李 曉 寧， 石 茂 國

(國家電投集團(tuán)重慶江口水電有限責(zé)任公司，重慶 武隆408506)

1 概 況

江口水庫是芙蓉江干流梯級開發(fā)方案中的最后一級，地理位置在芙蓉江干流的下游，離重慶市武隆區(qū)江口鎮(zhèn)僅1.5 km，控制流域面積為7 740 km2，占整個(gè)流域的99.3%[1]。水庫的正常蓄水位300 m，對應(yīng)的庫容為5.445億m3；死水位為260 m，對應(yīng)的庫容為2.017億m3；可調(diào)節(jié)庫容為3.428億m3，為不完全年調(diào)節(jié)水庫[1]。水庫設(shè)計(jì)洪水位為300.16 m，校核洪水位為304.10 m，總庫容為5.879億m3。江口水電站與羅洲壩水電站共用一個(gè)江口水庫，這兩個(gè)電站均由重慶江口水電有限責(zé)任公司投資建設(shè)。江口水電站裝單機(jī)容量為100 MW水輪機(jī)組3臺，總裝機(jī)容量為300 MW，多年平均發(fā)電量為10.71億kWh，裝機(jī)利用小時(shí)數(shù)為3 572 h，電站最高水頭120 m，最低水頭75 m，額定水頭106 m，額定引水流量為319.5 m3/s，水量利用系數(shù)為83.99%。羅洲壩水電站工程是利用江口水電站右岸施工導(dǎo)流洞改建而成，裝機(jī)容量為100 MW，多年平均發(fā)電量為0.8067×108kWh，裝機(jī)利用小時(shí)數(shù)為807 h，水頭同江口水電站，額定引水流量為104.8 m3/s，整體工程水量利用系數(shù)為88.31%。

為提高江口水庫的整體水能利用率，減少電站調(diào)度人員工作中的大量分析計(jì)算過程，適應(yīng)當(dāng)前電力市場的需求，增強(qiáng)公司的市場競爭力，我們設(shè)計(jì)并開發(fā)了江口水庫水電站發(fā)電調(diào)度輔助決策系統(tǒng)，并對系統(tǒng)進(jìn)行了試運(yùn)行分析。下文將論述并分析江口水庫水電站發(fā)電調(diào)度決策支持系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、功能和試運(yùn)行效果。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)目標(biāo)

江口水庫水電站發(fā)電調(diào)度輔助決策系統(tǒng)是以輔助決策為重心，以資料管理為基礎(chǔ)，將流量預(yù)測、電站中長期優(yōu)化調(diào)度和各時(shí)間段的發(fā)電計(jì)劃編制功能整合形成一體化的用來協(xié)助電站調(diào)度人員指導(dǎo)水庫運(yùn)行的調(diào)度決策系統(tǒng)[2]。系統(tǒng)從功能上來說應(yīng)具有友好的交互界面、強(qiáng)大的計(jì)算功能和全面的分析決策功能。從結(jié)構(gòu)上來說，各功能模塊既要具有單獨(dú)的使用價(jià)值，又能和其它功能模塊之間在用戶的指令下進(jìn)行穩(wěn)定的交互和共享信息，為電站調(diào)度管理人員提供可靠的決策參考。該系統(tǒng)的邏輯網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

江口水庫水電站發(fā)電調(diào)度輔助決策系統(tǒng)采用基于ASP.NET技術(shù)的三層B/S體系結(jié)構(gòu)。三層B/S結(jié)構(gòu)即瀏覽器、服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(Browser、Server、Database)三層結(jié)構(gòu)模式[3]。三層結(jié)構(gòu)將系統(tǒng)的三個(gè)模塊(顯示模塊、業(yè)務(wù)服務(wù)模塊、數(shù)據(jù)服務(wù)模塊)明確地進(jìn)行分割，使其在邏輯上各自獨(dú)立，并且單獨(dú)加以實(shí)現(xiàn)，分別稱之為表示層、業(yè)務(wù)服務(wù)層和數(shù)據(jù)層。

表示層指用戶端，位于最外層，負(fù)責(zé)接收用戶請求、轉(zhuǎn)發(fā)請求、顯示數(shù)據(jù)等。表示層是用戶與系統(tǒng)之間交流的工具，不僅為用戶提供了交互的功能，也為展示和傳送數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了一定的邏輯，協(xié)調(diào)了系統(tǒng)和用戶間的操作。

圖1 系統(tǒng)邏輯網(wǎng)絡(luò)圖

業(yè)務(wù)服務(wù)層是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的核心模塊。一般來說，業(yè)務(wù)服務(wù)層涵蓋了系統(tǒng)功能上所需要的算法和計(jì)算流程，并與數(shù)據(jù)層還有表示層互交，可通過ODBC、ADO.NET訪問后臺數(shù)據(jù)庫。它的主要功能是處理系統(tǒng)業(yè)務(wù)部分，包括執(zhí)行一系列指令和操作數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)層的功能主要是實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的訪問，通過數(shù)據(jù)層可以對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行一系列的查詢與修改功能。本系統(tǒng)采用了SQL Server數(shù)據(jù)庫，SQL Serve是一個(gè)關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，主要面向中小型應(yīng)用程序。

