防汛調(diào)度決策支持系統(tǒng)在新豐江水庫調(diào)度的應(yīng)用

黃梓穎

（廣東粵電新豐江發(fā)電有限責(zé)任公司,廣東 河源 517021）

1 工程概述

新豐江水庫水情自動測報系統(tǒng)功能涵蓋了從系統(tǒng)管理、信息監(jiān)視到?jīng)Q策支持方面的功能,利用網(wǎng)絡(luò)連接,采用統(tǒng)一集中一個服務(wù)器。是一個集實時數(shù)據(jù)采集與處理、水務(wù)計算與管理、水文資料整編、水庫水文預(yù)報、水庫防洪調(diào)度、水庫優(yōu)化調(diào)度、防汛業(yè)務(wù)管理等功能于一體的專用自動化系統(tǒng)。系統(tǒng)自動獲取水庫運(yùn)行和流域水情信息,在線進(jìn)行水務(wù)計算、水文預(yù)報和水庫調(diào)度綜合管理。依據(jù)相關(guān)數(shù)學(xué)模型和大型數(shù)據(jù)庫進(jìn)行計算和處理,迅速提供防洪調(diào)度和發(fā)電調(diào)度決策方案,實現(xiàn)水庫的經(jīng)濟(jì)調(diào)度[1-2]。

水電廠群防汛調(diào)度決策支持系統(tǒng)局域網(wǎng)絡(luò)采用安全高效的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),分成水調(diào)內(nèi)網(wǎng)和水調(diào)外網(wǎng)兩個部分,與位于本地具有同級關(guān)系的機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)、電能量計量系統(tǒng)、水雨情測報系統(tǒng)等進(jìn)行信息交換。水情內(nèi)外網(wǎng)之間配置一臺正向安全隔離設(shè)備,一臺反向安全隔離設(shè)備,通過集團(tuán)管理信息網(wǎng)與集團(tuán)水調(diào)系統(tǒng)連接,實現(xiàn)電站水調(diào)信息上傳和接收等功能。水情實時數(shù)據(jù)由內(nèi)向外通過正向安全隔離設(shè)備從二區(qū)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器傳送到三區(qū)通信服務(wù)器再傳向集團(tuán)數(shù)據(jù)庫和服務(wù)器,集團(tuán)下發(fā)的計算結(jié)果數(shù)據(jù)通過反向安全隔離設(shè)備由外向內(nèi)從三區(qū)服務(wù)器傳送到二區(qū)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。具體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖見圖1。

2 系統(tǒng)功能

2.1 基礎(chǔ)功能

系統(tǒng)搭建值班平臺,利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,進(jìn)行實時采集監(jiān)測流域的雨量、水位數(shù)據(jù),監(jiān)視各遙測站的數(shù)據(jù)和工作狀態(tài),并實現(xiàn)越限報警、報警信息記錄等,同時監(jiān)測接入廠房監(jiān)控系統(tǒng)的機(jī)組有功數(shù)據(jù)、狀態(tài)情況等,接入電能量系統(tǒng)電表讀數(shù)數(shù)據(jù),經(jīng)過數(shù)據(jù)處理、水務(wù)計算處理成水情水調(diào)數(shù)據(jù),為日常工作提供便捷[3]。

2.2 高級應(yīng)用功能

系統(tǒng)安裝高級應(yīng)用功能,以實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、防洪調(diào)度、洪水預(yù)報、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)統(tǒng)計、個性化文檔定制等高級應(yīng)用功能。采用新安江三水源模型及卡爾曼濾波實時校正預(yù)測短期洪水情況,采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、門限自回歸、支持向量機(jī)模型、歷史流量等進(jìn)行組合模型預(yù)報中長期洪水情況,為防洪調(diào)度提供了很強(qiáng)的參考性。同時將中長期經(jīng)濟(jì)運(yùn)行所分配給中期,能在其中各時段間進(jìn)行合理分配,制定出短期最優(yōu)運(yùn)行方式。其依據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷信息、實時水雨情信息和短期洪水預(yù)報,制定水電站次日運(yùn)行計劃,以滿足不同的目標(biāo)需求,根據(jù)不同模式自動進(jìn)行經(jīng)濟(jì)運(yùn)行演算,為水庫優(yōu)化調(diào)度提供技術(shù)支持[4-5]。

2.3 資料整編功能

系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)庫存儲內(nèi)容,應(yīng)用編排公式,自動計算日月年水文數(shù)據(jù)指標(biāo)和統(tǒng)計值,經(jīng)人工審核后能進(jìn)行確實上傳并永久存儲。實現(xiàn)水文資料永久無紙化存儲,保證了水文資料的連續(xù)性。

