邵艷波 許正周

摘要：南水北調(diào)東線工程將按照市場化的方式運作，這就要求管理機構(gòu)在調(diào)水計劃制定、水價制定、合同管理、水量計量、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規(guī)則運行，要求價格合理、計量可信、水質(zhì)保證。為了降低運行成本，提高資本的收益率，必須實現(xiàn)泵站優(yōu)化調(diào)度和高效經(jīng)濟運行，降低機組故障率，提高其安全可靠性，對泵站機組運行狀態(tài)實施監(jiān)測與故障診斷。因此需建設(shè)泵站遠程故障診斷系統(tǒng)，來幫助現(xiàn)場泵站管理人員實時了解泵站的健康狀況，事前預(yù)警、事中告警應(yīng)急處理、事后評價，優(yōu)化工程管理，支持各級管理機構(gòu)調(diào)水過程的管理工作，實現(xiàn)對設(shè)備的實時在線狀態(tài)監(jiān)測和在線故障自動診斷，并且給出機組安全等級評價，極大提高機組的可靠性，延長無故障工作時間，減少檢修和維護費用，提高生產(chǎn)效率，保持設(shè)備良好狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)運行中的隱患，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)工程擴大規(guī)模，向北延伸。江蘇省內(nèi)調(diào)水線路總長852km，其中長江至洪澤湖445km，洪澤湖至駱馬湖270km，駱馬湖至下級湖137km。沿線輸水河道現(xiàn)狀大多具有防洪、排澇、航運、供水等綜合功能。

江蘇境內(nèi)從長江至南四湖地勢逐步抬高，高差約30m，江蘇段調(diào)水工程以京杭運河線為主，已建成江都、淮安、泗陽等9個梯級。

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，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，實現(xiàn)多水源互調(diào)互濟，統(tǒng)籌調(diào)度、多目標供水，因此工程可靠、高效、安全運行至關(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；運行狀態(tài)監(jiān)測及分析；趨勢預(yù)判、故障分析及告警等。

泵站現(xiàn)場通過環(huán)網(wǎng)交換機與遠程數(shù)據(jù)中心聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)遠程狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷等功能。其中，最為關(guān)鍵的現(xiàn)場故障診斷應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)，主要是利用振動、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、自學習、自診斷、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)。

信息采集層大部分數(shù)據(jù)可通過與泵站現(xiàn)有自動化監(jiān)控系統(tǒng)通訊提取，其它必要的數(shù)據(jù)根據(jù)實際情況加裝對應(yīng)的傳感器等前端設(shè)備進行補充采集。

（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、站點分布廣、可借鑒經(jīng)驗少、標準規(guī)范少以及受管理模式約束大的特點，需選擇泵站工程先行試點，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)、計算機網(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)、實體運行環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)信息安全8個部分。工程的建設(shè)目標是實現(xiàn)江蘇境內(nèi)工程調(diào)度運行管理的信息自動采集、運行監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)、智能分析處理、科學決策支撐，從而全面提高工程調(diào)度運行的現(xiàn)代化管理水平。系統(tǒng)具備實時掌握江蘇境內(nèi)泵站出口、省市縣際交水斷面、干線水文站的水量、水位、水質(zhì)、工程運行等調(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)測預(yù)報、水源優(yōu)化調(diào)度、調(diào)水過程的全線監(jiān)控和各級管理部門之間的異地會商等功能。

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、會商室、機房實體環(huán)境，監(jiān)測泵站工情、水量、水質(zhì)等信息，實現(xiàn)調(diào)水信息管理平臺綜合展示和查詢管理、視頻會議、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上外網(wǎng)的需求。監(jiān)控網(wǎng)主要是解決各相關(guān)站點的監(jiān)控、遠程控制、故障診斷系統(tǒng)的需求。調(diào)度管理網(wǎng)重點解決調(diào)度、工程運行、管理、辦公、視頻、會商等的需要。主要有信息采集、通信、網(wǎng)絡(luò)、管理支撐平臺及應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)等。

（二）試點泵站建設(shè)現(xiàn)狀

選取南水北調(diào)東線某泵站作為試點站，此站主要任務(wù)是通過與下級站聯(lián)合運行，向下游湖泊調(diào)水150m3/s。試點站工程包括泵站、擋洪閘、進水閘和上下游引河。泵站安裝立式全調(diào)節(jié)混流泵5臺套，設(shè)計揚程6m，單泵設(shè)計流量37.5m3/s，轉(zhuǎn)速125r/min，采用真空破壞閥斷流，配套同步電機功率3550kW、電壓10kV。另裝有1000kW定漿水輪發(fā)電機組。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。

試點站建有自動化監(jiān)控系統(tǒng)和視頻監(jiān)視系統(tǒng)，其中包括計算機監(jiān)控系統(tǒng)站控級服務(wù)器、工作站、工業(yè)以太網(wǎng)交換機、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)計算機設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。自動化監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對主、輔機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。視頻系統(tǒng)主要是對主輔廠房、節(jié)制閘、上下游河道的視頻監(jiān)視。

