基于大數(shù)據(jù)的排澇泵站主機(jī)組異常溫升研究

楊玉泉，謝 琪

(1.浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院， 浙江 杭州 311231；2.杭州市河道與農(nóng)村水利管理服務(wù)中心，浙江 杭州 310000)

水泵站是將電能轉(zhuǎn)化為水能的綜合性工程。隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加速，水泵站在解決洪澇災(zāi)害、改善水環(huán)境等領(lǐng)域中起著其它水利工程不可替代的作用，已經(jīng)成為重要的城市基礎(chǔ)設(shè)施。排澇泵站主要以最快時(shí)間排除區(qū)域降水為首要考慮因素[1]。泵站運(yùn)行工況復(fù)雜，常伴隨出現(xiàn)主機(jī)組異常溫升故障；不僅限制了主機(jī)組開(kāi)機(jī)運(yùn)行削弱了排澇能力，并易加速部件老化影響水泵運(yùn)行性能，不及時(shí)消除隱患易造成泵站安全事故。水泵站安全運(yùn)行涉及電氣、機(jī)械、水力和管理等多方面因素，準(zhǔn)確識(shí)別異常溫升故障較為困難。因此及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷，對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)和檢測(cè)，分析診斷和評(píng)估故障避免造成嚴(yán)重危害具有十分重要的意義。泵站系統(tǒng)的故障往往因果關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，傳統(tǒng)的診斷方法以專(zhuān)家鑒定人工經(jīng)驗(yàn)為主，但面對(duì)龐大數(shù)據(jù)存在無(wú)法確定的人為因素，較難實(shí)現(xiàn)理想效果。解決該問(wèn)題的關(guān)鍵是如何準(zhǔn)確識(shí)別異常溫升原因，建立大數(shù)據(jù)多因素關(guān)聯(lián)信息，提出針對(duì)性對(duì)策降低異常溫升故障發(fā)生頻率。為此，相關(guān)學(xué)者利用大數(shù)據(jù)技術(shù)做出了一定研究。朱法君[2]認(rèn)為水利是大數(shù)據(jù)應(yīng)用的傳統(tǒng)領(lǐng)域。陳飛軍等[3]界定水利大數(shù)據(jù)的概念。蔣云鐘[4]提出大數(shù)據(jù)理論技術(shù)與水利行業(yè)特點(diǎn)相結(jié)合開(kāi)展研究。李寶等[5]建立了多沙水流泵站的故障監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)。侯德國(guó)[6]基于大數(shù)據(jù)記錄分析應(yīng)用于黃水東調(diào)工程泵站運(yùn)行管理。張鳳濤等[7]利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)優(yōu)化泵站節(jié)能降耗。水利部《關(guān)于推進(jìn)水利大數(shù)據(jù)的指導(dǎo)意見(jiàn)》也已明確提出引導(dǎo)水利開(kāi)放應(yīng)用。本文基于實(shí)用需求，構(gòu)建排澇泵站主機(jī)組分析云數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，篩選出各機(jī)組警報(bào)大數(shù)據(jù)及試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析產(chǎn)生異常溫升原因并提出建議，為解決主機(jī)組異常溫升問(wèn)題提供參考。

1 基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的倉(cāng)儲(chǔ)數(shù)據(jù)處理

在泵站運(yùn)行過(guò)程中，為了及時(shí)了解各機(jī)組、設(shè)備的工作情況，需要對(duì)泵站的一些參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。這些參數(shù)包括主機(jī)組的工作電壓、工作電流、機(jī)組功率、功率因數(shù)、流量、揚(yáng)程、溫度、壓力、水位及輔助設(shè)備的運(yùn)行情況等。泵站數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括模擬量、開(kāi)關(guān)量和電能量的采集[8]。目前我國(guó)的大中型泵站實(shí)際運(yùn)行中采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)，其歷史數(shù)據(jù)庫(kù)一般采用商業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)，如MICRsOFT SQLSERVER或ORACLE等。在泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控過(guò)程中，將不斷地采集新的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，如間隔一定時(shí)間采集記錄一組數(shù)據(jù)，并進(jìn)行存儲(chǔ)并定期更新。所記錄的數(shù)據(jù)一般包括各機(jī)組的狀態(tài)數(shù)據(jù)、電量數(shù)據(jù)、非電量數(shù)據(jù)、報(bào)警數(shù)據(jù)、水位、流量乃至視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)等，結(jié)合各類(lèi)報(bào)告、臺(tái)賬、觀測(cè)數(shù)據(jù)，形成大數(shù)據(jù)記錄庫(kù)。海量的數(shù)據(jù)需要尋找一種切合實(shí)際的出來(lái)方法。本研究提出一種“指數(shù)衰減法”進(jìn)行大數(shù)據(jù)處理，需要將歷史數(shù)據(jù)庫(kù)云端化，并與云端運(yùn)行管理數(shù)據(jù)合并為統(tǒng)一數(shù)據(jù)倉(cāng)，建立泵站云數(shù)據(jù)倉(cāng)?？刹捎肁DMA(Hardware of the Data Acquisition System and the MODBUS Protocol)開(kāi)發(fā)模塊，它由母板和模擬信號(hào)輸入模塊、模擬信號(hào)輸出模塊、數(shù)字信號(hào)輸入模塊和數(shù)字信號(hào)輸出模塊組成。在利用該模塊的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，應(yīng)用了內(nèi)嵌和隔離技術(shù)、多模式傳輸技術(shù)、設(shè)備驅(qū)動(dòng)技術(shù)等。

