干旱季节期间的抽水站运行工况安全态势感知方法

杨金华

(云南省丽江市永胜县涛源镇农业综合服务中心水利办，云南 丽江 674100)

本文研究的抽水站位于涛源镇，该县区共拥有耕地面积超过0.933 3×104hm2，由于镇内具有较丰富的水文资源与土地资源，因此地方农业执行管理单位将该镇区列为主要农业生产区域。尽管该镇区的地理环境十分优越，但由于地区水源的匮乏，导致涛源镇也是永胜县“十年九旱”的主要地界[1]。由于该区域气候炎热、干旱少雨，人民群众生产生活用水绝大多数依赖抽水站供给。抽水站效益发挥好坏在移民的生产生活、库区稳定及乡村振兴、全面小康进程中起着至关重要的作用。为了进一步发挥地区抽水站的作用，本文将以地区干旱时期为例，提出一种针对抽水站运行工况的安全态势感知方法，以期为地区农业生产与灌溉、地区居住群体稳定生活提供更好的条件。

1 干旱季节期间的抽水站运行工况安全态势感知方法

1.1 干旱季节对抽水站运行影响分析

为了保证抽水站的稳定运行，并确保对其安全态势感知结果的有效性，本文将开展干旱季节对抽水站运行影响的综合分析。

结合研究地区抽水站作业区域的水文条件可知，地区在干旱季节作业时，抽水站中作业设备的运行大多处于超负荷状态[2]。设备在此种条件下长时间作业，不仅会加剧设备的老化，甚至还会影响到机组的寿命。抽水泵在作业时，其中电机呈现一种圆周运动趋势，机械装置的运行使泵内结构中隔膜在运行中做复式运动，通过此种方式，对水泵内的空气进行压缩，使内部形成一种真空结构，此种真空结构会与泵外空气形成一种压差，在压差的作用下，外部水体进入泵内腔体中，从而达到抽水的目的。

在对机组设备进行常规检查时发现，部分长时间处于作业状态的水泵已在高压状态下出现漏水等问题，造成机坑区域积水，部分机坑部位的积水现象较严重，导致机组的主泵无法正常作业。同时，机组部件在运行过程中，其中轴承结构、零构件等受到外界环境的干扰发生侵蚀，当作业机组的水轴承与油箱区域的水密封性失效后，其结构会在运行中处于长期进水的状态，部分粒径较小的泥沙也会顺着轴承结构渗入机组内部，从而造成水轴承与机组构件之间的间隙越来越大，由此对区域抽水站设备与相关机组的运行造成威胁[3]。当前端农业对水资源呈现需求状态时，会加剧抽水站相关设备的运转，而环境的不适将会影响抽水站的运转。由此可见，干旱季节对于抽水站的运行是存在负面影响的。

1.2 建立抽水站运行工况安全态势感知指标体系

为降低干旱季节对抽水站运行的影响，采用构建抽水站运行工况安全态势感知指标体系的方式，对抽水站运行过程中的情况进行综合评估[4]。在此过程中，引进ADS态势指标模型，明确该指标模型在实际应用中，会存在大量的不确定性因素对评估结果造成影响。因此，在构建评估体系时，引进效用理论，综合前文分析，结合风险效用函数，构建指标体系。对应的指标内容见表1。

表1 抽水站运行工况安全态势感知指标体系

其中A1指标适用于描述抽水站运行工况的主要指标，当A1指标失衡时，对应的抽水站机组运行将出现异常。考虑到机组运行出现严重失衡问题时，部分构件的运行将出现孤岛现象，为了更加及时地掌握抽水站运行工况，则需要建立一个针对抽水站运行工况的目标函数，将该函数作为依托，进行抽水站运行安全态势的感知。目标函数表达式如下：

(1)

式中：H为针对抽水站运行工况的目标函数；x为与抽水站运行机组连接的负荷节点；λ为机组节点重要性；S为机组运行容量；L为故障馈线长度；n为负荷开关，对应n=0是表示“开关闭合”，对应n=1时表示“开关打开”；M为机组失衡度；i为抽水站运行工况安全态势感知指标。

综合表1与式(1)中内容，完成对抽水站运行工况安全态势感知指标体系的构建。

1.3 基于模糊层次分析法评估安全态势预警等级

在完成上述相关研究后，参照ADS态势指标模型，引进模糊层次分析法，对抽水站运行工况的安全态势进行评估。将最后评估的结果进行安全等级划分，通常情况下，安全态势感知结果划分为4个等级，并根据不同等级对应的指数，进行安全态势预警等级的划分[5]。见表2。

表2 安全态势预警等级

表2中F为等级指数，考虑到指数计算的过程可能受到外界相关因素的影响与干扰，因此选择模糊计算法，进行F值的计算[6]。计算公式如下：

(2)

