泵站智慧管控一體化平臺的研究

劉江嘯，張進朝

（深圳市東深電子股份有限公司，廣東深圳 518057）

0 引 言

針對我國泵站自動化監控系統缺少統一規劃，存在監控系統數據孤島，各個業務子系統相互孤立，數據存儲規劃不盡合理，累積的大量運行數據未充分利用，缺少仿真VR、AR、BIM、GIS、IoT、數字孿生等技術手段的應用，同時缺少優化調度模型及物聯網傳感數據接入標準規范等現狀，本文提出構建泵站智慧管控一體化平臺的設想。泵站智慧管控一體化平臺的總體建設目標是實現“遠程控制自動化、業務管理信息化、調度決策智能化”。

泵站所有的泵組、輔機以及智能輔助設備都應實現按流程的自動化控制，全站實現智能調控。資源利用高效化，利用數據分析把各類數據發揮資源的最大效益，為分析決策、業務協同、優化調度、經濟運行等提供支持。管理工作協同化，自動化、視頻、水雨情、安全監測、運維巡檢、物資管理等各系統形成一個有機的整體，實現業務的融合與協同。業務管理智慧化，通過智慧化手段建設工程安全、運行節能、調度科學、管理高效的現代化泵站。運行維護工作由被動變為主動，提升泵站運行維護的智能化水平。運行服務便捷化，采用真實場景的沉浸式操作；根據業務職能和個人喜好展示業務內容和主體風格，便捷的操作，人性化的體驗。

泵站智慧管控一體化平臺在研究和設計時考慮做到全面感知、智能控制、分析決策、協同聯動、展示可視、智慧管理。全面監測生產運行過程中的生產數據、設備狀態、環境數據、安全指標數據、電力數據等，充分挖掘數據價值，為智能控制、分析決策、安全管理提供支撐。實現泵站機組、輔助、閘門、閥門以及變配電設備的自動控制，并實現泵站的恒水位、恒流量動態調控，全面提高自動化程度，減少人工干預。生產過程中的各項技術經濟指標數據分析、AI分析，機組健康狀態分析、機組的性能分析及故障分析，優化運行控制策略、調度決策支持、檢修決策支持。高度集成自動化監控、安全監測、視頻監控、運行維護等各系統數據，各系統相互聯動，協作運行。泵站監控設備可視化、指標可視化、數據可視化、分析可視化，直觀人性化展示。業務部門互聯互通，精細化管理、無紙化辦公，在線維保，一體化管控，移動辦公。整個泵站智慧管控一體化平臺組成包括了：全面感知、智能控制、可視化控制、運行分析、智能診斷、決策支持、生產管理等部分。

1 泵站智慧管控一體化平臺的系統框架

泵站智慧管控一體化平臺基于BS結構與CS結構結合進行總體架構設計，包含感知設備層、網絡傳輸層、物理支撐層、系統支撐層、業務應用層五個部分，通過數據標準、安全標準、政策法規、維護標準等相關標準體系，實現整個泵站智慧管控一體化平臺安全穩定、開放高效的運行，平臺系統框架圖見圖1。

圖1 平臺系統框架圖Fig.1 Platform system framework diagram

2 全面感知與智能控制

2.1 全面感知的獲取

全面感知獲取數據是實現泵站的智慧管控的基礎，相當于人的眼和手，各種傳感器、智能儀表裝置，實現對生產運行狀況、設備運行狀態和周邊環境信息全面的、智能的、及時的感知。

鄧樓泵站安裝4 臺立式軸流泵，配套四臺TL2240-48 型同步電動機，泵站總裝機容量8 960 kW，總裝機流量133.5 m3/s。設計年運行時間3 770 h，設計年調水量13.63 億m3。采用肘形流道進水，虹吸式流道出水，真空破壞閥斷流。主要建筑物包括主副廠房、引水閘、出水涵閘、梁濟運河節制閘、引水渠、出水渠、變電所、管理樓。原系統在投入使用多年后進行本次升級改造試點。我們根據鄧樓泵站樞紐的特點將其全面感知包含了生產感知、設備感知、環境感知、安全感知、安防感知五個部分。

鄧樓泵站的生產感知數據包含了機組、變電、配電、輔機、閘門、閥門的運行狀態、故障狀態、電量數據、非電量數據的感知，水池的液位監測、水質監測、潮位監測，管道的壓力監測、流量監測等等。

設備感知數據包含了監控設備plc、觸摸屏、lcu柜、工作站、微機保護等運行狀態、故障狀態、通訊狀態、資源使用率；采集設備rtu、傳感器、儀器儀表等通訊狀態、故障狀態、運行狀態；供電設備直流、開關電源、電池、ups 等等輸入輸出狀態監視、負載使用率等；網絡設備交換機、路由器、防火墻、攝像機的端口使用情況、貸款、運行狀態等；存儲設備如服務器、硬盤錄像機等通訊狀態、在線率、資源使用情況。