大數(shù)據(jù)的核心就是挖掘出龐大數(shù)據(jù)庫(kù)獨(dú)有的價(jià)值[9]。大數(shù)據(jù)技術(shù)有別于應(yīng)用傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析數(shù)據(jù)之間因果關(guān)系的分析方法，基于大量數(shù)據(jù)信息，分析數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性，能夠根據(jù)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)分析出最優(yōu)化的運(yùn)行策略。在大型水利工程的運(yùn)行過(guò)程中，需要對(duì)工藝參數(shù)和統(tǒng)計(jì)信息等一些大數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)視和存儲(chǔ)，作為系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)的記錄及總結(jié)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的依據(jù)。大數(shù)據(jù)技術(shù)是云倉(cāng)運(yùn)營(yíng)的核心技術(shù)，也是其與傳統(tǒng)方法最大的區(qū)別。面對(duì)每日的碎片化海量信息，大數(shù)據(jù)技術(shù)為科學(xué)決策提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。掌握泵站工程布置情況，了解泵站基本參數(shù)情況，運(yùn)行管理情況。泵站主機(jī)組分析數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，總體框架如圖1所示。

圖1 水泵站大數(shù)據(jù)框架圖

其中數(shù)據(jù)存在中心也稱(chēng)為大數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，它包含數(shù)據(jù)收集與整理、數(shù)據(jù)沉積、數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)管理等方面。

1.1 數(shù)據(jù)收集與整理

數(shù)據(jù)收集與整理是大數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)建設(shè)的基礎(chǔ)工作之一。包括數(shù)據(jù)的收集、整理、校對(duì)、入庫(kù)、更新等工作。

1.2 數(shù)據(jù)沉積

將上述數(shù)據(jù)依據(jù)分類(lèi)進(jìn)行錄入，不斷充實(shí)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)的數(shù)據(jù)記錄，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和研究奠定基礎(chǔ)。這些數(shù)據(jù)包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、檢測(cè)數(shù)據(jù)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、專(zhuān)家數(shù)據(jù)、經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)等，如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)沉積類(lèi)別圖

1.3 數(shù)據(jù)集成

對(duì)泵站的各已建自動(dòng)化系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)等按照一定規(guī)則對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行同步、抽取，對(duì)各系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行集成。基于ADAM的數(shù)據(jù)集成模塊的研發(fā)，綜合集成現(xiàn)有和新建系統(tǒng)數(shù)據(jù)，打通信息孤島，實(shí)現(xiàn)不同權(quán)限用戶的數(shù)據(jù)訪問(wèn)和業(yè)務(wù)應(yīng)用，達(dá)到信息資源共享和業(yè)務(wù)協(xié)同的目標(biāo)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用模糊數(shù)學(xué)的處理、信息化手段、模型算法等進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，包括傅立葉數(shù)據(jù)分析、函數(shù)窗數(shù)據(jù)分析、指數(shù)衰減分析、數(shù)值擬合分析等，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的充分挖掘，分析結(jié)果再保存到數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)中。

1.5 數(shù)據(jù)管理

建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)資源管理和數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)，提供對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)、文件數(shù)據(jù)庫(kù)等標(biāo)準(zhǔn)接口，從而實(shí)現(xiàn)工程監(jiān)控、安全監(jiān)測(cè)、視頻等各類(lèi)信息的存儲(chǔ)、管理及與應(yīng)用系統(tǒng)、信息采集平臺(tái)的交互。系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想：數(shù)據(jù)檢測(cè)與分析軟件可以從總體上分為兩大部分：數(shù)據(jù)檢測(cè)(采集)部分、數(shù)據(jù)分析處理部分。軟件總體設(shè)計(jì)目標(biāo)：軟件必須集成數(shù)據(jù)檢測(cè)、數(shù)據(jù)分析處理兩大部分。軟件具有可擴(kuò)展性，可以隨時(shí)加入新的算法，并能根據(jù)具體應(yīng)用環(huán)境做出適應(yīng)性開(kāi)發(fā)。

