張 英

( 廣東省源天工程有限公司，廣東 廣州 511340 )

東江水利樞紐位于東江下游惠城區(qū)和博羅縣之間的東江河段泗湄洲島處，上距惠州市惠城區(qū)約9.4 km，下距博羅水文站3.3 km，集水面積25 325 km2，屬東江干流階梯規(guī)劃中第十一個(gè)梯級(jí)。樞紐主要由布置在左、右河汊的攔河閘壩、通航船閘、水電站以及連接土壩組成。東江水利樞紐具有3座大型泵站，是該水利樞紐工程的核心，其正常運(yùn)行與否會(huì)影響到惠州市社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[1-4]。

1 泵站運(yùn)行概況

當(dāng)前，東江水利樞紐泵站工程已基本完成了自動(dòng)化控制系統(tǒng)的建設(shè)，基本實(shí)現(xiàn)泵站運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)采集和及設(shè)備運(yùn)行的自動(dòng)化控制。但是自動(dòng)化控制的智能化水平一般，智能化程度不夠，從本質(zhì)上來(lái)講，泵站開停機(jī)等的自動(dòng)化操作僅僅是將操作控制開關(guān)控制從開關(guān)柜前集中到了計(jì)算機(jī)屏幕前，操作仍需要人工進(jìn)行控制。該水利泵站運(yùn)行時(shí)的流量、經(jīng)濟(jì)、安全等運(yùn)行指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)性能無(wú)法實(shí)現(xiàn)智能化控制，嚴(yán)重影響東江水利樞紐泵站的管理水平。

東江水利樞紐泵站智能化控制的現(xiàn)狀情況及問(wèn)題分析如下：

(1)運(yùn)行數(shù)據(jù)分析及研判能力較差。從東江水利泵站的運(yùn)行情況來(lái)看，自動(dòng)化控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)主機(jī)組、電氣設(shè)備、輔助設(shè)備、斷流設(shè)施、金屬結(jié)構(gòu)、進(jìn)出水建筑物混凝土結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)等數(shù)據(jù)的采集和儲(chǔ)存，可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的查詢、展示和匯總，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的智能化處理和智能化分析，無(wú)法有效的利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化的發(fā)展趨勢(shì)研判，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)泵站運(yùn)行設(shè)備的智能化評(píng)估，無(wú)法對(duì)泵站運(yùn)行進(jìn)行智能化預(yù)警。

(2)泵站處于不同工況下無(wú)法實(shí)行運(yùn)行模式的智能化調(diào)整。當(dāng)前，東江水利樞紐泵站建設(shè)有實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，泵站在運(yùn)行過(guò)程中，具有了數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)展示、報(bào)警等功能，該功能主要是從運(yùn)行安全的視角進(jìn)行考慮，泵站運(yùn)行狀態(tài)的精準(zhǔn)執(zhí)行和一鍵啟停等重要需求沒(méi)有實(shí)現(xiàn)智能化控制，影響泵站的管理水平，降低泵站的經(jīng)濟(jì)效益。

綜上所述，東江水利樞紐泵站的運(yùn)行自動(dòng)化控制中智能化水平還有待提高，如何將智能化控制技術(shù)與水利泵站的運(yùn)行控制進(jìn)行深度融合，加強(qiáng)對(duì)泵站主機(jī)組、電氣設(shè)備、輔助設(shè)備、斷流設(shè)施、金屬結(jié)構(gòu)、進(jìn)出水建筑物混凝土結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)等采集數(shù)據(jù)的智能化處理和智能化分析，拓展其對(duì)泵站運(yùn)行狀態(tài)的研判及預(yù)警研究，提高泵站的智能化控制及管理水平[5]，是急需進(jìn)一步研究的問(wèn)題。

2 泵站智能化技術(shù)方案的構(gòu)建思路

2.1 智能化技術(shù)總體框架分析

為實(shí)現(xiàn)東江水利樞紐泵站智能化技術(shù)的建設(shè)和應(yīng)用，經(jīng)技術(shù)調(diào)研，確定采用模塊化數(shù)據(jù)體系進(jìn)行智能化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。模塊化數(shù)據(jù)體系有效地對(duì)數(shù)據(jù)源進(jìn)行了統(tǒng)一，系統(tǒng)分析和處理的核心對(duì)象集中在數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器上，簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)智能化分析和處理的工作量?；谝陨显O(shè)計(jì)思路，確定東江水利樞紐泵站智能化設(shè)計(jì)的方案總體框架如圖1所示。

