大數(shù)據(jù)分析技術(shù)在供水泵站節(jié)能降耗中的具體運用研究

黃春燕 龍州縣水利供水有限公司

一、引言

供水泵站運行過程中存在耗能的環(huán)節(jié)。通過對水泵機組操作方式的調(diào)整已經(jīng)不能滿足供水泵站節(jié)能降耗工作的更高要求。在對供水泵站機組運行數(shù)據(jù)的分析過程中，發(fā)現(xiàn)機組運行效率的高低與調(diào)節(jié)池水文的變化密切相關(guān)，因此采用大數(shù)據(jù)技術(shù)來幫助找到機組運行數(shù)據(jù)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)和特征規(guī)律，從而得到更加科學的節(jié)能方案，實現(xiàn)低成本高效運行目標。

二、大數(shù)據(jù)技術(shù)

大數(shù)據(jù)技術(shù)功能的發(fā)揮是建立在海量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的。與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析不同，大數(shù)據(jù)技術(shù)能夠從更多的維度對數(shù)據(jù)進行全面分析，找到數(shù)據(jù)內(nèi)在關(guān)聯(lián)，并發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)演變的趨勢。通過大數(shù)據(jù)技術(shù)可以更好地優(yōu)化供水泵站運行方案策略，降低能耗。

三、供水泵站機組運行現(xiàn)狀

供水泵站機組運行過程中，水泵效率與性能曲線存在虛標，因此實驗室理論條件下測定的數(shù)據(jù)與實際環(huán)境中運行數(shù)據(jù)存在偏差。由于供水泵站供水流量需要調(diào)整變化，因此大多采用工頻水泵和變頻水泵協(xié)同運行的情況，這樣會導(dǎo)致水泵之間相互干擾。調(diào)節(jié)池液位處于變化狀態(tài)，水泵組合的種類多且耦合性強，依賴過去運行經(jīng)驗，難以綜合海量信息，泵組啟停組合方式缺乏靈活性，不能滿足水泵機組更高的節(jié)能運行目標。

四、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)在供水泵站節(jié)能降耗的應(yīng)用

針對不同水泵之間存在相互干擾的情況，利用大數(shù)據(jù)對單臺水泵進行節(jié)能研究。具體的方法是控制水泵泵前壓力和泵后壓力，檢測水泵在不同頻率下的輸水量，然后根據(jù)流量效率曲線得到不同流量下的水泵最佳工作頻率。在大數(shù)據(jù)技術(shù)下，通過繼續(xù)學習模型建立泵組運行模擬狀況，對不同泵組運行啟停方式進行模擬預(yù)測，找到不同調(diào)節(jié)池液位、不同輸水量條件下的泵組運行最佳啟停方案，實現(xiàn)節(jié)能降耗目標。

具體研究的過程中首先需要完善數(shù)據(jù)，對調(diào)節(jié)池液位缺失的數(shù)據(jù)進行收集，對水泵的泵前泵后壓力數(shù)據(jù)進行收集，完善數(shù)據(jù)庫。建立函數(shù)，條件參數(shù)包括水泵啟停狀態(tài)、變頻器頻率、調(diào)節(jié)池液位，輸出參數(shù)為水泵輸水量、耗電量。建立數(shù)據(jù)模型，找到不同調(diào)節(jié)池液位和輸水量條件下的最節(jié)能的水泵啟停方案。

首先，對供水泵站總供水量進行分析。根據(jù)供水量和平均耗電量的關(guān)系可以得到單位時間如果供水量相同時，耗電量是有差別的。因此，根據(jù)平均耗電量最小情況來確定泵組啟停運行方式。

其次，對單臺水泵能耗進行分析。供水泵站的總供水量和總水泵能耗不能詳細反映每臺水泵的運行工況及能耗，因此還要對單臺水泵運行情況和能耗進行分析。對于水泵前或水泵后壓力傳感器數(shù)據(jù)缺失的情況應(yīng)進行數(shù)據(jù)完善或修正。分析過程中，對于泵前或泵后壓力出現(xiàn)顯著變化的情況應(yīng)找出問題。泵后出水流量傳感器出現(xiàn)極大的數(shù)值時，可以檢查下方位機和上方位機控制系統(tǒng)。然后根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果來確定每臺泵理論工作效率。

