南水北调东线泵站（群）运行监控数据标准化研究

王继民 ，朱跃龙 ，周 洲 ，万定生

（1. 河海大学计算机与信息学院，江苏 南京 210098；2. 南水北调东线江苏水源有限责任公司，江苏 南京 210029）

0 引言

泵站（群）指利用水利设施，以并联或串联形式将多个泵站联合在一起协同工作，完成排涝、提水等任务。南水北调东线工程输水系统以大型梯级泵站（群）为核心，从长江至东平湖，分 13 级提水，运行调度方式复杂，任务多样，是目前世界上最复杂的跨流域调水工程之一[1]。泵站运行监控数据是指泵站及相关的水利设施在运行过程或通过计算产生的与设备状态有关的各类信息的总称。南水北调东线工程涉及泵站和其他测量设备多，这些泵站和设备分属不同管理单位，泵站型号多样，建设时间不同，测量设备的测量方式差异等，从而造成泵站（群）运行监控数据的取值频率、尺度和时间上存在较大差异。泵站自动化监控系统收集了大量泵站运行时的工况、测控信息，各泵站平均采集指标多达上千种。除少量数据以非实时方式被同步至管理调度系统外，大量数据只能保留在泵站现场，无法得到有效利用。目前南水北调东线工程各级泵站没有统一的运行数据整编规范，各泵站的运行数据只能在本泵站内进行使用，限制了各级泵站运行监控数据的进一步综合应用。

针对存在的问题，研究南水北调东线泵站（群）运行监控数据规格化内容范围、要素单位、取用精度和采集频率及操作要点，用于对泵站（群）运行数据进行统一处理，将为南水北调东线工程远程控制、运行调度管理、泵站优化调度分析、泵站状态分析和故障诊断等研究与应用提供准确而丰富的运行数据。

1 泵站运行数据标准化研究现状

泵站运行监控数据标准化是指按照统一的技术和内容要求，对泵站运行监控数据进行处理，插补缺失数据，实现不同来源、频度、单位、精度的数据集成，为进一步的业务处理提供统一的数据基础。泵站运行数据标准化研究方面，目前未见发表的相关文献。

在水利行业，SL 247—2012《水文资料整编规范》[2]规定了全国各类水文、水位、降水量及蒸发量站的水文资料整编、审查和复审规范。在电力行业中，DL/T 5209—2005《混凝土坝安全监测资料整编规程》[3]规定了混凝土坝安全监测资料整理和整编的基本要求。

2 南水北调东线泵站（群）运行监控数据采集现状

南水北调东线泵站工程通过泵站工程自动化、水情和水质监测、调度运行管理等系统与其他系统交互进行数据的采集，传输和管理，实现南水北调东线梯级泵站（群）运行的监视、控制及调度决策。根据 NSBD 17—2013《南水北调泵站工程自动化系统技术规程》的要求[4]，南水北调东线工程在各级泵站现场建立泵站工程自动化系统，对泵站（群）运行工况、测控等数据进行采集，传输和管理，实现对泵站的监控和优化调度。泵站工程自动化系统包括计算机监控、视频监视及信息管理等系统。泵站工程自动化系统典型体系结构如图1 所示。

在计算机监控系统中，采用现地、站控级和调度级远程等 3 种控制方式对主机组、辅机、变配电设备、闸门等对象进行控制。计算机监控系统包括数据采集、处理和存储，监视与报警，控制与调节，人机接口，数据通信，时钟同步，系统自诊断与自恢复等功能，实现对主机组、辅机、变配电、闸门等相关设备的运行参数监测、控制和保护，计算机监控系统采集的信息量包括设备实时状态（电气量、非电气量、开关量、脉冲量）、计算或统计、故障和事故及系统自诊断等信息，以及控制及调节命令。视频监视系统实现泵站主要部位的实时图像监视，包括拦污栅、上游或出水池、下游或进水池、电机层、联轴层、水泵层、高低压开关室、变频器、主变压器、站/所用变压器、中控室、继电保护室，以及站房周边、节制闸、防洪闸等与泵站运行管理有关的重要设备和水工建筑物等，并具有历史图像查询和回放功能。信息管理系统具有运行数据接收与管理、信息发布与查询、数据上传等功能，同时为上级防汛调度系统提供实时数据。

