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1、碧口水库调度自动化系统大唐碧口水力发电厂 李 海 洲 摘要：本文介绍了碧口水电厂水调自动化系统建设的方案、总体框架和功能，对水库调度业务相关联的各个子系统作了详细阐述，说明系统投入试运行以来基本稳定，运行情况良好，并提出开展白龙江流域水库梯级调度自动化系统建设是一项具有重要意义的工作。关键词：流域；水库调度；自动化系统；梯级1 引言碧口水电厂位于甘肃省文县碧口镇以上三公里处的白龙江上，装机容量3100MW，大坝为壤土心墙土石混合坝，最大坝高105.3m，水库控制流域面积26000km2, 多年设计平均流量为275m3/s，为一季调节水库。该电站已运行三十余年，水库淤积趋于平衡，库容小，调节能力
2、差，加之电站枢纽地处川西北暴雨边缘，流域内山高谷深，落差大，汇流快，洪水陡涨陡落，对水库防汛及大坝够成较大威胁。为了发挥水库综合效益，充分利用水资源，1994年就建设了当时国内最先进的短波、超短波混合组网的水情遥测系统。但由于系统投用时间较长总体性能下降，尤其是系统的主要设备在运行中逐渐暴露出较多问题，对系统的可靠运行带来重大隐患。同时由于支流白水江汉坪嘴电站2005年投运后，使碧口水库洪水汇流特性发生改变，洪水预报方案及洪水预报调度软件需作相应调整。为了充分利用水资源，确保碧口水库的防汛度汛安全及发挥水库综合效益，同时提高电厂自动化管理水平，2005年11月碧口水电厂启动了水情测报系统改造及
3、水调自动化系统的建设工作，并充分考虑库区上游已建成的汉坪嘴电站、在建苗家坝电站和下游即将发电的麒麟寺电站等以后的功能扩展，预留了系统的数据接口，为白龙江流域水电梯级调度自动化系统建设与发展积极筹备。2 改造方案我们从经济性、可靠性、实用性几方面考虑，对系统改造制定了如下方案：1） 对水情测报系统原有设备进行整体更换，测站采用北斗卫星、手机短信、超短波通信方式进行组网，并扩建测站，在上游白水江汉坪嘴电站增设上、下游测站，下游麒麟寺水电站布设4个遥测站，建成规模1：15的水情测报系统。2） 对水情测报及水调应用软件进行升级换代，中心站组建水调局域网络，将机组实时信息、闸门实时信息接入水情实时监测系
4、统，实现水务计算自动化，并将水情测报系统、气象卫星云图接收系统、洪水预报调度系统、水务综合计算系统、水调信息上传系统集成为一个网络系统即水调自动化系统平台。3 总体构架及功能碧口水库调度自动化系统是以水情自动测报、气象卫星云图、洪水预报调度和水务综合管理为中心，充分考虑麒麟寺、苗家坝等梯级水电建设，并预留其系统以后功能扩展而建立的水调自动化系统平台。系统网络结构如图所示。水调自动化系统网络拓扑图3.1 总体功能碧口水库调度自动化系统的总体功能是：采用现代先进的计算机及通信技术，及时和准确地采集本流域雨情、水情、水库运行、电站运行和气象等信息；对碧口水库进行水文预报，并制定水库调度方案；对水库运
5、行进行水务综合管理，从而实现流域电站安全度汛和水资源的综合利用，充分发挥水库调度的优势，提高水电运营效益。3.2 总体结构碧口水调自动化系统中心站是基于开放系统互连（OSI）结构，能很好地满足系统维护、扩容和升级等方面的要求。中心站服务器及通信（包括内部通信和外部系统通信）基于广泛采用的国际和工作标准，系统采用网络结构，计算机间采用标准的局域网（LAN）连接，按功能模块分配工作站和服务器。系统采用模块化设计，使用标准的产品和接口，遵循国际通用的软件、硬件标准；使用标准的工具箱，以提高系统软硬件的相互独立程度，还建立了各种不同用途的系统日志，方便故障查询及日常运行管理。采用Windows2000