3 系統(tǒng)在新豐江水庫應(yīng)用情況

3.1 基礎(chǔ)功能應(yīng)用情況

系統(tǒng)自2020年開始安裝調(diào)試,至2021年在新豐江水庫投入試運(yùn)行應(yīng)用一年以來,總體運(yùn)行情況良好,沒有發(fā)生數(shù)據(jù)泄漏服務(wù)器入侵等網(wǎng)絡(luò)安全事故,基本能實現(xiàn)水庫調(diào)度工作功能,為水庫的防洪調(diào)度起到了重要的作用[6]。

系統(tǒng)自運(yùn)行以來,其個性化報表定制和結(jié)構(gòu)化文檔功能,能深度滿足用戶的需求,對于用戶需要的水情數(shù)據(jù)進(jìn)行公式獲取,排版后直接導(dǎo)出,極大程度提高了用戶的辦公效率。同時系統(tǒng)準(zhǔn)確的洪水預(yù)報和精確的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行預(yù)測,為新豐江水庫防洪抗旱發(fā)揮了重要作用。同時,系統(tǒng)利用已建成的雨量測站,進(jìn)行自動雨量計算,并進(jìn)行蓄水量變化計算,有效提高計算效率,解決了之前人工計算緩慢低效等問題[7]。

系統(tǒng)根據(jù)水量平衡公式,進(jìn)行小時、日、月、年的水量平衡計算,提高水庫調(diào)度效率,公式如下：

式中：I為給定時段Δt內(nèi)輸入水量；O為給定時段Δt內(nèi)輸出水量；W1、W2分別為初、末蓄水量；ΔW為時段Δt內(nèi)蓄水量的變化量。

根據(jù)該公式可以計算出水庫小時、日等時段蓄水量變化,同時作為基礎(chǔ)公式也應(yīng)用于新豐江水庫調(diào)洪計算、洪水演算等高級應(yīng)用上。以2023年6月1日的水庫數(shù)據(jù)為例,系統(tǒng)采用0點(diǎn)作為日數(shù)據(jù)分界點(diǎn),自動讀取6月1日0時和6月1日24時的水庫數(shù)據(jù),通過庫容曲線二分法插算,計算時段初末蓄水量變化值。再利用發(fā)電量及發(fā)電機(jī)組NHQ曲線進(jìn)行出庫計算,由此計算出水庫入庫水量及入庫流量。如果通過手工計算,需要人工進(jìn)行曲線讀取,并進(jìn)行二分法計算。計算過程較為繁瑣,但系統(tǒng)根據(jù)該方法系統(tǒng)根據(jù)用戶需求可以自動選取時長進(jìn)行計算,以6月為例,日計算結(jié)果見表1。

表1 新豐江水庫6月入庫水量流量計算結(jié)果表

表1僅展示系統(tǒng)計算的日數(shù)據(jù)結(jié)果,根據(jù)公式原理,可以再進(jìn)行小時、5分鐘、旬、月、年計算,計算原理與日計算相同。

基于新豐江水庫流域面積大,且暴雨中心分布散,因此流域設(shè)立了15個雨量站,并采用泰森多邊形法進(jìn)行流域平均降雨量推算。公式如下：

式中：fi為第i個雨量站所在的多邊形面積；F為流域面積；P為降雨量。

具體雨量站分布見圖2。

圖2 新豐江雨量測站分布圖

系統(tǒng)利用分布雨量站收集的雨量數(shù)據(jù),采用泰森多邊形法進(jìn)行流域雨量計算,根據(jù)雨量站分布及權(quán)重計算,得出雨量測站計算結(jié)果見表2。

表2 新豐江流域數(shù)字單元劃分表

對于實際降雨,流域降雨計算見表3。

表3 流域測站時段降雨計算結(jié)果表

可以看出,通過權(quán)重計算各測站降雨量得出小時流域平均降雨量。該降雨計算方法對于實際匯流形成過程分析,洪水預(yù)報等水庫調(diào)度有著較為深入的幫助。

