功能和數據接入，并對軟件實施高可靠性的系統及版本管理。

水調自動化系統利用數據、計算和存儲資源，將宜昌、成都及昆明三地的業務進行整合，通過搭建云計算架構和大數據中心，提供系統智能化解決方案及可視化展示、大數據管理等新功能應用，提高系統多業務協同能力和應急處置能力，建立統一的水調自動化系統平臺，使其具備支撐梯級水庫智慧調度的功能。水調系統構架見圖6。

2.4 三峽梯級電調監控系統

三峽梯級電調監控系統按照“調控一體化”運行管理模式設計和建設，具有數據采集與處理、安全運行監視、智能報警、運行調度、操作控制和管理等功能，同時負責接受上級調度系統下達的各項指令，向上級調度傳送所需的數據，實現了梯級電站的遠程全面監視，同時具備遠方控制、調節能力。

目前，三峽集團所屬梯級水電站所產生的清潔電能源源不斷地輸送到華中、華東、華南和西南地區，惠及11省2市。

2.5 水資源決策支持系統

在滿足防洪、航運、發電、供水、生態等綜合需求條件下，以實現流域水資源利用綜合效益最大為目標，開發具有自主知識產權和核心技術、能夠滿足金沙江下游-三峽梯級水庫群綜合運行管理需求的梯級水庫群聯合優化調度管理應用系統，提升水資源利用效率。

圖6 水調系統構架圖

水資源決策支持系統包括水庫群調度模擬、河道演進仿真、聯合優化調度和預報調度效益綜合評估等4個模塊。水庫群調度模擬、河道演進仿真以長江上游流域控制性大型水庫為對象，通過建立水庫調度規則，模擬上游水庫未來調度運行的可能情景，分析上游水庫群調蓄對金沙江下游-三峽梯級電站的影響，能開展徑流模擬計算及其河道演算。優化調度模塊綜合考慮防洪、供水、航運、生態等水資源綜合利用需求和電力市場需求等約束，能快速高效分析計算滿足不同調度目標的最優方案，實現梯級電站綜合調度最優化。預報調度效益綜合評估模塊可基于長系列數據，對長中短期預報成果及梯級水庫調度的結果進行評估，根據評估結果推薦未來時段或指定情景下的預報模型和調度方案，提出優化建議。水資源決策支持系統功能見圖7。

圖7 水資源決策支持系統功能圖

系統通過對各功能模塊進行集成，實現方案編制、評估、實施和反饋的一體化功能，具備流域全信息集成、跨區域聯合調度、多模型多方案對比決策、場景綜合應用、可視化展示等功能，有力提升聯合調度競爭力。

2.6 調度通信網

為支持流域智慧調控大樓各智慧流域調度系統的數據傳輸需要、同時滿足調度語音通信及視頻會商的需求，建設了流域調度通信系統，以實現廠站、上級調度機構和三峽梯調調度數據以及梯調預報調度業務系統之間的互聯互通。流域調度通信系統主要包括傳輸系統、調度交換系統、融合通信系統。

傳輸系統。為實現調度數據在調度機構和廠站之間的可靠傳輸，建立了以地面光傳輸網通信為主和天上衛星通信為輔的跨區域、長距離(6 700 km)、穩定可靠的傳輸系統，實現宜昌、成都、昆明三地調度調控中心、6座梯級電站和上級調度機構的穩定數據交互。

調度交換系統。調度交換系統是一套服務電力調度運行的語音通信系統，采用電路交換與軟交換雙網雙技術融合的方式構架，遵守電力調度通信網“統一規劃、統一調度、分級建設、分級管理”的管理原則。調度交換系統提供了電廠、調控樓調度大廳以及上級調度單位間的專用語音通信。調度交換系統設備還提供了多套錄音功能，調度電話錄音會同時保存在電路模擬數字錄音設備和軟交換錄音設備中。

融合通信系統。為滿足公司跨區域經營、生產、辦公和管理的需求，建立了集基礎通信能力和移動辦公能力一體的融合通信系統，實現語音、消息、群組、移動辦公、多媒體會議等功能，為公司提供電話、視頻、融合會議、企業通信錄、群組等各項融合通信系統功能，可實現設備故障的專家遠程診斷、網絡培訓，移動辦公。同時可以減少員工出差的次數，初步測算每年可以為公司節省210萬元的成本費用。隨著公司生產經營業務的不斷擴大，融合通信系統視頻、語音、融合會議等功能應用范圍也將持續拓展。梯級電站通信光環網見圖8。

