泵站監(jiān)控及優(yōu)化調(diào)度研究

趙麗艷 陳春寶

摘 要：隨著我國科技水平和綜合國力的大力提高，水力資源在國民經(jīng)濟建設(shè)中體現(xiàn)出其越來越重要的地位，我國對水利工程建設(shè)上也加大了投資力度，合理充分地利用水力資源顯得越來越重要。

關(guān)鍵詞：水庫泵站 監(jiān)控 優(yōu)化 調(diào)度

一、監(jiān)控及優(yōu)化高度在水庫泵站中的作用

泵站——水的唯一人工動力來源，作為重要的工程措施，它在水資源的合理調(diào)度和管理中起著不可替代的作用。泵站是解決洪澇災(zāi)害、水環(huán)境惡化、干旱缺水當今三大水資源問題的有效工程措施之一。它們承擔著區(qū)域性的防洪、除澇、灌溉、調(diào)水和供水的重任，主要用于城市給排水、農(nóng)田排灌以及跨流域調(diào)水等。泵站與其它水利建筑物不同，它無需修建擋水和引水建筑物，對資源和環(huán)境無影響，受水源、地形、地質(zhì)等條件的影響較小，且具有投資省、成本低、工期短、見效快、靈活機動等優(yōu)點。

眾所周知，泵站是機械設(shè)備、電力設(shè)備和水利工程的綜合體，由于機組容量不斷增大，泵站工程安全可靠性和節(jié)約能源的要求不斷提高，靠人工手動操作難以滿足要求，需要采用先進的控制系統(tǒng)、控制方式。泵站監(jiān)控系統(tǒng)是集控制、保護、運行、管理為一體的綜合性系統(tǒng)，它可以大大提高泵站的效率。

二、泵站監(jiān)控對象和要求

1、泵站

1.1泵站工程組成：泵站工程主要由泵房、管道、進出水建筑物及變電站等組成。泵房內(nèi)安裝有水泵、傳動裝置和動力機組成的機組，還有輔助設(shè)備和電氣設(shè)備等。進出水建筑物主要有取水、引水設(shè)施及水池等。泵站的管道主要包括進水管和出水管。進水管將水源和水泵進口連接起來，出水管連接水泵出口和水池的管道。泵站投和運行后，水流即可經(jīng)過建筑物和進水管進入水泵，通過水泵加壓后，將水流送出水池或管網(wǎng)，從而達到提水或輸水的目的。 1.2泵站的能耗分析：泵站的功能是把一定流量的水從低處提升到某一高度，或輸送一定距離，以滿足用戶的需要。因此泵站必須消耗一定的能量。泵站的抽水裝置主要有動力機、傳動裝置、水泵、出水管、水池以及輔助設(shè)備等部分組成，各組成部分都要損耗一定的能量。1.3泵站的控制方式，在泵站系統(tǒng)中，根據(jù)計劃輸水量，在維持整個輸水線路的輸水量和前池水位基本不變的情況下，并考慮沿線相關(guān)限制條件，通過有效的水力控制方式，來達到水量和流量平衡，在達到穩(wěn)定、高質(zhì)供水的基礎(chǔ)上降低能耗和供水成本。

2、水泵

水泵是一種能夠進行能量傳遞的機械，它把動力機的機械能傳遞給被抽送的流體，使流體的能量增加，從而達到提升或輸送流體的目的。泵又是一種通用機械，水泵是泵站中最主要的設(shè)備。水泵設(shè)計制造、造型配套、安裝運行、維護管理的好壞不僅對工程投資的影響很大，且與節(jié)約能源、降低成本、提高經(jīng)濟效益都有密切關(guān)系。

2.1.水泵的自動調(diào)節(jié)：比如當實際的供水工況的變化規(guī)律與水泵特性較吻合時，無需任何控制手段，水泵能依據(jù)自己的特性滿足各種工況要求。

2.2閘閥調(diào)節(jié)：當水泵所提供的楊程高于所需揚程，用關(guān)小出水閘閥來進行恒流調(diào)節(jié)，以保證凈水構(gòu)筑物免受沖擊負荷的影響。閘閥調(diào)節(jié)簡單易行，又不另加投資，因此，當水位變幅不大時，成為了常用的調(diào)節(jié)方式。但是，他將多余的能量全部消耗在閘閥上，是不經(jīng)濟的，當能量較大時不應(yīng)采用，當水位變幅較大時，可考慮以下即將提到的臺數(shù)組合或采用換輪、高速等方式。

2.3水泵臺數(shù)組合：是通過不同臺數(shù)的水泵并聯(lián)運行來滿足工況的不斷變化，它要求泵站內(nèi)水泵臺數(shù)較多，且大小搭配，平面造價太貴，一般用在大型供水泵中。

2.4切削葉輪：它對應(yīng)為換輪的方式。要注意切削范圍，只有在一定的切削范圍內(nèi)，才能利用切削律確定葉輪的切削量。注意臺數(shù)組合和換輪方式都不能適合工況的連續(xù)變化，必須輔以閘閥調(diào)節(jié)，因此運行中存在能量浪費。

2.5水泵調(diào)速：他與切削葉輪都是通過改變水泵的特性曲線來適應(yīng)工況的變化，控制水泵調(diào)速，主要遵循高效、不阻水、不汽蝕等原則來確定調(diào)速范圍。