3 南水北调东线泵站（群）运行调度管理数据需求

南水北调东线工程运行调度主要涉及远程控制、运行调度管理、泵站优化调度分析、泵站状态分析和故障诊断等业务，数据需求包括：空间地理信息、公共基础、视频监控及业务等四大类数据。空间地理信息数据主要包括多比例尺的沿渠地区基础地理信息；公共基础数据主要涉及各种业务应用中的公有的、可以共享的基础数据信息，如行政区划、组织结构及各种建筑设施的基本信息等；视频监控数据包括水闸站、渠道、设备及其他建筑的视频监控信息；业务数据包括水情、水质、水量、工程运行状态及维护数据。水情数据包括调水区域的河道、交水断面、湖泊、泵站、水闸、分水口门的水位、流量等信息。水质数据包括布设在流域、输水河道的自动和固定测站及移动监测获取的水质指标数据。水量数据包括：各闸门、泵站、管理机构、行政分区、分水口等的引水量，实供水量，损耗水量的实时和统计信息等。工程状态数据包括引水闸站、渠道、设备运行状态等信息。工程运行维护管理信息包括工程巡查和维护数据。各业务对数据的采集频率要求不同，其中泵站状态评估业务要求实时运行监测数据。

图1 南水北调东线泵站工程自动化系统典型体系结构

4 南水北调东线泵站（群）运行监控数据标准化

4.1 南水北调东线泵站（群）运行监控数据标准化范围

对南水北调东线泵站（群）通过计算机监控系统采集的泵站（群）运行监控数据进行标准化处理，为南水北调东线工程远程控制、运行调度管理、泵站状态和优化调度分析和故障诊断等业务提供数据基础。包括泵站和河道的水文、水量及泵站工程状态、泵站控制及调度指令，以及泵站建筑及设备设计参数等数据。

4.2 南水北调东线泵站（群）运行监控数据分类

从逻辑功能上看，泵站工程就是泵站机组（包括主水泵和主电动机）在电气和辅助设备及金属结构的辅助下从进水设施抽水，并从出水设施排出，实现水资源的调度[5–7]。泵站在运行过程中，泵站机组的运行状态是整个泵站系统运行的关键因素，电气及辅助设备的状态则决定了泵站机组能否正常运行，电气及辅助设备只要有某一个设备出现故障，都可能会导致机组运行异常和故障，甚至进一步导致事故的发生。因此，泵站机组、电气和辅助设备等的状态在泵站运行过程中，都会被实时监控。同时，各泵站之间的输水航道的水位、流量等也需要被监测，以保障整个东线工程的正常运行。南水北调东线泵站（群）运行过程中需要实时监测和记录的要素包括：水位、流量、机组转速、叶片安放角度、电流、电压、温度、压力、振动、噪声、电阻、气体水分含量、开关量、指令、汽蚀余量、高度等 16 类。另外，为了管理需要，还要根据监测量计算得到部分计算量，包括：扬程、电量、抽水量、运行时间、功率、效率及统计信息等 7 类。

按照泵站工程逻辑组成和泵站运行数据的性质，将泵站运行数据分为二级，一级数据按照数据的性质分为水文、设备状态、控制及调度指令、故障和事故、运行统计，以及建筑和设备设计参数等数据，二级根据逻辑组成分类。具体分类如图2所示。

其中，辅助设备包括油、气、水系统及抽真空系统。金属结构包括：拍门、虹吸式出水流道、拦污栅、清污机、闸门、启闭机、清污机、压力钢管、阀门、起重设备等。各一级数据分类包含的重要数据项如下：

图2 泵站（群）运行监控数据分类

1）水文数据涉及的重要数据项包括出、入水池和河道水位，净扬程，机组出口和口门流量等。

2）设备运行状态数据涉及的重要数据项包括水泵转速，叶片安放角电动机运行、定子、电动机电流三相、励磁、母线电缆、GIS 等的电流，电动机运行、励磁、转子、定子、变压器运行、GIS 等的电压，电动机有功功率，泵站装置效率，电动机定子绕组、电动机轴承、电动机铁芯、励磁变压器线圈、填料函、电刷、变压器绕组、变压器铁芯表面及结构零件表面、高压油断路器、母线电缆、上下油缸油、上导瓦、推力瓦、推力轴承等的温度，闸门底板扬、压力油、供水管、进出水水管、GIS SF6 气等压力，电动机、水泵、传动轴等的振动，机组、泵站等的耗电量，定子 、转子等的绝缘电阻值，主机、变压器等的噪声，SF6 气体水分含量，主电动机、主水泵、变压器等的开关量，闸门高度。

3）泵站控制及调度指令涉及的数据项包括开关机、调节叶片转速和角度、升降闸门、断开/合上开关等指令。

4）故障和事故数据涉及的主要数据项为用户关注的在故障和事故前、持续阶段的水文设备状态等。

5）运行统计数据涉及的主要数据项包括：机组和泵站日运行时间、过水量、日均效率、极值水位。

6）建筑及设备设计参数数据泵站等级、建筑物等级、防洪标准、设计流量、特征水位（进水池设计、最高、最低的运行和平均水位，出水池最高、最低运行、平均的水位）、特征扬程（设计、平均、最高、最低的扬程）。设备设计参数包括效率轴功率、效率、有效功率、额定转速、允许吸上真空高度、气蚀余量，流量-扬程等特性曲线、流量-效率特性曲线。

