摘要：我國已形成世界上規(guī)模最大的互聯(lián)水電系統(tǒng)，其調(diào)度運(yùn)行具有系統(tǒng)規(guī)模龐大、電站數(shù)目眾多、限制運(yùn)行復(fù)雜等特征。該文運(yùn)用數(shù)字地球、計(jì)算機(jī)通信、人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)，構(gòu)建了涵蓋“基礎(chǔ)信息維護(hù)、水文特性分析、水文綜合預(yù)報(bào)、多尺度聯(lián)合調(diào)度、運(yùn)行效益分析、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估決策”等全周期業(yè)務(wù)體系的水電系統(tǒng)全景調(diào)度綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。長期應(yīng)用結(jié)果表明，該平臺(tái)有利于學(xué)生深化理論基礎(chǔ)、凝練創(chuàng)新成果、提升實(shí)踐能力，為水利水電工程培養(yǎng)復(fù)合型專業(yè)人才提供了一種切實(shí)可用的方法。

　　關(guān)鍵詞：水電系統(tǒng);全景調(diào)度;綜合仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

　　作為現(xiàn)階段技術(shù)最成熟、運(yùn)行最靈活的清潔能源，水電一直得到世界各國高度重視，已經(jīng)成為裝機(jī)容量和發(fā)電量雙雙占比最高的低碳可再生電力資源[1]。近年來，我國水電行業(yè)更是處于快速建設(shè)和發(fā)展期，三峽、溪洛渡、向家壩、烏東德等眾多世界級(jí)巨型水電站相繼投產(chǎn)運(yùn)行，逐步形成了西電東送、南北互供、全國互聯(lián)的統(tǒng)一聯(lián)合調(diào)度新格局[2]。伴隨系統(tǒng)規(guī)模的持續(xù)擴(kuò)張與運(yùn)行要求的日趨精細(xì)，水電系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行從傳統(tǒng)的單一尺度中小流域的單目標(biāo)靜態(tài)優(yōu)化，逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槎喑叨却笠?guī)模跨流域水電系統(tǒng)的多目標(biāo)均衡優(yōu)化。

　　水電論文投稿刊物：《水電能源科學(xué)》屬于工業(yè)技術(shù)類學(xué)術(shù)性刊物，創(chuàng)刊于1983年，由中華人民共和國教育部主管，中國水力發(fā)電工程學(xué)會(huì)、華中科技大學(xué)主辦，華中科技大學(xué)承辦。

　　因此經(jīng)典理論方法難以科學(xué)量化和解析多維隨機(jī)變量互饋協(xié)變機(jī)制，亟需創(chuàng)新和發(fā)展新型理論方法來解決世界水電史上前所未有的多階段、多約束、多變量、全景調(diào)度問題。為保證水電行業(yè)健康有序發(fā)展，培養(yǎng)一大批具有較高科研素質(zhì)和工程實(shí)踐能力的復(fù)合型專業(yè)人才無疑是其中的關(guān)鍵要素[3-4]。然而，水電系統(tǒng)涉及電網(wǎng)潮流、發(fā)電控制、用水需求等眾多方面，其調(diào)度運(yùn)行不可避免地受到水文、氣象、負(fù)荷等非線性時(shí)變隨機(jī)風(fēng)險(xiǎn)因素影響，使得傳統(tǒng)原型實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨成本高昂、效率較低、風(fēng)險(xiǎn)巨大甚至無法復(fù)現(xiàn)等限制，導(dǎo)致教學(xué)中出現(xiàn)學(xué)生對(duì)相關(guān)物理過程不甚清晰、理論與實(shí)踐脫節(jié)等問題，成為制約水電調(diào)度專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量的瓶頸所在[5]。

　　為解決這一問題，本文結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)、數(shù)字地球、計(jì)算機(jī)通信、人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)，構(gòu)建了靈活性強(qiáng)、適用性廣和擴(kuò)展性高的水電系統(tǒng)全景調(diào)度綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)信息維護(hù)、水文特性分析、水文綜合預(yù)報(bào)、多尺度聯(lián)合調(diào)度、調(diào)度運(yùn)行評(píng)估、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估決策等相關(guān)業(yè)務(wù)的一體化智能集成。該平臺(tái)可協(xié)助學(xué)生快速完成水電調(diào)度相關(guān)業(yè)務(wù)的在線智能仿真實(shí)驗(yàn)，有利于檢驗(yàn)所學(xué)知識(shí)、強(qiáng)化理論基礎(chǔ)、凝練創(chuàng)新成果、提升實(shí)踐能力，為我國培養(yǎng)富有科技創(chuàng)新意識(shí)和工程實(shí)踐能力的高素質(zhì)水電調(diào)度專業(yè)人才提供了一種有效方式。