三、泵站監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

泵站監(jiān)控系統(tǒng)通常分為三層，即泵站集控層、現(xiàn)地控制層和網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)絡(luò)接口。

1、泵站控制層

泵站控制層是整個監(jiān)控系統(tǒng)的核心。其站控級主要由主控機和工作站等數(shù)臺計算機構(gòu)成，配有一臺打印機等輔助設(shè)備，并由以太網(wǎng)形式聯(lián)成一個監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。主控機主要用于完成監(jiān)控系統(tǒng)在這一級上的各種任務(wù)，如：安全監(jiān)視、運行管理、系統(tǒng)自診斷與上、下層通訊等。而圖形工作站則主要完成人機接口功能，如：各種畫面的顯示、各種控制命令的發(fā)出等。

2、現(xiàn)地控制層

現(xiàn)地控制單元層 LCU監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)地控制層在分布式控制系統(tǒng)中，主要是指針對某一特定的控制對象而設(shè)置的遠方終端設(shè)備，又稱現(xiàn)地控制單元。它們分別通過各自的網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備，在相應(yīng)的軟件支持下，與站控級一起連成一個計算機局域網(wǎng)。它主要負責完成現(xiàn)場設(shè)備各種數(shù)據(jù)的采集、處理及事件的記錄，信息傳輸，設(shè)備控制及保護等工作，并通過以太網(wǎng)通訊協(xié)議與站控級計算機相連，傳送運行設(shè)備的實時數(shù)據(jù)。一般主要由泵機組現(xiàn)地控制單元和開關(guān)站現(xiàn)地控制單元等組成。這幾臺機組現(xiàn)地控制單元分別對幾臺機組實施監(jiān)控，一臺公用現(xiàn)地控制單元用于對泵站的公用系統(tǒng)，如對油、水、氣系統(tǒng)等進行監(jiān)測和控制，而另一臺開關(guān)站的現(xiàn)地控制單元用于對開關(guān)站實現(xiàn)監(jiān)控。

3、網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)絡(luò)接口

泵站監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信分為兩類：以太網(wǎng)通信和串行數(shù)據(jù)通信。監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部的上位機與各臺 LCU之間可通過 100M光纖以太網(wǎng)形式通信，以實現(xiàn)各種實時數(shù)據(jù)和控制命令的快速傳輸。由于泵站的勵磁、保護、模擬屏等其他裝置或設(shè)備的通信能力受裝置本身硬件配置的限制，無法采用統(tǒng)一的總線方式聯(lián)接起來，因此與這些設(shè)備的通信采用串行數(shù)據(jù)通信方式，由通信工作站等承擔此功能，采集的信息經(jīng)預處理，經(jīng)以太網(wǎng)傳送至各上位機供畫面顯示和打印。

四、水庫泵站優(yōu)化調(diào)度

1、泵站站內(nèi)機組的優(yōu)化調(diào)度

泵站的經(jīng)濟運行首先應(yīng)該在滿足抽水量和揚程的前提下， 盡量減少提水流量和降低提水揚程；其次，要設(shè)法提高泵站的裝置效率。泵站優(yōu)化運行的實質(zhì)問題是如何選擇機組組合和確定所選擇機組的運行工況泵。

1.1泵站機組選型：灌區(qū)運行要求泵站既能滿足正常情況供水， 又能滿足向調(diào)節(jié)水庫儲水和從調(diào)節(jié)水庫提水灌溉。也就是要求泵站機組在滿足設(shè)計流量的情況下，適應(yīng)不同揚程運行要求，既能滿足設(shè)計情況下供水，又能在非設(shè)計情況下滿足各單機組的靈活運用。

1.2水泵葉片的開啟角度的確定，從提高水泵、電動機、管理機構(gòu)與綜合效率出發(fā)，根據(jù)大中型泵站多型號水泵機組運行的優(yōu)化調(diào)度進行了研究。在滿足要求的條件下， 泵站凈揚程一定時，取較小的葉片角度，水泵的流量小，水頭損失也較小， 泵站裝置效率高；而對于不同型號的機組，效率高的機組開機臺數(shù)多，水泵葉片角度則偏大，效率低的機組開機臺數(shù)少，水泵葉片角度偏小。

1.3泵站運行最優(yōu)工況的選擇，在需要泵站提取一定的流量時， 泵站內(nèi)以不同的裝置或不同的水泵參加運行。而在這些方案中， 須找出相應(yīng)于能耗最少或者泵站效率最高的運行方案所對應(yīng)的工況，即泵站運行的最優(yōu)工況。

2、泵站間的優(yōu)化調(diào)度

在多級提水系統(tǒng)中， 各級泵站之間有著密切的水力聯(lián)系 ，各站的流量、水位互相影響制約著整個提水系統(tǒng)的運行。多級泵站的優(yōu)化運行，既要考慮各級泵站內(nèi)的機組優(yōu)化運行， 還要考慮站與站之間水力要素的優(yōu)化組合。

3、級間流量配合及水位（揚程）的優(yōu)化

泵站的最優(yōu)運行決定于泵站中的各項裝置的運行特性和各裝置間的流量或揚程的最優(yōu)分配（并聯(lián)泵系統(tǒng)或不同泵型的泵站中，各裝置之間的流量最優(yōu)分配及串聯(lián)泵系統(tǒng)或分級泵裝置之間的揚程最優(yōu)分配）。