梯级水库防洪调度功能需求分析

梯级水库防洪调度功能需求分析肖　燕(贵州乌江水电开发有限责任公司,贵州省贵阳市550002)摘要:梯级水库防洪调度系统是实现流域防洪调度的关键和核心。

文中从应用角度出发,分析梯级水库防洪调度的业务需求,提出梯级水库防洪调度系统须具有资料管理、仿真学习、调度计算、安全校验、分析会商等功能,总结出较为实用的水库调度方案制定流程为数据录入、分析试算、闸门反推计算、结果安全校验、成果表达,推进了梯级防洪调度系统的实用化、智能化。

关键词:梯级水库;防洪调度;调度方案中图分类号:TV697.1收稿日期:2009202226;修回日期:2009206230。

0　引言中国是洪水灾害频繁的国家,水库作为具有调节作用的控制工程,通过削峰错峰和蓄洪对江河防洪具有突出的作用,是减少洪水灾害损失的有效措施之一[1]。

为了充分发挥现有水库工程的防洪效益和提高水库防洪调度水平,近年来,梯级联合防洪优化调度已成为各大流域防洪研究的重点。

大量新理论、新算法的出现极大地丰富了防洪优化调度的理论研究[2],取得了重要进展[325]。

国内投入了大量人力、物力、财力进行防洪调度决策支持系统的研制开发[6],水库群的防洪调度应用研究逐渐进入实用阶段,如三峡—葛洲坝梯级枢纽常规水库调度系统、乌江梯级防洪优化调度系统、广东粤电水电厂群防汛调度决策系统[7]等都已在实际调度工作中应用。

现有的防洪调度软件功能主要有各种模式下的单库调洪计算、人机交互、方案管理等。

梯级水库的防洪调度软件相对较少,防洪调度的理论研究与实践之间仍存在着差异,普遍存在实用化程度不高的问题。

防洪优化调度软件实用化不够不是技术问题,而是管理问题,这是由软件的开发模式决定的———编程人员不应用,应用人员不编程。

一般的防洪调度软件开发存在以下2个问题:一是软件开发之初对应用需求了解不够或考虑不周,限制了软件的使用;二是软件交付使用后,没有针对应用中发现的问题对软件进行持续不断的改进和完善。

因此,建立适合流域特点、符合洪水调度决策规律的水库群防洪调度决策系统,快速、准确地为决策者提供科学决策支持信息,是国内各级防汛指挥部门普遍关注的重大工程课题[8]。

明确梯级防洪调度工作的应用需求,是本文的主要目的。

乌江水电开发有限责任公司(以下简称乌江公司)于2005年正式开展梯级水库调度工作,因梯级洪水调度明显较单库调度时复杂,新的调度需求逐渐凸现。

建设功能全面,实用性强,能满足水库调度人员培训学习、防洪演习、提高调度水平的需要,又能在调度时全面提供各种调度分析信息,快速提供辅助决策的梯级防洪调度系统十分必要。

1　梯级水库防洪调度需求梯级水库防洪调度的任务是,保证大坝及防护对象安全的前提下,提高电站经济效益,尽量避免和减少下游洪灾损失。

在实际调度工作中,对于大洪水,关注重点是大坝本身和防护对象的安全;对于常遇洪水,更多关注充分利用洪水资源,尽量少弃水。

梯级洪水调度工作涉及信息多,范围广,面对不同的降雨等级、天气形势,不同标准的洪水、梯级水库调蓄能力,不同的电站运行情况,不同阶段有不同的调度需求,调度者须综合考虑,快速、科学地决策。

梯级防洪调度工作需求可归纳为6类:基本资料管理需求;模拟、学习、演习和总结需求;调度中的帮助需求;调度计算需求;调度成果的安全校验需求;会商分析需求。

1.1　基本资料管理基本资料指与梯级洪水调度工作相关的资料,应分类进行管理,便于调度者平时或调度方案制作时学习、查阅。

基本资料管理主要包括以下内容:1)水库基本资料管理。

包括水库的特征水位、特征库容、水位—库容关系曲线、闸门的泄流曲线、闸门启闭原则、闸门启闭顺序、机组的综合特性曲线、限制出力曲线、机组的振动区资料以及各电站洪峰频率曲线等。