4.3 要素单位、取用精度和采集频率

由于各泵站内测量设备的测量方式差异等，造成运行监控数据的取值频率、尺度和时间上存在较大差异。要实现泵站（群）中各泵站运行数据的集中整合应用，必须要对数据统一单位、精度及采集频率。结合已有水利和泵站信息监测规范[6–14]及南水北调东线实际需求，南水北调东线泵站（群）运行数据各要素的单位、取用精度和采集频率如表 1所示。

表1 各项要素采集间隔、单位和取用精度

为减少存储的数据量，同时不丢失包含重要信息的数据，针对正常运行、停机、故障和事故 3 种状态情况，采用不同的时间间隔进行数据采集。正常运行状态指泵站机组开机调水，且机组处于无故障、无事故的工作状态。停机状态指泵站机组停机不工作。故障和事故状态指泵站从显式出现故障或事故前的某个时间到故障或事故造成泵站停机，或至故障或事故排除恢复正常运行期间的运行状态。该时段内的泵站运行数据对提取泵站故障和事故特征，分析机组故障和事故发生过程具有重要作用。停机状态下只需要以较低的频率监测少量的数据项，如水位、扬程等；当处于事故或故障状态时，需要增加采集的频率，以获取尽量多的泵站故障和事故特征信息。

4.4 泵站（群）运行监控数据标准化处理

泵站（群）运行数据标准化处理就是对各泵站运行数据进行整理，得到统一单位、精度和频率的运行数据。南水北调东线泵站工程中的计算机监控系统对泵站运行状态进行监控和采集，其采集频率达到毫秒级。在进行泵站（群）运行数据标准化处理过程中需要注意以下几个方面：

1）从上个标准化时间点或者监测开始时间到本次标准化时间点之间有多个监测数据，计算该时间段内的算术平均值作为标准化时间点的标准化数据；无监测数据时，可针对不同数据项的特点，选择合适的缺失数据处理方法推测缺失数据，如采用前后标准化时间点的标准化数据的均值得到本次标准化数据。

2）针对不同数据项的缺失数据，可以选择 2 类方法进行缺失数据处理。a. 根据数据自身的统计规律，利用整体或者缺失数据前后的部分数据推测缺失数据，如线性、抛物线、样条插值等[15–16]，此类方法适用于工况及一些测控数据，如角度、转速、电流、电压等；b. 建立数据项之间的多元关系模型，利用已有历史数据训练得到模型参数，并对缺失数据进行推测，如多元线性回归[17]、神经网络[18]或者深度学习[19–20]等。如若存在流量数据缺失，可采用神经网络模型等建立净扬程、水泵出入口压力差、机组转速、叶片安放角与机组出口流量中间的关系，利用历史运行数据训练模型，获得模型参数，并测算缺失的流量数据。

3）监控系统可能会对同一部件有多个测点监测温度值，温度相近的测点可合并取平均值，与其他测点温度差异较大的测点应该单独标准化。

4）对开关量， 采用 1 表示合状态，0 表示开状态。开关量记录每次状态发生变化的时间及变化后的状态。

5）指令的标准化需要根据操作票上的信息提取指令执行时间、控制及调节操作、执行人、授权人。

6）故障和事故数据的标准化需要根据对故障或事故的分析，确定包含故障或事故显式出现前的一段时间内的各相关数据项的信息，以及故障持续时间内的数据项。

7）对建筑及设备设计参数标准化时，只需要一次整理的过程，对相关特征曲线可以用适当的精度进行离散化，以方便后期分析。

5 应用效果

在“十二五”国家科技支撑项目课题“南水北调东线工程泵站（群）优化调度关键技术集成与示范”（2015BAB07B01）示范应用中，以金湖和洪泽站为示范点，对金湖站（时间段为 2017 年 3 月25 日— 4 月 8 日，2017 年 5 月 6 日— 5 月 9 日）和洪泽站（时间段为 2017 年 3 月 21 日— 4 月 7 日，2017 年 5 月 6 日— 5 月 19 日）的运行数据进行标准化，建立了运行数据标准化数据库，基于该底层标准化数据库，课题的优化调度、运行状态评估及调度管理等实现了成功的应用示范。

6 结语

针对南水北调东线泵站（群）运行数据存在的问题，提出了南水北调东线泵站（群）运行数据标准化的内容和方法，为南水北调东线工程泵站数据的整合应用提供技术基础，为整个南水北调东线泵站的进一步全线优化管理和调度提供了基础。对泵站运行数据标准化的研究也将有助于为其他大型泵站信息化提供借鉴，针对泵站（群）运行数据标准化的研究目前还较少，本研究的标准化相关内容和技术还需要在实践应用中逐步完善。