　　1水電系統(tǒng)全景調(diào)度原型實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨的問題

　　我國水電系統(tǒng)具有裝機(jī)容量巨大、電站數(shù)目眾多、利用需求各異、涉水矛盾突出、梯級(jí)聯(lián)系密切等復(fù)雜特征，其調(diào)度運(yùn)行是多階段、多約束、多變量、全景優(yōu)化的問題。在時(shí)間尺度上，水電調(diào)度涉及長期、中期、短期、超短期、實(shí)時(shí)等不同尺度業(yè)務(wù)邏輯的嵌套銜接，在制定最新運(yùn)行方案時(shí)不僅需要充分考慮當(dāng)前時(shí)段最新水情、雨情、工情信息，而且需要綜合考慮水文氣象中長期隨機(jī)演化規(guī)律，還要將細(xì)粒度狀態(tài)信息反饋至大尺度調(diào)度模型以便動(dòng)態(tài)調(diào)整系統(tǒng)未來運(yùn)行邊界;在空間尺度上，各電站通常由區(qū)域電網(wǎng)、省級(jí)電網(wǎng)、發(fā)電公司等多種部門同時(shí)管理，不僅需要滿足電網(wǎng)負(fù)荷與安穩(wěn)運(yùn)行限制，而且需要兼顧上下游、左右岸和區(qū)內(nèi)外水量水質(zhì)、電力電量、市場合約等多邊要素的協(xié)同分配，同時(shí)還要滿足發(fā)電企業(yè)、環(huán)境保護(hù)、生態(tài)建設(shè)、航運(yùn)部門、農(nóng)田灌溉、生活供水等不同對(duì)象的差異化需求。

　　由此可見，在如此錯(cuò)綜復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境下，常規(guī)原型物理實(shí)驗(yàn)難以模擬復(fù)雜水電系統(tǒng)全景調(diào)度過程，會(huì)不可避免地面臨成本高昂、效率較低、相似度欠佳、風(fēng)險(xiǎn)巨大甚至無法復(fù)現(xiàn)等瓶頸。以生態(tài)調(diào)度為例，若無科學(xué)方案指導(dǎo)水庫調(diào)度生產(chǎn)來營造適宜環(huán)境(如水量、流速、水溫、脈沖頻次)，極易干擾水生生物的生長繁衍，甚至造成珍稀物種的滅絕。因此，有必要開發(fā)先進(jìn)科學(xué)、穩(wěn)定可靠的水電系統(tǒng)全景調(diào)度綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，不僅便于教師提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，而且利于學(xué)生深入理解所學(xué)知識(shí)、凝練創(chuàng)新成果，還能助力提升水電系統(tǒng)長期生產(chǎn)運(yùn)行效率與綜合管理效益。

　　2水電系統(tǒng)全景調(diào)度綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)的意義

　　長期教育實(shí)踐表明，高素質(zhì)專業(yè)人才對(duì)推動(dòng)各大行業(yè)的健康有序發(fā)展起著極其重要的作用。構(gòu)建水電系統(tǒng)全景調(diào)度綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，不僅能夠有效解決原型實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的成本高昂、效率較低等瓶頸問題，而且有利于深化教育改革、推動(dòng)素質(zhì)教育，還能促進(jìn)水利水電行業(yè)智能化管理水平的提升，最終實(shí)現(xiàn)教師、學(xué)生、學(xué)校和行業(yè)的多方共贏。

