大型水利樞紐泵站智能化技術(shù)研究

蔣德潤(rùn)

摘 要：隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對(duì)泵站使用管理的要求越來(lái)越高，泵站的智能化發(fā)展有一個(gè)不斷探索、豐富、創(chuàng)新、完善的過(guò)程。在泵站工程施工的過(guò)程中，需要做好全方位的質(zhì)量控制工作，也就做好嚴(yán)格和有效的施工管理工作，確保施工的有效性。

關(guān)鍵詞：大型水利樞紐;泵站;智能化;技術(shù)

1.智能化傳感技術(shù)的應(yīng)用，大大提高了泵站信息處理能力

1.1實(shí)現(xiàn)感知與處理一體化的智能傳感器

智能型傳感器融合了傳統(tǒng)傳感器的感知體、信號(hào)傳輸電路和微處理器等功能，增強(qiáng)了抗干擾能力，使二次儀表功能更加強(qiáng)大。它既有數(shù)據(jù)處理、閾值判斷、邏輯配置、自身數(shù)據(jù)通信交互、串口輸出、模擬量輸出、網(wǎng)絡(luò)通信等多種形式的數(shù)據(jù)輸出功能，又有自描述功能。自述功能不僅能提供自述信息、自述屬性、自述狀態(tài)信息等，還能與系統(tǒng)進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)自述參數(shù)的選擇等，真正實(shí)現(xiàn)即插即用。

1.2具有自我診斷能力的智能傳感器

為確保正常使用具有足夠的精確度，按照規(guī)范和使用要求，傳感器在使用之后需要進(jìn)行定期的檢查和有效的標(biāo)定工作，從而在施工現(xiàn)場(chǎng)就進(jìn)行有效的控制工作，在拆卸之后送往實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢查的工作，也就保證了使用的有效性。在傳感器出現(xiàn)了故障時(shí)，維修人員一般是無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理的，故障的排除也需要經(jīng)過(guò)一個(gè)復(fù)雜的分析處理過(guò)程，有時(shí)很難解決問(wèn)題。該智能傳感器能在工作時(shí)按設(shè)定的時(shí)間自我檢測(cè)，實(shí)時(shí)將自己的狀態(tài)信息發(fā)送到中央控制室，利用 EPROM中保存的測(cè)量特性數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的比對(duì)，確定有無(wú)故障，根據(jù)內(nèi)置的解決方案實(shí)現(xiàn)在線自動(dòng)校正。

2.泵房智能技術(shù)分析

2.1水泵電機(jī)智能技術(shù)

電動(dòng)機(jī)用泵要實(shí)現(xiàn)智能化，必須采用泵站電控系統(tǒng)，在電控設(shè)計(jì)時(shí)，可選用多種傳感器，用 PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，用觸摸屏直觀地顯示數(shù)據(jù)，用 VPN路由器配置數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，從而實(shí)時(shí)了解泵站的運(yùn)行情況，全面實(shí)現(xiàn)泵站智能化操作。

2.2人力定位系統(tǒng)

人位系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)中的位置追蹤技術(shù)，對(duì)進(jìn)入泵站區(qū)域的人員進(jìn)行位置追蹤。使用 RFID、 WiFi、 ZigBee等局域網(wǎng)絡(luò)無(wú)線通信、 LoRa低功耗 WAN通信、4 G/5 G廣域移動(dòng)通信等技術(shù)，并結(jié)合相關(guān)的定位算法，實(shí)時(shí)記錄并存儲(chǔ)站內(nèi)人員的活動(dòng)軌跡、位置、進(jìn)出泵站時(shí)間、停留時(shí)間等信息，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)禁入或進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域，并自動(dòng)報(bào)警，實(shí)現(xiàn)了站內(nèi)人員的動(dòng)態(tài)管理，保證了現(xiàn)場(chǎng)工作人員根據(jù)自己的權(quán)限在規(guī)定的時(shí)間到指定的工作區(qū)域工作。配合安全監(jiān)控系統(tǒng)，大大提高了泵站的安全運(yùn)行水平。