圖1 東江水利樞紐泵站智能化技術(shù)的總體框架示意圖

智能化技術(shù)方案的核心主要包括智能研判體系、智能控制系統(tǒng)和泵站數(shù)據(jù)三大部分。智能研判體系包括智能抽取模塊、智能分析模塊、智能報(bào)告三部分；智能控制系統(tǒng)包括優(yōu)化調(diào)度模塊和智能控制模塊兩部分；泵站數(shù)據(jù)主要有主機(jī)控制、安全監(jiān)測(cè)等部分[6]。

2.2 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

東江水利樞紐泵站智能化技術(shù)實(shí)現(xiàn)主要是需要智能研判體系和智能控制系統(tǒng)進(jìn)行有效結(jié)合。

(1)智能研判體系。以泵站管控一體化平臺(tái)采集的實(shí)時(shí)及歷史數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)泵站運(yùn)行數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)研判，從而完成泵站運(yùn)行的智能預(yù)警及運(yùn)調(diào)方案的智能建議。

(2)智能控制系統(tǒng)?；诋?dāng)前東江水利工程對(duì)于目標(biāo)水位和流量的參數(shù)，結(jié)合該泵站工程的各運(yùn)行條件，對(duì)泵站運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行智能化控制設(shè)計(jì)。

3 泵站智能化技術(shù)的實(shí)現(xiàn)分析

結(jié)合5G應(yīng)用、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、邊緣計(jì)算及人工智能等技術(shù)開展水利泵站智能化控制技術(shù)的應(yīng)用研究，提高利用數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行深度分析處理及趨勢(shì)研判的智能化，為泵站工程安全、高效、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供保障。

3.1 智能研判體系的構(gòu)建

智能研判體系包括優(yōu)化調(diào)整模塊、智能分析模塊、智能報(bào)告三部分。對(duì)泵站數(shù)據(jù)進(jìn)行智能抽取，并實(shí)現(xiàn)智能分析和智能報(bào)告，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)泵站的智能研判[2]。

3.1.1 智能抽取模塊

對(duì)泵站系統(tǒng)采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和抽取，有效性判斷主要有偏差篩選、穩(wěn)定性篩選和數(shù)值統(tǒng)計(jì)三個(gè)步驟。

(1)偏差篩選。根據(jù)精大誤差判別準(zhǔn)則，剔除一堆相同類型數(shù)據(jù)中偏差比較大的可疑值。

(2)穩(wěn)定性篩選。為提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，采用智能算法對(duì)采集到的不穩(wěn)定數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除。

(3)數(shù)值統(tǒng)計(jì)。將相同類型的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)值統(tǒng)計(jì)方法整理成單個(gè)值。

3.1.2 智能分析

基于人工智能的大數(shù)據(jù)信息快速抽取算法，對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析，取得泵站運(yùn)行的關(guān)鍵特征參數(shù)，結(jié)合東江水利樞紐泵站的運(yùn)行實(shí)際，給出了短期研判、長(zhǎng)期研判和故障分析三類預(yù)警庫(kù)。

(1)短期研判預(yù)警。對(duì)采集到的泵站實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，如發(fā)現(xiàn)得到的標(biāo)準(zhǔn)趨勢(shì)在較短時(shí)間內(nèi)有較大的階躍，則系統(tǒng)會(huì)發(fā)出短期預(yù)警。

(2)長(zhǎng)期研判預(yù)警。取采集到的泵站實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)+前后時(shí)間內(nèi)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行長(zhǎng)期變化趨勢(shì)的研判，如得到的標(biāo)準(zhǔn)趨勢(shì)在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)有較大的階躍，將會(huì)超過(guò)系統(tǒng)所設(shè)置的閾值時(shí)進(jìn)行長(zhǎng)期預(yù)警。

(3)故障診斷預(yù)警。對(duì)采集到的泵站實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，如發(fā)現(xiàn)該數(shù)據(jù)信息與以往設(shè)備發(fā)生故障或事故數(shù)據(jù)的信息相關(guān)聯(lián)時(shí)，系統(tǒng)則會(huì)發(fā)出設(shè)備精準(zhǔn)故障診斷預(yù)警，必須通知設(shè)備維修和管理人員組織對(duì)設(shè)備進(jìn)行故障的診斷及處理。

3.1.3 智能報(bào)告

利用水利泵站設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的二次效應(yīng)參數(shù)(振動(dòng)、擺度、電量、溫度、噪聲、位移等)的變化趨勢(shì)和分級(jí)預(yù)警情況，以主機(jī)組、電氣設(shè)備、輔助設(shè)備、斷流設(shè)施、金屬結(jié)構(gòu)、進(jìn)出水建筑物混凝土結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)為單元，綜合全部采集數(shù)據(jù)進(jìn)行智能關(guān)聯(lián)分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的智能報(bào)告。同時(shí)智能報(bào)告結(jié)果通過(guò)系統(tǒng)故障樹和發(fā)光字圖形化進(jìn)行展示，給設(shè)備的維修和保養(yǎng)提供時(shí)間和位置維度的智能建議。

