泵站调度自动化建设与运行管理分析

刘俊

（东莞市南畬塱排站管理处，广东 东莞 523000）

1 泵站调度自动化技术分析

作为城市供水系统中的一个关键环节，人工动力来源既能有效地实现城市的水量分布，又能起到调水防洪等方面的作用。但是，泵站耗能较大，对推动经济可持续发展是不利的。因此，需要实现以下几个方面的技术，以保证泵站调度的自动化技术水平。

1.1 网络管理技术

在网络技术方面，调度源头、取水系、泵站三者相距甚远，需要跨越很远的障碍，必须要在各个区域都设置光线的自动接入，同时利用网络技术，将三个区域连接起来，形成一个完整的体系。但是，如果有人故意破坏了这个网络，那么这个系统就会瘫痪，因此，在设计的时候，一定要加强对硬件的防护和设置的防火墙。考虑到网络中的各种装置十分繁杂，因此必须对各个网络IP 进行正确的IP 位址分析，以便为后续施工，并改进位址不相容性。泵站的控制系统必须选用成熟可靠的工业产品，系统必须具备良好的可维护性、可扩展性和性价比，并能够实现硬件故障的自我诊断与自我修复。使用模板结构，可根据用户需求增减功能，变化后可自行设置。

1.2 计算机技术

计算机技术在网络中扮演着非常关键的角色，可以收集、监测、处理大量的数据，同时也是建立一个网络的基本和终端。很显然，电脑可以把所有的部件都连接在一起，为了确保系统的正常运行，需要提供充足的电力以及UPS 这样的备用电源，这样既可以增强电脑的储存容量，又可以帮助工程师在遇到紧急状况的时候，节约时间和人力。另外，电脑终端也不能连接到手机上，以免电脑被病毒入侵，造成数据丢失。因此，对泵站的调度自动化工作，不仅可以为泵站的正常生产提供一个良好的环境，而且可以逐步减少能耗。与此同时，利用计算机技术实现了泵站的自动控制，实现了抽水泵站的自动监测，减少了相关的工作强度，从本质上提高了泵站的运行管理水平。

1.3 远程监控技术

要想真正实现远程监控，既要考虑原有的网络技术、控制技术，又要兼顾现有系统的各种新特性。网络数据库的互联与更新既要动态、实时，又要具有较高的开发速度和良好的兼容性。受网络传输路径、传输距离等因素的影响，从发端到目的地的数据可能会通过几条传输线路和网络节点，在大部分情况下，对某一指令或现场获取的数据进行网络传输所需的实际时间是不能预测和控制的，传输时延存在较大差异；这就极大地制约了以网络为基础的自动化系统的性能。在工程上，为降低传输延迟，可以通过减少冗余信息、压缩被传输的数据，提高传输速率和减少传输时间。

2 泵站调度自动化建设与运行管理的薄弱点

利用微机技术建立的泵站调度自动化系统，能够促进水泵厂的自动监测和管理；减少有关部门的工作压力，提高泵站的运营和经营管理。据了解，目前泵站调度自动化建设和运行管理存在以下缺点：

2.1 泵站自动化管理系统不完善

目前水利工程技术的进步，使国内泵站的水准值有所提高，然而放眼国内，并未达到一定规模，很多项目都出现了一个问题，即仅仅满足了某一项的要求，而没有一个切实可行的评估标准。

2.2 缺乏对泵站自动化的全面了解

目前，国内泵站的自动化已初见端倪，但仍有许多问题有待解决，例如泵站的技术人员的专业水平都不够高，他们对泵站的自动化也仅限于表象，把自动控制看成用鼠标控制泵站的开关即可实现，但事实上，泵站仍然有很多的操作细节。

2.3 泵站调度系统还需要进一步改良

由于技术条件和客观条件的限制，国内许多泵站并没有相应的水泵房，只采用常规的运转模式，这将给泵站的生产和调度带来困难。有些抽水站虽然有几个单位可以进行一定的调整，但是没有相关的管理部门做后盾，使泵站的工作性能不能得到进一步的提升。