環境感知數據包含氣候環境（天氣預報、降雨量、蒸發量、風速風向、氣溫濕度、空氣質量等）、運行環境（火災監測、水浸監測、有害氣體監測）、設備環境（設備的溫度、濕度、煙霧報警、母排溫度、電纜溫度等等）、管理環境（人員信息、車輛信息、人員位置信息）、其他能夠獲取到的環境量。

安全感知數據包括建筑物的安全情況（滲壓滲流變形位移監測應力監測等）、機組安全情況（軸承軸瓦溫度、定子繞組溫度、機組振動擺渡、壓力脈動、機組噪聲等）、管道情況（水錘監測、爆管監測、泄露監測）、隧道隧洞（裂縫監測、滲漏監測）、水池水庫河道情況（溢流監測、漂浮物識別、決堤預警識別等）。

安防感知數據包括無人機/機器人巡檢、智能門禁可視對講、周界監控及視頻聯動、視頻無死角監控、人員識別跟蹤、車輛設備識別監控、異常識別、自助巡檢。

2.2 智能控制的實現

泵站智慧管控一體化平臺的核心業務依然是控制操作和運行監控，利用自動化、信息化、數據分析等技術手段。

鄧樓泵站自動化升級改造項目從供水調度監控的實際需要和信息化技術發展趨勢出發，利用現有資源，通信傳輸網絡盡量采用現有通訊專線資源進行設計，其中計算機監控系統采用控制專網，安全監測系統、視頻監控系統、智能運行信息化系統通過內網連接。結合工程實際情況，充分考慮組態軟件、自動化設備接口和儀表的選型。實現現地LCU 柜的對現地系統的自動控制，所有數據通過PLC 上傳至泵站（水庫）控制系統。計算機監控系統單獨組網，不與其他系統共用網絡。留有與省調度中心、分調度中心的南水北調東線第一期工程調度運行管理系統接口，實現遙測、遙信、遙控、遙調、遙視等功能。與上級電力系統變電站進行通信，實現遠程調度的功能。

圖2 智能控制的實現Fig.2 Realization of intelligent control

所有工藝設備均能遠程控制，實現零人工操作。機組高壓開關柜自動儲能，遠程分合閘控制；機組變頻器遠程啟停，遠程調頻；進出口閥門可遠程開關，液控閥可遠程多段控制；技術供水泵及閥門均可遠程控制；引水閘門可遠程啟閉等等。

實現泵站的全自動運行。智能調控，減少人工干預。智能調度泵站所有機組，自動啟停及調節，保障泵站輸水滿足目標需求，如恒液位調節、恒流量調節、恒壓力調節。選定主用、備用機組，按選定順序形成序列，自動按照序列啟停機組，并動態調節頻率或葉片角度。實現站全站自動運行，無人值班，無人值守，無需人工干預。現場工藝設備運行穩定，故障率低時，采用一鍵開機模式，當開機條件具備時可自動聯動啟動電機開關柜、勵磁、調速器、葉片調節器、技術供水、冷卻風機、閘門、閥門等系統。實現機組從全部停止到正常運行過程的一鍵操作?，F場工藝設備老舊或故障高時，可采用先自檢后開機模式，提高開機成功率，自檢時除了主機不合閘，其他附屬設備及輔機全部啟動，檢查運行狀態和數據是否具備開機條件，當全部就緒后，再啟動主機，大大減少開機失敗或剛開機又故障停機的問題。各種業務模式下進行聯動。監控系統與視頻系統聯動；監控系統與運維系統聯動；安全監測系統與監控系統聯動。出現異常情況時自動啟動應急預案。運行機組異常停機時自動啟動備用機組。水質不達標時，自動啟動投加系統。全站停電時，出口閥立即關閉。發生爆管事件時自動停機，打開排水系統，并通知調度中心。發生火災時自動切斷電源，關閉防火門，啟動消防系統，并通知調度中心。

根據實際要求切換運行模式。經濟運行模式、節能運行模式、快速緊急運行模式

3 可視化監控

泵站智慧管控一體化平臺基于BIM 系統的可視化監控。三維場景的建立，在鄧樓泵站樞紐建筑BIM 模型的基礎上，直接展現現場的布局及各工藝環節的三維狀態；基于三維場景加載實時數據、狀態，視頻監控、以及組態監控；BIM上同步顯示報警位置及報警信息，快速定位，排除故障。通過生產運行一張圖，能夠直觀展示整個泵站生產運行狀態，用狀態圖表示各機組的瞬時流量、多機組的瞬時流量及單機組、多機組的累積流量；其中瞬時流量與調度流量進行曲線對比分析，顯示當前總體能耗情況，點擊可查看單臺機組的能耗變化及總能耗變化曲線。在泵站開停機過程中，可跳出相關環節視頻監控點。當開停機過程結束時，可回歸最初視頻畫面，比可對最初視頻畫面進行選擇。實現設備與監控視頻聯動。對機組的水輪泵的運行狀態進行動態模擬，能顯示當前機組運行葉片角度、負荷狀態、運行時間、轉速、勵磁電流電壓、勵磁運行狀態（合分閘、增減勵磁狀態、耗電情況）；能實時顯示主變的合分閘狀態、運行時間；站變的合分閘狀態、溫度及運行時間。其他的輔機、閘門、閥門的運行狀態，水情變化狀態，安全監測狀態以及故障預警處理等等，都在一張圖上展示，信息全面，反應迅速。

