南水北調(diào)泵站故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析

邵艷波 許正周

摘要：南水北調(diào)東線工程將按照市場(chǎng)化的方式運(yùn)作，這就要求管理機(jī)構(gòu)在調(diào)水計(jì)劃制定、水價(jià)制定、合同管理、水量計(jì)量、工程與調(diào)度管理、信息共享與發(fā)布等方面需要按照市場(chǎng)規(guī)則運(yùn)行，要求價(jià)格合理、計(jì)量可信、水質(zhì)保證。為了降低運(yùn)行成本，提高資本的收益率，必須實(shí)現(xiàn)泵站優(yōu)化調(diào)度和高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，降低機(jī)組故障率，提高其安全可靠性，對(duì)泵站機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)實(shí)施監(jiān)測(cè)與故障診斷。因此需建設(shè)泵站遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)，來(lái)幫助現(xiàn)場(chǎng)泵站管理人員實(shí)時(shí)了解泵站的健康狀況，事前預(yù)警、事中告警應(yīng)急處理、事后評(píng)價(jià)，優(yōu)化工程管理，支持各級(jí)管理機(jī)構(gòu)調(diào)水過(guò)程的管理工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的實(shí)時(shí)在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)和在線故障自動(dòng)診斷，并且給出機(jī)組安全等級(jí)評(píng)價(jià)，極大提高機(jī)組的可靠性，延長(zhǎng)無(wú)故障工作時(shí)間，減少檢修和維護(hù)費(fèi)用，提高生產(chǎn)效率，保持設(shè)備良好狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)運(yùn)行中的隱患，充分發(fā)揮泵站效能。

關(guān)鍵詞：泵站；故障診斷系統(tǒng)；工程管理

一.項(xiàng)目背景

南水北調(diào)東線工程利用江蘇省江水北調(diào)工程擴(kuò)大規(guī)模，向北延伸。江蘇省內(nèi)調(diào)水線路總長(zhǎng)852km，其中長(zhǎng)江至洪澤湖445km，洪澤湖至駱馬湖270km，駱馬湖至下級(jí)湖137km。沿線輸水河道現(xiàn)狀大多具有防洪、排澇、航運(yùn)、供水等綜合功能。

江蘇境內(nèi)從長(zhǎng)江至南四湖地勢(shì)逐步抬高，高差約30m，江蘇段調(diào)水工程以京杭運(yùn)河線為主，已建成江都、淮安、泗陽(yáng)等9個(gè)梯級(jí)。

南水北調(diào)東線工程體系不僅具有供水功能，在增加現(xiàn)有工程供水規(guī)模和能力的同時(shí)，還保留和增加了防洪、排澇等能力。在服從防洪安全的前提下，為充分利用洪水資源，降低運(yùn)行成本，減少抽江水量，減少電能消耗，提高工程效率和綜合效益，實(shí)現(xiàn)多水源互調(diào)互濟(jì)，統(tǒng)籌調(diào)度、多目標(biāo)供水，因此工程可靠、高效、安全運(yùn)行至關(guān)重要。

二.故障診斷系統(tǒng)研發(fā)技術(shù)路線

（一）系統(tǒng)架構(gòu)

故障診斷系統(tǒng)采取分層分布式架構(gòu)，主要由信息采集層、信息傳輸層和應(yīng)用系統(tǒng)層構(gòu)成。具備下列功能：數(shù)據(jù)采集與處理；數(shù)據(jù)通訊；運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)及分析；趨勢(shì)預(yù)判、故障分析及告警等。

泵站現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)環(huán)網(wǎng)交換機(jī)與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷等功能。其中，最為關(guān)鍵的現(xiàn)場(chǎng)故障診斷應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)，主要是利用振動(dòng)、溫度、流量、水位、壓力、電流、電壓、功率等參數(shù)，采用智能神經(jīng)元、自學(xué)習(xí)、自診斷、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)。

信息采集層大部分?jǐn)?shù)據(jù)可通過(guò)與泵站現(xiàn)有自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)通訊提取，其它必要的數(shù)據(jù)根據(jù)實(shí)際情況加裝對(duì)應(yīng)的傳感器等前端設(shè)備進(jìn)行補(bǔ)充采集。

