東江水利泵站運行智能化技術(shù)方案的構(gòu)建

張 英

( 廣東省源天工程有限公司，廣東 廣州 511340 )

東江水利樞紐位于東江下游惠城區(qū)和博羅縣之間的東江河段泗湄洲島處，上距惠州市惠城區(qū)約9.4 km，下距博羅水文站3.3 km，集水面積25 325 km2，屬東江干流階梯規(guī)劃中第十一個梯級。樞紐主要由布置在左、右河汊的攔河閘壩、通航船閘、水電站以及連接土壩組成。東江水利樞紐具有3座大型泵站，是該水利樞紐工程的核心，其正常運行與否會影響到惠州市社會經(jīng)濟的發(fā)展[1-4]。

1 泵站運行概況

當前，東江水利樞紐泵站工程已基本完成了自動化控制系統(tǒng)的建設(shè)，基本實現(xiàn)泵站運行時數(shù)據(jù)采集和及設(shè)備運行的自動化控制。但是自動化控制的智能化水平一般，智能化程度不夠，從本質(zhì)上來講，泵站開停機等的自動化操作僅僅是將操作控制開關(guān)控制從開關(guān)柜前集中到了計算機屏幕前，操作仍需要人工進行控制。該水利泵站運行時的流量、經(jīng)濟、安全等運行指標和經(jīng)濟性能無法實現(xiàn)智能化控制，嚴重影響東江水利樞紐泵站的管理水平。

東江水利樞紐泵站智能化控制的現(xiàn)狀情況及問題分析如下：

(1)運行數(shù)據(jù)分析及研判能力較差。從東江水利泵站的運行情況來看，自動化控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)對主機組、電氣設(shè)備、輔助設(shè)備、斷流設(shè)施、金屬結(jié)構(gòu)、進出水建筑物混凝土結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)等數(shù)據(jù)的采集和儲存，可以對數(shù)據(jù)進行簡單的查詢、展示和匯總，無法實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的智能化處理和智能化分析，無法有效的利用實時數(shù)據(jù)進行智能化的發(fā)展趨勢研判，無法實現(xiàn)對泵站運行設(shè)備的智能化評估，無法對泵站運行進行智能化預(yù)警。

(2)泵站處于不同工況下無法實行運行模式的智能化調(diào)整。當前，東江水利樞紐泵站建設(shè)有實時監(jiān)控系統(tǒng)，泵站在運行過程中，具有了數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)展示、報警等功能，該功能主要是從運行安全的視角進行考慮，泵站運行狀態(tài)的精準執(zhí)行和一鍵啟停等重要需求沒有實現(xiàn)智能化控制，影響泵站的管理水平，降低泵站的經(jīng)濟效益。

綜上所述，東江水利樞紐泵站的運行自動化控制中智能化水平還有待提高，如何將智能化控制技術(shù)與水利泵站的運行控制進行深度融合，加強對泵站主機組、電氣設(shè)備、輔助設(shè)備、斷流設(shè)施、金屬結(jié)構(gòu)、進出水建筑物混凝土結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)等采集數(shù)據(jù)的智能化處理和智能化分析，拓展其對泵站運行狀態(tài)的研判及預(yù)警研究，提高泵站的智能化控制及管理水平[5]，是急需進一步研究的問題。

2 泵站智能化技術(shù)方案的構(gòu)建思路

2.1 智能化技術(shù)總體框架分析

為實現(xiàn)東江水利樞紐泵站智能化技術(shù)的建設(shè)和應(yīng)用，經(jīng)技術(shù)調(diào)研，確定采用模塊化數(shù)據(jù)體系進行智能化系統(tǒng)的設(shè)計。模塊化數(shù)據(jù)體系有效地對數(shù)據(jù)源進行了統(tǒng)一，系統(tǒng)分析和處理的核心對象集中在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上，簡化了數(shù)據(jù)智能化分析和處理的工作量?；谝陨显O(shè)計思路，確定東江水利樞紐泵站智能化設(shè)計的方案總體框架如圖1所示。

