大型泵站运行智能化技术方案探析

陈双圆，宋伟杰，崔 凯

(江都水利工程管理处，江苏 扬州 225200)

早在20世纪60年代美国就提出了泵站的智能化管理概念，并在加州的调水工程中安装了智能管理控制系统，实现了计算机通信、监控、调度和管理。而我国的泵站智能化技术研究较晚，目前仍然是经验主导泵站的状态分析和实际运行，智能化管理尚处在摸索阶段。江都第一抽水站管理所位于江都水利工程管理处内，作为国内首座抽水大型电力排灌站，与江都其他三座抽水站及相关配套工程一起组成了江都水利枢纽工程，是我省江水北调的第一级抽水工程，也是我国南水北调东线源头抽水工程。主要的作用包含抽引江水，实现江水北调；抽排里下河涝水；抽引江水补充里运河航运水位。

从1961年兴建，截止到2012年，省水利厅多次对江都第一抽水站进行了更新和改造，目前已基本实现了自动化管理，与以处集中调度系统为中心的江都水利枢纽工程监控网相联接，支持与计算机网络系统的互联，并具备南水北调东线工程调度运行管理网络系统互联的功能。但是总体来说，泵站的智能化技术水平不高，鉴于此文章针对泵站运行的智能化技术提供有效参考。

1 泵站运行概况

江都一站采用堤身式结构，肘形进水流道，虹吸式弯管出水流道，真空破坏阀断流。站身由主厂房、副厂房、公路桥三部分组成。上下游两岸翼墙为重力式挡土墙。主厂房自上而下可分为过道二层、过道一层、主机层、检修层、水泵层、进水流道层。副厂房建在虹吸式出水流道的上面，一层布置有真空破坏阀，压缩空气装置、站变室、仓库、检修间；二层布置有低压开关室、隔离变压器室、高压开关室、仓库等。控制室设在主厂房西面平房内。江都一站的辅助设备包含油系统、供排水系统以及气系统。

目前，泵站的自动化水平仅是能够完成一键启停的计算机操作。一方面仅能对数据进行简单的处理，其数据的分析能力和研判能力较差。例如对泵站的主机组、电气设备、辅助设备以及清污机闸门等相关设备仅能够完成数据的采集和储存，进行简单的汇总和查询，但是尚不能对运行的数据进行有效的分析和处理，缺乏对数据的分析和预测评估。另一方面缺乏对泵站不同模式运行的深入研究，其智能化程度较低。目前江都一站已经能够实现开停机的计算机控制，并增加了数据采集和状态展示的功能，但是并未考虑到泵站的精准执行和一键启停的现代需求，对泵站的整体管理效率造成了一定的影响。

2 泵站运行智能化技术设计思路

2.1 技术框架

图1是江都一站智能化技术设计的总体思路。

图1 江都一站泵站运行智能化技术框架

2.2 技术实现

大型泵站运行智能化技术方案在实际执行的过程中需要结合两个方面：一方面是智能研判体系，主要是以管控平台的历史数据和实时数据为基础，结合具体的工程情况和实际要求对数据进行分析，从而在泵站的各个方面实现精准研判[1]。另一方面是智能控制系统。参照江都一站的目标水位和流量，结合主机组、泵站安全运行以及水文环境的实际情况进行整体策略设计。

2.3 泵站运行智能化技术方案设计

在泵站智能化技术研究中，主要是利用现有的大数据技术、 人工智能技术提升泵站各个业务方面的服务水平和支撑力度，从而实现智能化水平的提升，充分的发挥信息化资源的作用，提高泵站的管理效率。

2.3.1 智能研判体系建设

1)智能数据抽取：

利用智能抽取算法分析和抽取原始数据。在数据抽取中主要有3种方法：一为偏差筛选，即剔除同等类型数据群中偏差较大的数据，如在振动数据群当中，将与其他测点差异较大的变化幅值剔除；二稳定性筛选，顾名思义在数据群当中剔除不稳定的数据，如将非稳态状态下机组所产生的振动数值和温度剔除；三数值统计，即将相同类型的数据利用数值统计的方法进行整理，形成单个值。

