泵站調度自動化建設與運行管理分析

劉俊

（東莞市南畬塱排站管理處，廣東 東莞 523000）

1 泵站調度自動化技術分析

作為城市供水系統中的一個關鍵環節，人工動力來源既能有效地實現城市的水量分布，又能起到調水防洪等方面的作用。但是，泵站耗能較大，對推動經濟可持續發展是不利的。因此，需要實現以下幾個方面的技術，以保證泵站調度的自動化技術水平。

1.1 網絡管理技術

在網絡技術方面，調度源頭、取水系、泵站三者相距甚遠，需要跨越很遠的障礙，必須要在各個區域都設置光線的自動接入，同時利用網絡技術，將三個區域連接起來，形成一個完整的體系。但是，如果有人故意破壞了這個網絡，那么這個系統就會癱瘓，因此，在設計的時候，一定要加強對硬件的防護和設置的防火墻。考慮到網絡中的各種裝置十分繁雜，因此必須對各個網絡IP 進行正確的IP 位址分析，以便為后續施工，并改進位址不相容性。泵站的控制系統必須選用成熟可靠的工業產品，系統必須具備良好的可維護性、可擴展性和性價比，并能夠實現硬件故障的自我診斷與自我修復。使用模板結構，可根據用戶需求增減功能，變化后可自行設置。

1.2 計算機技術

計算機技術在網絡中扮演著非常關鍵的角色，可以收集、監測、處理大量的數據，同時也是建立一個網絡的基本和終端。很顯然，電腦可以把所有的部件都連接在一起，為了確保系統的正常運行，需要提供充足的電力以及UPS 這樣的備用電源，這樣既可以增強電腦的儲存容量，又可以幫助工程師在遇到緊急狀況的時候，節約時間和人力。另外，電腦終端也不能連接到手機上，以免電腦被病毒入侵，造成數據丟失。因此，對泵站的調度自動化工作，不僅可以為泵站的正常生產提供一個良好的環境，而且可以逐步減少能耗。與此同時，利用計算機技術實現了泵站的自動控制，實現了抽水泵站的自動監測，減少了相關的工作強度，從本質上提高了泵站的運行管理水平。

1.3 遠程監控技術

要想真正實現遠程監控，既要考慮原有的網絡技術、控制技術，又要兼顧現有系統的各種新特性。網絡數據庫的互聯與更新既要動態、實時，又要具有較高的開發速度和良好的兼容性。受網絡傳輸路徑、傳輸距離等因素的影響，從發端到目的地的數據可能會通過幾條傳輸線路和網絡節點，在大部分情況下，對某一指令或現場獲取的數據進行網絡傳輸所需的實際時間是不能預測和控制的，傳輸時延存在較大差異；這就極大地制約了以網絡為基礎的自動化系統的性能。在工程上，為降低傳輸延遲，可以通過減少冗余信息、壓縮被傳輸的數據，提高傳輸速率和減少傳輸時間。

2 泵站調度自動化建設與運行管理的薄弱點

利用微機技術建立的泵站調度自動化系統，能夠促進水泵廠的自動監測和管理；減少有關部門的工作壓力，提高泵站的運營和經營管理。據了解，目前泵站調度自動化建設和運行管理存在以下缺點：

2.1 泵站自動化管理系統不完善

目前水利工程技術的進步，使國內泵站的水準值有所提高，然而放眼國內，并未達到一定規模，很多項目都出現了一個問題，即僅僅滿足了某一項的要求，而沒有一個切實可行的評估標準。

2.2 缺乏對泵站自動化的全面了解

目前，國內泵站的自動化已初見端倪，但仍有許多問題有待解決，例如泵站的技術人員的專業水平都不夠高，他們對泵站的自動化也僅限于表象，把自動控制看成用鼠標控制泵站的開關即可實現，但事實上，泵站仍然有很多的操作細節。

2.3 泵站調度系統還需要進一步改良

由于技術條件和客觀條件的限制，國內許多泵站并沒有相應的水泵房，只采用常規的運轉模式，這將給泵站的生產和調度帶來困難。有些抽水站雖然有幾個單位可以進行一定的調整，但是沒有相關的管理部門做后盾，使泵站的工作性能不能得到進一步的提升。