（二）技術(shù)路線

根據(jù)泵站故障診斷系統(tǒng)專業(yè)性要求高、可靠性要求高、智能化要求高、站點(diǎn)分布廣、可借鑒經(jīng)驗(yàn)少、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范少以及受管理模式約束大的特點(diǎn)，需選擇泵站工程先行試點(diǎn)，制定系統(tǒng)研發(fā)工作技術(shù)路線。（見圖1、圖2）

三一信息化現(xiàn)狀

（一）調(diào)度運(yùn)行管理系統(tǒng)建設(shè)現(xiàn)狀

目前公司正在建設(shè)南水北調(diào)東線一期江蘇段調(diào)度運(yùn)行管理系統(tǒng)，工程主要包括信息采集系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、工程監(jiān)控與視頻監(jiān)視系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中心、應(yīng)用系統(tǒng)、實(shí)體運(yùn)行環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)信息安全8個(gè)部分。工程的建設(shè)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)江蘇境內(nèi)工程調(diào)度運(yùn)行管理的信息自動(dòng)采集、運(yùn)行監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)、智能分析處理、科學(xué)決策支撐，從而全面提高工程調(diào)度運(yùn)行的現(xiàn)代化管理水平。系統(tǒng)具備實(shí)時(shí)掌握江蘇境內(nèi)泵站出口、省市縣際交水?dāng)嗝?、干線水文站的水量、水位、水質(zhì)、工程運(yùn)行等調(diào)水信息，具備調(diào)水沿線泵站、干線重要控制建筑物、重要取水口門等工程的監(jiān)控，具備水量預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、水源優(yōu)化調(diào)度、調(diào)水過(guò)程的全線監(jiān)控和各級(jí)管理部門之間的異地會(huì)商等功能。

目前調(diào)度系統(tǒng)在江都數(shù)據(jù)中心建設(shè)完成調(diào)度室、會(huì)商室、機(jī)房實(shí)體環(huán)境，監(jiān)測(cè)泵站工情、水量、水質(zhì)等信息，實(shí)現(xiàn)調(diào)水信息管理平臺(tái)綜合展示和查詢管理、視頻會(huì)議、視頻監(jiān)視、工程監(jiān)控等系統(tǒng)，基本滿足了應(yīng)急調(diào)度期的需求。光纜線路工程基本完工，骨干網(wǎng)傳輸設(shè)備安裝工程已開工，年內(nèi)貫通自建專網(wǎng)。調(diào)度運(yùn)行系統(tǒng)主要有三張網(wǎng)，即外網(wǎng)、監(jiān)控網(wǎng)和調(diào)度管理網(wǎng)。外網(wǎng)主要是解決與internet網(wǎng)、外網(wǎng)站的連接以及各站點(diǎn)上外網(wǎng)的需求。監(jiān)控網(wǎng)主要是解決各相關(guān)站點(diǎn)的監(jiān)控、遠(yuǎn)程控制、故障診斷系統(tǒng)的需求。調(diào)度管理網(wǎng)重點(diǎn)解決調(diào)度、工程運(yùn)行、管理、辦公、視頻、會(huì)商等的需要。主要有信息采集、通信、網(wǎng)絡(luò)、管理支撐平臺(tái)及應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)等。

（二）試點(diǎn)泵站建設(shè)現(xiàn)狀

選取南水北調(diào)東線某泵站作為試點(diǎn)站，此站主要任務(wù)是通過(guò)與下級(jí)站聯(lián)合運(yùn)行，向下游湖泊調(diào)水150m3/s。試點(diǎn)站工程包括泵站、擋洪閘、進(jìn)水閘和上下游引河。泵站安裝立式全調(diào)節(jié)混流泵5臺(tái)套，設(shè)計(jì)揚(yáng)程6m，單泵設(shè)計(jì)流量37.5m3/s，轉(zhuǎn)速125r/min，采用真空破壞閥斷流，配套同步電機(jī)功率3550kW、電壓10kV。另裝有1000kW定漿水輪發(fā)電機(jī)組。變電所電源從洪澤縣朱壩變電所引接，由一條110kV架空線接入，主變?nèi)萘?5MVA。