2.7 可視化展示系統

為系統全面展示梯級水庫調度核心業務和綜合效益，在調度大廳研發了可視化展示系統。系統深度融合大數據、云計算、AI、融合通信等前沿技術應用，將信息、技術、設備與水資源管理需求有機結合，支撐對各業務過程進行全面表現，提升科學化決策調度管理水平。

圖8 梯級電站通信光環網圖

流域梯級聯合調度數據“廣度”非凡，涉及防洪、發電、航運、生態調度等多領域綜合性業務，信息系統眾多、數據資源種類復雜多樣。通過對水文、氣象、生態、航運、通信自動化等各領域信息系統、數據平臺、前端感知設備等廣泛的數據資源進行總結提煉，建設了“氣象水文預報”、“防洪調度”、“發電調度”、“綜合利用”、“通信自動化系統”等5個展示專題。通過對專題業務充分挖掘，將各主題的數據指標、功能應用、交互邏輯等內容進行了科學梳理，從流域大范圍態勢到具體設備運維情況，實現了從宏觀業務的全面監測到微觀具體業務的鉆取查詢，實現信息全方位、多角度、多層面的直觀、生動展示。其構建了一個智能決策中樞，賦能用戶業務管理決策的科學化、智能化。

大屏可視化展示平臺總體結構共分6個層次、2個體系。由下至上分別為數據來源層、基礎設施層、數據資源層、應用系統層、用戶界面層、應用場景，左右兩側分別為標準與規范體系、信息安全防護體系。大屏可視化構架見圖9。

3 結 語

三峽梯調深入貫徹“抓創新就是抓發展 謀創新就是謀未來”理念，以提升梯級電站智慧化調度能力為目標，在新建的流域梯級調控大樓，圍繞調度核心業務研發并安裝了6大業務系統，通過調度通信網將上級調度機構、廠站和三峽梯調，以及獨立的業務系統融為一體，實現了數據的融合通融，業務的有機整合，有效提高了工作效率及業務智慧化水平，促進了與業務相關方的溝通協調，更快地響應上級調度機構的調度指令。形成了梯級水庫聯合優化調度支撐平臺，顯著提高了梯級水庫預報調度的智能化水平。

圖9 大屏可視化構架圖

在2020年梯級水庫調度過程中，借助智慧系統，三峽梯調科學編制調度方案，高效、精準執行調度指令，圓滿完成了各項調度任務。在2020年長江流域5場編號洪水調度過程中，金沙江下游-三峽梯級水庫攔蓄洪水330億m3，避免了荊江分洪區的啟用，避免了60余萬人口轉移、約3.26萬hm2耕地和約0.66萬hm2水產養殖面積被淹；溪洛渡、向家壩、三峽、葛洲壩4座電站發電量2 269億kWh，占全國水電發電總量近20%，占全國發電量的3.5%。其中三峽電站年發電量1 118億kWh創造了新的世界記錄；三峽船閘年貨物通過量達1.4億t，是三峽工程建設前該斷面最大年貨運量1 800萬t的7倍；梯級水庫向下游補水達300余億m3，在保障長江安瀾，助力長江綠色可持續發展方面發揮了核心作用。

三峽梯調圍繞建設智慧調控大樓進行了有益的探索與實踐，取得了一定的成效。為實現更高水平、更深層次的智慧化調度，全面建成流域智慧調控大樓，更好地發揮梯級水庫綜合效益，需要繼續科技攻關：一是堅持科技引領、創新驅動，加大對智慧調度關鍵、核心技術研發投入，解決人工經驗系統化、預報調度深度智能化等痛點和難點問題。二是深化數字化轉型，實現業務系統的全面互聯互通，并逐步整合成基于同一業務平臺的智慧化調度平臺，實現“實體長江”到“數字長江”，再到“智慧長江”的轉化，為流域梯級水庫智慧調度提供模擬和決策支持，為長江經濟帶發展、長江大保護和雙碳目標實現發揮更大作用。