南水北調(diào)數(shù)字孿生泵站工程建設(shè)思路探討

江如春 沈芳芳 張 歆

(1.江蘇省江都水利工程管理處，江蘇 揚(yáng)州 225200;2.江蘇省水利科教中心，江蘇 南京 210029)

智慧水利以物聯(lián)網(wǎng)為核心,通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)、圖像及狀態(tài)實(shí)時采集、處理、分析、計算等,實(shí)現(xiàn)對工程現(xiàn)場泵站運(yùn)行的動態(tài)監(jiān)視、遠(yuǎn)程控制、智能決策與流程優(yōu)化,促進(jìn)泵站各運(yùn)行環(huán)節(jié)間高效地進(jìn)行數(shù)據(jù)共享與協(xié)同工作。本文以南水北調(diào)東線源頭江都水利樞紐第一抽水站為典型,按照“需求牽引、應(yīng)用至上、數(shù)字賦能、提升能力”要求,以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化為主線,全面實(shí)現(xiàn)數(shù)字化場景、智慧化模擬、精準(zhǔn)化決策,以構(gòu)建數(shù)字孿生泵站為核心,全面推進(jìn)算據(jù)、算法、算力建設(shè),加快構(gòu)建具有預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案等功能的智慧水利體系,實(shí)現(xiàn)精細(xì)化數(shù)字化泵站管理全覆蓋。

1 工程概況

江都第一抽水站(簡稱江都一站)是南水北調(diào)東線源頭——江都水利樞紐工程的重要組成部分。工程于1961年12月開始興建,1963年3月竣工,是新中國成立后國內(nèi)第一個自行設(shè)計、自行建設(shè)、自行管理的大型泵站。現(xiàn)裝有8臺1.75ZLQ-6.0立式機(jī)械全調(diào)節(jié)軸流泵,配套TL1000-24/2150型立式同步電動機(jī),設(shè)計總流量81.6m3/s。泵站采用堤身式結(jié)構(gòu),肘形進(jìn)水流道,虹吸式出水流道,真空破壞閥斷流。

江都一站在探索工程管理精細(xì)化、信息化、標(biāo)準(zhǔn)化等方面均取得了較好成績,實(shí)現(xiàn)了各高低壓電氣設(shè)備遠(yuǎn)程開關(guān)、主水泵遠(yuǎn)程啟停、各項運(yùn)行參數(shù)遠(yuǎn)程實(shí)時顯示并預(yù)警;工程精細(xì)化管理平臺實(shí)現(xiàn)了任務(wù)下達(dá)、任務(wù)實(shí)施、任務(wù)追蹤、任務(wù)完成及任務(wù)評價等全過程管理體系,涵蓋了工程管理中檢查觀測、維修養(yǎng)護(hù)、水政執(zhí)法、評價考核等業(yè)務(wù)工作。面對新時代水利現(xiàn)代化高質(zhì)量發(fā)展新要求,仍存在很大提升空間。

2 現(xiàn)狀分析

國內(nèi)有關(guān)大型泵站現(xiàn)代化技術(shù)的研究大多集中在監(jiān)測、自動化控制和泵站運(yùn)行優(yōu)化等方面。我國泵站工程從規(guī)模和數(shù)量上來看,目前居于世界前列,當(dāng)前的智慧水利建設(shè)也已經(jīng)初具規(guī)模,然而尚存在以下缺陷和不足:

a.缺乏深入的智慧化感知。當(dāng)前的水利基礎(chǔ)設(shè)施、平臺建設(shè)還缺乏深入透徹的感知,沒有實(shí)現(xiàn)水利數(shù)據(jù)自動采集和安全監(jiān)測的全覆蓋,在水情監(jiān)測報訊方面存在欠缺,暴露出自動化、信息化技術(shù)應(yīng)用不夠深入的問題。

b.缺乏全面的互聯(lián)共通?，F(xiàn)有的水利建設(shè)網(wǎng)絡(luò)覆蓋面不足,不同業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間的信息鏈接和共享存在欠缺,缺乏深入全面的業(yè)務(wù)協(xié)同。另外,在水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面還存在缺失,基礎(chǔ)軟硬件支撐體系應(yīng)用較為單薄。

c.缺乏智能的應(yīng)用終端。當(dāng)前的水利建設(shè)中新一代信息技術(shù)應(yīng)用還較為薄弱,沒有充分突顯大數(shù)據(jù)、人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的智慧水利應(yīng)用功能,在智能化應(yīng)用服務(wù)終端方面尚存在欠缺。

