防汛调度决策支持系统在新丰江水库调度的应用

黄梓颖

（广东粤电新丰江发电有限责任公司,广东 河源 517021）

1 工程概述

新丰江水库水情自动测报系统功能涵盖了从系统管理、信息监视到决策支持方面的功能,利用网络连接,采用统一集中一个服务器。是一个集实时数据采集与处理、水务计算与管理、水文资料整编、水库水文预报、水库防洪调度、水库优化调度、防汛业务管理等功能于一体的专用自动化系统。系统自动获取水库运行和流域水情信息,在线进行水务计算、水文预报和水库调度综合管理。依据相关数学模型和大型数据库进行计算和处理,迅速提供防洪调度和发电调度决策方案,实现水库的经济调度[1-2]。

水电厂群防汛调度决策支持系统局域网络采用安全高效的网络结构,分成水调内网和水调外网两个部分,与位于本地具有同级关系的机组监控系统、电能量计量系统、水雨情测报系统等进行信息交换。水情内外网之间配置一台正向安全隔离设备,一台反向安全隔离设备,通过集团管理信息网与集团水调系统连接,实现电站水调信息上传和接收等功能。水情实时数据由内向外通过正向安全隔离设备从二区数据库服务器传送到三区通信服务器再传向集团数据库和服务器,集团下发的计算结果数据通过反向安全隔离设备由外向内从三区服务器传送到二区数据库服务器。具体网络结构图见图1。

2 系统功能

2.1 基础功能

系统搭建值班平台,利用网络进行数据传输,进行实时采集监测流域的雨量、水位数据,监视各遥测站的数据和工作状态,并实现越限报警、报警信息记录等,同时监测接入厂房监控系统的机组有功数据、状态情况等,接入电能量系统电表读数数据,经过数据处理、水务计算处理成水情水调数据,为日常工作提供便捷[3]。

2.2 高级应用功能

系统安装高级应用功能,以实现经济运行、防洪调度、洪水预报、经济指标统计、个性化文档定制等高级应用功能。采用新安江三水源模型及卡尔曼滤波实时校正预测短期洪水情况,采用神经网络、门限自回归、支持向量机模型、历史流量等进行组合模型预报中长期洪水情况,为防洪调度提供了很强的参考性。同时将中长期经济运行所分配给中期,能在其中各时段间进行合理分配,制定出短期最优运行方式。其依据电网负荷信息、实时水雨情信息和短期洪水预报,制定水电站次日运行计划,以满足不同的目标需求,根据不同模式自动进行经济运行演算,为水库优化调度提供技术支持[4-5]。

2.3 资料整编功能

系统利用数据库存储内容,应用编排公式,自动计算日月年水文数据指标和统计值,经人工审核后能进行确实上传并永久存储。实现水文资料永久无纸化存储,保证了水文资料的连续性。

3 系统在新丰江水库应用情况

3.1 基础功能应用情况

系统自2020年开始安装调试,至2021年在新丰江水库投入试运行应用一年以来,总体运行情况良好,没有发生数据泄漏服务器入侵等网络安全事故,基本能实现水库调度工作功能,为水库的防洪调度起到了重要的作用[6]。

系统自运行以来,其个性化报表定制和结构化文档功能,能深度满足用户的需求,对于用户需要的水情数据进行公式获取,排版后直接导出,极大程度提高了用户的办公效率。同时系统准确的洪水预报和精确的经济运行预测,为新丰江水库防洪抗旱发挥了重要作用。同时,系统利用已建成的雨量测站,进行自动雨量计算,并进行蓄水量变化计算,有效提高计算效率,解决了之前人工计算缓慢低效等问题[7]。

系统根据水量平衡公式,进行小时、日、月、年的水量平衡计算,提高水库调度效率,公式如下：

式中：I为给定时段Δt内输入水量；O为给定时段Δt内输出水量；W1、W2分别为初、末蓄水量；ΔW为时段Δt内蓄水量的变化量。

根据该公式可以计算出水库小时、日等时段蓄水量变化,同时作为基础公式也应用于新丰江水库调洪计算、洪水演算等高级应用上。以2023年6月1日的水库数据为例,系统采用0点作为日数据分界点,自动读取6月1日0时和6月1日24时的水库数据,通过库容曲线二分法插算,计算时段初末蓄水量变化值。再利用发电量及发电机组NHQ曲线进行出库计算,由此计算出水库入库水量及入库流量。如果通过手工计算,需要人工进行曲线读取,并进行二分法计算。计算过程较为繁琐,但系统根据该方法系统根据用户需求可以自动选取时长进行计算,以6月为例,日计算结果见表1。