目前，自動化監(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)泵站實施條件，作為試點工程，目前完成了需求分析的工作，通過對振動、擺度、溫度、壓力、電氣、非電量等信息的監(jiān)測、分析、計算、判斷等，達到對泵站工程運行狀態(tài)的掌握，從而提前預(yù)判、告警，實現(xiàn)狀態(tài)檢修、降低現(xiàn)場值班人員的數(shù)量的質(zhì)量，達到降本的目的。具體內(nèi)容包括。

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

2.故障判別流程：為實現(xiàn)故障的計算機自動判別，匯總泵站可能出現(xiàn)的重要故障類型，以及每個故障的判別流程。

3.管理基本流程：以事前預(yù)警、事中告警應(yīng)急處理、事后評價的管理體系為目標，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)采集點范圍：根據(jù)管理范圍的要求，將試點站電氣、主機、輔機等系統(tǒng)納入系統(tǒng)采集范圍，從每個設(shè)備的每個部件環(huán)節(jié)按順序梳理需監(jiān)測的數(shù)據(jù)點。

數(shù)據(jù)采集點選取原則：按信息參考價值高、可直接監(jiān)測、可靠穩(wěn)定性高、便于安裝、自動監(jiān)測與人工監(jiān)測結(jié)合考慮。

數(shù)據(jù)采集點匯總表內(nèi)容：數(shù)據(jù)采集點匯總表包含目前監(jiān)測狀況、監(jiān)測方案、監(jiān)測傳感器選型、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，填報內(nèi)容詳細到數(shù)據(jù)具體來源和傳輸路徑。目前泵站監(jiān)控系統(tǒng)沒有的數(shù)據(jù)采集點，對未安裝且不熟悉的傳感器，采用在網(wǎng)上尋找相關(guān)監(jiān)測傳感器資料，參照類似項目的產(chǎn)品型號的方式進行比選。初步確定監(jiān)測方案、監(jiān)測傳感器選型、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：選取對主機安全運行影響較大故障，編制故障類型表。

故障的分析流程圖：將泵站在運行過程中故障發(fā)生時，人工憑經(jīng)驗排查故障的流程圖形化。

1、主電動機

（1）繼電保護跳閘（過流、過負荷、速斷、差動、低（過）電壓）?？赡墚a(chǎn)生的原因：保護裝置故障、電機故障、機械卡阻、電壓過低、勵磁故障、電纜故障、互感器故障等。

（2）瓦溫過高?？赡墚a(chǎn)生的原因：測溫系統(tǒng)故障、電機過載、油溫高、冷卻水流量低或水溫高、潤滑油劣化、油缸進水等。

（3）油溫過高?？赡墚a(chǎn)生的原因：冷卻水流量低或水溫高、潤滑油劣化、油缸進水等。

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

（5）振動異常。可能產(chǎn)生的原因：水泵過載、軸瓦磨損嚴重、抗重螺栓松動或脫落、擺度異常、軸心軌跡異常。

2、主水泵：振動異常?？赡墚a(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)，具有自動跟蹤、計算、分析等，實時定量（性）顯示變化趨勢。

（2）振動、開關(guān)量，具有實時采集、處理、存儲。

（3）故障報警準確、及時。

（4）采用實時數(shù)據(jù)庫存儲、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、數(shù)據(jù)中心及運維級三種。

（6）各畫面調(diào)閱快速、及時，系統(tǒng)的實時性、無故障運行時間、丟包率等系統(tǒng)指標滿足要求。

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

（8）按提供的輸出、報表等要求，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，可采用報文、框圖、流動字幕等顯示，字體為紅色，并伴有聲光信號。

（2）能實時提醒現(xiàn)場輔助處理故障的原因及方法。

（3）按定量（性）的要求，能通過計算分析，提前預(yù)測、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、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、試驗記錄輸入及顯示、開關(guān)量狀態(tài)監(jiān)測、報表、報告輸出

以上相關(guān)界面，根據(jù)現(xiàn)成各主輔設(shè)備運行技術(shù)參數(shù)關(guān)聯(lián)性，如振動、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)投入運行后，會對管理流程產(chǎn)生影響，以事前預(yù)警、事中告警應(yīng)急處理、事后評價的管理體系為目標，設(shè)計兩級管理模式，即泵站現(xiàn)場級和遠程級，與其他應(yīng)用系統(tǒng)采用接口對接。泵站現(xiàn)場級主要負責日常值班、人工定期輔助巡視、應(yīng)急事件處理、記錄處理過程和結(jié)果；遠程級主要負責故障判斷、編制人工輔助排查方案、編制現(xiàn)場處理方案、應(yīng)急事件處理、記錄診斷報告、維修建議等。