東江水利泵站運行智能化技術方案的構建

張 英

( 廣東省源天工程有限公司，廣東 廣州 511340 )

東江水利樞紐位于東江下游惠城區和博羅縣之間的東江河段泗湄洲島處，上距惠州市惠城區約9.4 km，下距博羅水文站3.3 km，集水面積25 325 km2，屬東江干流階梯規劃中第十一個梯級。樞紐主要由布置在左、右河汊的攔河閘壩、通航船閘、水電站以及連接土壩組成。東江水利樞紐具有3座大型泵站，是該水利樞紐工程的核心，其正常運行與否會影響到惠州市社會經濟的發展[1-4]。

1 泵站運行概況

當前，東江水利樞紐泵站工程已基本完成了自動化控制系統的建設，基本實現泵站運行時數據采集和及設備運行的自動化控制。但是自動化控制的智能化水平一般，智能化程度不夠，從本質上來講，泵站開停機等的自動化操作僅僅是將操作控制開關控制從開關柜前集中到了計算機屏幕前，操作仍需要人工進行控制。該水利泵站運行時的流量、經濟、安全等運行指標和經濟性能無法實現智能化控制，嚴重影響東江水利樞紐泵站的管理水平。

東江水利樞紐泵站智能化控制的現狀情況及問題分析如下：

(1)運行數據分析及研判能力較差。從東江水利泵站的運行情況來看，自動化控制系統可以實現對主機組、電氣設備、輔助設備、斷流設施、金屬結構、進出水建筑物混凝土結構的安全狀態等數據的采集和儲存，可以對數據進行簡單的查詢、展示和匯總，無法實現對數據的智能化處理和智能化分析，無法有效的利用實時數據進行智能化的發展趨勢研判，無法實現對泵站運行設備的智能化評估，無法對泵站運行進行智能化預警。

(2)泵站處于不同工況下無法實行運行模式的智能化調整。當前，東江水利樞紐泵站建設有實時監控系統，泵站在運行過程中，具有了數據采集、狀態展示、報警等功能，該功能主要是從運行安全的視角進行考慮，泵站運行狀態的精準執行和一鍵啟停等重要需求沒有實現智能化控制，影響泵站的管理水平，降低泵站的經濟效益。

綜上所述，東江水利樞紐泵站的運行自動化控制中智能化水平還有待提高，如何將智能化控制技術與水利泵站的運行控制進行深度融合，加強對泵站主機組、電氣設備、輔助設備、斷流設施、金屬結構、進出水建筑物混凝土結構的安全狀態等采集數據的智能化處理和智能化分析，拓展其對泵站運行狀態的研判及預警研究，提高泵站的智能化控制及管理水平[5]，是急需進一步研究的問題。

2 泵站智能化技術方案的構建思路

2.1 智能化技術總體框架分析

為實現東江水利樞紐泵站智能化技術的建設和應用，經技術調研，確定采用模塊化數據體系進行智能化系統的設計。模塊化數據體系有效地對數據源進行了統一，系統分析和處理的核心對象集中在數據庫服務器上，簡化了數據智能化分析和處理的工作量。基于以上設計思路，確定東江水利樞紐泵站智能化設計的方案總體框架如圖1所示。

圖1 東江水利樞紐泵站智能化技術的總體框架示意圖

智能化技術方案的核心主要包括智能研判體系、智能控制系統和泵站數據三大部分。智能研判體系包括智能抽取模塊、智能分析模塊、智能報告三部分；智能控制系統包括優化調度模塊和智能控制模塊兩部分；泵站數據主要有主機控制、安全監測等部分[6]。

2.2 技術實現

東江水利樞紐泵站智能化技術實現主要是需要智能研判體系和智能控制系統進行有效結合。

(1)智能研判體系。以泵站管控一體化平臺采集的實時及歷史數據為基礎，對數據進行深度分析，實現對泵站運行數據的精準研判，從而完成泵站運行的智能預警及運調方案的智能建議。

(2)智能控制系統。基于當前東江水利工程對于目標水位和流量的參數，結合該泵站工程的各運行條件，對泵站運行狀態進行智能化控制設計。

3 泵站智能化技術的實現分析

結合5G應用、物聯網、大數據、邊緣計算及人工智能等技術開展水利泵站智能化控制技術的應用研究，提高利用數據對其進行深度分析處理及趨勢研判的智能化，為泵站工程安全、高效、經濟運行提供保障。