　　具體分析如下：①對(duì)教師而言，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可綜合運(yùn)用大數(shù)據(jù)、人工智能、網(wǎng)絡(luò)通信、云計(jì)算、虛擬現(xiàn)實(shí)等現(xiàn)代信息技術(shù)，對(duì)水電工程涉及的勘測規(guī)劃—研究設(shè)計(jì)—水能利用—梯級(jí)調(diào)控—運(yùn)行維護(hù)等全生命過程進(jìn)行在線虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，利于完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式、提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量;②對(duì)學(xué)生而言，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)協(xié)助理解水電站“水能—機(jī)械能—電能”的復(fù)雜非線性耦合轉(zhuǎn)換過程，不僅可以實(shí)現(xiàn)與課堂所學(xué)理論知識(shí)彼此對(duì)照、相互促進(jìn)，而且可以順利開展創(chuàng)新實(shí)踐計(jì)劃和科研項(xiàng)目，進(jìn)而夯實(shí)理論基礎(chǔ)、提升創(chuàng)新意識(shí)、增強(qiáng)實(shí)踐能力。

　　③對(duì)學(xué)校而言，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可利用優(yōu)勢(shì)力量形成包含紙質(zhì)教材、教輔材料、電子教案、資源庫、數(shù)據(jù)庫、模型庫、方法庫、教學(xué)網(wǎng)站、課程論壇、網(wǎng)絡(luò)課程、微云會(huì)議室等立體化水電調(diào)度實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，充分滿足教師和學(xué)生“多層次、多維度、多目標(biāo)、多任務(wù)、多情景、多渠道”的教與學(xué)資源差異化需求，進(jìn)而打造知名實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)品牌、提升學(xué)科影響力;④對(duì)水電行業(yè)而言，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)有利于培養(yǎng)形成具有超強(qiáng)凝聚力、執(zhí)行力與戰(zhàn)斗力的高水平專業(yè)技術(shù)隊(duì)伍，不斷提升自主研發(fā)和系統(tǒng)運(yùn)維能力，進(jìn)而增強(qiáng)流域水資源管理水平和決策科學(xué)性，切實(shí)保障我國重大水利水電工程綜合運(yùn)行效益。

　　3水電系統(tǒng)全景調(diào)度綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)

　　通過有機(jī)集成水文預(yù)報(bào)、工程水文學(xué)、水電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、水電能源學(xué)、水資源開發(fā)利用等相關(guān)課程知識(shí)，嚴(yán)格遵循國家和行業(yè)相關(guān)的編碼規(guī)范、傳輸方式和通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，以實(shí)用性、可靠性、開放性、擴(kuò)展性、靈活性和安全性為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，以系統(tǒng)決策理論、運(yùn)籌學(xué)、高性能并行技術(shù)等理論方法為基礎(chǔ)，以虛擬現(xiàn)實(shí)、數(shù)字地球、計(jì)算機(jī)通信、人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)為手段，以“瀏覽器—服務(wù)器—數(shù)據(jù)庫”三層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為框架。

　　以重大水利水電工程涉及的勘測規(guī)劃—研究設(shè)計(jì)—水能利用—梯級(jí)調(diào)控—運(yùn)行維護(hù)為主線，構(gòu)建了先進(jìn)科學(xué)、靈活便捷、安全可靠的水電系統(tǒng)全景調(diào)度綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)基礎(chǔ)信息維護(hù)、 水文特性分析、水文綜合預(yù)報(bào)、多尺度聯(lián)合調(diào)度、調(diào)度效益分析、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估決策等水電調(diào)度業(yè)務(wù)邏輯實(shí)現(xiàn)了可視化交互式無縫操作，幫助學(xué)生同步提升理論知識(shí)、創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力。

　　3.1海量多源異構(gòu)水電運(yùn)維數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

　　水電調(diào)度運(yùn)行既有水位、出力、流量等相對(duì)規(guī)范的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，也有圖片、視頻、文檔等數(shù)目眾多的半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，還有專家經(jīng)驗(yàn)、模糊語義等形式各異的非結(jié)構(gòu)化信息，呈現(xiàn)出典型的海量、多源、異構(gòu)特征[6]。為此，構(gòu)建了涵蓋基礎(chǔ)信息(如防洪庫容、保證出力)、特性曲線(如水位—庫容、下泄流量—尾水位)、水情、雨情、工情、空間信息及決策推理規(guī)則等水電運(yùn)維數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，綜合運(yùn)用圖表聯(lián)動(dòng)與三維場景等方式對(duì)水電調(diào)度數(shù)據(jù)進(jìn)行快捷方便的特征提取、數(shù)據(jù)挖掘與智能展示，實(shí)現(xiàn)對(duì)信息存儲(chǔ)、校核、發(fā)布等多元數(shù)據(jù)需求的集中管理。開發(fā)了面向水情數(shù)據(jù)平臺(tái)、節(jié)能發(fā)電調(diào)度系統(tǒng)、能量管理系統(tǒng)、市場交易系統(tǒng)、負(fù)荷預(yù)測系統(tǒng)、檢修系統(tǒng)等多個(gè)應(yīng)用業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸接口，實(shí)現(xiàn)了信息類型、數(shù)據(jù)點(diǎn)號(hào)、傳輸機(jī)制、校驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)庫源等內(nèi)容的智能信息交互，為多元業(yè)務(wù)邏輯的動(dòng)態(tài)集成提供統(tǒng)一數(shù)據(jù)支撐。