2)智能分析：

智能分析算法包含综合计算、相关性、极值、启停以及数学模型等等。在水利工程实际情况的基础上，结合理论与实际构建研判体系，形成告警库[2]。目前来说，主要的告警方式包含3种类型：①短期研判告警，即是分析现有的运行数据，如果短期数据中阶跃较大则会在第一时间告警；②长期趋势告警，即从长期的角度对运行数据进行分析，一旦长期趋势高于固定阀值，则会在第一时间进行告警；③故障诊断，即在故障发生时或发生前利用相关联规则进行诊断，并指导相关人员对其进行处理。

3)智能报告：

建立设备状态分级评价模型，以电量、温度、噪声、位移等多个数据趋势和分级告警作为研究成果，以主机组、辅助设备和电气设备等作为单元，结合关联数据的综合分析，从而实现泵站的安全评价[3]。

2.3.2 智能控制系统开发

1)泵站优化调度：

泵站优化调度的实际意义是为了不同模式的运行，即是将电价和调度的实际需求有效的结合在一起，从而明确各个时段的固定抽水量，并根据抽水量与泵站的功率对照表选择较为科学合理的泵站配置方案，通过泵站的优化调度能够最大程度上实现能量消耗偶的优化、费用的优化、效率的优化以及排涝的优化。在实现优化的过程中需要通过3个步骤来实现：①预测下游潮位。即采用循环神经网络中的长短期记忆网络对未来时段的下游水位进行预测；②计算上游水位。上游水位的计算结果一方面河网水位约束的判定依据，另一方面是假定机组状态下实际扬程的计算依据；③优化求解。在求解过程中要以设备安全、机组效率和峰谷电价作为关键的考量因素和约束条件[4]。

2)泵站智能控制：

首先是一键启停控制体系的建立。一键启动主要表现在机组投入运行，并稳定在一定的流量状态，完成了机组的启动任务；一键停止则是以水泵主机停运和破坏振动为终点。一键启停控制体系有两个模块，一方面是一键启停模块，指在不同的状态下水泵机组能够完成全程无人干预的启停自动控制，相关的人员只需要通过控制键就可以对系统和相关的设备进行控制；另一方面是控制巡检联动模块，此模块与一键启停模块向协调，从而提高了对泵站设备的监控能力。其次是优化调度模型的集成。即是根据实际需求在原监控系统中直接嵌入泵站的自动化系统，并根据泵站的情况计算出不同运行模式下的参数，但是这种方式的实时性较差，一般是运用在参数较为固定的模式中。而优化调度模型的集成则是指将不同要求的运行参数进行计算，完成经济数据库的汇总，在泵站自动化运行中，所需要的数据可以从数据库中直接提取，尽管程序流程较为繁琐，但是此种方法在泵站自动化运行的过程中实时性较好。最后是泵站的设备管理。江都一站设备维护保养的主要方式将进行集中化管理。分为3个方面的管理和评估：①设备运行管理。即对机组的运行时长、维修时间以及运行状态进行综合管理和评估。根据机组的运行状态选择机组设备。②设备的拆换管理，即遵循机组的检修周期进行拆换检修。③设备状态实时评估。即是评估机组全生命周期的历史状态，并将机组的实时状态呈现出来。在设备状态实时评估的过程中可以建立设备状态的评价模型，以机组安装验收数据、温度、摆度、振动以及维护拆换数据等参数作为参照，计算当前设备的状态特征值，得出最后的状态评估结果。

3 总 结

综上所述，本次研究主要是针对江都一站运行的智能化设计进行了分析，从智能研判和控制两个方面助推了泵站的智能化管理，并构建了智能化技术应用体系，从根本上实现了工程调度决策性和指令执行准确性的提升，与此同时促进了泵站设备运行状态的监管管理，为泵站工程安全高效的运行提供了有效保障，奠定了坚实的基础。尽管研究还不够全面，但是我相信在现代化科学技术和信息化技术快速发展的时代背景下，将会为大型泵站运行的智能化设计提出有效的契机，而江都第一抽水站也将会继续研究和探讨，旨在不断的提升泵站的智能化技术发展，为工程管理水平的提升提供有效的保障。