3 系統(tǒng)功能

我們基于面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)，利用Microsoft Visual Studio .Net 的集成開發(fā)環(huán)境和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)SQL Server，開發(fā)出B/S結(jié)構(gòu)的江口水庫水電站發(fā)電優(yōu)化調(diào)度輔助決策系統(tǒng)。該軟件系統(tǒng)具有強(qiáng)大的計(jì)算分析功能，同時(shí)具備數(shù)據(jù)管理、查詢等功能。

系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)功能模塊組成：徑流預(yù)測模塊、優(yōu)化調(diào)度決策分析模塊、發(fā)電計(jì)劃編制模塊、資料查詢與管理模塊。各個(gè)功能模塊下又有其他相關(guān)子功能模塊。各功能模塊的關(guān)系如圖2所示。

圖2 江口水庫水電站發(fā)電調(diào)度輔助決策系統(tǒng)軟件主要功能

3.1 徑流預(yù)測模塊

徑流預(yù)測功能模塊包括了：年最大流量預(yù)測、年平均流量預(yù)測和旬平均流量預(yù)測三個(gè)子功能模塊。采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、最鄰近抽樣、門限回歸、自回歸等數(shù)理統(tǒng)計(jì)模型對徑流進(jìn)行預(yù)測。從數(shù)據(jù)庫讀取徑流資料，進(jìn)行徑流預(yù)測，并將預(yù)測結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫，供發(fā)電計(jì)劃編制使用，實(shí)現(xiàn)徑流預(yù)測與優(yōu)化調(diào)度的耦合。另外，還能將預(yù)測結(jié)果輸出為Excel，方便后期計(jì)算處理。

3.2 優(yōu)化調(diào)度決策分析

優(yōu)化調(diào)度決策分析模塊選用了動態(tài)規(guī)劃算法對江口和羅洲壩電站進(jìn)行中長期優(yōu)化調(diào)度。該模塊采用逐旬徑流資料，通過選擇優(yōu)化時(shí)間、參加優(yōu)化的電站，結(jié)合電站運(yùn)行實(shí)際情況修改相關(guān)水位、出力等約束條件后，進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。計(jì)算成果通過圖表形式展示在界面上，同時(shí)也能夠通過Excel導(dǎo)出數(shù)據(jù)，供后期人工處理計(jì)算使用。

3.3 發(fā)電計(jì)劃編制

發(fā)電計(jì)劃編制功能是根據(jù)預(yù)測來水，指定的邊界條件，如水位、電量計(jì)劃等，計(jì)算出發(fā)電計(jì)劃，生成發(fā)電計(jì)劃報(bào)表，同時(shí)提供報(bào)表的導(dǎo)出功能。該模塊包括了年發(fā)電計(jì)劃、月發(fā)電計(jì)劃和周發(fā)電計(jì)劃的編制。為了進(jìn)行多方案的比較，滿足電站調(diào)度人員的決策參考需求，每個(gè)時(shí)間尺度的發(fā)電計(jì)劃編制都采用了以下三種計(jì)算模型：

方案一：調(diào)度函數(shù)，根據(jù)歷史長系列計(jì)算結(jié)果，選擇各個(gè)時(shí)段的初水位和入庫平均流量作為自變量，各個(gè)時(shí)段的末水位作為因變量擬合出來的線性方程作為調(diào)度函數(shù)。根據(jù)當(dāng)前的水位和下個(gè)時(shí)段預(yù)測的入庫平均流量，以調(diào)度函數(shù)來推求水庫下一時(shí)段的末水位，從而得到水位和出力過程[5]。

方案二：定水位，根據(jù)水庫多年運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)及預(yù)報(bào)來水趨勢的情況，事先給定年內(nèi)逐時(shí)段的水位，計(jì)算得到出力過程。

方案三：以電定水，根據(jù)年計(jì)劃發(fā)電量和預(yù)報(bào)的來水過程，參照歷史運(yùn)行發(fā)電過程，計(jì)算年內(nèi)逐時(shí)段發(fā)電量過程，以檢驗(yàn)?zāi)暧?jì)劃發(fā)電量的合理性，并對未來發(fā)電計(jì)劃提供參考。