3 泵站調度自動化建設與運行管理對策

3.1 裝置選擇

保證泵站調度平穩是保證泵站調度自動化的重要環節。目前，國內泵站的調速控制技術已經達到了一個新的高度，對其安全、有效性的需求也越來越大，而要確保設備的平穩運轉，就能使水泵的調度工作更加有效，從而降低水泵的失效概率。所以要重視泵站的自動化操作需要，選用合適的機型，以確保所選用的機組滿足泵站的自動控制需求。首先，對市場上的設備進行全面評價，考察其產品的使用情況，并優先與業內知名的設備銷售商進行業務洽談。其次，結合裝置在操作中的環境特性，對在使用中遇到的問題進行合理的剖析，以減少在使用中發生的事故[1]。

3.2 自動化設計

第一，正確處理測量，控制和保護的關系。在過去的泵站設計中，測量、保護和控制是互不相關的部件。這種設計模式的產生，很大程度上是由于技術和裝備的限制。隨著電子技術的不斷發展，二者的界線逐漸模糊，逐漸趨于統一。比如，在泵站的二次電設計中，其核心部分是繼電保護。繼電保護除了對非電量進行測量之外，還需要對電力裝置的工作狀態進行監測，從而取代以往的傳統計量方式。另外還有兩個優點：一是減少設備，節省成本，定期監測保護回路，增加系統的可靠性。又比如，繼電器的最終目標是切換裝置，而我們的自動控制目標也是切換裝置，原理相同；二是由于繼電器的動作可靠性較高，所以可以將繼電器的控制集成到繼電器保護系統中。

第二，正確地選擇通信協議。泵站的自動控制是一種較為簡便的控制方法，在設備的選用上，傳統的方法是采用具有通訊協定的設備，以方便數據的交換和節省現場的線路。然而，在國際上，卻沒有統一的通訊協定。在一個泵站中，存在著多個通訊協定和通訊規范，這就使得整個系統的整合變得非常困難。以前的方法是使用一個工業控制電腦進行協調，盡管智能傳感器已成為發展的必然趨勢，但并不能滿足一維的要求。根據泵站的實際情況，其主要設備布置在泵房內，線路長度不大，提出了在傳感器中應盡可能使用標準信號的方法，對于綜合功能較強的設備，選擇具備通訊功能的設備是很有意義的。

第三，可擴展和兼容的自動化控制。隨著自動化系統的不斷發展和一體化程度的提高，對水泵廠的自動化控制系統提出了更高的需求，在進行自動化控制時，除了滿足兼容需求之外，還需要具備可擴展性。

3.3 加強信息采集和管理

為了提高系統的自動化程度，必須對網絡和設備進行全面的綜合管理，必須對其進行全面的數據采集和處理。比如，對抽水機臺的調度值自動化施工所需的技術文件等進行統一的管理，并對接入的設備的運行記錄、維護記錄等資源進行統一的管理。泵站調度自動化施工較為繁瑣，調度源頭、泵站、取水設施等都要跨大段的銜接，其施工難點很大，要提高抽水泵站的排班工作效率，就必須收集和整理有關數據，然后才能投入使用。比如，有關的計算機技術數據、泵站調度數據、土建數據、設備數據等，要為設備的運行、檢修和管理提供科學的基礎，促進水泵的功能的充分利用。此外，為了更好地了解泵站的實際情況，并對其使用狀態進行了分析，為今后泵站的科學管理提供參考[2]。

3.4 應用自動化系統管理模式

為了進一步提升泵站的自動控制和管理，必須把泵站的管理與現代的經營方法相聯系，以適應新時期的要求。采用自動控制系統可以有效地提升泵站的自動調度和管理工作。采用可控式LCU 可實現對正在運轉的泵站的工藝控制。在數據采集上，采用信息收集裝置對各操作參數進行了實時監測，確保管理者根據所掌握的數據，對設備進行適時的調節，以達到提高設備的使用效果。當前我國的抽水工程正逐步走向現代化，為了順應抽水工程的發展，其經營工作必須與時俱進。特別是在泵站的自動控制和操作中，為了提高管理的有效性和正確地把握泵站的工作狀況，必須采用自動式的控制系統。運用自動控制系統對泵站進行全面的監測，能在最短的時間內發現問題并解決，對于整個泵站的整體運行起到了很大的作用，從而提高管理效率，保證泵站安全穩定運行，有利于社會和經濟效益的提高[3]。

