梯级水库调度信息系统的设计与实现

刘 晖 ，王迎春

（1.新疆伊犁河流域开发建设管理局，新疆 伊犁 835000；2.新疆伊犁巩留县恰甫其海枢纽管理处，新疆 伊犁 835400）

1 工程概述

伊梨河流域规划 9 库 31 个梯级电站，目前，已有 2 座水库建成，其中上游恰海水库为大（1）型Ⅰ等水利枢纽工程，水库具有不完全多年调节能力，电站装机 4×80 MW，工程主要承担灌溉、发电、防洪任务，入库水系设有自动水情遥测站，出库水流受下游水库回水顶托无法设置出库流量监测站；下游山口水库为大（2）型Ⅱ等工程，水库具备日调节能力，工程主要承担发电、反调节任务，电站装机 3×47 MW，下游水库距上游水库 15 km，并有 1 条支流汇入，山口水库下游 1.5 km 处有 1 个拦河引水枢纽，受拦河枢纽回水顶托无法设置下游水库出库流量监测站。梯级水库地理位置示意如图 1 所示。

图1 梯级水库地理位置示意图

水利枢纽所在河流年内径流量丰枯比很大，年径流量的 70 % 都在每年的 6～10 月产生，汛期需要严格控制水库水位，以保证水库运行安全。恰海与山口 2 座水电站负荷变化较大，机组出力调节频繁，下游水库库容较小，调节能力差。梯级水库调度需要及时获取各级水库的出、入库流量，以及坝前、后水位信息，要求工作程序严谨，调度指令明确，信息传递快捷，在满足灌溉、防洪任务的前提下获取最大发电效益，水库调度工作难点在于如何在上游水库出库流量变化频繁的情况下确保下游水库和拦河引水枢纽安全运行[1]。

2 可利用信息资源情况

流域水情自动测报系统内共布置 10 个水情遥测站，28 个雨量遥测站，各站观测数据用超短波传至数据中继站，监控中心接收中继站无线传输信号，编解码后送入服务器进行数据处理和存储，系统采用轮巡方式采集各测站数据，更新时间间隔为 1～4 h不等，与梯级水库调度有关的观测数据包括干流入库、山口水库支流入库等流量，水库坝前水位等。2 座水电站建有计算机监控系统，发电引水压力钢管和水轮机内部布置了多处压力、流量监测传感设备。系统监测数据更新时间间隔为 1 min，可存储全年监测数据，系统对电厂发电、水力状况进行实时监测，已用测点 1400 多个，与梯级水库调度有关的监测数据包括 4 台发电机组的发电径流量（测流装置为差压式流量计）、尾水位（测流装置为压力式传感器）、机组出力等。山口水电站监控系统与恰海水电站基本相同，已用测点 1900 多个，与梯级水库调度有关的监测数据包括 3 台发电机组的发电径流量、尾水位、坝前水位、机组出力等。

3 总体设计

3.1 系统主要功能

系统设计以满足水库调度工作任务为目的，主要解决：1）实时监视水库水情及运行情况，运行管理人员通过 Web 页面在水库调度信息系统中快捷、方便获取实时信息；2）按调度要求快速生成调度指令，并按预定流程进行审批；3）具备水库调度历史数据查询、统计功能，能够快速计算指定时段出入库水量、发电耗水量、弃水量、洪水频率、电站发电量等。

3.2 数据来源

恰海、山口支流入库流量及水库坝前水位由水情自动测报系统提供，水电站发电用水流量由电厂计算机监控系统提供，水工泄水闸门开度数据由水调管理人员通过 Web 页面在水库调度信息系统中手工录入。

3.3 出库流量计算方法

水库总出库流量 = 发电流量 + 闸门总泄水流量。其中，恰海水库闸门总泄水流量 = 中孔泄洪洞流量 +深孔泄洪洞流量 + 表孔溢洪洞流量；山口水库闸门总泄水流量 = 底孔泄洪洞 + 1 # 表孔溢洪孔流量 +2 # 表孔溢洪孔流量 + 3 # 表孔溢洪孔流量 + 4 # 表孔溢洪孔流量，由闸门水力学计算公式确定各闸门泄水流量，主要计算参数为闸门开度和坝前水位。

3.4 系统组成

由于电厂监控内网不能直接与外部网络联接，梯级水库调度信息系统无法直接访问水电站计算机监控系统，因此系统需要分 2 个层次来处理数据，实现相应功能。利用水情自动测报和恰海、山口水电站计算机监控系统的历史库数据，设计电厂本地数据提取、处理及存储系统（简称 PSM 系统），并在电厂内安装运行 PSM 系统的专用服务器。梯级水库调度信息系统在管理内网中的 Web 服务器中运行，建立 Web 与 PSM 服务器的安全信任关系，用户只能访问水库调度信息系统服务器，所需数据由相应的 Web 服务从 PSM 服务器数据库中提取。