圖1 東江水利樞紐泵站智能化技術(shù)的總體框架示意圖

智能化技術(shù)方案的核心主要包括智能研判體系、智能控制系統(tǒng)和泵站數(shù)據(jù)三大部分。智能研判體系包括智能抽取模塊、智能分析模塊、智能報告三部分；智能控制系統(tǒng)包括優(yōu)化調(diào)度模塊和智能控制模塊兩部分；泵站數(shù)據(jù)主要有主機控制、安全監(jiān)測等部分[6]。

2.2 技術(shù)實現(xiàn)

東江水利樞紐泵站智能化技術(shù)實現(xiàn)主要是需要智能研判體系和智能控制系統(tǒng)進行有效結(jié)合。

(1)智能研判體系。以泵站管控一體化平臺采集的實時及歷史數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對數(shù)據(jù)進行深度分析，實現(xiàn)對泵站運行數(shù)據(jù)的精準研判，從而完成泵站運行的智能預(yù)警及運調(diào)方案的智能建議。

(2)智能控制系統(tǒng)。基于當前東江水利工程對于目標水位和流量的參數(shù)，結(jié)合該泵站工程的各運行條件，對泵站運行狀態(tài)進行智能化控制設(shè)計。

3 泵站智能化技術(shù)的實現(xiàn)分析

結(jié)合5G應(yīng)用、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、邊緣計算及人工智能等技術(shù)開展水利泵站智能化控制技術(shù)的應(yīng)用研究，提高利用數(shù)據(jù)對其進行深度分析處理及趨勢研判的智能化，為泵站工程安全、高效、經(jīng)濟運行提供保障。

3.1 智能研判體系的構(gòu)建

智能研判體系包括優(yōu)化調(diào)整模塊、智能分析模塊、智能報告三部分。對泵站數(shù)據(jù)進行智能抽取，并實現(xiàn)智能分析和智能報告，進而實現(xiàn)泵站的智能研判[2]。

3.1.1 智能抽取模塊

對泵站系統(tǒng)采集到的原始數(shù)據(jù)進行分析和抽取，有效性判斷主要有偏差篩選、穩(wěn)定性篩選和數(shù)值統(tǒng)計三個步驟。

(1)偏差篩選。根據(jù)精大誤差判別準則，剔除一堆相同類型數(shù)據(jù)中偏差比較大的可疑值。

(2)穩(wěn)定性篩選。為提高數(shù)據(jù)的準確性，采用智能算法對采集到的不穩(wěn)定數(shù)據(jù)進行剔除。

(3)數(shù)值統(tǒng)計。將相同類型的數(shù)據(jù)通過數(shù)值統(tǒng)計方法整理成單個值。

3.1.2 智能分析

基于人工智能的大數(shù)據(jù)信息快速抽取算法，對獲取的數(shù)據(jù)進行智能分析，取得泵站運行的關(guān)鍵特征參數(shù)，結(jié)合東江水利樞紐泵站的運行實際，給出了短期研判、長期研判和故障分析三類預(yù)警庫。

(1)短期研判預(yù)警。對采集到的泵站實時運行數(shù)據(jù)進行分析和處理，如發(fā)現(xiàn)得到的標準趨勢在較短時間內(nèi)有較大的階躍，則系統(tǒng)會發(fā)出短期預(yù)警。

(2)長期研判預(yù)警。取采集到的泵站實時運行數(shù)據(jù)+前后時間內(nèi)的運行數(shù)據(jù)進行長期變化趨勢的研判，如得到的標準趨勢在較長時間內(nèi)有較大的階躍，將會超過系統(tǒng)所設(shè)置的閾值時進行長期預(yù)警。

(3)故障診斷預(yù)警。對采集到的泵站實時運行數(shù)據(jù)進行分析和處理，如發(fā)現(xiàn)該數(shù)據(jù)信息與以往設(shè)備發(fā)生故障或事故數(shù)據(jù)的信息相關(guān)聯(lián)時，系統(tǒng)則會發(fā)出設(shè)備精準故障診斷預(yù)警，必須通知設(shè)備維修和管理人員組織對設(shè)備進行故障的診斷及處理。