2.3智力分析

通過(guò)人工智能分析算法和挖掘方法，對(duì)智能抽取過(guò)濾后的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘，得到特征信息，用以表達(dá)設(shè)備或系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。智能化分析算法主要有趨勢(shì)分析、極值分析、停機(jī)分析、綜合分析、相關(guān)性分析、線性擬合、專業(yè)化分析等。以智能化分析為基礎(chǔ)，結(jié)合工程實(shí)際、理論知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，構(gòu)建整體研判系統(tǒng)，形成預(yù)警數(shù)據(jù)庫(kù)。報(bào)警方式主要有：1）短時(shí)報(bào)警;對(duì)比目前設(shè)備操作資料的斜率和分析所獲資料的標(biāo)準(zhǔn)趨勢(shì)，在短時(shí)跳躍較大時(shí)發(fā)出警報(bào)。2）長(zhǎng)期趨勢(shì)預(yù)警;如果超過(guò)閥值，則分析結(jié)果的長(zhǎng)期趨勢(shì)將顯示出來(lái)。3）故障分析。獲取與故障或事故相關(guān)的信息，能夠在故障發(fā)生時(shí)或出現(xiàn)之前，利用已發(fā)現(xiàn)的關(guān)聯(lián)規(guī)則及時(shí)、準(zhǔn)確地進(jìn)行診斷，指導(dǎo)操作人員對(duì)事故或故障進(jìn)行及時(shí)、有效的處理。

2.4電動(dòng)式水泵的控制

電動(dòng)機(jī)用泵，其控制回路包括：串聯(lián)各模擬量采集模塊;模擬量采集模塊與控制回路的 PLC控制芯片電連接;模擬量采集模塊與灌溉工程泵站的液位傳感器及變頻器電連接;液位數(shù)據(jù)信號(hào)的采集;變頻器運(yùn)行電流的采集; PLC控制芯片上傳到電機(jī)用泵的控制上。本實(shí)用新型可以在電機(jī)泵的控制調(diào)節(jié)過(guò)程中，通過(guò) PLC控制芯片自動(dòng)控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)變頻器的操作停止和手動(dòng)自動(dòng)控制切換。

2.5大數(shù)據(jù)應(yīng)用模式研究

單泵站數(shù)據(jù)量大，類型少，只有在長(zhǎng)序列時(shí)，數(shù)據(jù)量才會(huì)急劇增加。然而，對(duì)于梯級(jí)泵站群而言，其數(shù)據(jù)的數(shù)量、類及其挖掘、分析、管理等突出了大數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，需要利用大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行處理。

2.5.1梯級(jí)泵站大容量資料平臺(tái)

該方法適用于梯級(jí)泵站群優(yōu)化調(diào)度問(wèn)題，具有通用性、復(fù)雜性、多樣性和長(zhǎng)序列性。包括水文、氣象、工程安全、電力、運(yùn)行參數(shù)、運(yùn)行規(guī)則等多類數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式包括簡(jiǎn)單數(shù)值、視頻、圖象等多類數(shù)據(jù)，這些龐大的數(shù)據(jù)組成了泵站大規(guī)模數(shù)據(jù)庫(kù)。運(yùn)用大數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)對(duì)比分析了梯級(jí)泵站所在流域的降水量、河道流量、電力供應(yīng)狀況、氣候條件、設(shè)備運(yùn)行情況等信息，預(yù)測(cè)出了梯級(jí)泵站的調(diào)水指標(biāo)和方案，減少了能耗，節(jié)約了水資源，取得了顯著效益。

2.5.2泵站運(yùn)行管理事務(wù)