3.2 抗旱應(yīng)用情況

2021年全年新豐江水庫來水量極低,屬50年一遇干旱年份。僅5月份和6月份各有一場較為明顯降雨,抗旱形勢十分嚴(yán)峻。5月31日開始全流域普降大雨,但是由于前期流域干旱情況較為嚴(yán)重,該降雨情況較難進(jìn)行洪水預(yù)測。系統(tǒng)根據(jù)中央氣象臺氣象預(yù)計,將流域分為10個小模塊采用新安江三水源模型及卡爾曼濾波實時校正以及歷史洪水預(yù)報進(jìn)行組合洪水預(yù)測,并根據(jù)前期實際情況成功預(yù)測此次降雨為超滲產(chǎn)流,具有較大洪量及較長洪水退水過程,洪量預(yù)測準(zhǔn)確率達(dá)80%。為接下來近一周的水庫調(diào)度提供參考,確保未來一周出庫流量控制情況有所依據(jù)。具體預(yù)報過程見圖3。

圖3 洪水預(yù)報過程圖

根據(jù)該預(yù)報結(jié)果,進(jìn)行后續(xù)出庫流量調(diào)整,確保水庫在保證下游供水和機(jī)組發(fā)電的情況下,能提高1 m水位。

2021年汛期過后,新豐江水庫旱情并沒有明顯改善,機(jī)組已位于降低出力區(qū)發(fā)電時間較長,抗旱形勢進(jìn)一步嚴(yán)峻。利用系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行預(yù)測功能,根據(jù)未來不同來水量預(yù)測,進(jìn)行水庫經(jīng)濟(jì)運(yùn)行分析。采用確定出庫流量、根據(jù)NHQ曲線確保機(jī)組發(fā)電安全的綜合預(yù)測模型,進(jìn)行第四季度及2022年的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行預(yù)測分析。為未來一段時間的水庫調(diào)度運(yùn)行提供了參考依據(jù),確保在2021年新豐江水庫在遭遇50年一遇旱情的情況下,水庫沒有在死水位以下運(yùn)行的情況[8-9]。

3.3 防汛應(yīng)用情況

2022年開汛較早,汛期以來“旱澇急轉(zhuǎn)”情況明顯,利用防汛調(diào)度決策系統(tǒng)中的相似洪水預(yù)報功能,通過大數(shù)據(jù)相似分析新豐江水庫過去六十年水庫入庫情況,截取相似度較高的入庫過程,進(jìn)行洪水預(yù)報。為新豐江水庫調(diào)度提供了強(qiáng)有力的預(yù)報依據(jù)[10-11]。

3.4 當(dāng)前存在問題

系統(tǒng)自試運(yùn)行以來,基礎(chǔ)功能及應(yīng)用功能均能合理實現(xiàn),為新豐江水庫的水庫調(diào)度應(yīng)用提供了有力的技術(shù)支持。但是系統(tǒng)目前仍存在一些問題：

1）基礎(chǔ)功能仍不夠完善。當(dāng)前系統(tǒng)雖能滿足日常值班所需工作,但在水文資料統(tǒng)計、水文系列值計算等功能上,常出現(xiàn)“拆東墻補(bǔ)西墻”的情況。將某一基礎(chǔ)功能修改研發(fā)完善后,會牽涉到另一功能出現(xiàn)問題,影響應(yīng)用。這需要在未來的使用過程當(dāng)中持續(xù)完善。

2）數(shù)據(jù)傳輸仍不夠穩(wěn)定。系統(tǒng)運(yùn)行一年來,數(shù)據(jù)傳輸偶爾會出現(xiàn)受防火墻、網(wǎng)絡(luò)通信或軟件自身缺陷問題導(dǎo)致中斷,及時報警后進(jìn)行人工處理恢復(fù)。但該情況不應(yīng)屬于新搭建系統(tǒng)該出現(xiàn)的問題,接下來可以考慮加大網(wǎng)絡(luò)帶寬等措施,以確保數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性保障。

3）高級應(yīng)用功能不夠便捷。高級應(yīng)用為實現(xiàn)大量水文專業(yè)功能,采用較為復(fù)雜的人機(jī)交互頁面和顯示頁面。頁面不夠簡潔,操作也較為復(fù)雜,下一步建議可將多按鈕合為一個快捷鍵等方式進(jìn)行優(yōu)化。

4 結(jié)語

水電廠群防汛調(diào)度決策支持系統(tǒng)自1990年開發(fā)應(yīng)用以來,當(dāng)前已為第四個版本。系統(tǒng)所采用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)傳輸功能基本能符合安全要求,所選取的水雨情傳輸精度也基本能滿足使用要求,運(yùn)行可靠。同時利用近三十年與新豐江水庫水情情況的磨合和數(shù)據(jù)收集,加入相似洪水預(yù)報等高級應(yīng)用功能,當(dāng)前版本能更適合新豐江水庫調(diào)度,更好地為新豐江水庫調(diào)度做出貢獻(xiàn)。