—07—第33卷　第4期2009年8月20日Vol.33　No.4Aug.20,20092)调度的法律、法规和规章制度管理。

将与调度相关的法律、法规和规章制度录入到系统中,方便调度人员随时查看,也有利于在帮助功能中随时调用、检索。

3)调度方案管理。

对已制定的调度方案进行管理,可以方便地进行删除、批量删除、批量导入和导出、筛选、指定查询、打印等。

4)调度命令管理。

实现调度命令自动编号、填写、修改、存储、打印、查询,指定分类查询统计等。

5)洪水调度总结。

每场洪水结束后的调度总结,可以方便地录入或导入到系统中,随时查看,便于调度人员学习和管理。

6)历史洪水资料管理。

包括:①实际发生的洪水过程,其对应的降雨情况、天气形势、上游电站的开闸情况,显示洪水过程时,同时显示洪水的特征值(洪峰、洪量、对应频率);②设计典型洪水过程,展示不同频率的典型洪水过程时,同时显示洪水的特征值(洪峰、洪量、对应频率)。

1.2　模拟、学习、演习和总结在防洪调度工作中,调度人员为了掌握流域来水特性,提高调度水平,需要一个防洪调度的仿真学习和演习系统,通过对历史洪水资料分析、历史调度方案、洪水调度经验的不断学习,对洪水调度过程的模拟仿真和防洪演习,达到不断积累调度经验、提高实战水平的目的。

防洪调度软件的开发应充分考虑学习、仿真、演习的需求,提供一个良好的学习支持环境,有利于培养优秀的调度人员。

学习系统应该与游戏类似,可以设置用户账号,记录调度洪水的频率和难度、方案制定所用的时间、削峰度、闸门启闭次数等数据,使调度人员通过不断的模拟调度提高调度水平。

1.3　调度计算根据预报入库过程,需估算梯级各水库的弃水风险,进行调洪计算,跟踪梯级各水库水位变化等。

1.3.1　梯级各库短期弃水风险估算汛期发生弃水前,调度员需要随时掌握梯级各库的弃水风险,以便合理控制各水库库水位。

1)默认按前一日方式运行,梯级各水库3d、7d 等指定时间后,发生弃水所需的最小入库水量、相应平均入库流量和出现的概率。

2)可人工修改计算中的发电流量。

3)结果展示时,按弃水风险出现概率从大到小排列。

1.3.2　自动梯级库水位跟踪计算1)自动定时计算在默认情况下24h的梯级库水位变化过程。

2)允许人工修改梯级各区间预报入库流量过程、发电流量过程。

3)允许指定后期闸门启闭组合状态下的试算。

1.3.3　梯级调洪方案演算1)多人同时分析计算同一场洪水遇到一场洪水,需要快速制定多个不同调度方案,经过会商,选定优化方案作为实施方案。

利用多台工作站多人同时分析计算,不但可以提高工作效率,而且可以在方案中体现不同调度者的调度经验,满足调度对方案制定的快速、优化需要。

2)指定方式的分析计算(水位控制模式、最大泄量控制模式、优化调度)利用计算机完成指定条件下的计算,如末水位控制法,给定各库末水位,推求调度期内的平均泄洪流量。

也可以采用一些优化调度算法,计算调度期的水位变化、泄流变化过程,供调度人员参考。

3)库水位、入库流量、发电流量、泄洪流量之间的仿真分析通过上述指定方式的分析计算获得参考方案后,调度者通常还需要对库水位、入库流量、发电流量、泄洪流量进行仿真分析,展示当另外2个量一定的情况下,入库流量与库水位、发电流量与库水位、泄洪流量与库水位的相互变化关系。

4)已知闸门开启方式的调洪演算通过前面的分析或人工经验判断,洪水调度方案的制定最终要确定闸门启闭的方式。

闸门启闭的时间、开度是否合适,目前由人工判断最实用,实现也较简单,为此,需要给定闸门开启方式,演算在该种开启方式下库水位、尾水位、入库流量、出库流量等的变化过程。