2 案例分析

杭州市Q排澇泵站位于江干區(qū)河道錢(qián)塘江出口，泵站共布置7臺(tái)潛水軸流泵，總設(shè)計(jì)排澇流量為60m3/s，總裝機(jī)功率為3520KW，屬大(Ⅱ)型泵站。泵站始建于2009年，泵站以市區(qū)河道的流域內(nèi)防洪排澇、環(huán)境景觀配水為主，正常情況下，內(nèi)河道水位變幅不大，外江水位受潮汐影響變幅較大，因此水泵運(yùn)行揚(yáng)程變幅大，每次都經(jīng)歷從高揚(yáng)程到最低揚(yáng)程的運(yùn)行過(guò)程。泵站常年承擔(dān)河道配水任務(wù)，處于基荷運(yùn)行狀態(tài)，年運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)。當(dāng)外江水位低于內(nèi)河水位時(shí)，停止機(jī)排，并開(kāi)啟Q水閘采用自流方式排水。

該泵站原為河道配水為主，設(shè)備運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，在夏季河道水位快速上漲過(guò)程中，機(jī)組長(zhǎng)期處于開(kāi)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，常出現(xiàn)溫度異常升溫現(xiàn)象，系統(tǒng)報(bào)警后不得不停機(jī)。泵站由杭州H電力控制工程有限公司制作計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，從主機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)通過(guò)編輯軟件獲取泵站運(yùn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)源描述見(jiàn)表1。

表1 數(shù)據(jù)來(lái)源表

在構(gòu)架大數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)的基礎(chǔ)上，需要建設(shè)一款管理大數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)的系統(tǒng)，用來(lái)管理七堡泵站主機(jī)組分析云數(shù)據(jù)庫(kù)。

主界面如圖3所示。

圖3 泵站主機(jī)組分析云數(shù)據(jù)庫(kù)圖

將該方法編譯為計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)(DLL)，開(kāi)發(fā)了“Q泵站大數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)管理信息系統(tǒng)V1.0”(國(guó)家軟件著作權(quán)登記號(hào)：2018R11L1440166)，為下一步開(kāi)展泵站的主機(jī)組異常溫升原因分析、機(jī)組優(yōu)化調(diào)度奠定基礎(chǔ)。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置，電機(jī)溫度記錄有效時(shí)間范圍為2017年12月2日0時(shí)起，至2019年6月22日 20：54止，間隔30s時(shí)間自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)，共抓取到1545669條有效數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間近80G。根據(jù)泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控設(shè)計(jì)，1～7號(hào)泵每個(gè)泵分別由A、B、C三項(xiàng)定子溫度數(shù)據(jù)組成，一項(xiàng)軸承溫度(D)數(shù)據(jù)組成。4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)泵運(yùn)行時(shí)間較其他泵時(shí)間長(zhǎng)，5號(hào)泵運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)，7號(hào)泵運(yùn)行時(shí)間最短。詳見(jiàn)表2。

表2 1～7號(hào)泵采集數(shù)據(jù)數(shù)量表

1號(hào)泵溫度表顯示出在運(yùn)行過(guò)程中，測(cè)溫點(diǎn)A、B、C和D項(xiàng)100℃以下比例達(dá)99%，顯示出正常運(yùn)行次數(shù)較高。其中，測(cè)溫點(diǎn)A顯示出1次處于超出臨界值126℃，測(cè)溫點(diǎn)B未顯示出異常升溫，測(cè)溫點(diǎn)C顯示出188次處于超出臨界值126℃，測(cè)溫點(diǎn)D為2次處于超臨界值。溫度最大值為200℃，記錄時(shí)間為2018年12月4日1：17至1：32，以及10：47。詳見(jiàn)表3。

表3 1號(hào)泵定子溫度和軸承溫度表

以此類(lèi)推，2號(hào)泵溫度數(shù)據(jù)顯示出正常運(yùn)行次數(shù)較高。未出現(xiàn)異常升溫記錄，溫度最大值為101℃。3號(hào)、4號(hào)泵溫度表顯示出泵在運(yùn)行過(guò)程中，溫度100℃以下比例達(dá)99%，顯示出正常運(yùn)行次數(shù)較高。5號(hào)泵溫度表顯示出泵在運(yùn)行過(guò)程中，測(cè)溫點(diǎn)A、B和D項(xiàng)均在100℃以下，測(cè)溫點(diǎn)C溫度100℃以下比例達(dá)99%，顯示出正常運(yùn)行次數(shù)較

