楊玉泉，謝 琪

(1.浙江同濟科技職業(yè)學院， 浙江 杭州 311231；2.杭州市河道與農(nóng)村水利管理服務中心，浙江 杭州 310000)

水泵站是將電能轉化為水能的綜合性工程。隨著我國城市化進程的加速，水泵站在解決洪澇災害、改善水環(huán)境等領域中起著其它水利工程不可替代的作用，已經(jīng)成為重要的城市基礎設施。排澇泵站主要以最快時間排除區(qū)域降水為首要考慮因素[1]。泵站運行工況復雜，常伴隨出現(xiàn)主機組異常溫升故障；不僅限制了主機組開機運行削弱了排澇能力，并易加速部件老化影響水泵運行性能，不及時消除隱患易造成泵站安全事故。水泵站安全運行涉及電氣、機械、水力和管理等多方面因素，準確識別異常溫升故障較為困難。因此及時發(fā)現(xiàn)設備缺陷，對設備進行維護和檢測，分析診斷和評估故障避免造成嚴重危害具有十分重要的意義。泵站系統(tǒng)的故障往往因果關系錯綜復雜，傳統(tǒng)的診斷方法以專家鑒定人工經(jīng)驗為主，但面對龐大數(shù)據(jù)存在無法確定的人為因素，較難實現(xiàn)理想效果。解決該問題的關鍵是如何準確識別異常溫升原因，建立大數(shù)據(jù)多因素關聯(lián)信息，提出針對性對策降低異常溫升故障發(fā)生頻率。為此，相關學者利用大數(shù)據(jù)技術做出了一定研究。朱法君[2]認為水利是大數(shù)據(jù)應用的傳統(tǒng)領域。陳飛軍等[3]界定水利大數(shù)據(jù)的概念。蔣云鐘[4]提出大數(shù)據(jù)理論技術與水利行業(yè)特點相結合開展研究。李寶等[5]建立了多沙水流泵站的故障監(jiān)測與診斷系統(tǒng)。侯德國[6]基于大數(shù)據(jù)記錄分析應用于黃水東調(diào)工程泵站運行管理。張鳳濤等[7]利用大數(shù)據(jù)分析技術優(yōu)化泵站節(jié)能降耗。水利部《關于推進水利大數(shù)據(jù)的指導意見》也已明確提出引導水利開放應用。本文基于實用需求，構建排澇泵站主機組分析云數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，篩選出各機組警報大數(shù)據(jù)及試驗數(shù)據(jù)，分析產(chǎn)生異常溫升原因并提出建議，為解決主機組異常溫升問題提供參考。

1 基于大數(shù)據(jù)技術的倉儲數(shù)據(jù)處理

在泵站運行過程中，為了及時了解各機組、設備的工作情況，需要對泵站的一些參數(shù)進行監(jiān)測。這些參數(shù)包括主機組的工作電壓、工作電流、機組功率、功率因數(shù)、流量、揚程、溫度、壓力、水位及輔助設備的運行情況等。泵站數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括模擬量、開關量和電能量的采集[8]。目前我國的大中型泵站實際運行中采用計算機監(jiān)控技術，其歷史數(shù)據(jù)庫一般采用商業(yè)數(shù)據(jù)庫，如MICRsOFT SQLSERVER或ORACLE等。在泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控過程中，將不斷地采集新的實際運行數(shù)據(jù)，如間隔一定時間采集記錄一組數(shù)據(jù)，并進行存儲并定期更新。所記錄的數(shù)據(jù)一般包括各機組的狀態(tài)數(shù)據(jù)、電量數(shù)據(jù)、非電量數(shù)據(jù)、報警數(shù)據(jù)、水位、流量乃至視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)等，結合各類報告、臺賬、觀測數(shù)據(jù)，形成大數(shù)據(jù)記錄庫。海量的數(shù)據(jù)需要尋找一種切合實際的出來方法。本研究提出一種“指數(shù)衰減法”進行大數(shù)據(jù)處理，需要將歷史數(shù)據(jù)庫云端化，并與云端運行管理數(shù)據(jù)合并為統(tǒng)一數(shù)據(jù)倉，建立泵站云數(shù)據(jù)倉?？刹捎肁DMA(Hardware of the Data Acquisition System and the MODBUS Protocol)開發(fā)模塊，它由母板和模擬信號輸入模塊、模擬信號輸出模塊、數(shù)字信號輸入模塊和數(shù)字信號輸出模塊組成。在利用該模塊的開發(fā)過程中，應用了內(nèi)嵌和隔離技術、多模式傳輸技術、設備驅動技術等。