6、操作系统局域网络结构，构成功能分布开放的系统，并对中心站数据库服务器采用双机冗余配置，主服务器将处理完的数据同步到备用服务器，以提高系统可靠性。采用客户/服务器（C/S）与浏览器/服务器（B/S）相结合的模式，实现与厂内MIS系统、闸门监控、机组监控和电网水调自动化系统的互联，实现信息传输、共享；网络设计具有良好的可扩展性，网络设备可方便的通过添加模块，增加远程端口和本地端口，以适应系统规模不断扩大，为接入新的系统提供网络接口。所有人机工作站支持各种功能的操作界面。4 水库调度自动化系统平台4.1 水情遥测系统系统由南京水利水文自动化研究所和电厂技术人员共同研制，在原有水情自动测报系统基础上，
7、于2006年4月中旬开始对系统的中心站、遥测站进行技术改造，6月份投入试运行。测站采用北斗星卫星通信、手机短信、超短波混合组网方式。其中，文县、武都、草坝、汉坪嘴等卫星测站增设手机短信冗余通道，增加汉坪嘴电站上、下游遥测站，对下游建设的麒麟寺水电站扩建4个站点，组成总体规模1：15水情遥测系统。系统水文站7个，雨量站5个，水位站3个，中心站1个，实现了流域水情数据的自动采集、传输、接收与处理、显示、建立数据库、形成各种水情报表、图形、过程线等功能，并具有检索、查询、告警等功能。4.2 卫星云图接收处理系统能自动接收、处理我国风云二号气象卫星四通道云图（红外-1、红外-2、可见光、水汽），系统时
8、间分辨率高，每隔半小时接收一次云图资料；具有开窗放大、漫游、动画显示功能，能自动显示图上任一点纬度云顶高度、温度（反照率）；具有与其它图形叠加处理及云的分类处理功能；对降水相关区域寻找红外云图特征，对红外数据进行反演，经多种预报方法集成，输出未来3小时降水定量预报，云分类实验趋势预报,雨分类实验趋势预报。系统应用以来发挥了较好的积极作用，提高了短期天气和局部暴雨预报能力。4.3 水调自动化系统应用软件4.3.1 数据采集与处理系统1） 实时采集水情遥测站水位、雨量数据并处理；2） 实时采集机组出力、工况、电量数据并处理；3） 实时采集闸门开度及运行状况、拦污栅压差数据并处理；4） 完成对数据的
9、纠错、合理性判断等处理，并写入数据库；5） 自动检测通道状态，判断网络连接、以及与数据库服务器的连接是否正常。4.3.2 实时数据监视系统 主要动态监视流域水情和水库、电站、闸门的运行状态，根据预先设定的报警项目、报警限值和报警级别，发现异常（如水位越限、雨量越限、流量越限等）即自动报警，并实现屏幕对话框、语音和短消息报警功能，以便警示值班工作人员。4.3.3 值班管理系统值班管理系统是水务人员日常运行值班和管理的软件，其主要功能有:手工录入数据、日常水务计算、闸门管理、值班日志记录、拍发水情电报、负荷曲线分析、运行维护记录、静态曲线查询和数据维护、统计查询、分析等功能。4.3.3.1 手工录
10、入数据 当采集系统出现故障或异常时，可手工输入数据进行日常水务计算工作。4.3.3.2 水务自动计算主要包括任意时间进行瞬时出入库流量计算，按设定实现任意时段的出入库流量计算，8点和0点日出入库流量计算，并将日水库运行情况数据上传省调，其计算时段长度可根据需要进行灵活设定，并记录在数据库中。还可实现入库流量平滑修正，通过值班人员可手工录入数据，亦可通过图形曲线直观进行操作。4.3.3.3 值班日志根据值班人员的实际工作流程设置，能根据当前时间自动确定班次，并自动检查是否有上一班次没有完成的规定工作。主要记录交接班情况，及当班发生的重要水调事件。当班人员可修改本班次输入的日志记录，不可修改其他班
11、次输入的、系统自动记录和已经修改过的日志，只有管理员可修改任意班次日志记录，并存贮修改文件存档。4.3.3.4 数据维护、统计查询和分析可对数据进行修改、删除、插入等操作，并以图形和数据方式对水情数据进行综合统计和查询，并自动计算所查询数据的特征值：最大、最小和平均值及最大、最小值所对应日期，还可对各指标数据进行分析、比较。4.3.3.5 闸门管理主要实现对闸门运行数据的统计。 4.3.3.6 运行维护 主要对系统日常设备运行维护情况，系统软件运行中出现的故障和处理情况进行记录，建立系统的维护管理档案，以便今后系统的运行管理工作。4.3.4 报表管理由报表显示输出子系统、报表模板编辑子系统及智