試點(diǎn)站建有自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)和視頻監(jiān)視系統(tǒng)，其中包括計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)站控級(jí)服務(wù)器、工作站、工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)、防火墻、加密與隔離等安全設(shè)備、現(xiàn)地控制單元、前端設(shè)備、傳輸設(shè)備、信息管理系統(tǒng)計(jì)算機(jī)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)主、輔機(jī)組的有效控制和電氣量、溫度、流量、壓力等參數(shù)的可靠監(jiān)測(cè)。視頻系統(tǒng)主要是對(duì)主輔廠房、節(jié)制閘、上下游河道的視頻監(jiān)視。

目前，自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)綜合分析等方面利用率不高，視頻監(jiān)視系統(tǒng)缺少安防系統(tǒng)，且試點(diǎn)泵站工程信息化系統(tǒng)主要輔助泵站的管理，使用率不高。

四.需求分析情況

根據(jù)泵站實(shí)施條件，作為試點(diǎn)工程，目前完成了需求分析的工作，通過(guò)對(duì)振動(dòng)、擺度、溫度、壓力、電氣、非電量等信息的監(jiān)測(cè)、分析、計(jì)算、判斷等，達(dá)到對(duì)泵站工程運(yùn)行狀態(tài)的掌握，從而提前預(yù)判、告警，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢修、降低現(xiàn)場(chǎng)值班人員的數(shù)量的質(zhì)量，達(dá)到降本的目的。具體內(nèi)容包括。

1.數(shù)據(jù)采集方案：為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程故障診斷，需采集的數(shù)據(jù)范圍和參數(shù)。

2.故障判別流程：為實(shí)現(xiàn)故障的計(jì)算機(jī)自動(dòng)判別，匯總泵站可能出現(xiàn)的重要故障類型，以及每個(gè)故障的判別流程。

3.管理基本流程：以事前預(yù)警、事中告警應(yīng)急處理、事后評(píng)價(jià)的管理體系為目標(biāo)，編制故障診斷系統(tǒng)中工作流程圖。

五.數(shù)據(jù)采集方案

數(shù)據(jù)采集點(diǎn)范圍：根據(jù)管理范圍的要求，將試點(diǎn)站電氣、主機(jī)、輔機(jī)等系統(tǒng)納入系統(tǒng)采集范圍，從每個(gè)設(shè)備的每個(gè)部件環(huán)節(jié)按順序梳理需監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)點(diǎn)。

數(shù)據(jù)采集點(diǎn)選取原則：按信息參考價(jià)值高、可直接監(jiān)測(cè)、可靠穩(wěn)定性高、便于安裝、自動(dòng)監(jiān)測(cè)與人工監(jiān)測(cè)結(jié)合考慮。

數(shù)據(jù)采集點(diǎn)匯總表內(nèi)容：數(shù)據(jù)采集點(diǎn)匯總表包含目前監(jiān)測(cè)狀況、監(jiān)測(cè)方案、監(jiān)測(cè)傳感器選型、傳感器安裝部位和數(shù)量等內(nèi)容。

數(shù)據(jù)采集初步選型：目前泵站監(jiān)控系統(tǒng)已有的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，填報(bào)內(nèi)容詳細(xì)到數(shù)據(jù)具體來(lái)源和傳輸路徑。目前泵站監(jiān)控系統(tǒng)沒有的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，對(duì)未安裝且不熟悉的傳感器，采用在網(wǎng)上尋找相關(guān)監(jiān)測(cè)傳感器資料，參照類似項(xiàng)目的產(chǎn)品型號(hào)的方式進(jìn)行比選。初步確定監(jiān)測(cè)方案、監(jiān)測(cè)傳感器選型、傳感器安裝部位和數(shù)量等內(nèi)容。

六.故障判別流程

故障類型表內(nèi)容：選取對(duì)主機(jī)安全運(yùn)行影響較大故障，編制故障類型表。

故障的分析流程圖：將泵站在運(yùn)行過(guò)程中故障發(fā)生時(shí)，人工憑經(jīng)驗(yàn)排查故障的流程圖形化。

1、主電動(dòng)機(jī)

（1）繼電保護(hù)跳閘（過(guò)流、過(guò)負(fù)荷、速斷、差動(dòng)、低（過(guò)）電壓）?？赡墚a(chǎn)生的原因：保護(hù)裝置故障、電機(jī)故障、機(jī)械卡阻、電壓過(guò)低、勵(lì)磁故障、電纜故障、互感器故障等。

（2）瓦溫過(guò)高。可能產(chǎn)生的原因：測(cè)溫系統(tǒng)故障、電機(jī)過(guò)載、油溫高、冷卻水流量低或水溫高、潤(rùn)滑油劣化、油缸進(jìn)水等。

