智慧泵站平臺在水利工程管理中的應用

劉瀏昊知，何青巖

（江蘇省灌溉總渠管理處，江蘇 淮安 223200）

1 引言

在水利工程建設范圍不斷擴大的背景下， 水利工程內部設備不斷增加，不同設備管理方法具有一定差異，使工程管理工作面臨較大的難題。 而智慧泵站平臺可以實時監控泵站設備，在分析設備運行數據的基礎上自動開展遠程管理，避免設備空載運行，提高整體調度水平。 因此，探究智慧泵站平臺在水利工程管理中的應用具有非常突出的現實意義。

2 智慧泵站平臺背景概述

智慧泵站平臺起源于地區間水資源分配不均。 2009 年至今，灌溉排水泵站更新改造不斷推進，智慧泵站平臺走入灌溉排水泵站管理層面，為泵站規范化管理提供了充足的支持。 當前，我國智慧泵站平臺的市場化應用范圍仍然較小，建設基礎較為薄弱，在未來國家投資力度不斷加大的背景下，智慧泵站平臺的建設范圍將進一步拓展。 同時在泵站管理使用率低、檢修維護不到位、空載運行、高能耗等困難不斷突出的背景下，智慧泵站平臺將成為現代泵站建設的重要方向[1]。

3 智慧泵站平臺的功能分析

3.1 智能監控

智能監控是智慧泵站平臺的主要功能。 在智慧泵站平臺運行過程中，可以借助監控攝像頭、智能傳感器，24 h 實時監控泵站所在區域氣象、水位以及電力設備運行數據。 同時，遠程監控泵站變頻器、水泵、流量計及設備控制器狀態，在平臺端隨時查看，為設備管理提供充足的數據支持。

3.2 故障報警

故障報警是智慧泵站平臺的功能之一。 在泵站設備出現故障表現時，智慧泵站平臺可以自動發出聲光報警，并自動將報警信息推送到管理者手機端、電腦端，便于壓縮泵站設備故障管理控制延時，為泵站工作流程順利推進提供依據。

3.3 遠程控制

遠程控制在智慧泵站平臺運行過程中表現較為突出。 在智慧泵站平臺運行過程中， 可以根據需要經設備快線診斷并修改泵站設備控制器程序，保障泵站設備維護效率，也可以根據監控數據將管理指示傳遞到泵站， 高速低延遲， 斷網續傳（網絡修復后自動傳輸），遠程自動控制泵組啟動或停止，精簡泵站管理流程，保障泵站設備精準、安全、高效運行。

3.4 可視化

智慧泵站平臺終端具有組態監控的特點， 可以直接拖拉繪制泵站運行畫面，綁定泵站設備運行數據，完成對泵站工藝流程的可視化展現。 同時，從多個維度整合泵站設備數據，以數據圖表的形式進行可追溯分析，在實現數字化運營的同時，輔助泵站管理決策[2]。

4 智慧泵站平臺在水利工程管理中的價值

4.1 降低維修等待時間

傳統水利工程泵站管理中維修工作量大， 因無法實時掌握液位、水位、水質等數據，加之汛期緊急狀況下人工數據記錄時間消耗，導致維修等待時間較長。 而通過搭建智慧泵站平臺， 可以遠程自動采集泵站運行數據， 遠程自動維護泵組設備，降低維修等待時間，提升泵站運行維護效率。

4.2 減少設備空載運行

智慧泵站平臺打破了泵站設備之間信息交互的壁壘，實現了設備信息分布數字化。 泵站內設備以網絡為紐帶，可以實時傳遞運行狀態信息， 智慧泵站平臺中心則實時更新設備運行數據，通過設備運行數據分析進行控制管理，加強設備運行狀態管控，減少泵站內設備空載運行情況，為設備運行效益提高提供依據[3]。