在云計(jì)算的高效應(yīng)用過(guò)程中，大數(shù)據(jù)使得分散式的計(jì)算能力大大提升，在全方位的數(shù)據(jù)平臺(tái)的控制之下，有效的進(jìn)行了采集和儲(chǔ)存等一系列的工作，從而在全方位的管理和控制中提升了工作的效果，實(shí)現(xiàn)了安全、可靠、易用、低成本。本系統(tǒng)還可以與其它傳統(tǒng)自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)縫連接，收集有用數(shù)據(jù)，為灌排行業(yè)提供大數(shù)據(jù)相關(guān)業(yè)務(wù)的應(yīng)用、數(shù)據(jù)分析和挖掘服務(wù)。借助于這個(gè)服務(wù)平臺(tái)，泵站操作人員可以迅速完成業(yè)務(wù)部署和管理計(jì)劃。

2.6優(yōu)化泵站調(diào)度

在不同模式下實(shí)現(xiàn)泵站的運(yùn)行，是優(yōu)化調(diào)度模塊的總目標(biāo)，即：根據(jù)電價(jià)、調(diào)度等要求，確定每天某一固定時(shí)段所需的泵流量，并根據(jù)該時(shí)段所需的泵流量、泵本身的功率限制、泵用水量和耗電量，選擇最經(jīng)濟(jì)、安全、可靠的泵站配置方案。通過(guò)以下三個(gè)步驟，實(shí)現(xiàn)了泵站優(yōu)化調(diào)度的能耗、費(fèi)用、效率、排澇等四個(gè)方面的優(yōu)化，并取得了良好的效果：

1）潮汐下游預(yù)測(cè)。利用 RNN （LSTM）中的長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)（LSTM）實(shí)現(xiàn)對(duì)未來(lái)時(shí)段下游水位的預(yù)測(cè)，該網(wǎng)絡(luò)適用于處理和預(yù)測(cè)時(shí)間序列中間隔和延遲較長(zhǎng)的場(chǎng)景。通過(guò)上下游水位長(zhǎng)序列的實(shí)測(cè)值和最近72 h的實(shí)測(cè)值，預(yù)測(cè)出下游未來(lái)時(shí)段的水位變化趨勢(shì)。

2）計(jì)算上游水位。在上游水位的推求過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)河網(wǎng)初始條件、多變量尋優(yōu)的前提下假定機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)，結(jié)合時(shí)間步長(zhǎng)依次求解，求解過(guò)程中采用簡(jiǎn)化的水動(dòng)力模型，結(jié)合邊界條件和開(kāi)機(jī)條件來(lái)計(jì)算。計(jì)算上游水位的結(jié)果，既可作為確定水位限制的依據(jù)，也可作為確定機(jī)組實(shí)際揚(yáng)程的計(jì)算依據(jù)。

3）求解優(yōu)化。最佳解法是選擇機(jī)組運(yùn)行工況調(diào)整次數(shù)、單臺(tái)機(jī)組運(yùn)行工況持續(xù)時(shí)間、葉角、通電臺(tái)數(shù)，給出不同運(yùn)行模式下的泵站最佳配置方案，從而實(shí)現(xiàn)泵站等流量、等水位控制目標(biāo)。鑒于機(jī)電設(shè)備的性能要求，機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)調(diào)節(jié)次數(shù)是有限的。單態(tài)持續(xù)時(shí)間、葉角、開(kāi)機(jī)臺(tái)數(shù)屬于多變量非線性優(yōu)化問(wèn)題，用遺傳算法求解。在求解過(guò)程中，還應(yīng)考慮揚(yáng)程系數(shù)、峰谷電價(jià)、機(jī)組效率和設(shè)備安全等約束因素。對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行了優(yōu)化求解，實(shí)現(xiàn)了泵站優(yōu)化運(yùn)行的葉角、臺(tái)數(shù)和時(shí)間實(shí)時(shí)計(jì)算。

結(jié)論

智能化泵站的建設(shè)目標(biāo)是在節(jié)能的前提下，還需要將系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化與提升，也就在長(zhǎng)期穩(wěn)定的運(yùn)行中保證了用水的速率和效果。切實(shí)提升了安全管理和應(yīng)急響應(yīng)的工作能力，在一體化、智能化、安全穩(wěn)定運(yùn)行的泵站設(shè)計(jì)中發(fā)揮了更好地作用，從而更好地適應(yīng)新技術(shù)的發(fā)展。

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