12、能报表管理子系统组成，具有界面友好，功能强大的报表输出、管理及扩充功能。该系统是对所有的报表进行日常管理，以大量的业务报表模板、资料统计报表模板为基础构建报表管理模块。包括报表的建立、计算（打开）、生成、查询、存储、打印、导出、报表编辑（包括报表结构、报表内容）等。报表的输出方式分两种，一种是生成相关文件；另一种是完整的报表自动制作系统，包括各种业务统计报表和与系统安全运行有关的报表打印输出。此外，用户可按照自己的要求，使用智能报表管理设计制作任何形式的报表，无需编程，并可查询、统计输出。4.3.5 洪水预报调度系统主要包括雨水情实况显示、雨洪对应图显示、雨水情报表、洪水预报调度、中长期预报等
13、功能。4.3.5.1 雨水情实况显示选择相应时间可从数据库中调出相应的水位、雨量、流量资料，在流域水系图上直观显示出来，并显示相应时间内的水位、流量过程线和雨量柱状图，通过图形的分析可使操作管理人员及时了解流域降雨分布及水位、流量的变化趋势。4.3.5.2 雨水情统计表包括雨情、水情的日、月、年统计等报表输出。4.3.5.3 雨洪对应图显示选择相应时间从数据库中调出相应时间的水位、雨量、流量资料，自动生成雨洪对应图，用洪水分析功能可方便地进行洪水分析，输出洪水分析成果表。4.3.5.4 洪水预报针对碧口水库流域水文气象的特点，采用三水源新安江洪水预报模型，根据实时水情资料，建立流域产汇流模型和
14、径流演进模型，自动（也可设置成人工操作状态）进行入库洪水流量预报，提供干、支流预报断面和水库坝址断面的降雨径流预报成果、河道相关预报成果、实时校正预报成果和综合预报成果，并具备流域分块预估降雨预报功能，实现5d滚动径流预报、短期或实时径流（洪水）预报，为制定防洪调度预案、5d滚动发电计划、实时洪水调度、短期发电计划及实时发电调度提供依据。也能对过去已经发生的历史洪水作模拟洪水预报。系统预报成果可自动加入数据库，显示预报雨洪对应图及相应的数据文件，统计洪水特征等功能。4.3.5.5 洪水调度水库的防洪调度决策不但涉及工程上下游的防洪和工程本身各项建筑物的安全运行，而且也关系着一系列的经济问题，因
15、此调度决策隐含有一个优化问题。水库的防洪调度主要以实时洪水预报成果为基础，根据水库特征、工情与电情以及上级防汛部门的要求等，制定水库防洪调度方案，并利用图形报表库形式向用户提供实时防洪调度方案信息。根据碧口水库防洪调度基本原则，结合工程设计指标和水库多年实际运行经验，水库的防洪调度方案内容包括：1)入库洪水统计，对一次洪水过程进行峰及一、三、五日洪量统计，以及有关的宏观调洪分析，是否需要调洪等；2)按调洪规程调度，根据水库的防洪规程及水工建筑物的运行条件，进行水库的调洪计算；3)给定出库流量过程调洪，根据操作人员输入的各时段下泄流量值，对出库流量进行控制调洪，使其各时段的出流均小于相应时段的控
16、制值；4)给定闸门开度调洪，根据操作人员输入的各时段闸门开度对水库进行调洪计算；5)给定库水位调洪，根据操作人员输入的各时刻库水位，对水库进行控制库水位的调洪计算。4.3.5.6 中长期预报水库中长期（年、月）来水预报是根据水库的流域水系、流域气象、降水径流、水文要素等历史数据以及水情实时特性数据来预报未来年、月的入库来水。水库的入库来水与变化是十分复杂的非线性过程，它与突发性暴雨的产生、大气环流的变化，天文要素的变动，积雪、海温和洋流的异常、下垫面的状况特性以及人类活动等诸多因素有密切的关系，它既有气象水文的成因规律又有随机变化的不确定性，因此，水库中长期来水预报是涉及多学科、综合性很强的一门技术。由于目前水库中长期来水预报精度不高，仅作为编制水库中长
