东江水利泵站运行智能化技术方案的构建

张 英

( 广东省源天工程有限公司，广东 广州 511340 )

东江水利枢纽位于东江下游惠城区和博罗县之间的东江河段泗湄洲岛处，上距惠州市惠城区约9.4 km，下距博罗水文站3.3 km，集水面积25 325 km2，属东江干流阶梯规划中第十一个梯级。枢纽主要由布置在左、右河汊的拦河闸坝、通航船闸、水电站以及连接土坝组成。东江水利枢纽具有3座大型泵站，是该水利枢纽工程的核心，其正常运行与否会影响到惠州市社会经济的发展[1-4]。

1 泵站运行概况

当前，东江水利枢纽泵站工程已基本完成了自动化控制系统的建设，基本实现泵站运行时数据采集和及设备运行的自动化控制。但是自动化控制的智能化水平一般，智能化程度不够，从本质上来讲，泵站开停机等的自动化操作仅仅是将操作控制开关控制从开关柜前集中到了计算机屏幕前，操作仍需要人工进行控制。该水利泵站运行时的流量、经济、安全等运行指标和经济性能无法实现智能化控制，严重影响东江水利枢纽泵站的管理水平。

东江水利枢纽泵站智能化控制的现状情况及问题分析如下：

(1)运行数据分析及研判能力较差。从东江水利泵站的运行情况来看，自动化控制系统可以实现对主机组、电气设备、辅助设备、断流设施、金属结构、进出水建筑物混凝土结构的安全状态等数据的采集和储存，可以对数据进行简单的查询、展示和汇总，无法实现对数据的智能化处理和智能化分析，无法有效的利用实时数据进行智能化的发展趋势研判，无法实现对泵站运行设备的智能化评估，无法对泵站运行进行智能化预警。

(2)泵站处于不同工况下无法实行运行模式的智能化调整。当前，东江水利枢纽泵站建设有实时监控系统，泵站在运行过程中，具有了数据采集、状态展示、报警等功能，该功能主要是从运行安全的视角进行考虑，泵站运行状态的精准执行和一键启停等重要需求没有实现智能化控制，影响泵站的管理水平，降低泵站的经济效益。

综上所述，东江水利枢纽泵站的运行自动化控制中智能化水平还有待提高，如何将智能化控制技术与水利泵站的运行控制进行深度融合，加强对泵站主机组、电气设备、辅助设备、断流设施、金属结构、进出水建筑物混凝土结构的安全状态等采集数据的智能化处理和智能化分析，拓展其对泵站运行状态的研判及预警研究，提高泵站的智能化控制及管理水平[5]，是急需进一步研究的问题。

2 泵站智能化技术方案的构建思路

2.1 智能化技术总体框架分析

为实现东江水利枢纽泵站智能化技术的建设和应用，经技术调研，确定采用模块化数据体系进行智能化系统的设计。模块化数据体系有效地对数据源进行了统一，系统分析和处理的核心对象集中在数据库服务器上，简化了数据智能化分析和处理的工作量。基于以上设计思路，确定东江水利枢纽泵站智能化设计的方案总体框架如图1所示。

图1 东江水利枢纽泵站智能化技术的总体框架示意图

智能化技术方案的核心主要包括智能研判体系、智能控制系统和泵站数据三大部分。智能研判体系包括智能抽取模块、智能分析模块、智能报告三部分；智能控制系统包括优化调度模块和智能控制模块两部分；泵站数据主要有主机控制、安全监测等部分[6]。

2.2 技术实现

东江水利枢纽泵站智能化技术实现主要是需要智能研判体系和智能控制系统进行有效结合。

(1)智能研判体系。以泵站管控一体化平台采集的实时及历史数据为基础，对数据进行深度分析，实现对泵站运行数据的精准研判，从而完成泵站运行的智能预警及运调方案的智能建议。

(2)智能控制系统。基于当前东江水利工程对于目标水位和流量的参数，结合该泵站工程的各运行条件，对泵站运行状态进行智能化控制设计。

3 泵站智能化技术的实现分析

结合5G应用、物联网、大数据、边缘计算及人工智能等技术开展水利泵站智能化控制技术的应用研究，提高利用数据对其进行深度分析处理及趋势研判的智能化，为泵站工程安全、高效、经济运行提供保障。

