大型水利樞紐泵站智能化技術研究

袁志波，高 興，于洪亮

（江蘇省江都水利工程管理處，江蘇 揚州 225200）

0 引言

泵站智能化管理的概念在 20 世紀 60 年代末泵站自動化系統(tǒng)出現(xiàn)之后就被提出，發(fā)展模式隨著技術的發(fā)展也發(fā)生了很大的變化[1]。發(fā)達國家在泵站的運行、管理方面自動化程度高，監(jiān)控系統(tǒng)完善。美國在 20 世紀 60 年代已經在加州的調水工程中安裝了智能管理控制系統(tǒng)，智能管理控制系統(tǒng)包括計算機、通信和電子設備，可對該調水工程 17 座泵站（水電廠）、71 座節(jié)制閘的 198 個閘門及其他各種設備設施，實行計算機通信、監(jiān)控、調度和管理[2–5]。

我國泵站智能化技術的研究開展較晚，泵站的狀態(tài)分析、運行控制等主要依靠經驗進行管理，智能化管理理念還處于探討和摸索階段，王龍飛[6]、謝曉峰[7]、陳愛武[8]等對泵站的科學和安全管理進行了探討與研究，認為智能化技術研究是泵站管理精細化、調度精準化的保證，具有十分重要的意義。

江都水利樞紐是江蘇省江水北調的龍頭，也是國家南水北調東線工程的源頭，4 座大型泵站是其核心工程部分。作為國家重要的水利工程，泵站工程的高效穩(wěn)定運行直接影響到我國社會的發(fā)展。目前江都水利樞紐泵站已實現(xiàn)工程運行的自動化，但泵站總體智能化技術水平還不高，只是將泵站開停機操作從開關柜前手動操作移至計算機屏幕前鼠標操作，而忽視了泵站的最大流量、定流量、經濟、安全等運行的核心需求。具體現(xiàn)狀如下：

1）數(shù)據(jù)處理簡單，運行數(shù)據(jù)分析研判能力較差。目前，泵站已能夠對主機組、電氣設備、輔機設備、清污機閘門、各類水工建筑物等智能感知體系數(shù)據(jù)實現(xiàn)終端采集與存儲，但采集數(shù)據(jù)還停留在查詢、展示及簡單的匯總統(tǒng)計層面，缺乏對運行數(shù)據(jù)的充分處理與分析，未能運用相關后臺算法與計算模型實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的有效性研判，缺乏對數(shù)據(jù)的趨勢分析、預測評估及后期的預警警示能力。

2）缺乏對泵站不同模式運行的深入研究，泵站智能化程度較低。江都水利樞紐泵站已建設了泵站監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了計算機控制開停機，增加了一定的數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)展示、報警等功能，但較多考慮設備控制管理，較少考慮泵站的精準執(zhí)行調度和一鍵啟停等現(xiàn)實需求，從而制約了工程運行管理的水平和效益的充分發(fā)揮。

針對江都水利樞紐泵站群下游受江潮影響揚程變幅較大，上游水位控制要求高的特點，深化智能控制技術與泵站運行管理技術的融合，強化泵站數(shù)據(jù)研判和智能控制技術對泵站各業(yè)務領域的服務與支撐，不斷提高泵站的智能化水平，最大程度地發(fā)揮泵站運行管理中的效率，具有重要的現(xiàn)實意義。

1 泵站智能化技術的研究思路

1.1 總體技術框架

為保證泵站智能化系統(tǒng)的擴展，宜采用模塊化的體系進行系統(tǒng)設計。模塊化的結構統(tǒng)一了數(shù)據(jù)源，將分析的核心對象集中到數(shù)據(jù)庫服務器上，簡化了整合共享的開發(fā)、維護和使用[9]。以此為出發(fā)點，江都水利樞紐泵站智能化技術框架如圖1 所示。

圖1 江都水利樞紐泵站智能化技術框架圖

1.2 技術實現(xiàn)

建成江都水利樞紐泵站智能化技術應用體系，可切實提高泵站的智能化管理水平，促進工程管理效率的提高?；诒谜緮?shù)據(jù)的智能化技術研究主要從以下 2 個方面進行：

