大型泵站運行智能化技術方案探析

陳雙圓，宋偉杰，崔 凱

(江都水利工程管理處，江蘇 揚州 225200)

早在20世紀60年代美國就提出了泵站的智能化管理概念，并在加州的調水工程中安裝了智能管理控制系統，實現了計算機通信、監控、調度和管理。而我國的泵站智能化技術研究較晚，目前仍然是經驗主導泵站的狀態分析和實際運行，智能化管理尚處在摸索階段。江都第一抽水站管理所位于江都水利工程管理處內，作為國內首座抽水大型電力排灌站，與江都其他三座抽水站及相關配套工程一起組成了江都水利樞紐工程，是我省江水北調的第一級抽水工程，也是我國南水北調東線源頭抽水工程。主要的作用包含抽引江水，實現江水北調；抽排里下河澇水；抽引江水補充里運河航運水位。

從1961年興建，截止到2012年，省水利廳多次對江都第一抽水站進行了更新和改造，目前已基本實現了自動化管理，與以處集中調度系統為中心的江都水利樞紐工程監控網相聯接，支持與計算機網絡系統的互聯，并具備南水北調東線工程調度運行管理網絡系統互聯的功能。但是總體來說，泵站的智能化技術水平不高，鑒于此文章針對泵站運行的智能化技術提供有效參考。

1 泵站運行概況

江都一站采用堤身式結構，肘形進水流道，虹吸式彎管出水流道，真空破壞閥斷流。站身由主廠房、副廠房、公路橋三部分組成。上下游兩岸翼墻為重力式擋土墻。主廠房自上而下可分為過道二層、過道一層、主機層、檢修層、水泵層、進水流道層。副廠房建在虹吸式出水流道的上面，一層布置有真空破壞閥，壓縮空氣裝置、站變室、倉庫、檢修間；二層布置有低壓開關室、隔離變壓器室、高壓開關室、倉庫等。控制室設在主廠房西面平房內。江都一站的輔助設備包含油系統、供排水系統以及氣系統。

目前，泵站的自動化水平僅是能夠完成一鍵啟停的計算機操作。一方面僅能對數據進行簡單的處理，其數據的分析能力和研判能力較差。例如對泵站的主機組、電氣設備、輔助設備以及清污機閘門等相關設備僅能夠完成數據的采集和儲存，進行簡單的匯總和查詢，但是尚不能對運行的數據進行有效的分析和處理，缺乏對數據的分析和預測評估。另一方面缺乏對泵站不同模式運行的深入研究，其智能化程度較低。目前江都一站已經能夠實現開停機的計算機控制，并增加了數據采集和狀態展示的功能，但是并未考慮到泵站的精準執行和一鍵啟停的現代需求，對泵站的整體管理效率造成了一定的影響。

2 泵站運行智能化技術設計思路

2.1 技術框架

圖1是江都一站智能化技術設計的總體思路。

圖1 江都一站泵站運行智能化技術框架

2.2 技術實現

大型泵站運行智能化技術方案在實際執行的過程中需要結合兩個方面：一方面是智能研判體系，主要是以管控平臺的歷史數據和實時數據為基礎，結合具體的工程情況和實際要求對數據進行分析，從而在泵站的各個方面實現精準研判[1]。另一方面是智能控制系統。參照江都一站的目標水位和流量，結合主機組、泵站安全運行以及水文環境的實際情況進行整體策略設計。

2.3 泵站運行智能化技術方案設計

在泵站智能化技術研究中，主要是利用現有的大數據技術、 人工智能技術提升泵站各個業務方面的服務水平和支撐力度，從而實現智能化水平的提升，充分的發揮信息化資源的作用，提高泵站的管理效率。

2.3.1 智能研判體系建設

1)智能數據抽取：

利用智能抽取算法分析和抽取原始數據。在數據抽取中主要有3種方法：一為偏差篩選，即剔除同等類型數據群中偏差較大的數據，如在振動數據群當中，將與其他測點差異較大的變化幅值剔除；二穩定性篩選，顧名思義在數據群當中剔除不穩定的數據，如將非穩態狀態下機組所產生的振動數值和溫度剔除；三數值統計，即將相同類型的數據利用數值統計的方法進行整理，形成單個值。