3 重點(diǎn)任務(wù)

針對現(xiàn)有研究不足,需要不斷優(yōu)化和創(chuàng)新智慧水利的集約化、智能化、云端化和智能應(yīng)用服務(wù)性能,充分利用互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等新一代信息技術(shù),做好水資源合理配置和調(diào)度,實(shí)現(xiàn)智慧水利的全面透徹感知、數(shù)據(jù)信息共享、協(xié)同智能管理和泛在服務(wù)。

3.1 研究確定水利智慧泵站數(shù)字孿生基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)是智慧水利建設(shè)的基礎(chǔ),有了數(shù)據(jù),上層應(yīng)用和智慧分析才有基礎(chǔ)支撐。因此,通過數(shù)據(jù)主導(dǎo)應(yīng)用,以數(shù)據(jù)為核心,再利用數(shù)據(jù)進(jìn)行全域標(biāo)識、狀態(tài)精準(zhǔn)感知、數(shù)據(jù)實(shí)時分析、動態(tài)優(yōu)化調(diào)度、智能精準(zhǔn)執(zhí)行,充分發(fā)揮數(shù)據(jù)價值,構(gòu)建泵站大數(shù)據(jù)庫,使各監(jiān)測數(shù)據(jù)聯(lián)動,實(shí)現(xiàn)泵站工程的智能模擬、監(jiān)控、診斷、預(yù)測和控制。

3.2 部署安裝數(shù)字孿生信息采集物聯(lián)傳感設(shè)備

為了更好地發(fā)展智慧泵站數(shù)字孿生技術(shù),進(jìn)一步完善泵站運(yùn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的自動采集系統(tǒng),在江都一站現(xiàn)有的水位檢測、水泵運(yùn)行參數(shù)(電氣量、溫度等信息)的基礎(chǔ)上,以現(xiàn)有主機(jī)組為原形,完善泵站安全運(yùn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)類別,增加實(shí)時運(yùn)行流量監(jiān)測、關(guān)鍵部位位移振動監(jiān)測、電氣室光感煙感等安全監(jiān)測設(shè)施。

3.3 改造升級泵站遠(yuǎn)程診斷集中智能控制系統(tǒng)

江都一站已于2020年完成泵站測控保一體化升級改造,并順利完成測控保一體化設(shè)備M60的各項參數(shù)設(shè)置和運(yùn)行調(diào)試工作。在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn),上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場新設(shè)備設(shè)施存在通信延時、操作指令卡死等現(xiàn)象,對工程安全穩(wěn)定運(yùn)行有一定影響。為提高江都一站監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和兼容性,適應(yīng)現(xiàn)代化智慧水利建設(shè)為新要求,打造集數(shù)據(jù)安全存儲、智能分析、合理運(yùn)用、科學(xué)決策、自動控制于一體的泵站遠(yuǎn)程診斷集中智能控制系統(tǒng)。

3.4 運(yùn)用準(zhǔn)確數(shù)據(jù),輔助科學(xué)決策,實(shí)現(xiàn)智能管理

充分挖掘數(shù)據(jù)價值,構(gòu)建水利數(shù)據(jù)大腦,實(shí)現(xiàn)水利的模擬、監(jiān)控、診斷、預(yù)測和控制,以“一庫、一平臺、一張圖、N應(yīng)用”為核心架構(gòu),構(gòu)建水利數(shù)據(jù)生態(tài),創(chuàng)新業(yè)務(wù)應(yīng)用。在確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的前提下,科學(xué)運(yùn)用數(shù)據(jù)間的邏輯關(guān)系,人為賦予數(shù)據(jù)生命,使各數(shù)據(jù)在特定設(shè)置范圍中,根據(jù)應(yīng)用邏輯編程,作出數(shù)據(jù)聯(lián)動“智能”響應(yīng),使泵站達(dá)到最佳運(yùn)行狀態(tài),探索“集中監(jiān)控、故障精確定位、動態(tài)調(diào)度、智能管理”智慧化管理模式,實(shí)現(xiàn)水利泵站安全、平穩(wěn)、高效、低耗運(yùn)行。