1）实时监测数据处理：为满足系统运行高度可靠的要求，避免因外部网络故障造成数据提取、存储过程失败，在电厂内部布置独立的 PSM 实时数据处理服务器，在实时数据处理服务器中安装 MySQL数据库，用于存储提取到的电厂监测和水情测报实时数据。服务器需要双网卡，a）连接电厂监控内网，用于从电厂计算机监控系统中提取监测数据；b）连接防火墙设备，通过防火墙接入管理内网，使水库调度信息系统可以提取到流量、水位等监测数据。

2）水库调度信息处理：系统集成在全局综合管理信息平台中，按 B/S 模式设计，完成调度指令处理、数据统计分析及指令查询、单据打印等功能，梯级水库调度信息系统结构如图 2 所示。

图2 梯级水库调度信息系统结构图

4 数据结构设计

4.1 电厂监测实时处理数据

水库调度所需发电引水流量等监测数据存储在电厂计算机监控系统历史数据库中，监测数据刷新频率为 60 s。恰海水电站需要提取的监测数据有：全厂总有功、总无功、机组负荷、流量、导叶开度、蜗壳压力、各出线负荷、尾水位等共计 41 个监测点数据；山口水电站需要提取的监测数据有：全厂总有功、总无功、机组负荷、流量、有效水头、导叶开度、各出线负荷、泄水闸门开度、坝前水位、尾水位等共计 43 个监测点数据。

电厂计算机监控系统在不同的电厂对各测点的定义不同，在程序中直接定义不同的数据查询语句，用来处理不同电厂的监测数据不能满足 PSM 数据处理系统的通用性要求，同时也使程序设计复杂程度增加。因此，需要在程序中设计查询语句自动构成处理过程，查询语句构成信息由 PSM 系统数据库中定义的监测数据组成关系表提供，创建数据组成关系表（table_parameter）如表1 所示。

PSM 系统按指定的时间间隔从电厂计算机监控系统历史数据库中提取数据进行处理后，需存储到PSM 服务器中的数据库中，创建电厂监测数据同步表（psm_sync_data）如表2 所示。

表1 数据组成关系表（table_parameter）

表2 电厂监测同步表（psm_sync_data）

PSM 系统在定时提取处理电厂监测数据时需同步计算各闸门泄水和水库总出库流量。泄水闸门状态数据来自于水库调度指令单，在 1 个调度指令单中对多个闸门进行操作时，需要将 1 个调度指令按照闸门数量拆分成多个闸门状态记录，创建泄水闸门状态表（zmdd_instruction）如表3 所示。

表3 闸门状态记录表（zmdd_instruction）

4.2 水情记录数据

为从水情自动测报系统中提取水库调度所需的关键测点数据，需要在 PSM 系统中建立时间间隔为 1 h 的扫描窗口，将采集频率不同的测点数据用取平均值的方式统一为间隔为 1 h 的观测数据。水情自动测报系统需要根据实际对测点进行增减，为保证 PSM 系统通用性，在测点发生变化时，不需要更改程序、数据表结构，采用数据描述的方式构造水情数据同步表（sw_timeflux_data_synchro），同步表如表4 所示。

4.3 水库调度指令单数据

在综合管理信息系统数据库中建立：1）调度单记录表（QHDD_DEAL）如表5 所示，用于记录水库调度审批各工作环节及操作时间；2）水库调度指令记录表（QHDD_ITEM）如表6 所示，用于记录每次调度指令中的泄水闸门工作状态、闸门操作时间、指令下达时的水情监测数据等信息，不同水库的泄水建筑物特征、数量不同，因此需要对每个水库分别定义该数据表。

5 技术实现

梯级水库调度信息系统使用ASP.NET 技术开发，应用程序需要访问 SQLServer、Oracle 及MySQL 数据库，连接 MySQL 数据库需要使用 MySQL Connector Net 数据库连接程序，连接其余 2 种数据库使用.NET开发平台提供的数据访问接口程序[2]。

表4 水情数据同步表（sw_timeflux_data_synchro）

表5 调度单记录表（QHDD_DEAL）

表6 水库调度指令记录表（QHDD_ITEM）

5.1 监测数据实时处理（PSM）程序

PSM 程序设计成多线程应用程序，程序启动后按指定的时间间隔循环扫描电厂监控和水情测报系统数据库中的指定数据表，每次循环都把新的监测记录按照数据实测或平均值计算的要求进行提取和相应计算，同时检查对应数据提取时间的闸门开度数据，用给定闸门泄流公式计算各泄水闸门的泄流量，程序按任意指定时间范围自动处理历史数据，监测数据实时处理程序结构如图 3 所示。

图3 监测数据实时处理程序结构图

把数据提取控制和操作部分封装成 2 个不同的类，在控制部分类中建立电厂计算机监控、水情自动测报等系统数据提取，历史数据处理 3 个线程，在数据提取线程启动调用方法内部采用 while (true) 无限循环结构，按指定数据提取时间间隔作为线程挂起时间参数，实现定时自动提取数据功能，在循环体内实例化操作部分对象，执行具体数据提取动作。在类中声明委托，并在实例化对象的过程中完成委托定义，程序在处理数据过程就可以按设计要求响应各种事件[2]。