4.3 提高整體調度水平

智慧泵站平臺是針對傳統泵站存在不足而研制的專用裝置。 智慧泵站平臺內配置有無線網絡、專用控制系統、物聯網云平臺、數據采集器等智能設備，可以實現泵站的可視化遠距離監控與自動控制。 高度智能的泵站平臺，可以在減少人為工作量的同時，整體提高泵站調度水平，為泵站可持續發展提供依據。

4.4 強化管理成本控制

泵站是水利工程的重要組成部分，在防洪儲水、確保灌溉安全等方面具有重要意義。 傳統泵站具有結構松散、泄露風險高、占地面積大、匹配度差等問題，管理成本風險較高。 而引入智慧泵站管理平臺可以實現無人值守自動控制， 并及時監測運行情況自適應調整優化，強化泵站管理成本控制，提高工程管理效益[4]。

5 智慧泵站平臺在水利工程管理中的應用

5.1 智慧泵站平臺架構

智慧泵站平臺主要對接物聯網云平臺搭配工業智能網關，結合水利工程個性化管理需求，集成遠程監控、自動維護與管理模塊。

如圖1 所示， 智慧泵站平臺應用架構主要包括泵站監控中心、工業智能網關、PLC（可編程邏輯控制器）、攝像頭幾個部分。 其中，泵站監控中心主要包括站點監控中心、工程監控中心、移動手機端（微信、電子郵件等）等。 泵站智能中心可以經4G/5G、以太網與工業智能網關進行監控數據交互，工業智能網關負責集成攝像頭視頻監控數據以及PLC 控制下的流量計、變頻器與水泵監控數據。 而水利工程管理者可以經電腦、手機等終端隨時遠距離監測泵站內狀態， 并經設備快線完成站段、泵站PLC 的遠程配置預更新，實現泵站智能化管理，營造無人值守氛圍。

圖1 智慧泵站平臺應用架構

在水利工程管理過程中， 智慧泵站平臺可以根據執行指令現場控制各個泵站操作情況，將操作情況安全、高效地傳輸給工業智能網關，基于工業智能網關完成數據的存儲與傳輸，為異地遠程服務監控、水利調度、遠程數據分析與指令下達提供依據。 從現場操作端配置來看，除視頻監控系統攝像頭外，還包括水質監控用流量計、可編程邏輯控制器、機組運行狀態監控用傳感器（將若干振動傳感器安裝到電機端采集機組振動數據并傳送到智慧泵站平臺）等。 先經手機軟件或第三方微信登錄到視頻監控系統，實現泵站現場情況的實時觀看[5]。 再經流量計對現有水質進行實時監控， 并將實時區域水質傳遞到智慧泵站平臺后臺， 后臺按照前期設定公式分析結果反饋給上位機，為區域調水提供依據。 而可編程邏輯控制器由上位機、 下位機組成， 上位機為組態界面集成了泵站運行參數設置、操作按鈕、歷史數據、記錄報警數據、水利工程三維模型等，在實時顯示泵站運行情況的同時，判定水泵機組設備是否處于異常工作狀態，若是，則提前發出警報，最大限度地降低水泵機組故障損失；下位機負責控制水泵、閘門、電動閥等自動化設備，負責與變頻器配合變送各個傳感器的信號，涵蓋了設備軸承溫度信號、設備定子信號、設備電壓、上游水位信號、下游水位信號、揚程信號等。 在發現泵站內設備溫度超出設計溫度標準后啟動自動保護模塊，關停機器，或者在發現泵站運行荷載超出設計荷載時關停機器，一般閘門、水泵之間為聯鎖控制，可以在關停閘門的同時控制水泵停止運行。