高。其中，只有測(cè)溫點(diǎn)C顯示出超出126℃以上溫度，為215.4℃，記錄時(shí)間2018年7月30日19：55。6號(hào)泵測(cè)溫點(diǎn)A和B溫度顯示出超出126℃以上溫度比例高。7號(hào)泵測(cè)溫點(diǎn)B、C和D項(xiàng)100℃以下比例達(dá)100%，只有測(cè)溫點(diǎn)A顯示出超出126℃以上溫度，為153.7℃，記錄時(shí)間2018年9月17日13：02。

上述數(shù)據(jù)既有靜態(tài)的歷史數(shù)據(jù)中獲取信息，也有動(dòng)態(tài)變化數(shù)據(jù)庫(kù)信息，具體導(dǎo)入方法本文不在贅述。經(jīng)系統(tǒng)運(yùn)行對(duì)比，異常溫升主要原因分析：

(1)機(jī)組焊接頭質(zhì)量方面。根據(jù)泵站電氣預(yù)防性試驗(yàn)報(bào)告數(shù)據(jù)顯示，涉及到1～4號(hào)電機(jī)直流電阻數(shù)據(jù)波動(dòng)較大等問(wèn)題。電機(jī)繞組直流電阻增大的原因是焊接頭質(zhì)量下降，因?yàn)槔@組的電阻基本保持恒定不變，由于運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)后，焊點(diǎn)接觸面等質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生不同程度受損。焊接頭質(zhì)量下降后接觸異常進(jìn)而造成電機(jī)溫度明顯升高。

(2)泵站管理操作方面。根據(jù)大數(shù)據(jù)庫(kù)大量溫升記錄中，存在短時(shí)間內(nèi)啟閉次數(shù)頻繁現(xiàn)象。汛期(4月15日—10月15日)由于城市內(nèi)河水位上漲迅速排水壓力驟增，異常溫升后數(shù)據(jù)記錄顯示關(guān)機(jī)。為保證降低內(nèi)河水位，需要短時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)泵機(jī)組，這就導(dǎo)致泵機(jī)組啟動(dòng)次數(shù)時(shí)間間隔不合理，造成惡性循環(huán)。啟動(dòng)功率過(guò)大，會(huì)造成電機(jī)過(guò)載而損壞。在短時(shí)間內(nèi)起動(dòng)次數(shù)不宜過(guò)頻繁，由于該泵標(biāo)準(zhǔn)化管理驗(yàn)收后操作應(yīng)更加規(guī)范。泵站操作手冊(cè)需進(jìn)一步完善，如：需要明確啟閉間隔時(shí)間。

(3)外部影響方面。泵站坐落于市區(qū)河道下游，出口雜質(zhì)多。攔污柵清理記錄數(shù)據(jù)看，每日需清理漂浮物等垃圾，且體量較大。流道中液體的流態(tài)的穩(wěn)定性受到影響，嚴(yán)重者電機(jī)機(jī)組運(yùn)行受損。巡查數(shù)據(jù)記錄發(fā)現(xiàn)金屬拍門(mén)銹蝕破損記錄，存在安全隱患，影響進(jìn)泵流體平順出水，影響電機(jī)正常負(fù)荷。

(4)機(jī)械制造裝配方面。泵站在運(yùn)行記錄顯示，存在軸承溫升異常加快現(xiàn)象，尤其在1～4號(hào)泵機(jī)組均出現(xiàn)過(guò)該類(lèi)型情況。也存在短時(shí)瞬間溫度過(guò)高，溫升過(guò)快持續(xù)時(shí)間不長(zhǎng)現(xiàn)象。如機(jī)組裝配不合理當(dāng)、泵軸向推力增大、軸承產(chǎn)生彎曲或聯(lián)軸器不同心等，未能及時(shí)調(diào)直泵軸或校正同心度，極易產(chǎn)生發(fā)熱現(xiàn)象。由于該潛水泵型在日常未能提出水面觀察，僅作為可能存在的排除選項(xiàng)，需在今后年度維修中進(jìn)一步研究驗(yàn)證。

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)排澇泵站運(yùn)行過(guò)程中異常溫升問(wèn)題，提出通過(guò)構(gòu)建云數(shù)據(jù)庫(kù)分析異常溫升方法，將該方法編譯為計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)(DLL)，開(kāi)發(fā)了“泵站大數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)管理信息系統(tǒng)V1.0”，并以杭州某排澇泵站為例實(shí)現(xiàn)了有效數(shù)據(jù)分析。應(yīng)用效果表明：基于大數(shù)據(jù)庫(kù)尋求解決排澇泵站異常溫升問(wèn)題的方法切實(shí)可行，可為排澇泵站科學(xué)決策提供依據(jù)，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。