大数据分析技术在供水泵站节能降耗中的具体运用研究

黄春燕 龙州县水利供水有限公司

一、引言

供水泵站运行过程中存在耗能的环节。通过对水泵机组操作方式的调整已经不能满足供水泵站节能降耗工作的更高要求。在对供水泵站机组运行数据的分析过程中，发现机组运行效率的高低与调节池水文的变化密切相关，因此采用大数据技术来帮助找到机组运行数据的内在关联和特征规律，从而得到更加科学的节能方案，实现低成本高效运行目标。

二、大数据技术

大数据技术功能的发挥是建立在海量数据基础上的。与传统的数据统计分析不同，大数据技术能够从更多的维度对数据进行全面分析，找到数据内在关联，并发现数据演变的趋势。通过大数据技术可以更好地优化供水泵站运行方案策略，降低能耗。

三、供水泵站机组运行现状

供水泵站机组运行过程中，水泵效率与性能曲线存在虚标，因此实验室理论条件下测定的数据与实际环境中运行数据存在偏差。由于供水泵站供水流量需要调整变化，因此大多采用工频水泵和变频水泵协同运行的情况，这样会导致水泵之间相互干扰。调节池液位处于变化状态，水泵组合的种类多且耦合性强，依赖过去运行经验，难以综合海量信息，泵组启停组合方式缺乏灵活性，不能满足水泵机组更高的节能运行目标。

四、大数据分析技术在供水泵站节能降耗的应用

针对不同水泵之间存在相互干扰的情况，利用大数据对单台水泵进行节能研究。具体的方法是控制水泵泵前压力和泵后压力，检测水泵在不同频率下的输水量，然后根据流量效率曲线得到不同流量下的水泵最佳工作频率。在大数据技术下，通过继续学习模型建立泵组运行模拟状况，对不同泵组运行启停方式进行模拟预测，找到不同调节池液位、不同输水量条件下的泵组运行最佳启停方案，实现节能降耗目标。

具体研究的过程中首先需要完善数据，对调节池液位缺失的数据进行收集，对水泵的泵前泵后压力数据进行收集，完善数据库。建立函数，条件参数包括水泵启停状态、变频器频率、调节池液位，输出参数为水泵输水量、耗电量。建立数据模型，找到不同调节池液位和输水量条件下的最节能的水泵启停方案。

首先，对供水泵站总供水量进行分析。根据供水量和平均耗电量的关系可以得到单位时间如果供水量相同时，耗电量是有差别的。因此，根据平均耗电量最小情况来确定泵组启停运行方式。

其次，对单台水泵能耗进行分析。供水泵站的总供水量和总水泵能耗不能详细反映每台水泵的运行工况及能耗，因此还要对单台水泵运行情况和能耗进行分析。对于水泵前或水泵后压力传感器数据缺失的情况应进行数据完善或修正。分析过程中，对于泵前或泵后压力出现显著变化的情况应找出问题。泵后出水流量传感器出现极大的数值时，可以检查下方位机和上方位机控制系统。然后根据数据分析结果来确定每台泵理论工作效率。

对不同泵组合运行效率进行分析，变频泵、工频泵、变频泵+工频泵运行效率进行对比，找到效率最高的泵运行方式。

对供水泵站运行数据进行清洗整理。测试数据以年度为单位，在分析过程中，先对数据缺失不全的字段进行修复。调节池液位数据采集频率大约每小时一次，自动控制系统数据平台采集的数据频率约每五分钟一次。信息收集采用人工手抄数据并录入到信息系统的数据库中。应确保泵前压力传感器装置运行稳定，保障读数信息采集有较好的连贯性。将人工测量读数和水泵前压力数值建立线性关系，根据线性方程来矫正样例数据集中的调节池液位人工测量数据。

对单台水泵输水量建立分析模型。例如变频水泵的输水量与调节池液位参数以及水泵变频器频率参数有关，因此分布绘制调节池液位和水泵变频器频率两个变量与水泵输水量之间的散点关系。水泵变频器与输水量之间存在很强的函数关系。如果函数关系图像上显示统一条状结构内的点与同样的变频器频率有较为严格的对应关系，即说明水泵的输水量主要受调节池液位和变频器频率影响。如果函数关系图像上显示在限定水泵频率的前提下，水泵输水量和调节池液位之间呈现出方差很大的函数关系，那么说明还有其他因素在影响水泵输水量。结合实际运营经验，很可能是其他水泵的启停状态对该水泵的工作性能造成了影响。

采用数据分析技术，采用决策树算法来验证是否向统一总管中输水的水泵会出现水泵运行之间的相互影响。决策树算法对学习准确率的计算方法为：

公式中，y代表水泵实际输水量；代表决策树算法得出的输水量；代表没有任何经验的情况下，使用历史数据均值得到的输水量。假设学习准确率为96%，则表明该算法消除了平均猜测带来的96%的误差。

通过决策树算法的分析，得到水泵运行状态信息，如某台水泵在高频率运行的过程中，输水量是否受到其他泵启停状态的影响；某台水泵在高频率运行过程中，输水量是否受到调节池液位的影响；某台水泵在中等频率运行过程中，输水量是否受到调节池液位的影响；某台水泵在低频率运行过程中，是否受到其他水泵启停状态影响。实际上，采用决策树算法能够发现更加复杂的水泵运行规律。通过不断尝试，得到供水泵站水泵输水量最优水平，同时能耗在最低范围内。

五、结语

节能降耗是供水泵站运行管理的工作目标之一。通过对水泵机组操作方式的调整已经不能满足供水泵站节能降耗工作的更高要求。针对供水泵站运行过程中可能存在的能耗较大的节点。通过采用大数据技术，对供水泵站机组运行数据进行完善和分析，找到供水泵机组运行效率的高低与调节池液位以及其他水泵启停状态变化之间的关系。采用大数据技术可以帮助找到机组运行数据的内在关联和特征规律，得到更加科学的节能方案，实现供水泵站低成本高效运行目标。