大數(shù)據(jù)的核心就是挖掘出龐大數(shù)據(jù)庫獨有的價值[9]。大數(shù)據(jù)技術有別于應用傳統(tǒng)統(tǒng)計學分析數(shù)據(jù)之間因果關系的分析方法，基于大量數(shù)據(jù)信息，分析數(shù)據(jù)之間的相關性，能夠根據(jù)實際運行數(shù)據(jù)分析出最優(yōu)化的運行策略。在大型水利工程的運行過程中，需要對工藝參數(shù)和統(tǒng)計信息等一些大數(shù)據(jù)進行監(jiān)視和存儲，作為系統(tǒng)運行維護的記錄及總結運行經(jīng)驗的依據(jù)。大數(shù)據(jù)技術是云倉運營的核心技術，也是其與傳統(tǒng)方法最大的區(qū)別。面對每日的碎片化海量信息，大數(shù)據(jù)技術為科學決策提供了強有力的技術支撐。掌握泵站工程布置情況，了解泵站基本參數(shù)情況，運行管理情況。泵站主機組分析數(shù)據(jù)倉庫，總體框架如圖1所示。

圖1 水泵站大數(shù)據(jù)框架圖

其中數(shù)據(jù)存在中心也稱為大數(shù)據(jù)倉庫，它包含數(shù)據(jù)收集與整理、數(shù)據(jù)沉積、數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)管理等方面。

1.1 數(shù)據(jù)收集與整理

數(shù)據(jù)收集與整理是大數(shù)據(jù)倉庫建設的基礎工作之一。包括數(shù)據(jù)的收集、整理、校對、入庫、更新等工作。

1.2 數(shù)據(jù)沉積

將上述數(shù)據(jù)依據(jù)分類進行錄入，不斷充實數(shù)據(jù)倉庫的數(shù)據(jù)記錄，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和研究奠定基礎。這些數(shù)據(jù)包括基礎數(shù)據(jù)、檢測數(shù)據(jù)、試驗數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、專家數(shù)據(jù)、經(jīng)驗數(shù)據(jù)等，如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)沉積類別圖

1.3 數(shù)據(jù)集成

對泵站的各已建自動化系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)、實時數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)等按照一定規(guī)則對數(shù)據(jù)進行同步、抽取，對各系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行集成?；贏DAM的數(shù)據(jù)集成模塊的研發(fā)，綜合集成現(xiàn)有和新建系統(tǒng)數(shù)據(jù)，打通信息孤島，實現(xiàn)不同權限用戶的數(shù)據(jù)訪問和業(yè)務應用，達到信息資源共享和業(yè)務協(xié)同的目標。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用模糊數(shù)學的處理、信息化手段、模型算法等進行數(shù)據(jù)分析，包括傅立葉數(shù)據(jù)分析、函數(shù)窗數(shù)據(jù)分析、指數(shù)衰減分析、數(shù)值擬合分析等，實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的充分挖掘，分析結果再保存到數(shù)據(jù)倉庫中。