圖3 可視化監控Fig.3 Visual monitoring

4 機組運行分析與管控

機組運行統計分析，了解各機組歷史調水量，統計各年、月、日的運行時間、調水流量計耗電量。了解機組運行時段及開停機過程值，包括機組停機時刻、輸水量、耗電量及運行效率。通過對運行效率進行動態的跟蹤，可分析任意流量Q的實測水位差值、實測葉片角度與建議最佳運行水位差值、葉片角度之間的關系。根據流量、揚程關系、葉片角度與流量比值關系推求葉片角度與流量的關系模型。

泵站運行分析及運行統計，了解泵站歷年的調度水量，年度運行日歷，某天各機組開停機狀態。調度任務運行記錄，本年度調水任務過程中，各機組運行、停機情況，調度周期內流量、水位變化。泵站故障分析，故障過程記錄，記錄故障發生和消失的時間，可按設備或類型查看故障記錄。故障統計與分析，按照設備類型或信號類型統計，便于調配不同專業的運維人員。故障設備排行，通過故障設備排行了解設備的穩定性，及時補充備件或增加維護頻率。

性能分析，工況計算，實時計算當前流量下的最佳葉片角度，使機組始終運行在最優效率區間。性能評價，實時計算機組當前的運行性能，并為其評分，了解機組的性能衰減。分析模型，建立機組楊程、效率、葉片角度的數學模型，并通過三維曲面展示。

生產運行管理。遠程控制，通過特定的用戶名及權限設置，并在自動化控制上位機開發控制權限的基礎上，可對機組、閘門、清污機等進行遠程控制，其中包含一建運行控制、開停機運行控制及緊急運行控制。

根據國家標準《泵站技術管理規程GB/T30948-2014》的要求，對泵站技術經濟指標建筑物完好率、設備完好率、泵站效率、能源單耗、供排水成本、供排水量、安全運行率、財務收支平衡八個指標進行KPI 分析。通過技術經濟指標分析，為泵站管理者提供管理依據，充分發揮泵站的效益，保證泵站安全、高效、經濟運行，節能減排，合理利用水資源。

5 智能診斷與決策支持

泵站智慧管控一體化平臺的智能診斷包括健康診斷分析，就是通過各種感知設備及自身狀態反饋獲取機組的振擺、溫度、電流、功率、噪聲等數據以及當前的性能和單耗綜合分析診斷機組的健康狀態，并形成健康度評分，從而指導檢修運維。機組狀態分析，分析電機、軸承、水泵等的振動、擺渡、噪音，及早發現異常情況，提前處理，避免事故發生。在保證機組運行安全、避免機組運行在氣蝕和振動區域的前提下，優化調度指在根據特定的調水量需求前提下，自動生成的經濟運行方案。對已發生的故障進行故障原因分析及追蹤，從而指導檢修及維護。通過當前運行數據、狀態及歷史數據和變化趨勢進行比對分析，提前判斷可能會發生的故障，早期預防，降低故障率。

圖4 智能診斷Fig.4 Intelligent diagnosis

調度決策支持選擇分為3種運行模式，分成經濟運行模式、節能運行模式、緊急運行模式。輸入調度目標，分成泵站輸出流量、泵站調水量兩種方式。選擇邊界條件，流量分配方式、啟泵楊程選擇、機組組合形式3 種。輸出計算結果，開機臺數、開機編號、開機時前池水位、建議葉片角度、預測效率曲線等等。

輸入調度下達的調水量、上下游水務要求，通過調度決策支持模塊自動編制優化調度運行方案（開機時間、開機數量、機組葉片角度、開機對象，以及運行前、后池最佳運行水位），運行值班人員可對自動生成的調度運行方案進行修改，生成最終的優化調度運行相關的開停機及流量調節指令。

檢修決策支持。通過機組的故障分析、診斷分析、性能評估及配置的建議檢修間隔、運行時間、故障次數等綜合決策機組是否需要大修、小修或者保養，為泵站管理者提供維護決策支持，合理安排檢修，降低維修投入。

圖5 調度決策Fig.5 Scheduling decision

6 生產管理及其他功能

生產管理及其他功能包括智能工作票，通過清晰的節點開票流程，線上審核、工作日報跟蹤評價與審核，將運維系統、預警系統與工作票系統工單進行自動關聯與派發。在線巡檢功能、設施設備管理、移動應用、運維管理等等功能。

7 結 語

通過對泵站的全面感知與智能控制、基于BIM 系統的可視化監控、機組運行分析與管控、智能診斷與決策支持等幾個方面的研究，打造兩化融合（自動化、信息化）的泵站智慧管控一體化平臺，通過南水北調東線一期工程山東段鄧樓泵站自動化系統升級改造項目的實踐，獲得好評，實現了泵站控制流程智能化、資源利用高效化、管理工作協同化、業務管理智慧化、業務管理智慧化、運行服務便捷化。