（3）油溫過(guò)高?？赡墚a(chǎn)生的原因：冷卻水流量低或水溫高、潤(rùn)滑油劣化、油缸進(jìn)水等。

（4）油位異常。可能產(chǎn)生的原因：環(huán)境溫度高，冷卻器破裂。

（5）振動(dòng)異常。可能產(chǎn)生的原因：水泵過(guò)載、軸瓦磨損嚴(yán)重、抗重螺栓松動(dòng)或脫落、擺度異常、軸心軌跡異常。

2、主水泵：振動(dòng)異常。可能產(chǎn)生的原因：汽蝕、卡阻、水位組合不符、水導(dǎo)軸承磨損異常、碰殼。

七.應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)

（一）技術(shù)要求

（1）溫度、壓力、流量、水（油）位等參數(shù)，具有自動(dòng)跟蹤、計(jì)算、分析等，實(shí)時(shí)定量（性）顯示變化趨勢(shì)。

（2）振動(dòng)、開關(guān)量，具有實(shí)時(shí)采集、處理、存儲(chǔ)。

（3）故障報(bào)警準(zhǔn)確、及時(shí)。

（4）采用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)、修改及調(diào)閱。電氣、溫度、壓力、流量等采集精度、周期等滿足要求。

（5）設(shè)置用戶管理，采用密碼、指紋等，主要分現(xiàn)場(chǎng)、數(shù)據(jù)中心及運(yùn)維級(jí)三種。

（6）各畫面調(diào)閱快速、及時(shí)，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間、丟包率等系統(tǒng)指標(biāo)滿足要求。

（7）顯示采用波形圖、柱狀圖、餅圖、流程圖、統(tǒng)計(jì)表等形式，部分可采用LED閃爍式，情況越接近設(shè)定值，越危險(xiǎn)顏色越紅，跳動(dòng)的頻率越快。

（8）按提供的輸出、報(bào)表等要求，具有查閱、輸出、打印等功能。

（9）采用MUDBUS或OPC通信傳輸。

（10）采用三級(jí)菜單。

（11）所有弱電傳感器線纜的連接需采用焊接。

（二）診斷要求

（1）在發(fā)現(xiàn)相關(guān)的故障后，可采用報(bào)文、框圖、流動(dòng)字幕等顯示，字體為紅色，并伴有聲光信號(hào)。

（2）能實(shí)時(shí)提醒現(xiàn)場(chǎng)輔助處理故障的原因及方法。

（3）按定量（性）的要求，能通過(guò)計(jì)算分析，提前預(yù)測(cè)、智能告警。

（三）系統(tǒng)界面

在三維泵站矢量圖的基礎(chǔ)上，具備以下功能界面：振動(dòng)、溫度、壓力、流量、電氣、故障類型（集中顯示）、輔助原因分析、工程技術(shù)參數(shù)、維修、試驗(yàn)記錄輸入及顯示、開關(guān)量狀態(tài)監(jiān)測(cè)、報(bào)表、報(bào)告輸出

以上相關(guān)界面，根據(jù)現(xiàn)成各主輔設(shè)備運(yùn)行技術(shù)參數(shù)關(guān)聯(lián)性，如振動(dòng)、溫度、流量、壓力、電氣量等，可以集中呈現(xiàn)。

八.管理基本流程

在故障診斷系統(tǒng)投入運(yùn)行后，會(huì)對(duì)管理流程產(chǎn)生影響，以事前預(yù)警、事中告警應(yīng)急處理、事后評(píng)價(jià)的管理體系為目標(biāo)，設(shè)計(jì)兩級(jí)管理模式，即泵站現(xiàn)場(chǎng)級(jí)和遠(yuǎn)程級(jí)，與其他應(yīng)用系統(tǒng)采用接口對(duì)接。泵站現(xiàn)場(chǎng)級(jí)主要負(fù)責(zé)日常值班、人工定期輔助巡視、應(yīng)急事件處理、記錄處理過(guò)程和結(jié)果；遠(yuǎn)程級(jí)主要負(fù)責(zé)故障判斷、編制人工輔助排查方案、編制現(xiàn)場(chǎng)處理方案、應(yīng)急事件處理、記錄診斷報(bào)告、維修建議等。