3.2 智能控制系統(tǒng)的構(gòu)建

3.2.1 泵站優(yōu)化調(diào)度模塊

東江水利泵站在運(yùn)行過(guò)程中，消耗能源較大，從以往的實(shí)踐應(yīng)用來(lái)看，存在著很多的無(wú)用功，造成了東江水利泵站的運(yùn)行成本較高。泵站優(yōu)化調(diào)度模塊的作用是根據(jù)電價(jià)、調(diào)度等要求，結(jié)合東江水利泵站工程情況、運(yùn)行工況和運(yùn)行時(shí)間、年供水量等參數(shù)，確定泵站最佳運(yùn)行設(shè)置方案，達(dá)到能耗優(yōu)化、費(fèi)用優(yōu)化、效率優(yōu)化和排澇優(yōu)化的目的。優(yōu)化步驟如下：

(1)下游潮位預(yù)測(cè)。對(duì)東江水利泵站下游水位的預(yù)測(cè)采用基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的短期和長(zhǎng)期預(yù)測(cè)，結(jié)合東江的潮位、上游徑流量的歷史數(shù)據(jù)和72 h實(shí)測(cè)值，預(yù)測(cè)東江下游未來(lái)各時(shí)段的水位變化趨勢(shì)，探索其變化發(fā)展。

(2)上游水位計(jì)算。對(duì)東江水利泵站上游水位的計(jì)算采用基于σ坐標(biāo)變換和水位函數(shù)法的立面二維水動(dòng)力學(xué)模型，將計(jì)算出來(lái)的上游水位做為主機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)下實(shí)際揚(yáng)程的計(jì)算依據(jù)。

(3)優(yōu)化求解。以泵站設(shè)備安全、揚(yáng)程、峰谷電價(jià)和機(jī)組效率約束條件，構(gòu)建泵站運(yùn)行的數(shù)據(jù)模型，將葉角、臺(tái)數(shù)、時(shí)段進(jìn)行離散處理，構(gòu)建目標(biāo)參數(shù)泵站的狀態(tài)矩陣，可求解最佳參數(shù)。

3.2.2 泵站智能控制

根據(jù)東江水利泵站的運(yùn)行實(shí)際來(lái)看，其智能化控制主要是實(shí)現(xiàn)一鍵啟動(dòng)、一鍵停止、調(diào)度模型集成三方面的功能。實(shí)現(xiàn)在設(shè)備啟動(dòng)、停止、調(diào)度過(guò)程中，減少人工干預(yù)，提高設(shè)備自動(dòng)化和智能化程度，有效地降低工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高設(shè)備運(yùn)行的安全性和可靠性。

(1)“一鍵啟停”智能控制體系的構(gòu)建?！耙绘I啟停”智能控制體系包括“一鍵啟?！蹦K和控制巡檢聯(lián)動(dòng)模塊。通過(guò)“一鍵啟?！蹦K，管理工作人員可以在手機(jī)端和電腦端遠(yuǎn)程無(wú)人干預(yù)采用一鍵控制對(duì)設(shè)備進(jìn)行啟停自動(dòng)控制，大大減少了工作時(shí)間，有人即可控制泵站；通過(guò)控制巡檢聯(lián)動(dòng)模塊，加強(qiáng)對(duì)“一鍵啟?！蹦K的遠(yuǎn)程監(jiān)控，提高設(shè)備啟停運(yùn)行的安全性和可靠性。

(2)優(yōu)化調(diào)度模型的集成。在泵站運(yùn)行原監(jiān)控系統(tǒng)當(dāng)中，將泵站優(yōu)化調(diào)度模型直接嵌入泵站自動(dòng)化系統(tǒng)中，將實(shí)時(shí)采集到的泵站運(yùn)行參數(shù)計(jì)算出不同運(yùn)行模式的參數(shù)，實(shí)時(shí)性較好。

4 效果分析

針對(duì)東江水利樞紐泵站的實(shí)際情況，構(gòu)建了大型泵站運(yùn)行智能化技術(shù)方案，并投入到了實(shí)踐應(yīng)用當(dāng)中，應(yīng)用效果理想。東江水利泵站智能化控制系統(tǒng)的應(yīng)用保障了泵站的正常運(yùn)行，有效提高了工程調(diào)度決策、智能執(zhí)行的精準(zhǔn)性，促進(jìn)了泵站工程的安全、高效、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；泵站智能化控制系統(tǒng)的應(yīng)用大幅度降低了工作人員數(shù)量和勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)能降耗效果顯著，泵站安全事故率降低了90%，為東江水利管理處取得了較好的安全經(jīng)濟(jì)效益。