大型水利枢纽泵站智能化技术研究

蒋德润

摘 要：随着信息技术的飞速发展，人们对泵站使用管理的要求越来越高，泵站的智能化发展有一个不断探索、丰富、创新、完善的过程。在泵站工程施工的过程中，需要做好全方位的质量控制工作，也就做好严格和有效的施工管理工作，确保施工的有效性。

关键词：大型水利枢纽;泵站;智能化;技术

1.智能化传感技术的应用，大大提高了泵站信息处理能力

1.1实现感知与处理一体化的智能传感器

智能型传感器融合了传统传感器的感知体、信号传输电路和微处理器等功能，增强了抗干扰能力，使二次仪表功能更加强大。它既有数据处理、阈值判断、逻辑配置、自身数据通信交互、串口输出、模拟量输出、网络通信等多种形式的数据输出功能，又有自描述功能。自述功能不僅能提供自述信息、自述属性、自述状态信息等，还能与系统进行交互，实现自述参数的选择等，真正实现即插即用。

1.2具有自我诊断能力的智能传感器

为确保正常使用具有足够的精确度，按照规范和使用要求，传感器在使用之后需要进行定期的检查和有效的标定工作，从而在施工现场就进行有效的控制工作，在拆卸之后送往实验室进行检查的工作，也就保证了使用的有效性。在传感器出现了故障时，维修人员一般是无法及时发现和处理的，故障的排除也需要经过一个复杂的分析处理过程，有时很难解决问题。该智能传感器能在工作时按设定的时间自我检测，实时将自己的状态信息发送到中央控制室，利用 EPROM中保存的测量特性数据和实测数据的比对，确定有无故障，根据内置的解决方案实现在线自动校正。

2.泵房智能技术分析

2.1水泵电机智能技术

电动机用泵要实现智能化，必须采用泵站电控系统，在电控设计时，可选用多种传感器，用 PLC进行数据采集和处理，用触摸屏直观地显示数据，用 VPN路由器配置数据远传模块，实现数据的远程监控，从而实时了解泵站的运行情况，全面实现泵站智能化操作。

2.2人力定位系统

人位系统利用物联网中的位置追踪技术，对进入泵站区域的人员进行位置追踪。使用 RFID、 WiFi、 ZigBee等局域网络无线通信、 LoRa低功耗 WAN通信、4 G/5 G广域移动通信等技术，并结合相关的定位算法，实时记录并存储站内人员的活动轨迹、位置、进出泵站时间、停留时间等信息，动态监测禁入或进入危险区域，并自动报警，实现了站内人员的动态管理，保证了现场工作人员根据自己的权限在规定的时间到指定的工作区域工作。配合安全监控系统，大大提高了泵站的安全运行水平。

2.3智力分析

通过人工智能分析算法和挖掘方法，对智能抽取过滤后的有效数据进行挖掘，得到特征信息，用以表达设备或系统的运行状态。智能化分析算法主要有趋势分析、极值分析、停机分析、综合分析、相关性分析、线性拟合、专业化分析等。以智能化分析为基础，结合工程实际、理论知识和实践经验，构建整体研判系统，形成预警数据库。报警方式主要有：1）短时报警;对比目前设备操作资料的斜率和分析所获资料的标准趋势，在短时跳跃较大时发出警报。2）长期趋势预警;如果超过阀值，则分析结果的长期趋势将显示出来。3）故障分析。获取与故障或事故相关的信息，能够在故障发生时或出现之前，利用已发现的关联规则及时、准确地进行诊断，指导操作人员对事故或故障进行及时、有效的处理。

2.4电动式水泵的控制

电动机用泵，其控制回路包括：串联各模拟量采集模块;模拟量采集模块与控制回路的 PLC控制芯片电连接;模拟量采集模块与灌溉工程泵站的液位传感器及变频器电连接;液位数据信号的采集;变频器运行电流的采集; PLC控制芯片上传到电机用泵的控制上。本实用新型可以在电机泵的控制调节过程中，通过 PLC控制芯片自动控制信号，实现对相应变频器的操作停止和手动自动控制切换。

2.5大数据应用模式研究

单泵站数据量大，类型少，只有在长序列时，数据量才会急剧增加。然而，对于梯级泵站群而言，其数据的数量、类及其挖掘、分析、管理等突出了大数据的特点，需要利用大数据技术进行处理。

2.5.1梯级泵站大容量资料平台

该方法适用于梯级泵站群优化调度问题，具有通用性、复杂性、多样性和长序列性。包括水文、气象、工程安全、电力、运行参数、运行规则等多类数据，数据格式包括简单数值、视频、图象等多类数据，这些庞大的数据组成了泵站大规模数据库。运用大数据服务平台对比分析了梯级泵站所在流域的降水量、河道流量、电力供应状况、气候条件、设备运行情况等信息，预测出了梯级泵站的调水指标和方案，减少了能耗，节约了水资源，取得了显著效益。

2.5.2泵站运行管理事务

在云计算的高效应用过程中，大数据使得分散式的计算能力大大提升，在全方位的数据平台的控制之下，有效的进行了采集和储存等一系列的工作，从而在全方位的管理和控制中提升了工作的效果，实现了安全、可靠、易用、低成本。本系统还可以与其它传统自动化系统进行无缝连接，收集有用数据，为灌排行业提供大数据相关业务的应用、数据分析和挖掘服务。借助于这个服务平台，泵站操作人员可以迅速完成业务部署和管理计划。

2.6优化泵站调度

在不同模式下实现泵站的运行，是优化调度模块的总目标，即：根据电价、调度等要求，确定每天某一固定时段所需的泵流量，并根据该时段所需的泵流量、泵本身的功率限制、泵用水量和耗电量，选择最经济、安全、可靠的泵站配置方案。通过以下三个步骤，实现了泵站优化调度的能耗、费用、效率、排涝等四个方面的优化，并取得了良好的效果：

1）潮汐下游预测。利用 RNN （LSTM）中的长短期记忆网络（LSTM）实现对未来时段下游水位的预测，该网络适用于处理和预测时间序列中间隔和延迟较长的场景。通过上下游水位长序列的实测值和最近72 h的实测值，预测出下游未来时段的水位变化趋势。

2）计算上游水位。在上游水位的推求过程中，应根据河网初始条件、多变量寻优的前提下假定机组运行状态，结合时间步长依次求解，求解过程中采用简化的水动力模型，结合边界条件和开机条件来计算。计算上游水位的结果，既可作为确定水位限制的依据，也可作为确定机组实际扬程的计算依据。

3）求解优化。最佳解法是选择机组运行工况调整次数、单台机组运行工况持续时间、叶角、通电台数，给出不同运行模式下的泵站最佳配置方案，从而实现泵站等流量、等水位控制目标。鉴于机电设备的性能要求，机组运行状态调节次数是有限的。单态持续时间、叶角、开机台数属于多变量非线性优化问题，用遗传算法求解。在求解过程中，还应考虑扬程系数、峰谷电价、机组效率和设备安全等约束因素。对该问题进行了优化求解，实现了泵站优化运行的叶角、台数和时间实时计算。

结论

智能化泵站的建设目标是在节能的前提下，还需要将系统结构进一步优化与提升，也就在长期稳定的运行中保证了用水的速率和效果。切实提升了安全管理和应急响应的工作能力，在一体化、智能化、安全稳定运行的泵站设计中发挥了更好地作用，从而更好地适应新技术的发展。

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（南水北调东线江苏水源有限责任公司淮安分公司，江苏 淮安 223000）