實(shí)際工作中，調(diào)度人員可根據(jù)不同的需求，選取不同的方案編制發(fā)電計(jì)劃，發(fā)電計(jì)劃的編制流程如圖3所示。

圖3 發(fā)電計(jì)劃制作流程圖

3.4 資料查詢與管理

該模塊旨在查詢和管理數(shù)據(jù)庫中的徑流資料、計(jì)算所用的參數(shù)及電價(jià)，具體有如下幾點(diǎn)：

(1)徑流資料的管理。該子功能模塊包括了逐月、逐旬和逐日平均流量管理，其中逐月、逐旬和逐日平均流量管理包括資料的更新、刪除、導(dǎo)出，更新可以采用在客戶端可視化界面上的表格中單點(diǎn)更新或Excel導(dǎo)入批量更新兩種方式。

(2)計(jì)算參數(shù)查詢與管理。該子功能模塊包括了查看、更新電站優(yōu)化計(jì)算的各類參數(shù)，包括電站基本參數(shù)(如出力系數(shù)、水頭損失等)、逐旬水位、出力和下泄流量約束。

(3)電價(jià)查詢與管理。該子功能模塊包括了查看、更新各電站的電價(jià)情況，包括了逐旬電價(jià)情況。

資料查詢與管理功能模塊為程序資料管理提供了方便，使得程序的實(shí)用性、操作性大幅度提升。

4 系統(tǒng)試運(yùn)行效果分析

江口水庫水電站發(fā)電調(diào)度輔助決策系統(tǒng)現(xiàn)已投入試運(yùn)行中，本文對系統(tǒng)主要業(yè)務(wù)功能模塊的運(yùn)行效果進(jìn)行了分析：

(1)徑流預(yù)測功能模塊中的預(yù)測方案是在“多種方法，綜合比較，合理選用”的原則指導(dǎo)下完成的。在多種統(tǒng)計(jì)預(yù)測方案中，“人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型”的預(yù)測結(jié)果較精準(zhǔn)，可以為江口水庫發(fā)電調(diào)度計(jì)劃的制定提供參考依據(jù)。但該模塊中的各方案均未從徑流成因的角度出發(fā)，可考慮降雨、下墊面等因素，對徑流預(yù)測模塊進(jìn)行拓展，以待進(jìn)一步提高預(yù)報(bào)精度。

(2)優(yōu)化調(diào)度模塊中以電站在調(diào)度周期內(nèi)發(fā)電量最大化及枯水期的最小出力最大化為目標(biāo)，建立優(yōu)化調(diào)度的數(shù)學(xué)模型，采用動態(tài)規(guī)劃算法對模型進(jìn)行求解，計(jì)算結(jié)果合理，對江口水庫的調(diào)度運(yùn)行具有指導(dǎo)作用。

(3)發(fā)電計(jì)劃編制模塊中根據(jù)優(yōu)化調(diào)度成果，在徑流預(yù)測的基礎(chǔ)上采用了“調(diào)度函數(shù)”、“以水定電”和“以電定水”三種模型進(jìn)行發(fā)電計(jì)劃編制。計(jì)算簡便，結(jié)果合理，計(jì)劃編制結(jié)果可以為江口水庫水電站發(fā)電調(diào)度提供決策支持。發(fā)電計(jì)劃編制模塊基本可以為現(xiàn)階段調(diào)度人員對江口水庫進(jìn)行發(fā)電調(diào)度提高決策參考，但隨著電力市場的推進(jìn)，考慮到電力現(xiàn)貨市場的出現(xiàn)，需要對更短的時(shí)間尺度——日發(fā)電計(jì)劃編制進(jìn)行深入的研究。

(4)資料查詢與管理模塊信息齊全，水庫資料的查詢與修改操作簡便，對工作人員管理水庫資料帶來了很大的幫助。但需要加強(qiáng)系統(tǒng)資料的安全性，如設(shè)置訪問權(quán)限、添加日志功能保存訪問記錄等。

5 結(jié) 語

為提高江口水庫的水能利用率，在一定程度上減少電站調(diào)度工作者的工作量，根據(jù)當(dāng)前重慶江口水電公司發(fā)電調(diào)度的實(shí)際需求開發(fā)了江口水庫水電站發(fā)電調(diào)度輔助決策系統(tǒng)，并將系統(tǒng)投入到實(shí)際運(yùn)行中。從江口水庫水電站發(fā)電調(diào)度輔助決策系統(tǒng)試運(yùn)行情況來看，該系統(tǒng)功能齊全，使用簡便，界面友好，不僅具有信息管理、查詢等功能，更重要的是具有強(qiáng)大的計(jì)算功能，為調(diào)度人員提供了多種計(jì)劃方案，試運(yùn)行期間基本可以滿足江口水庫的日常調(diào)度管理需要。該系統(tǒng)雖然對江口水庫水電站的日常運(yùn)行工作帶來了較大的幫助，但仍有很多需要提高和改進(jìn)的地方，如徑流預(yù)報(bào)精度、全時(shí)間尺度的調(diào)度決策支持和系統(tǒng)安全性等方面有待進(jìn)一步加強(qiáng)。