计算时,闸门开启时间及开度允许任意设定,允许试算,入库洪水过程允许任意修改。

已知闸门启闭方式后的反推计算是防洪调度计算的最后环节,也最重要,如果缺少这一环,防洪调度软件的可用性大大降低。

任何一个实用的防洪调度软件,最后都要获得可操作的闸门启闭方案。

1.3.4　梯级电站拦蓄洪尾方案演算拦蓄洪尾经济效益显著,操作难度大,仅凭人工经验调度难以很好地完成,人们常常采用频繁启闭闸门的方法来保证最后一次关闸后能蓄满水库。

梯级水库的形成,使拦蓄洪尾的计算变得复杂,越是下游的电站,计算越复杂。

1)自动估算梯级电站关闸时间自动提取当前各区间预报流量、梯级闸门开启情况,计算出梯级的关闸组合,使梯级各水库正好蓄满。

每小时一次自动计算,给出各级水库在计算期内的多余水量或者相应的关闸提示。

—17—・水情测报与水调自动化・　肖　燕　梯级水库防洪调度功能需求分析2)指定计算梯级电站关闸时间已知各区间来水过程、梯级闸门开启情况,求多少小时后全关闸门可以在入库流量退至机组满发流量时刚好蓄满水库,并展示梯级各库拦蓄洪尾过程。

允许人工修改各区间入库过程与闸门情况,进行仿真试算。

3)确定梯级电站关闸方案在关闸时间计算结果的基础上进行闸门反推计算。

允许闸门仿真试算,确定关闸方案。

1.4　调度结果的安全校验一个调度方案是否符合电站的运行设计要求、符合调度规范的要求、实施后对上下游有什么影响,以前通常是由人工判断,但在梯级水库调度中,这类判断条件越来越多,越来越复杂,人工判断不但对调度人员要求很高,而且速度也慢,容易漏项,不能很好地满足梯级水库调度的需要。

将判断条件录入计算机,对结果进行校验,再由人工复核,将大大提高方案制定速度,减少出错率,提高安全度。

主要判断内容为:是否满足大中型水电站水库调度规范要求,如一场洪水的最大下泄流量不大于最大入库流量;坝前水位是否超过某一标准,应提前采取什么措施;下游水位是否越过特定区域,需要在什么时间之前采取怎样的措施;入库流量、下泄流量是否越过某一标准,需要在什么时间之前采取相应措施。

1.5　帮助在防洪调度的学习、演习和调度计算中,使用者需随时查询相关规定、资料及信息,应充分利用计算机资源,将相关信息集成到软件中,便于搜索、查询。

1.6　会商分析需要综合各种信息,对方案进行会商、优选,确定最终实施方案。

会商时图表应在同一界面显示,若能三维动画显示各方案实施后上下游水位、流量变化情况,将使会商更加直观、明了。

会商需要的另一个重要功能是指定条件下的调洪计算,依据决策者提出的条件,立即展示计算成果、辅助决策分析,以便快速获得实施方案。

在实际工作中,常会遇到多目标、多约束的情况,设计应用软件时应允许将约束分级设定,若结果不能满足所有约束,则先满足优化级较高的约束,直至获得满足尽可能多的约束的优化方案。

2　梯级防洪调度流程与调度软件要求1)开闸流程:监视判断(弃水风险分析)—基础数据调用—分析试算—闸门反推计算—安全校验—成果表达。

2)关闸流程:监视判断(拦蓄洪尾分析)—基础数据调用—分析试算—闸门反推计算—成果表达。

3)洪水调度工作流程:监视判断—调度方案制定—会商决策—方案确定—下达调度命令—命令录入系统—调度信息发布。

4)防洪调度软件要求:具有良好的可扩展性与容错性、增强软件的稳定性与实用性;软件需在线运行,也需要有离线运行版本(单机版);计算过程均为设定、修改基本资料、计算,如此循环往复,直至获得满意的方案为止。