3.5 數(shù)字孿生+3D建模,提升教育培訓(xùn)和安全預(yù)警能力

數(shù)字孿生泵體運(yùn)行實(shí)時監(jiān)測是運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)及離散事件仿真系統(tǒng)對現(xiàn)實(shí)泵體進(jìn)行數(shù)字建模、仿真驗證校驗、虛擬環(huán)境運(yùn)行的技術(shù)措施。數(shù)字孿生泵體建設(shè)是“智慧水利”的基礎(chǔ)工程,為后續(xù)的泵體故障識別及動態(tài)優(yōu)化調(diào)度提供大量的實(shí)驗數(shù)據(jù)及實(shí)驗環(huán)境。在完善的仿真模型的基礎(chǔ)上,在仿真系統(tǒng)里進(jìn)行各種復(fù)雜的試驗,獲取現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的各項指標(biāo)。在主水泵大修的過程中,運(yùn)用仿真模型,根據(jù)大修現(xiàn)場安裝測量數(shù)據(jù),實(shí)時模擬,實(shí)時指導(dǎo)大修部件安裝調(diào)整方向,提高檢修效率和檢修質(zhì)量。在職工技術(shù)教育培訓(xùn)中,可以不局限于主機(jī)大修周期要求,運(yùn)用仿真模型,隨時對水泵進(jìn)行模擬拆解、安裝,幫助職工迅速成長,提高隊伍整體技術(shù)水平。

4 實(shí)現(xiàn)功能

4.1 泵站數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集是數(shù)字孿生泵體、設(shè)備故障識別以及泵站優(yōu)化調(diào)度的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)采集的類型包括電量監(jiān)測、非電量監(jiān)測、振動監(jiān)測和溫度監(jiān)測等4個方面。電量監(jiān)測內(nèi)容:高壓母線和低壓母線的電流、電壓、有功功率、無功功率、功率因數(shù)等,機(jī)組運(yùn)行時的電壓、定子電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、勵磁電流、勵磁電壓等,直流系統(tǒng)電壓、電流等。非電量監(jiān)測包括實(shí)時流量、上下游水位、揚(yáng)程等。振動監(jiān)測包括機(jī)組和壓力管道的振動系數(shù)。溫度監(jiān)測包括電動機(jī)及水泵軸承(軸瓦)溫度、電動機(jī)定子繞組溫度(電機(jī)預(yù)埋電阻完好)、變壓器溫度、環(huán)境溫度等,具體數(shù)據(jù)采集類型見表1。

表1 江都一站擬采集的數(shù)據(jù)類型統(tǒng)計

為了實(shí)現(xiàn)上述數(shù)據(jù)的自動化采集,需配置智能傳感裝置以及設(shè)計相關(guān)的自動化數(shù)據(jù)采集程序,即采集硬件和上位機(jī)。在上述數(shù)據(jù)自動化采集的過程中需要解決下列關(guān)鍵問題:

a.智能傳感器部署。在進(jìn)行泵體設(shè)備振動、溫度等信息的采集時需遵循不改變設(shè)備原有結(jié)構(gòu)及性能的原則,尤其在采集葉輪的振動頻率時無法將傳感器直接部署于葉片上,否則因葉輪高速運(yùn)轉(zhuǎn)將導(dǎo)致傳感器脫落。

b.多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的集成。由上述數(shù)據(jù)類型分析可知,包括電流、電壓、功率、振動、溫度等信息,通過部署多類傳感器或者調(diào)用DCS系統(tǒng)匯聚了多源異構(gòu)信息,此時需要解決此類信息的集成管理與統(tǒng)一傳輸問題。

c.特征信號提取及處理。在采集泵體關(guān)鍵部位的振動信號時常常受到其他數(shù)據(jù)的干擾,例如水環(huán)境的波動、泵體的故障、電磁場的干擾等,此時需要利用特征信號提取及數(shù)據(jù)清洗技術(shù)獲取所需振動信號。