3.1 智能研判体系的构建

智能研判体系包括优化调整模块、智能分析模块、智能报告三部分。对泵站数据进行智能抽取，并实现智能分析和智能报告，进而实现泵站的智能研判[2]。

3.1.1 智能抽取模块

对泵站系统采集到的原始数据进行分析和抽取，有效性判断主要有偏差筛选、稳定性筛选和数值统计三个步骤。

(1)偏差筛选。根据精大误差判别准则，剔除一堆相同类型数据中偏差比较大的可疑值。

(2)稳定性筛选。为提高数据的准确性，采用智能算法对采集到的不稳定数据进行剔除。

(3)数值统计。将相同类型的数据通过数值统计方法整理成单个值。

3.1.2 智能分析

基于人工智能的大数据信息快速抽取算法，对获取的数据进行智能分析，取得泵站运行的关键特征参数，结合东江水利枢纽泵站的运行实际，给出了短期研判、长期研判和故障分析三类预警库。

(1)短期研判预警。对采集到的泵站实时运行数据进行分析和处理，如发现得到的标准趋势在较短时间内有较大的阶跃，则系统会发出短期预警。

(2)长期研判预警。取采集到的泵站实时运行数据+前后时间内的运行数据进行长期变化趋势的研判，如得到的标准趋势在较长时间内有较大的阶跃，将会超过系统所设置的阈值时进行长期预警。

(3)故障诊断预警。对采集到的泵站实时运行数据进行分析和处理，如发现该数据信息与以往设备发生故障或事故数据的信息相关联时，系统则会发出设备精准故障诊断预警，必须通知设备维修和管理人员组织对设备进行故障的诊断及处理。

3.1.3 智能报告

利用水利泵站设备在运行过程中产生的二次效应参数(振动、摆度、电量、温度、噪声、位移等)的变化趋势和分级预警情况，以主机组、电气设备、辅助设备、断流设施、金属结构、进出水建筑物混凝土结构的安全状态为单元，综合全部采集数据进行智能关联分析，实现对设备运行状态的智能报告。同时智能报告结果通过系统故障树和发光字图形化进行展示，给设备的维修和保养提供时间和位置维度的智能建议。

3.2 智能控制系统的构建

3.2.1 泵站优化调度模块

东江水利泵站在运行过程中，消耗能源较大，从以往的实践应用来看，存在着很多的无用功，造成了东江水利泵站的运行成本较高。泵站优化调度模块的作用是根据电价、调度等要求，结合东江水利泵站工程情况、运行工况和运行时间、年供水量等参数，确定泵站最佳运行设置方案，达到能耗优化、费用优化、效率优化和排涝优化的目的。优化步骤如下：

(1)下游潮位预测。对东江水利泵站下游水位的预测采用基于BP神经网络的短期和长期预测，结合东江的潮位、上游径流量的历史数据和72 h实测值，预测东江下游未来各时段的水位变化趋势，探索其变化发展。

(2)上游水位计算。对东江水利泵站上游水位的计算采用基于σ坐标变换和水位函数法的立面二维水动力学模型，将计算出来的上游水位做为主机组运行状态下实际扬程的计算依据。

(3)优化求解。以泵站设备安全、扬程、峰谷电价和机组效率约束条件，构建泵站运行的数据模型，将叶角、台数、时段进行离散处理，构建目标参数泵站的状态矩阵，可求解最佳参数。

3.2.2 泵站智能控制

根据东江水利泵站的运行实际来看，其智能化控制主要是实现一键启动、一键停止、调度模型集成三方面的功能。实现在设备启动、停止、调度过程中，减少人工干预，提高设备自动化和智能化程度，有效地降低工作人员的劳动强度，提高设备运行的安全性和可靠性。

(1)“一键启停”智能控制体系的构建。“一键启停”智能控制体系包括“一键启停”模块和控制巡检联动模块。通过“一键启停”模块，管理工作人员可以在手机端和电脑端远程无人干预采用一键控制对设备进行启停自动控制，大大减少了工作时间，有人即可控制泵站；通过控制巡检联动模块，加强对“一键启停”模块的远程监控，提高设备启停运行的安全性和可靠性。

(2)优化调度模型的集成。在泵站运行原监控系统当中，将泵站优化调度模型直接嵌入泵站自动化系统中，将实时采集到的泵站运行参数计算出不同运行模式的参数，实时性较好。

4 效果分析

针对东江水利枢纽泵站的实际情况，构建了大型泵站运行智能化技术方案，并投入到了实践应用当中，应用效果理想。东江水利泵站智能化控制系统的应用保障了泵站的正常运行，有效提高了工程调度决策、智能执行的精准性，促进了泵站工程的安全、高效、经济运行；泵站智能化控制系统的应用大幅度降低了工作人员数量和劳动强度，节能降耗效果显著，泵站安全事故率降低了90%，为东江水利管理处取得了较好的安全经济效益。