1）智能研判體系。智能研判體系建設以一體化管控平臺軟件的實時、歷史數(shù)據(jù)為基礎，結合工程管理的要求對數(shù)據(jù)進行分析，實現(xiàn)泵站的智能告警、預測分析、運調建議，實現(xiàn)數(shù)據(jù)層、系統(tǒng)層、業(yè)務層的精準研判。

2）智能控制系統(tǒng)。按照江都水利工程管理處調度要求的目標水位和流量，根據(jù)主機組特性曲線、水文環(huán)境、泵站工況、安全運行等條件，進行智能調度控制的整體策略設計。

2 泵站智能化技術的應用實現(xiàn)

通過人工智能、大數(shù)據(jù)等互聯(lián)網技術開展泵站智能化技術研究，強化智能化對泵站各業(yè)務領域的服務與支撐，不斷提高泵站的智能化水平，才能最大程度地發(fā)揮水利信息化資源在泵站管理中的效率。

2.1 智能研判體系建設

建立江都水利樞紐泵站關鍵信息標準化模型，對智能感知體系采集的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)、系統(tǒng)、業(yè)務的研判，針對泵站主機、輔機、閘門、清污機、水工建筑等全站設備形成設備運行分析告警知識庫，依托智能化抽取與分析算法，過濾信息系統(tǒng)的原始數(shù)據(jù)并從中挖掘設備運行的特征數(shù)據(jù)，最終實現(xiàn)泵站的智能研判[10]。

2.1.1 智能數(shù)據(jù)抽取

采用智能抽取算法，對信息系統(tǒng)提供的原始數(shù)據(jù)進行分析和抽取。有效性判斷策略包括：1）偏差篩選。剔除相同類型數(shù)據(jù)中偏差較大的數(shù)據(jù)，如剔除振動數(shù)據(jù)中變化幅值與其他測點存在明顯差別的信息。2）穩(wěn)定性篩選。剔除不穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，比如機組開機非穩(wěn)態(tài)情況下的振動擺動或溫度。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，如 1 組振動數(shù)據(jù)最終形成 1 個值。

2.1.2 智能分析

采用人工智能分析算法與挖掘手段，對智能抽取過濾后的有效數(shù)據(jù)進行挖掘，獲得能夠表達設備或系統(tǒng)運行狀態(tài)的特征信息。智能分析算法包括趨勢、極值、啟停、綜合計算、相關性、線性擬合、專業(yè)、數(shù)學模型等分析。

在智能分析的基礎上，根據(jù)工程實際情況、理論知識和實踐經驗建立整體研判體系，形成告警庫。告警方式主要有：1）短期研判告警。對當前設備運行數(shù)據(jù)的斜率與分析獲得的標準趨勢進行比較，如果短期階躍較大則進行告警。2）長期趨勢告警。分析得到的長期趨勢如果超過閥值則進行告警。3）故障診斷。得到與故障或事故關聯(lián)的信息，在故障發(fā)生時或發(fā)生前可以利用發(fā)現(xiàn)的關聯(lián)規(guī)則準確及時地進行故障診斷，指導運維人員及時、高效地處理事故或故障。

2.1.3 智能報告

利用電量、溫度、振動、擺度、噪聲、位移等數(shù)據(jù)趨勢和分級告警研究成果，以電氣設備、主機組、輔機和水工建筑物為單元，結合多個關聯(lián)數(shù)據(jù)之間的綜合分析，建立設備狀態(tài)分級評價模型，實現(xiàn)泵站安全評價。同時，研判結果通過系統(tǒng)故障樹和發(fā)光字圖形化展示，自動匯總當日、當月、當年系統(tǒng)內的報警情況，運行管理人員可根據(jù)設備的報警狀態(tài)實時調整維修保養(yǎng)計劃，實現(xiàn)泵站設備的智能精準維護，提高運行設備的可靠性。

2.2 智能控制系統(tǒng)開發(fā)

建立夾江段及芒稻河段一維非恒定流模型，結合三江營附近水位站監(jiān)測的長江實時潮位，推求江都抽水站進水池水位變化趨勢；利用歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)，對主機組特性曲線進行標定，建立準確的水泵運行模型；利用優(yōu)化調度算法，對影響泵站出水口水位變化的關鍵因素進行關聯(lián)分析，建立出水口水位變化趨勢的計算模型；利用運行和計算模型，結合歷史調度經驗，設計泵站智能調度的整體策略，最終實現(xiàn)泵站的智能調度控制。