　　3.2水文特性分析及綜合預(yù)報(bào)系統(tǒng)

　　徑流過程同時(shí)受到大氣降雨、地表植被、土壤下滲等綜合因素影響，加之自然環(huán)境變化和大中型水利工程的脅迫作用，導(dǎo)致流域產(chǎn)匯流、時(shí)空演化規(guī)律異常復(fù)雜。為此，研發(fā)了水文特性分析及綜合預(yù)報(bào)系統(tǒng)：一方面，依托長系列氣象水文實(shí)測與預(yù)測相關(guān)資料，綜合運(yùn)用功率譜分析、線性回歸、傅立葉變換、小波分析、經(jīng)驗(yàn)?zāi)�態(tài)分解等方法，解析不同區(qū)域、不同時(shí)間尺度下氣象水文序列的頻率特性、周期性、波動(dòng)性、趨勢(shì)性、跳躍性等內(nèi)在特征，科學(xué)辨識(shí)變化條件下水資源時(shí)空分布規(guī)律及演化趨勢(shì)[7]。

　　另一方面，構(gòu)建涵蓋新安江模型、水箱模型、薩克拉門托模型等經(jīng)典水文模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)、隨機(jī)森林、高斯過程等新興人工智能方法在內(nèi)的預(yù)報(bào)方法庫，采用單純形法、遺傳算法、粒子群算法、人工蜂群算法等方法智能優(yōu)選模型參數(shù)，根據(jù)模型性能表現(xiàn)自適應(yīng)推薦滿足不同預(yù)報(bào)對(duì)象實(shí)際需求的預(yù)報(bào)模型，利用未來降雨集合預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)(如氣象預(yù)報(bào)、人工經(jīng)驗(yàn))快速生成精度高、預(yù)見期長的徑流預(yù)報(bào)信息，為流域內(nèi)水資源合理分配調(diào)度提供決策依據(jù)。

　　4結(jié)語

　　我國已經(jīng)形成裝機(jī)容量大、輸電范圍廣、運(yùn)行限制多、調(diào)控要求高的超大規(guī)模互聯(lián)水電系統(tǒng)，其調(diào)度 運(yùn)行面臨一系列極富挑戰(zhàn)性的重大科學(xué)技術(shù)難題。在此背景下，兼具科技創(chuàng)新意識(shí)與工程實(shí)踐能力的專業(yè)人才是解決我國水電調(diào)度難題的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而科學(xué)先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)提升教學(xué)效果和培養(yǎng)質(zhì)量有著極其重要的作用。

　　為此，本文聚焦西電東送、南水北調(diào)和智能電網(wǎng)建設(shè)等國家重大工程需求，運(yùn)用先進(jìn)信息技術(shù)成功構(gòu)建了水電系統(tǒng)全景調(diào)度綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了“信息維護(hù)→水文預(yù)報(bào)→綜合調(diào)度→方案評(píng)價(jià)→風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估→智能決策”等關(guān)聯(lián)業(yè)務(wù)邏輯的無縫耦合。應(yīng)用效果表明，該平臺(tái)可促進(jìn)學(xué)生融合所學(xué)專業(yè)知識(shí)與實(shí)際工程需求，顯著提升其綜合科研素質(zhì)與應(yīng)用實(shí)踐能力，為復(fù)合型水利人才培養(yǎng)提供了一種行之有效的方法。

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　　作者：馮仲愷1，牛文靜2，周建中1，莫莉1，張勇傳1