1.5 數(shù)據(jù)管理

建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)資源管理和數(shù)據(jù)服務平臺，提供對實時數(shù)據(jù)庫、關系數(shù)據(jù)庫、文件數(shù)據(jù)庫等標準接口，從而實現(xiàn)工程監(jiān)控、安全監(jiān)測、視頻等各類信息的存儲、管理及與應用系統(tǒng)、信息采集平臺的交互。系統(tǒng)設計思想：數(shù)據(jù)檢測與分析軟件可以從總體上分為兩大部分：數(shù)據(jù)檢測(采集)部分、數(shù)據(jù)分析處理部分。軟件總體設計目標：軟件必須集成數(shù)據(jù)檢測、數(shù)據(jù)分析處理兩大部分。軟件具有可擴展性，可以隨時加入新的算法，并能根據(jù)具體應用環(huán)境做出適應性開發(fā)。

2 案例分析

杭州市Q排澇泵站位于江干區(qū)河道錢塘江出口，泵站共布置7臺潛水軸流泵，總設計排澇流量為60m3/s，總裝機功率為3520KW，屬大(Ⅱ)型泵站。泵站始建于2009年，泵站以市區(qū)河道的流域內(nèi)防洪排澇、環(huán)境景觀配水為主，正常情況下，內(nèi)河道水位變幅不大，外江水位受潮汐影響變幅較大，因此水泵運行揚程變幅大，每次都經(jīng)歷從高揚程到最低揚程的運行過程。泵站常年承擔河道配水任務，處于基荷運行狀態(tài)，年運行時間長。當外江水位低于內(nèi)河水位時，停止機排，并開啟Q水閘采用自流方式排水。

該泵站原為河道配水為主，設備運行時間長，在夏季河道水位快速上漲過程中，機組長期處于開機運行狀態(tài)，常出現(xiàn)溫度異常升溫現(xiàn)象，系統(tǒng)報警后不得不停機。泵站由杭州H電力控制工程有限公司制作計算機監(jiān)控系統(tǒng)，從主機系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫通過編輯軟件獲取泵站運行基礎數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)源描述見表1。

表1 數(shù)據(jù)來源表

在構架大數(shù)據(jù)倉庫的基礎上，需要建設一款管理大數(shù)據(jù)倉庫的系統(tǒng)，用來管理七堡泵站主機組分析云數(shù)據(jù)庫。

主界面如圖3所示。

圖3 泵站主機組分析云數(shù)據(jù)庫圖

將該方法編譯為計算機動態(tài)鏈接庫(DLL)，開發(fā)了“Q泵站大數(shù)據(jù)倉庫管理信息系統(tǒng)V1.0”(國家軟件著作權登記號：2018R11L1440166)，為下一步開展泵站的主機組異常溫升原因分析、機組優(yōu)化調(diào)度奠定基礎。根據(jù)系統(tǒng)設置，電機溫度記錄有效時間范圍為2017年12月2日0時起，至2019年6月22日 20：54止，間隔30s時間自動記錄數(shù)據(jù)，共抓取到1545669條有效數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存儲空間近80G。根據(jù)泵站計算機監(jiān)控設計，1～7號泵每個泵分別由A、B、C三項定子溫度數(shù)據(jù)組成，一項軸承溫度(D)數(shù)據(jù)組成。4號、5號、6號泵運行時間較其他泵時間長，5號泵運行時間最長，7號泵運行時間最短。詳見表2。

表2 1～7號泵采集數(shù)據(jù)數(shù)量表

1號泵溫度表顯示出在運行過程中，測溫點A、B、C和D項100℃以下比例達99%，顯示出正常運行次數(shù)較高。其中，測溫點A顯示出1次處于超出臨界值126℃，測溫點B未顯示出異常升溫，測溫點C顯示出188次處于超出臨界值126℃，測溫點D為2次處于超臨界值。溫度最大值為200℃，記錄時間為2018年12月4日1：17至1：32，以及10：47。詳見表3。

表3 1號泵定子溫度和軸承溫度表

以此類推，2號泵溫度數(shù)據(jù)顯示出正常運行次數(shù)較高。未出現(xiàn)異常升溫記錄，溫度最大值為101℃。3號、4號泵溫度表顯示出泵在運行過程中，溫度100℃以下比例達99%，顯示出正常運行次數(shù)較高。5號泵溫度表顯示出泵在運行過程中，測溫點A、B和D項均在100℃以下，測溫點C溫度100℃以下比例達99%，顯示出正常運行次數(shù)較