2.2.1 泵站優(yōu)化調度

實現(xiàn)泵站不同模式下的運行是優(yōu)化調度模塊的總體目標，即依據(jù)電價、調度等要求確定每天某一固定時段所需要的抽水量，在每一個固定時段再根據(jù)此時段所需要的抽水量、水泵自身的功率約束、水泵水量與功耗的對照表，選擇最經濟的、安全可靠的，最大流量的泵站配置方案。泵站優(yōu)化調度主要實現(xiàn)能耗、費用、效率、排澇 4 個方面的優(yōu)化，每個方面的優(yōu)化均通過以下 3 個步驟實現(xiàn)：

1）下游潮位預測。未來時段下游水位的預測采用循環(huán)神經網絡（RNN）中的長短期記憶網絡（LSTM）完成，該網絡適合處理和預測時間序列中間隔和延遲非常長的場景。下游潮位預測，將結合上下游水位長序列實測值，以及最近 72 h 實測值，預測未來時段下游水位變化趨勢。

2）上游水位計算。上游水位的推求要根據(jù)河網初始條件、多變量尋優(yōu)時假定的機組運行狀態(tài)，結合時間步長依次求解，求解時采用簡化的水動力模型，結合邊界條件及開機狀況計算得到上游水位變化。上游水位計算結果既是河網水位約束的判定依據(jù)，也是假定的機組運行狀態(tài)下實際揚程計算依據(jù)。

3）優(yōu)化求解。優(yōu)化求解是對機組運行狀態(tài)調整次數(shù)，以及單個狀態(tài)的持續(xù)時長、葉角和開機臺數(shù)進行優(yōu)選，提供不同模式運行的泵站最優(yōu)配置方案，達到泵站的等流量和等水位控制目標?？紤]到機電設備的性能，機組運行狀態(tài)調整的次數(shù)為有限值。單個狀態(tài)的持續(xù)時長、葉角、開機臺數(shù)，屬于多變量非線性優(yōu)化問題，采用遺傳算法求解。同時，在算法的求解過程中也要考慮揚程、峰谷電價、機組效率和設備安全等約束條件。通過優(yōu)化求解，可實時計算出泵站優(yōu)化運行的葉角、臺數(shù)及時段。

2.2.2 泵站智能控制

梳理泵組的運行經驗，研究電氣設備、主機組、油氣水等系統(tǒng)的最佳啟停策略，實現(xiàn)電氣設備、主機組、輔機的自動閉環(huán)控制和智能保護。制定泵站的“一鍵啟停”開機、停機、事故停機等流程，實現(xiàn)“一鍵啟停”指令下發(fā)后，主機、輔機設備，工作、事故閘門按照設定的流程自動操作，減少或杜絕人工干預，從而提高開停機過程的智能化程度，減輕運行維護人員的勞動強度。事故停機流程也可由觸發(fā)條件自動觸發(fā)，自動斷開斷路器，關閉輔機、閘門等設備，實現(xiàn)整個過程的無人干預。

1）“一鍵啟?！笨刂企w系的建立。常規(guī)而言，在 PLC 子站中可以實現(xiàn)泵站的供水、勵磁、葉片調節(jié)裝置、真空等系統(tǒng)的控制，為設計功能組提供足夠的控制信號及信息?！耙绘I啟動”基本完成機組啟動任務，表現(xiàn)在機組已投入運行并穩(wěn)定在一定流量狀態(tài)；“一鍵停止”應以水泵主機停運、破壞真空為終點?！耙绘I啟?！笨刂企w系由以下 2 個模塊組成：a.“一鍵啟停”模塊，各水泵機組在不同狀態(tài)實現(xiàn)全程無人干預的啟停自動控制，運行人員只要操作1 個控制鍵就可完成全部系統(tǒng)和設備的控制過程；b.控制巡檢聯(lián)動模塊，對泵站“一鍵啟?！笨刂葡到y(tǒng)與巡檢系統(tǒng)進行有效協(xié)調，提高對泵站設備的監(jiān)控能力[11]。