数据提取处理过程：访问数据组成关系表（table_parameter），创建关系表数据集，建立 for ( ) 循环体，循环次数为关系表记录总数，按照表中确定的源数据和转存数据的对应关系，自动构造数据提取和转存 SQL 语句。在不同水电站中布署 PSM 系统，或向系统中增加、减少测点，只需修改数据组成关系表和监测数据同步表即可对变更后的数据结构进行处理，无需修改程序。

5.2 梯级水库调度 Web 应用系统

梯级水库调度信息系统的用户通过 Web 页面完成调度指令生成、审批、执行、查询、统计及报表打印等各项操作。系统由恰海、山口水库调度指令处理，调度单查询，恰海、山口水库运行实时情况等模块组成。梯级水库调度应用系统集成在已建成的综合信息管理系统中，共享人员、单位、权限、数据描述等公共数据资源，综合信息管理系统使用 Oracle 数据库，集成在其中的信息应用项目使用Web 服务方式访问数据库，无需构造相关 ADO.NET应用对象，只需设计好数据查询语句，调用相关数据库 Web 服务指令即可。调度指令单处理模块程序结构如图 4 所示。

图4 调度指令单处理模块程序结构

调度指令从发出到执行要经过调令制定、审核、审批、调令执行、回执处理、归档 6 个工作环节，为方便操作使用，在同一页面中填加 3 个 Panel控件，将调度单填写所需的所有元素，包括闸门开度、完成时间、拟达流量、当前水情、计算参数等元素全部纳入第 1 个 Panel 控件，生成的调度指令单纳入第 2 个 Panel 控件，调度指令执行所需元素，包括闸门实际操作开度、操作起至时间等元素纳入第 3 个 Panel 控件。各工作环节用 RadioButton 控件表示，改变工作环节时页面回传（AutoPostBack）给 Web 服务器，服务器根据环节选项显示或屏蔽相应 Panel 控件，实现在 1 个页面中进行不同操作的功能。

水库运行实时情况按用户指定的查询时间范围内提取监测数据实时处理服务器数据库相关数据，页面使用 GridView 控件显示在监测数据实时处理程序中指定的时间长度提取到的相关水情、闸门泄流量及电厂运行工况实时监测数据。使用.NET MsChart 图表控件显示各发电机组负荷流量过程线。

调度单生成及打印使用.NET ReportViewer 报表系统实现，在梯级水库调度 Web 应用系统中使用本地处理模式将业务对象数据源与 ReportViewer Web 服务器控件一起使用，生成任意需求和格式的报表，可以直接打印或生成 PDF，Word，Excel 格式的文件。

6 系统安全保障措施

梯级水库调度信息系统与综合信息管理系统集成，在信息专网中运行，程序需要访问水电站监控和水情自动测报系统的数据库，因此需要采取必要的技术措施增强系统信息安全防护能力。

6.1 监测数据安全

信息专网安全级别低于电厂监控内网，确保PSM 服务器的信息安全可以保证电厂监控内网的安全。在 PSM 服务器中禁用所有非必须的服务项目，应用强口令登录，开启操作系统防火墙，对硬件防火墙侧仅开放数据库访问端口，监测数据实时处理程序只具有对电厂监控和水情测报服务器数据库的数据查询操作，禁止插入、更新、删除数据操作。监测数据实时处理服务器与信息专网之间架设硬件防火墙，应用设置访问控制列表、NAT 地址转换等安全策略，只允许水库调度 Web 服务器通过防火墙访问监测数据实时处理服务器。

6.2 水库调度系统安全

利用综合管理信息系统用户权限管理功能，调度工作人员只有访问水库调度 Web 页面权限，程序只能通过在综合管理信息系统数据库服务器中运行的 Web 服务访问数据库，在 IIS 安全策略中只允许 Web 服务器访问数据库服务器的 Web 服务，应用系统的数据库及 PSM 服务器对于用户来说都是不可见的，用户只能通过访问水库调度 Web 应用系统获取相关数据，执行相关操作。

7 结语

梯级水库调度信息系统有效利用了水电站计算机监控系统的监测数据[1]，成功解决了水库出库流量实时监测难题，减少了水文观测站点建设及运行费用，该系统投入使用后成功处理了百余次水库调度指令，实现了对水库工程进行远程调度管理和不间断实时监测的目标。同时，该系统具有较好的通用性，可以方便地增加或减少水库工程管理单元。

[1]左天才. 乌江流域梯级水电站水库调度和发电运行集中管控模式的实现[C]// 陈洋波. 第 3 届全国水电站水库运行调度研讨会论文集. 北京：中国水利水电出版社，2005: 257-264.

[2]Wei-Meng Lee. C# 2008 编程参考手册[M]. 北京：清华大学出版社，2009: 105-108.