3.1.3 智能報告

利用水利泵站設(shè)備在運行過程中產(chǎn)生的二次效應(yīng)參數(shù)(振動、擺度、電量、溫度、噪聲、位移等)的變化趨勢和分級預(yù)警情況，以主機組、電氣設(shè)備、輔助設(shè)備、斷流設(shè)施、金屬結(jié)構(gòu)、進出水建筑物混凝土結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)為單元，綜合全部采集數(shù)據(jù)進行智能關(guān)聯(lián)分析，實現(xiàn)對設(shè)備運行狀態(tài)的智能報告。同時智能報告結(jié)果通過系統(tǒng)故障樹和發(fā)光字圖形化進行展示，給設(shè)備的維修和保養(yǎng)提供時間和位置維度的智能建議。

3.2 智能控制系統(tǒng)的構(gòu)建

3.2.1 泵站優(yōu)化調(diào)度模塊

東江水利泵站在運行過程中，消耗能源較大，從以往的實踐應(yīng)用來看，存在著很多的無用功，造成了東江水利泵站的運行成本較高。泵站優(yōu)化調(diào)度模塊的作用是根據(jù)電價、調(diào)度等要求，結(jié)合東江水利泵站工程情況、運行工況和運行時間、年供水量等參數(shù)，確定泵站最佳運行設(shè)置方案，達到能耗優(yōu)化、費用優(yōu)化、效率優(yōu)化和排澇優(yōu)化的目的。優(yōu)化步驟如下：

(1)下游潮位預(yù)測。對東江水利泵站下游水位的預(yù)測采用基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的短期和長期預(yù)測，結(jié)合東江的潮位、上游徑流量的歷史數(shù)據(jù)和72 h實測值，預(yù)測東江下游未來各時段的水位變化趨勢，探索其變化發(fā)展。

(2)上游水位計算。對東江水利泵站上游水位的計算采用基于σ坐標變換和水位函數(shù)法的立面二維水動力學(xué)模型，將計算出來的上游水位做為主機組運行狀態(tài)下實際揚程的計算依據(jù)。

(3)優(yōu)化求解。以泵站設(shè)備安全、揚程、峰谷電價和機組效率約束條件，構(gòu)建泵站運行的數(shù)據(jù)模型，將葉角、臺數(shù)、時段進行離散處理，構(gòu)建目標參數(shù)泵站的狀態(tài)矩陣，可求解最佳參數(shù)。

3.2.2 泵站智能控制

根據(jù)東江水利泵站的運行實際來看，其智能化控制主要是實現(xiàn)一鍵啟動、一鍵停止、調(diào)度模型集成三方面的功能。實現(xiàn)在設(shè)備啟動、停止、調(diào)度過程中，減少人工干預(yù)，提高設(shè)備自動化和智能化程度，有效地降低工作人員的勞動強度，提高設(shè)備運行的安全性和可靠性。

(1)“一鍵啟?！敝悄芸刂企w系的構(gòu)建?！耙绘I啟?！敝悄芸刂企w系包括“一鍵啟?！蹦K和控制巡檢聯(lián)動模塊。通過“一鍵啟?！蹦K，管理工作人員可以在手機端和電腦端遠程無人干預(yù)采用一鍵控制對設(shè)備進行啟停自動控制，大大減少了工作時間，有人即可控制泵站；通過控制巡檢聯(lián)動模塊，加強對“一鍵啟?！蹦K的遠程監(jiān)控，提高設(shè)備啟停運行的安全性和可靠性。

(2)優(yōu)化調(diào)度模型的集成。在泵站運行原監(jiān)控系統(tǒng)當中，將泵站優(yōu)化調(diào)度模型直接嵌入泵站自動化系統(tǒng)中，將實時采集到的泵站運行參數(shù)計算出不同運行模式的參數(shù)，實時性較好。

4 效果分析

針對東江水利樞紐泵站的實際情況，構(gòu)建了大型泵站運行智能化技術(shù)方案，并投入到了實踐應(yīng)用當中，應(yīng)用效果理想。東江水利泵站智能化控制系統(tǒng)的應(yīng)用保障了泵站的正常運行，有效提高了工程調(diào)度決策、智能執(zhí)行的精準性，促進了泵站工程的安全、高效、經(jīng)濟運行；泵站智能化控制系統(tǒng)的應(yīng)用大幅度降低了工作人員數(shù)量和勞動強度，節(jié)能降耗效果顯著，泵站安全事故率降低了90%，為東江水利管理處取得了較好的安全經(jīng)濟效益。