表1 新丰江水库6月入库水量流量计算结果表

表1仅展示系统计算的日数据结果,根据公式原理,可以再进行小时、5分钟、旬、月、年计算,计算原理与日计算相同。

基于新丰江水库流域面积大,且暴雨中心分布散,因此流域设立了15个雨量站,并采用泰森多边形法进行流域平均降雨量推算。公式如下：

式中：fi为第i个雨量站所在的多边形面积；F为流域面积；P为降雨量。

具体雨量站分布见图2。

图2 新丰江雨量测站分布图

系统利用分布雨量站收集的雨量数据,采用泰森多边形法进行流域雨量计算,根据雨量站分布及权重计算,得出雨量测站计算结果见表2。

表2 新丰江流域数字单元划分表

对于实际降雨,流域降雨计算见表3。

表3 流域测站时段降雨计算结果表

可以看出,通过权重计算各测站降雨量得出小时流域平均降雨量。该降雨计算方法对于实际汇流形成过程分析,洪水预报等水库调度有着较为深入的帮助。

3.2 抗旱应用情况

2021年全年新丰江水库来水量极低,属50年一遇干旱年份。仅5月份和6月份各有一场较为明显降雨,抗旱形势十分严峻。5月31日开始全流域普降大雨,但是由于前期流域干旱情况较为严重,该降雨情况较难进行洪水预测。系统根据中央气象台气象预计,将流域分为10个小模块采用新安江三水源模型及卡尔曼滤波实时校正以及历史洪水预报进行组合洪水预测,并根据前期实际情况成功预测此次降雨为超渗产流,具有较大洪量及较长洪水退水过程,洪量预测准确率达80%。为接下来近一周的水库调度提供参考,确保未来一周出库流量控制情况有所依据。具体预报过程见图3。

图3 洪水预报过程图

根据该预报结果,进行后续出库流量调整,确保水库在保证下游供水和机组发电的情况下,能提高1 m水位。

2021年汛期过后,新丰江水库旱情并没有明显改善,机组已位于降低出力区发电时间较长,抗旱形势进一步严峻。利用系统经济运行预测功能,根据未来不同来水量预测,进行水库经济运行分析。采用确定出库流量、根据NHQ曲线确保机组发电安全的综合预测模型,进行第四季度及2022年的经济运行预测分析。为未来一段时间的水库调度运行提供了参考依据,确保在2021年新丰江水库在遭遇50年一遇旱情的情况下,水库没有在死水位以下运行的情况[8-9]。

3.3 防汛应用情况

2022年开汛较早,汛期以来“旱涝急转”情况明显,利用防汛调度决策系统中的相似洪水预报功能,通过大数据相似分析新丰江水库过去六十年水库入库情况,截取相似度较高的入库过程,进行洪水预报。为新丰江水库调度提供了强有力的预报依据[10-11]。

3.4 当前存在问题

系统自试运行以来,基础功能及应用功能均能合理实现,为新丰江水库的水库调度应用提供了有力的技术支持。但是系统目前仍存在一些问题：

1）基础功能仍不够完善。当前系统虽能满足日常值班所需工作,但在水文资料统计、水文系列值计算等功能上,常出现“拆东墙补西墙”的情况。将某一基础功能修改研发完善后,会牵涉到另一功能出现问题,影响应用。这需要在未来的使用过程当中持续完善。

2）数据传输仍不够稳定。系统运行一年来,数据传输偶尔会出现受防火墙、网络通信或软件自身缺陷问题导致中断,及时报警后进行人工处理恢复。但该情况不应属于新搭建系统该出现的问题,接下来可以考虑加大网络带宽等措施,以确保数据传输稳定性保障。

3）高级应用功能不够便捷。高级应用为实现大量水文专业功能,采用较为复杂的人机交互页面和显示页面。页面不够简洁,操作也较为复杂,下一步建议可将多按钮合为一个快捷键等方式进行优化。

4 结语

水电厂群防汛调度决策支持系统自1990年开发应用以来,当前已为第四个版本。系统所采用的网络结构及数据传输功能基本能符合安全要求,所选取的水雨情传输精度也基本能满足使用要求,运行可靠。同时利用近三十年与新丰江水库水情情况的磨合和数据收集,加入相似洪水预报等高级应用功能,当前版本能更适合新丰江水库调度,更好地为新丰江水库调度做出贡献。