2)智能分析：

智能分析算法包含綜合計算、相關性、極值、啟停以及數學模型等等。在水利工程實際情況的基礎上，結合理論與實際構建研判體系，形成告警庫[2]。目前來說，主要的告警方式包含3種類型：①短期研判告警，即是分析現有的運行數據，如果短期數據中階躍較大則會在第一時間告警；②長期趨勢告警，即從長期的角度對運行數據進行分析，一旦長期趨勢高于固定閥值，則會在第一時間進行告警；③故障診斷，即在故障發生時或發生前利用相關聯規則進行診斷，并指導相關人員對其進行處理。

3)智能報告：

建立設備狀態分級評價模型，以電量、溫度、噪聲、位移等多個數據趨勢和分級告警作為研究成果，以主機組、輔助設備和電氣設備等作為單元，結合關聯數據的綜合分析，從而實現泵站的安全評價[3]。

2.3.2 智能控制系統開發

1)泵站優化調度：

泵站優化調度的實際意義是為了不同模式的運行，即是將電價和調度的實際需求有效的結合在一起，從而明確各個時段的固定抽水量，并根據抽水量與泵站的功率對照表選擇較為科學合理的泵站配置方案，通過泵站的優化調度能夠最大程度上實現能量消耗偶的優化、費用的優化、效率的優化以及排澇的優化。在實現優化的過程中需要通過3個步驟來實現：①預測下游潮位。即采用循環神經網絡中的長短期記憶網絡對未來時段的下游水位進行預測；②計算上游水位。上游水位的計算結果一方面河網水位約束的判定依據，另一方面是假定機組狀態下實際揚程的計算依據；③優化求解。在求解過程中要以設備安全、機組效率和峰谷電價作為關鍵的考量因素和約束條件[4]。

2)泵站智能控制：

首先是一鍵啟?？刂企w系的建立。一鍵啟動主要表現在機組投入運行，并穩定在一定的流量狀態，完成了機組的啟動任務；一鍵停止則是以水泵主機停運和破壞振動為終點。一鍵啟?？刂企w系有兩個模塊，一方面是一鍵啟停模塊，指在不同的狀態下水泵機組能夠完成全程無人干預的啟停自動控制，相關的人員只需要通過控制鍵就可以對系統和相關的設備進行控制；另一方面是控制巡檢聯動模塊，此模塊與一鍵啟停模塊向協調，從而提高了對泵站設備的監控能力。其次是優化調度模型的集成。即是根據實際需求在原監控系統中直接嵌入泵站的自動化系統，并根據泵站的情況計算出不同運行模式下的參數，但是這種方式的實時性較差，一般是運用在參數較為固定的模式中。而優化調度模型的集成則是指將不同要求的運行參數進行計算，完成經濟數據庫的匯總，在泵站自動化運行中，所需要的數據可以從數據庫中直接提取，盡管程序流程較為繁瑣，但是此種方法在泵站自動化運行的過程中實時性較好。最后是泵站的設備管理。江都一站設備維護保養的主要方式將進行集中化管理。分為3個方面的管理和評估：①設備運行管理。即對機組的運行時長、維修時間以及運行狀態進行綜合管理和評估。根據機組的運行狀態選擇機組設備。②設備的拆換管理，即遵循機組的檢修周期進行拆換檢修。③設備狀態實時評估。即是評估機組全生命周期的歷史狀態，并將機組的實時狀態呈現出來。在設備狀態實時評估的過程中可以建立設備狀態的評價模型，以機組安裝驗收數據、溫度、擺度、振動以及維護拆換數據等參數作為參照，計算當前設備的狀態特征值，得出最后的狀態評估結果。

3 總 結

綜上所述，本次研究主要是針對江都一站運行的智能化設計進行了分析，從智能研判和控制兩個方面助推了泵站的智能化管理，并構建了智能化技術應用體系，從根本上實現了工程調度決策性和指令執行準確性的提升，與此同時促進了泵站設備運行狀態的監管管理，為泵站工程安全高效的運行提供了有效保障，奠定了堅實的基礎。盡管研究還不夠全面，但是我相信在現代化科學技術和信息化技術快速發展的時代背景下，將會為大型泵站運行的智能化設計提出有效的契機，而江都第一抽水站也將會繼續研究和探討，旨在不斷的提升泵站的智能化技術發展，為工程管理水平的提升提供有效的保障。