對不同泵組合運行效率進行分析，變頻泵、工頻泵、變頻泵+工頻泵運行效率進行對比，找到效率最高的泵運行方式。

對供水泵站運行數(shù)據(jù)進行清洗整理。測試數(shù)據(jù)以年度為單位，在分析過程中，先對數(shù)據(jù)缺失不全的字段進行修復(fù)。調(diào)節(jié)池液位數(shù)據(jù)采集頻率大約每小時一次，自動控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)平臺采集的數(shù)據(jù)頻率約每五分鐘一次。信息收集采用人工手抄數(shù)據(jù)并錄入到信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中。應(yīng)確保泵前壓力傳感器裝置運行穩(wěn)定，保障讀數(shù)信息采集有較好的連貫性。將人工測量讀數(shù)和水泵前壓力數(shù)值建立線性關(guān)系，根據(jù)線性方程來矯正樣例數(shù)據(jù)集中的調(diào)節(jié)池液位人工測量數(shù)據(jù)。

對單臺水泵輸水量建立分析模型。例如變頻水泵的輸水量與調(diào)節(jié)池液位參數(shù)以及水泵變頻器頻率參數(shù)有關(guān)，因此分布繪制調(diào)節(jié)池液位和水泵變頻器頻率兩個變量與水泵輸水量之間的散點關(guān)系。水泵變頻器與輸水量之間存在很強的函數(shù)關(guān)系。如果函數(shù)關(guān)系圖像上顯示統(tǒng)一條狀結(jié)構(gòu)內(nèi)的點與同樣的變頻器頻率有較為嚴格的對應(yīng)關(guān)系，即說明水泵的輸水量主要受調(diào)節(jié)池液位和變頻器頻率影響。如果函數(shù)關(guān)系圖像上顯示在限定水泵頻率的前提下，水泵輸水量和調(diào)節(jié)池液位之間呈現(xiàn)出方差很大的函數(shù)關(guān)系，那么說明還有其他因素在影響水泵輸水量。結(jié)合實際運營經(jīng)驗，很可能是其他水泵的啟停狀態(tài)對該水泵的工作性能造成了影響。

采用數(shù)據(jù)分析技術(shù)，采用決策樹算法來驗證是否向統(tǒng)一總管中輸水的水泵會出現(xiàn)水泵運行之間的相互影響。決策樹算法對學習準確率的計算方法為：

公式中，y代表水泵實際輸水量；代表決策樹算法得出的輸水量；代表沒有任何經(jīng)驗的情況下，使用歷史數(shù)據(jù)均值得到的輸水量。假設(shè)學習準確率為96%，則表明該算法消除了平均猜測帶來的96%的誤差。

通過決策樹算法的分析，得到水泵運行狀態(tài)信息，如某臺水泵在高頻率運行的過程中，輸水量是否受到其他泵啟停狀態(tài)的影響；某臺水泵在高頻率運行過程中，輸水量是否受到調(diào)節(jié)池液位的影響；某臺水泵在中等頻率運行過程中，輸水量是否受到調(diào)節(jié)池液位的影響；某臺水泵在低頻率運行過程中，是否受到其他水泵啟停狀態(tài)影響。實際上，采用決策樹算法能夠發(fā)現(xiàn)更加復(fù)雜的水泵運行規(guī)律。通過不斷嘗試，得到供水泵站水泵輸水量最優(yōu)水平，同時能耗在最低范圍內(nèi)。

五、結(jié)語

節(jié)能降耗是供水泵站運行管理的工作目標之一。通過對水泵機組操作方式的調(diào)整已經(jīng)不能滿足供水泵站節(jié)能降耗工作的更高要求。針對供水泵站運行過程中可能存在的能耗較大的節(jié)點。通過采用大數(shù)據(jù)技術(shù)，對供水泵站機組運行數(shù)據(jù)進行完善和分析，找到供水泵機組運行效率的高低與調(diào)節(jié)池液位以及其他水泵啟停狀態(tài)變化之間的關(guān)系。采用大數(shù)據(jù)技術(shù)可以幫助找到機組運行數(shù)據(jù)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)和特征規(guī)律，得到更加科學的節(jié)能方案，實現(xiàn)供水泵站低成本高效運行目標。