3.5 調度方案優化

泵站調度方案的優化可以分成兩個階段：第一步，以泵站的總能量消耗最小為目標進行優選；第二個階段是根據河道內外水位的限制，對多目標進行降級。根據市場區域的不同，23 個泵站被分為4 組，每組為一個測試因子，共4 項測試因子。每個泵站均配有多個排水泵，通常有機組全開、機組1/2 開、只開1 臺機組等3 種運行模式。根據實際工程的具體條件，確定了各組水泵機組的啟動模式和運行時間，以此作為實驗水平。若進行綜合測試，則按以上各項測試因子及程度，共完成81 項測試。每個小組的測試結果都是按一定的操作規律組合，為抽水排出等水量所需的最低能量消耗。通過對兩種不同的綜合調度方法的對比，可以看出，第一種組合方式是最優的。與現有的調度方案相比，采用最優方案，可節省6%左右的能源。同時，根據該方案，以最小能耗為目標進行了優化，不僅在常規洪水期間是可行的，而且在節約能源和環境保護方面也有一定的應用價值。在極端的大雨和特殊情況下，其他的排水指標就會下降。在此基礎上，本文提出了一種基于多目標優化方法的多目標優化方法來代替能量消耗最少的單一目標優化方法。

4 泵站自動化建設與運行管理應注意的問題

4.1 對自動控制裝置進行適當的分區

泵站的自動化是由多個獨立的閉路循環單元構成的連續控制系統。所以，在設計系統時，必須明確層次。為了減少和轉移風險，不能采用單一的控制裝置來實現泵站的全部控制功能。尤其是輔助設備，采用閉環控制方式是理想的。在關鍵的控制線上，僅向上述單位下達指示和接收狀態，各單位根據設定的運行需求進行自己的工作。

4.2 管道流量控制

一方面是無壓管道流量控制，利用取水樞紐液壓閘閥的開度來控制無壓輸水管的流量。通過對某一特定流量和某一流量的差值進行反饋，對某一特定流量的無壓管進行控制。另一方面是有壓管道流量控制，有壓輸水管線的流量是通過泵站抽水次數和調速調節量來實現的。由監測中心站根據測量到的分水口的流量，計算出與無壓管線流量之間的差值，然后利用壓力泵室終端對水泵的開關量或者變頻調速進行調節，對有壓管道的給水流量進行控制。

4.3 運營管理效率

針對泵站的聯合調度問題，存在著運行效率低、運行費用高等問題，首先，針對泵站群的運行參數指標多、計算流程復雜、計算時間長等問題，提出了一種基于曲面擬合、建立數學模型的方法，并通過建立數學模型，獲得各泵站的相應關系，減少了重復計算，大大提高了計算效率。其次，對單個泵站的優化操作進行了建模，并將改進后的差分演化算法與傳統的調度方法進行了對比，并對結果進行了分析；通過對該方法的分析，表明該改進的微分進化方法能夠顯著地改善水泵機組的運行效率，減少能源消耗，減少運行費用。利用建立的數學模型，對泵站群進行了聯合優化，并利用改進的差分演化算法對其進行了求解，可顯著減少運營成本。在泵站群聯合優化調度中，采用了一種新的差分演化方法，該方法具有較強的可靠性和精確性，能夠快速、高效地求出最優解，便于聯合調度中心和各泵站現場工作人員根據實際情況進行合理的調度。

4.4 控制調節優化

對泵站進行自動的管理與監視，必須要對原有的系統架構有一定的認識，并認識到它們之間的不同之處。為了實現對數據的有效利用，必須建立起與之相適應的外聯界面，實現對數據的分享。同時采用人為方法進行調整，通常情況下，泵站的水位都會低于或超過一定值，出現在正常區間內的可能性非常低。因此，在泵站一體化自動控制中，水位的調節非常關鍵，必須確保在一定范圍內的高度。采用分立模式來控制電動機的開口數，再加上水泵的連續工作，將傳統的手動和現代的自動化技術相結合，采用了PID 變換，可以對電動機的開口數進行管理，通過 PID 控制器，可以有效地管理水泵的工作頻率。

綜上所述，在泵站的自動化施工和運營中，必須密切關注有關的設備狀況，確保設備的品質和型號，并結合現代的技術手段，實現抽水系統的自動化管理。要進一步提升泵站的運營效率，有關方面要根據泵站的實際狀況，建立健全的管理體系，有效地收集各種資料，以便對以后的工作進行有效的控制。