5.2 應用過程

5.2.1 智能控制

智慧泵站管理平臺是監控系統設備、應用系統、網絡通信系統集成的結果，涉及了水利自動化、信息化、現代化建設的諸多方面。 在依托現場控制單元、現場傳感器、顯示設備、監控系統站控單元、網絡通信設備與軟件、電力線纜等設備完成泵站運行數據采集的基礎上， 可以在平臺端根據需要瀏覽保護運行監視網絡拓撲圖、巡視路線圖、主接線圖、低壓主接線圖、直流系統圖、主畫面、水系統圖、溫度監視圖、運行報表、水位曲線等，或者點擊 “事件查詢” 按鈕查詢特定事件，根據查詢信息進行主輔機智能控制以及故障遠程處理。 比如，主機自動開機控制時，首先，判定電子絕緣電阻、轉子絕緣電阻、勵磁工況均處于合格狀態，打開主電機冷卻通風機風門，準備自動開機（或手動確認）；其次，打開冷卻水電動球閥，冷卻水示波信號正常，若不正常重新嘗試或手動去人。 同時勵磁運行方式為恒電流方式；再次，確定葉片調節機構控制方式為自動，并自動將葉片角度調整為-6°。 同時，確定主機開關控制方式為遠程控制，開關手車至工作位置，開關未儲能，合上主機開關分閘；最后，關閉真空閥循環調度，將葉片調節到運行角度。 而主機自動停機流程與自動開機流程相反， 需要先準備開關控制至遠方位置，拉開主機分閘、真空循環閥，再調整開關手車至試驗位置、葉片調節結構控制方式為自動。

5.2.2 調度優化

受江河潮位頂托，泵站運行期間能量損耗變化較為劇烈，特定時期能量損耗較高。 基于此，依托智慧泵站管理平臺，利用三維插值方法，構建泵組運行的數學模型，離散優化處理泵站運行時段，構建目標時間段泵站運行的狀態矩陣，最終在可行解集內進行開機時長、葉片角度、開機臺數的限定。 進而借助遺傳算法尋求目標時間段泵站運行狀態參數的最優解，解決江河潮位頂托工作狀況下泵站能量損耗過高的問題， 為泵站降本增效運行提供依據， 實現水利工程管理經濟效益最大化。 在基于智慧泵站管理平臺的泵站優化調度期間，首先，人工輸入流量需求、泵站機組熱備狀態與優化調度模式；其次，自動加載泵站特性曲線、歷史潮位信息與當前上游、下游水位信息；再次，預先估測未來24 h 下游水位揚程；最后，進行時段離散化， 將時間影響因素轉換為一個變量， 直接輸出優化結果，并以圖形方式展示優化結果。

5.3 應用展望

智慧泵站平臺有效聯系了人與物、人與人、物與物，實現了泵站內設備與終端、設備與設備之間信息共享，為場景預先估測、實時數據分析、異常狀態預先警報、故障診斷提供了依據。 特別是綜合調度、智能流量控制參數的應用，可以為水利工程管理可視化、科學化提供依據。 但是，當前水利工程內部設備運行時間較長，自動化控制水平不足，部分電灌站仍然沒有實現信息化、自動化、智能化要求。 基于此，在未來智慧泵站平臺打造期間，應納入水利工程設備自動化控制內容，從底層出發，逐步向應用層遞進。 即從水利工程內部陳舊設備自動化改造著手，進行智能傳感器、網絡設備的配備，并進行網絡的搭建，推動泵站同步改造，為智慧泵站平臺在泵站管理中應用優勢的充分發揮提供依據。

6 結語

綜上所述，智慧泵站平臺是物聯網與自動化設備有機結合的成果，集成應用了智能裝備、大數據采集分析技術、智能傳感器、視頻監控、通信技術、自動控制技術等，可以實時監控泵站現有設備并對其進行自動化控制。 同時，實時掌握泵站多類信息及數據，解決泵站信息不對稱、排澇不及時、能源損耗多、運維成本高等問題。 因此，水利工程管理人員應根據管理實況，合理應用智慧泵站平臺，充分發揮智慧泵站平臺在水利工程管理中的應用優勢，確保工程可靠、節能、高效、安全運行。