2）優(yōu)化調度模型的集成。依據(jù)需要，優(yōu)化調度模型在泵站原監(jiān)控系統(tǒng)中可以將優(yōu)化調度模型直接嵌入泵站自動化系統(tǒng)中，根據(jù)泵站現(xiàn)有狀況及要求計算出不同運行模式的參數(shù)，這種方式雖然比較直接，但是計算耗時，實時性較差，常用于不需頻繁更改泵站參數(shù)的經濟運行模式中。各種狀況下不同要求的運行參數(shù)都可以利用優(yōu)化調度模型計算出，匯總成經濟數(shù)據(jù)庫，在泵站自動化運行系統(tǒng)中，根據(jù)現(xiàn)有狀況及要求從數(shù)據(jù)庫中提取經濟運行參數(shù)，即可實施針對性的運行模式，這種方式雖然比較繁瑣，但是實時性較好，大多用于需要實時調整泵站參數(shù)的經濟運行模式中。

2.2.3 泵站設備管理

江都水利樞紐泵站設備的維護保養(yǎng)是指將分布在不同位置的各種類型的設備統(tǒng)一管理起來，這樣可以對設備進行以下管理和評估：

1）設備運行管理。對機組累計總運行時長、單月運行時長、維修時間、運行狀態(tài)評估等進行對比，運行人員可以根據(jù)機組運行狀態(tài)合理選擇機組設備進行運行。

2）設備拆換管理。根據(jù)機組的檢修周期要求進行拆換維修，記錄拆換的設備號、所處現(xiàn)場位置、設備功能、技術改造部位等。

3）設備狀態(tài)實時評估。機組設備狀態(tài)實時評估是對整個機組全生命周期的歷史狀態(tài)結合當前運行狀態(tài)進行的評價，根據(jù)評價結果顯示當前各機組狀態(tài)。根據(jù)機組安裝驗收數(shù)據(jù)、振動、擺度、溫度、維護拆換數(shù)據(jù)等參數(shù)建立設備狀態(tài)評價模型，對采集的實時數(shù)據(jù)提取狀態(tài)特征參數(shù)，計算當前的狀態(tài)特征值，調用相應的狀態(tài)評價模型，得出機組的狀態(tài)評估結果。

3 泵站智能化技術研究的成果分析

江都水利樞紐通過智能研判體系建設和控制系統(tǒng)開發(fā)的研究，可實現(xiàn)的具體成果如下：

1）實現(xiàn)了泵站多角度、多維度的數(shù)據(jù)分析。通過對采集數(shù)據(jù)的智能抽取與提取，對過濾后的有效數(shù)據(jù)進行挖掘，獲得能夠表達設備或系統(tǒng)運行狀態(tài)的特征信息，并通過多角度的研判分析挖掘采集數(shù)據(jù)之間的趨勢、關聯(lián)關系等，為通用業(yè)務的應用提供輔助決策。

2）提出了一種基于預測技術的告警策略。運行過程可對閾值參數(shù)智能優(yōu)化，利用預測模型對相關數(shù)據(jù)進行組合評判并提前預警，解決了傳統(tǒng)泵站控制方式的人工經驗依賴性問題，并根據(jù)現(xiàn)場在線實時監(jiān)測設備運行狀況，迅速將相關故障反饋給運行人員，提高了運行管理水平。

3）提出了泵站優(yōu)化調度方法?？筛鶕?jù)某時段實際工況，求解優(yōu)化調度方案，計算出最優(yōu)的運行方案，從而提升泵站優(yōu)化運行模式的經濟和社會效益，為今后設備改造投資的盈虧分析提供依據(jù)。

4 結語

本研究針對江都水利樞紐泵站的控制應用需求，從智能研判和控制 2 個方面，重點解決了泵站由自動化向智能化跨越這一水利信息化發(fā)展必須面對的問題和挑戰(zhàn)，構建了泵站智能化技術應用體系，提高了工程調度決策、指令執(zhí)行的精準性，加強了泵站設備的運行狀態(tài)監(jiān)管，促進了泵站工程安全、高效、經濟運行。盡管本研究提出了部分關鍵的泵站智能化技術，但研究還不夠全面，如移動機器人巡檢、與視頻系統(tǒng)聯(lián)動等還未進行深入的研究。下一步，江都水利樞紐將繼續(xù)進行更多方面的探索，努力通過智能化技術研究不斷提高工程管理水平。