3.1 智能研判體系的構建

智能研判體系包括優化調整模塊、智能分析模塊、智能報告三部分。對泵站數據進行智能抽取，并實現智能分析和智能報告，進而實現泵站的智能研判[2]。

3.1.1 智能抽取模塊

對泵站系統采集到的原始數據進行分析和抽取，有效性判斷主要有偏差篩選、穩定性篩選和數值統計三個步驟。

(1)偏差篩選。根據精大誤差判別準則，剔除一堆相同類型數據中偏差比較大的可疑值。

(2)穩定性篩選。為提高數據的準確性，采用智能算法對采集到的不穩定數據進行剔除。

(3)數值統計。將相同類型的數據通過數值統計方法整理成單個值。

3.1.2 智能分析

基于人工智能的大數據信息快速抽取算法，對獲取的數據進行智能分析，取得泵站運行的關鍵特征參數，結合東江水利樞紐泵站的運行實際，給出了短期研判、長期研判和故障分析三類預警庫。

(1)短期研判預警。對采集到的泵站實時運行數據進行分析和處理，如發現得到的標準趨勢在較短時間內有較大的階躍，則系統會發出短期預警。

(2)長期研判預警。取采集到的泵站實時運行數據+前后時間內的運行數據進行長期變化趨勢的研判，如得到的標準趨勢在較長時間內有較大的階躍，將會超過系統所設置的閾值時進行長期預警。

(3)故障診斷預警。對采集到的泵站實時運行數據進行分析和處理，如發現該數據信息與以往設備發生故障或事故數據的信息相關聯時，系統則會發出設備精準故障診斷預警，必須通知設備維修和管理人員組織對設備進行故障的診斷及處理。

3.1.3 智能報告

利用水利泵站設備在運行過程中產生的二次效應參數(振動、擺度、電量、溫度、噪聲、位移等)的變化趨勢和分級預警情況，以主機組、電氣設備、輔助設備、斷流設施、金屬結構、進出水建筑物混凝土結構的安全狀態為單元，綜合全部采集數據進行智能關聯分析，實現對設備運行狀態的智能報告。同時智能報告結果通過系統故障樹和發光字圖形化進行展示，給設備的維修和保養提供時間和位置維度的智能建議。

3.2 智能控制系統的構建

3.2.1 泵站優化調度模塊

東江水利泵站在運行過程中，消耗能源較大，從以往的實踐應用來看，存在著很多的無用功，造成了東江水利泵站的運行成本較高。泵站優化調度模塊的作用是根據電價、調度等要求，結合東江水利泵站工程情況、運行工況和運行時間、年供水量等參數，確定泵站最佳運行設置方案，達到能耗優化、費用優化、效率優化和排澇優化的目的。優化步驟如下：

(1)下游潮位預測。對東江水利泵站下游水位的預測采用基于BP神經網絡的短期和長期預測，結合東江的潮位、上游徑流量的歷史數據和72 h實測值，預測東江下游未來各時段的水位變化趨勢，探索其變化發展。

(2)上游水位計算。對東江水利泵站上游水位的計算采用基于σ坐標變換和水位函數法的立面二維水動力學模型，將計算出來的上游水位做為主機組運行狀態下實際揚程的計算依據。

(3)優化求解。以泵站設備安全、揚程、峰谷電價和機組效率約束條件，構建泵站運行的數據模型，將葉角、臺數、時段進行離散處理，構建目標參數泵站的狀態矩陣，可求解最佳參數。

3.2.2 泵站智能控制

根據東江水利泵站的運行實際來看，其智能化控制主要是實現一鍵啟動、一鍵停止、調度模型集成三方面的功能。實現在設備啟動、停止、調度過程中，減少人工干預，提高設備自動化和智能化程度，有效地降低工作人員的勞動強度，提高設備運行的安全性和可靠性。

(1)“一鍵啟停”智能控制體系的構建。“一鍵啟停”智能控制體系包括“一鍵啟停”模塊和控制巡檢聯動模塊。通過“一鍵啟停”模塊，管理工作人員可以在手機端和電腦端遠程無人干預采用一鍵控制對設備進行啟停自動控制，大大減少了工作時間，有人即可控制泵站；通過控制巡檢聯動模塊，加強對“一鍵啟停”模塊的遠程監控，提高設備啟停運行的安全性和可靠性。

(2)優化調度模型的集成。在泵站運行原監控系統當中，將泵站優化調度模型直接嵌入泵站自動化系統中，將實時采集到的泵站運行參數計算出不同運行模式的參數，實時性較好。

4 效果分析

針對東江水利樞紐泵站的實際情況，構建了大型泵站運行智能化技術方案，并投入到了實踐應用當中，應用效果理想。東江水利泵站智能化控制系統的應用保障了泵站的正常運行，有效提高了工程調度決策、智能執行的精準性，促進了泵站工程的安全、高效、經濟運行；泵站智能化控制系統的應用大幅度降低了工作人員數量和勞動強度，節能降耗效果顯著，泵站安全事故率降低了90%，為東江水利管理處取得了較好的安全經濟效益。