高。其中，只有測溫點C顯示出超出126℃以上溫度，為215.4℃，記錄時間2018年7月30日19：55。6號泵測溫點A和B溫度顯示出超出126℃以上溫度比例高。7號泵測溫點B、C和D項100℃以下比例達100%，只有測溫點A顯示出超出126℃以上溫度，為153.7℃，記錄時間2018年9月17日13：02。

上述數(shù)據(jù)既有靜態(tài)的歷史數(shù)據(jù)中獲取信息，也有動態(tài)變化數(shù)據(jù)庫信息，具體導入方法本文不在贅述。經(jīng)系統(tǒng)運行對比，異常溫升主要原因分析：

(1)機組焊接頭質量方面。根據(jù)泵站電氣預防性試驗報告數(shù)據(jù)顯示，涉及到1～4號電機直流電阻數(shù)據(jù)波動較大等問題。電機繞組直流電阻增大的原因是焊接頭質量下降，因為繞組的電阻基本保持恒定不變，由于運行時間較長后，焊點接觸面等質量會產(chǎn)生不同程度受損。焊接頭質量下降后接觸異常進而造成電機溫度明顯升高。

(2)泵站管理操作方面。根據(jù)大數(shù)據(jù)庫大量溫升記錄中，存在短時間內(nèi)啟閉次數(shù)頻繁現(xiàn)象。汛期(4月15日—10月15日)由于城市內(nèi)河水位上漲迅速排水壓力驟增，異常溫升后數(shù)據(jù)記錄顯示關機。為保證降低內(nèi)河水位，需要短時間內(nèi)啟動泵機組，這就導致泵機組啟動次數(shù)時間間隔不合理，造成惡性循環(huán)。啟動功率過大，會造成電機過載而損壞。在短時間內(nèi)起動次數(shù)不宜過頻繁，由于該泵標準化管理驗收后操作應更加規(guī)范。泵站操作手冊需進一步完善，如：需要明確啟閉間隔時間。

(3)外部影響方面。泵站坐落于市區(qū)河道下游，出口雜質多。攔污柵清理記錄數(shù)據(jù)看，每日需清理漂浮物等垃圾，且體量較大。流道中液體的流態(tài)的穩(wěn)定性受到影響，嚴重者電機機組運行受損。巡查數(shù)據(jù)記錄發(fā)現(xiàn)金屬拍門銹蝕破損記錄，存在安全隱患，影響進泵流體平順出水，影響電機正常負荷。

(4)機械制造裝配方面。泵站在運行記錄顯示，存在軸承溫升異常加快現(xiàn)象，尤其在1～4號泵機組均出現(xiàn)過該類型情況。也存在短時瞬間溫度過高，溫升過快持續(xù)時間不長現(xiàn)象。如機組裝配不合理當、泵軸向推力增大、軸承產(chǎn)生彎曲或聯(lián)軸器不同心等，未能及時調(diào)直泵軸或校正同心度，極易產(chǎn)生發(fā)熱現(xiàn)象。由于該潛水泵型在日常未能提出水面觀察，僅作為可能存在的排除選項，需在今后年度維修中進一步研究驗證。

3 結語

本文針對排澇泵站運行過程中異常溫升問題，提出通過構建云數(shù)據(jù)庫分析異常溫升方法，將該方法編譯為計算機動態(tài)鏈接庫(DLL)，開發(fā)了“泵站大數(shù)據(jù)倉庫管理信息系統(tǒng)V1.0”，并以杭州某排澇泵站為例實現(xiàn)了有效數(shù)據(jù)分析。應用效果表明：基于大數(shù)據(jù)庫尋求解決排澇泵站異常溫升問題的方法切實可行，可為排澇泵站科學決策提供依據(jù)，具有一定的實際應用價值。