4.2 泵體虛擬仿真

將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于水利工程運(yùn)行管理領(lǐng)域,建立三維實(shí)時動態(tài)虛擬仿真環(huán)境,利用3D圖顯技術(shù),使泵站運(yùn)行管理人員能在虛擬環(huán)境下,實(shí)現(xiàn)水泵機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的虛擬演示,實(shí)時同步機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)。該技術(shù)的應(yīng)用不僅可以大大提高水利工程動態(tài)運(yùn)行的控制能力,提高工作效率,降低管理損耗,同時對于水利工程運(yùn)行管理水平的提升具有劃時代的意義。在泵體虛擬仿真過程中擬解決的關(guān)鍵問題如下:

a.動態(tài)建模。動態(tài)建模技術(shù)是虛擬仿真的核心技術(shù),利用動態(tài)建模技術(shù)獲取水利工程的實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù),然后將這些數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化成三維立體數(shù)據(jù),并結(jié)合工程特點(diǎn)利用獲取的三維立體數(shù)據(jù)建立三維虛擬環(huán)境模型。

b.三維圖像快速生成。為了使建立的泵站工程三維虛擬模型可視化程度較高,就要求建立的模型圖像具有高刷新頻率,所以在建立三維虛擬模型時需要利用三維圖像快速生成技術(shù),依據(jù)江都一站二維CAD圖紙和相關(guān)建筑數(shù)據(jù)形成三維虛擬環(huán)境,提高模型的可視化程度。

4.3 設(shè)備故障識別及診斷

隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展,泵站設(shè)備也變得更加多功能化、智能化,泵體能否正常運(yùn)行對工程安全以及運(yùn)行成本起著至關(guān)重要的作用。通過傳統(tǒng)的人工化的技術(shù)手段對泵體進(jìn)行檢測和維護(hù)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代化水利進(jìn)程的需求,因此,需要一種更智能化的檢測手段對設(shè)備進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。在泵體故障識別及診斷過程中擬解決的關(guān)鍵問題如下:

a.泵體故障類型分析。泵體故障類型分析是故障識別及診斷的基礎(chǔ),首先需要弄清泵體常見的故障類型以及故障關(guān)聯(lián)的物理量特征,通過一定的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)算法預(yù)演故障可能發(fā)生的時間、位置以及原因。

b.故障識別及診斷技術(shù)。泵體故障識別無論采用何種手段、何種技術(shù),實(shí)質(zhì)上都是圍繞主機(jī)組運(yùn)行時各核心部件溫度信息、振動信息和噪聲信息開展的,對泵體的故障診斷僅僅依靠專家和設(shè)備管理人員的經(jīng)驗判斷,或者通過一些簡單的儀器對故障進(jìn)行診斷和維護(hù)顯然是行不通的,需要通過進(jìn)一步探索智能化故障識別技術(shù)。

4.4 泵站優(yōu)化調(diào)度

泵站優(yōu)化調(diào)度擬解決的關(guān)鍵問題如下:

a.泵站在長期運(yùn)行過程中,由于磨損、不規(guī)范操作等因素,系統(tǒng)特性在緩慢發(fā)生變化,不同時期可能需要不同的函數(shù)關(guān)系模型來描述各臺水泵的性能特性。

b.優(yōu)化調(diào)度目標(biāo)函數(shù)確定及建模:提出多目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化調(diào)度策略,在不同的運(yùn)行工況下選取的優(yōu)化調(diào)度目標(biāo)不同,例如在汛期時應(yīng)盡可能選取“運(yùn)行效率及排水量最大化”作為調(diào)度目標(biāo),在淡水季應(yīng)盡可能選取“運(yùn)行費(fèi)用及能耗最大化”作為調(diào)度目標(biāo)等。

5 結(jié) 語

推進(jìn)數(shù)字孿生泵站工程建設(shè)作為智慧水利體系的核心組成,是適應(yīng)現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展形勢的必然要求,也是實(shí)現(xiàn)精細(xì)化、數(shù)字化管理的迫切需要。要按照“先行先試”的原則,以單座泵站工程為原型,初步建立較為完善的數(shù)字孿生平臺,實(shí)現(xiàn)技術(shù)探索和積累,在探索和嘗試中對數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化與完善,提高泵站工程預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案的科學(xué)性、實(shí)用性、可操作性,為高質(zhì)量開展南水北調(diào)后續(xù)工程建設(shè)與運(yùn)行管理提供數(shù)字孿生場景及應(yīng)用技術(shù)參考。