式中：Wk为等级指数；j为设备连接线路；α为最大指数的特征向量。

在完成对指数的计算后，对表1提出的指标内容进行权重划分，得到不同指标在安全态势感知过程中的权重值，并根据对应的指标权重，建立一个判断矩阵。矩阵表达式如下：

(3)

式中：u为计算结果一致度。

当上述判断矩阵成立时，证明引进ADS态势指标模型构建的指标体系成立。当对应的指标体系与评价等级满足评估需求时，可直接按照式(2)对F值进行计算，根据对接计算结果于对应的风险等级，进行抽水站运行工况安全态势的感知。以此种方式，实现对抽水站运行工况的实时监控，以此完成本文方法的设计研究。

2 实例应用分析

2.1 实验数据与实验方法

本次实践的场所为永胜县涛源镇抽水站，最低海拔为1 212.0 m，抽水站的扬程可以达到200～300 m。涛源镇属于典型的以种植业为主的农业大镇，镇内共有11 122户38 727人。目前中心水利办共管理镇属抽水站26座，总装机5 736 kW，灌溉面积0.2×104hm2以上，惠及全镇3万余人。该镇是鲁地拉电站的主淹没区，也是移民大镇，共有移民5 825户19 285人。为实现移民“稳得住、能发展”，镇党委政府持续加大产业结构调整力度，致力于将此地区打造为可代表区域经济建设与发展的绿色走廊。截至目前，使用抽水设备作为支撑种植的沃柑已超过0.24×104hm2，其他经济作物533.333 hm2以上。选择此区域的抽水站作为此次实例应用的试点场所，可以确保前端对抽水站运行工况进行实时感知，掌握不同设备在运行过程中存在的异常，避免由于设备运行异常造成的额外经济损失与安全事故。实验前，需要先掌握永胜县涛源镇抽水站的相关运行设备，具体内容见表3。

表3 永胜县涛源镇抽水站运行设备

在掌握支撑抽水站运行的相关设备后，以设备的综合运行负荷监控结果作为评估指标。在抽水站运行的前端布设一个运行设备综合负荷传感器，用于实时监控前端设备的集成运行情况，并建立传感器与终端预警设备之间的通信连接，当传感器识别到运行设备在高负荷运行状态下，超过前端设定的安全阈值范围后，将自动触发预警设备，此时前端将发出信号警报，以此种方式，便可以达到对抽水站运行工况实时感知的目的。在此过程中，以永胜县涛源镇抽水站一天24 h的运行状态进行监控。其中运行设备负荷量统计可用下述公式进行计算：

(4)

式中：P为运行设备负荷量统计结果；se为传感器设备；i为运行设备；j为设备连接线路；t为实验周期，本文此次研究的t值为24 h；γ为外界干扰因素。设定每间隔1 h执行一次安全评估。

2.2 实验结果与分析

对永胜县涛源镇抽水站运行设备在24 h内的运行情况进行评估，将计算得到的运行设备负荷量统计结果作为评价本文方法有效性的依据，实施此次实验，将实验结果绘制成折线图。见图1。

图1 抽水站运行工况安全态势感知结果

图1中，a与-a之间的负荷量统计结果为安全范围，当统计的P值在a与-a之间时，表示抽水站运行工况良好。b与-b表示为负荷极限值，当统计的P达到b或-b时，运行将发生异常。当统计的P值在[a，b]或[-a，-b]范围内时，将自动触发前端预警，表示抽水站在此时间段内的运行工况异常。综合图1所示的结果，进行不同时间段感知负荷值的统计，见表4。

表4 实验结果

由表2中的实验结果可知，在8～10 h、21 h等时段，永胜县涛源镇抽水站运行设备负荷量超出安全范围，此时前端将发出对应的预警。由此可以得出本文此次实验的结论：本文设计的干旱季节期间的抽水站运行工况安全态势感知方法，在实际应用中，可实现对抽水站中运行设备的负荷量的实时感知，从而为抽水站运转提供更好的技术支持。

3 结 语

为了提高抽水站的稳定运行能力，降低由于抽水站运行不稳定造成的经济损失，本文展开了干旱季节期间的抽水站运行工况安全态势感知方法的设计与研究。在完成相关研究后，采用实例应用的方式，验证了本文设计的方法在实际应用中，可实现对抽水站中运行设备的负荷量的实时感知，从而为抽水站运转提供更好的技术支持。通过抽水站的正常运转，进一步保证了涛源镇的农业灌溉用水问题，实现对现行产业发展结构的优化，保障了农业市场的生产总值，提高了地区农民个体的收入，为打造金沙江绿色经济走廊，奠定了坚实的基础。