大數據分析技術在供水泵站節能降耗中的具體運用研究

黃春燕 龍州縣水利供水有限公司

一、引言

供水泵站運行過程中存在耗能的環節。通過對水泵機組操作方式的調整已經不能滿足供水泵站節能降耗工作的更高要求。在對供水泵站機組運行數據的分析過程中，發現機組運行效率的高低與調節池水文的變化密切相關，因此采用大數據技術來幫助找到機組運行數據的內在關聯和特征規律，從而得到更加科學的節能方案，實現低成本高效運行目標。

二、大數據技術

大數據技術功能的發揮是建立在海量數據基礎上的。與傳統的數據統計分析不同，大數據技術能夠從更多的維度對數據進行全面分析，找到數據內在關聯，并發現數據演變的趨勢。通過大數據技術可以更好地優化供水泵站運行方案策略，降低能耗。

三、供水泵站機組運行現狀

供水泵站機組運行過程中，水泵效率與性能曲線存在虛標，因此實驗室理論條件下測定的數據與實際環境中運行數據存在偏差。由于供水泵站供水流量需要調整變化，因此大多采用工頻水泵和變頻水泵協同運行的情況，這樣會導致水泵之間相互干擾。調節池液位處于變化狀態，水泵組合的種類多且耦合性強，依賴過去運行經驗，難以綜合海量信息，泵組啟停組合方式缺乏靈活性，不能滿足水泵機組更高的節能運行目標。

四、大數據分析技術在供水泵站節能降耗的應用

針對不同水泵之間存在相互干擾的情況，利用大數據對單臺水泵進行節能研究。具體的方法是控制水泵泵前壓力和泵后壓力，檢測水泵在不同頻率下的輸水量，然后根據流量效率曲線得到不同流量下的水泵最佳工作頻率。在大數據技術下，通過繼續學習模型建立泵組運行模擬狀況，對不同泵組運行啟停方式進行模擬預測，找到不同調節池液位、不同輸水量條件下的泵組運行最佳啟停方案，實現節能降耗目標。

具體研究的過程中首先需要完善數據，對調節池液位缺失的數據進行收集，對水泵的泵前泵后壓力數據進行收集，完善數據庫。建立函數，條件參數包括水泵啟停狀態、變頻器頻率、調節池液位，輸出參數為水泵輸水量、耗電量。建立數據模型，找到不同調節池液位和輸水量條件下的最節能的水泵啟停方案。

首先，對供水泵站總供水量進行分析。根據供水量和平均耗電量的關系可以得到單位時間如果供水量相同時，耗電量是有差別的。因此，根據平均耗電量最小情況來確定泵組啟停運行方式。

其次，對單臺水泵能耗進行分析。供水泵站的總供水量和總水泵能耗不能詳細反映每臺水泵的運行工況及能耗，因此還要對單臺水泵運行情況和能耗進行分析。對于水泵前或水泵后壓力傳感器數據缺失的情況應進行數據完善或修正。分析過程中，對于泵前或泵后壓力出現顯著變化的情況應找出問題。泵后出水流量傳感器出現極大的數值時，可以檢查下方位機和上方位機控制系統。然后根據數據分析結果來確定每臺泵理論工作效率。

對不同泵組合運行效率進行分析，變頻泵、工頻泵、變頻泵+工頻泵運行效率進行對比，找到效率最高的泵運行方式。

對供水泵站運行數據進行清洗整理。測試數據以年度為單位，在分析過程中，先對數據缺失不全的字段進行修復。調節池液位數據采集頻率大約每小時一次，自動控制系統數據平臺采集的數據頻率約每五分鐘一次。信息收集采用人工手抄數據并錄入到信息系統的數據庫中。應確保泵前壓力傳感器裝置運行穩定，保障讀數信息采集有較好的連貫性。將人工測量讀數和水泵前壓力數值建立線性關系，根據線性方程來矯正樣例數據集中的調節池液位人工測量數據。

對單臺水泵輸水量建立分析模型。例如變頻水泵的輸水量與調節池液位參數以及水泵變頻器頻率參數有關，因此分布繪制調節池液位和水泵變頻器頻率兩個變量與水泵輸水量之間的散點關系。水泵變頻器與輸水量之間存在很強的函數關系。如果函數關系圖像上顯示統一條狀結構內的點與同樣的變頻器頻率有較為嚴格的對應關系，即說明水泵的輸水量主要受調節池液位和變頻器頻率影響。如果函數關系圖像上顯示在限定水泵頻率的前提下，水泵輸水量和調節池液位之間呈現出方差很大的函數關系，那么說明還有其他因素在影響水泵輸水量。結合實際運營經驗，很可能是其他水泵的啟停狀態對該水泵的工作性能造成了影響。

采用數據分析技術，采用決策樹算法來驗證是否向統一總管中輸水的水泵會出現水泵運行之間的相互影響。決策樹算法對學習準確率的計算方法為：

公式中，y代表水泵實際輸水量；代表決策樹算法得出的輸水量；代表沒有任何經驗的情況下，使用歷史數據均值得到的輸水量。假設學習準確率為96%，則表明該算法消除了平均猜測帶來的96%的誤差。

通過決策樹算法的分析，得到水泵運行狀態信息，如某臺水泵在高頻率運行的過程中，輸水量是否受到其他泵啟停狀態的影響；某臺水泵在高頻率運行過程中，輸水量是否受到調節池液位的影響；某臺水泵在中等頻率運行過程中，輸水量是否受到調節池液位的影響；某臺水泵在低頻率運行過程中，是否受到其他水泵啟停狀態影響。實際上，采用決策樹算法能夠發現更加復雜的水泵運行規律。通過不斷嘗試，得到供水泵站水泵輸水量最優水平，同時能耗在最低范圍內。

五、結語

節能降耗是供水泵站運行管理的工作目標之一。通過對水泵機組操作方式的調整已經不能滿足供水泵站節能降耗工作的更高要求。針對供水泵站運行過程中可能存在的能耗較大的節點。通過采用大數據技術，對供水泵站機組運行數據進行完善和分析，找到供水泵機組運行效率的高低與調節池液位以及其他水泵啟停狀態變化之間的關系。采用大數據技術可以幫助找到機組運行數據的內在關聯和特征規律，得到更加科學的節能方案，實現供水泵站低成本高效運行目標。