3 泵站调度自动化建设与运行管理对策

3.1 装置选择

保证泵站调度平稳是保证泵站调度自动化的重要环节。目前，国内泵站的调速控制技术已经达到了一个新的高度，对其安全、有效性的需求也越来越大，而要确保设备的平稳运转，就能使水泵的调度工作更加有效，从而降低水泵的失效概率。所以要重视泵站的自动化操作需要，选用合适的机型，以确保所选用的机组满足泵站的自动控制需求。首先，对市场上的设备进行全面评价，考察其产品的使用情况，并优先与业内知名的设备销售商进行业务洽谈。其次，结合装置在操作中的环境特性，对在使用中遇到的问题进行合理的剖析，以减少在使用中发生的事故[1]。

3.2 自动化设计

第一，正确处理测量，控制和保护的关系。在过去的泵站设计中，测量、保护和控制是互不相关的部件。这种设计模式的产生，很大程度上是由于技术和装备的限制。随着电子技术的不断发展，二者的界线逐渐模糊，逐渐趋于统一。比如，在泵站的二次电设计中，其核心部分是继电保护。继电保护除了对非电量进行测量之外，还需要对电力装置的工作状态进行监测，从而取代以往的传统计量方式。另外还有两个优点：一是减少设备，节省成本，定期监测保护回路，增加系统的可靠性。又比如，继电器的最终目标是切换装置，而我们的自动控制目标也是切换装置，原理相同；二是由于继电器的动作可靠性较高，所以可以将继电器的控制集成到继电器保护系统中。

第二，正确地选择通信协议。泵站的自动控制是一种较为简便的控制方法，在设备的选用上，传统的方法是采用具有通讯协定的设备，以方便数据的交换和节省现场的线路。然而，在国际上，却没有统一的通讯协定。在一个泵站中，存在着多个通讯协定和通讯规范，这就使得整个系统的整合变得非常困难。以前的方法是使用一个工业控制电脑进行协调，尽管智能传感器已成为发展的必然趋势，但并不能满足一维的要求。根据泵站的实际情况，其主要设备布置在泵房内，线路长度不大，提出了在传感器中应尽可能使用标准信号的方法，对于综合功能较强的设备，选择具备通讯功能的设备是很有意义的。

第三，可扩展和兼容的自动化控制。随着自动化系统的不断发展和一体化程度的提高，对水泵厂的自动化控制系统提出了更高的需求，在进行自动化控制时，除了满足兼容需求之外，还需要具备可扩展性。

3.3 加强信息采集和管理

为了提高系统的自动化程度，必须对网络和设备进行全面的综合管理，必须对其进行全面的数据采集和处理。比如，对抽水机台的调度值自动化施工所需的技术文件等进行统一的管理，并对接入的设备的运行记录、维护记录等资源进行统一的管理。泵站调度自动化施工较为繁琐，调度源头、泵站、取水设施等都要跨大段的衔接，其施工难点很大，要提高抽水泵站的排班工作效率，就必须收集和整理有关数据，然后才能投入使用。比如，有关的计算机技术数据、泵站调度数据、土建数据、设备数据等，要为设备的运行、检修和管理提供科学的基础，促进水泵的功能的充分利用。此外，为了更好地了解泵站的实际情况，并对其使用状态进行了分析，为今后泵站的科学管理提供参考[2]。

3.4 应用自动化系统管理模式

为了进一步提升泵站的自动控制和管理，必须把泵站的管理与现代的经营方法相联系，以适应新时期的要求。采用自动控制系统可以有效地提升泵站的自动调度和管理工作。采用可控式LCU 可实现对正在运转的泵站的工艺控制。在数据采集上，采用信息收集装置对各操作参数进行了实时监测，确保管理者根据所掌握的数据，对设备进行适时的调节，以达到提高设备的使用效果。当前我国的抽水工程正逐步走向现代化，为了顺应抽水工程的发展，其经营工作必须与时俱进。特别是在泵站的自动控制和操作中，为了提高管理的有效性和正确地把握泵站的工作状况，必须采用自动式的控制系统。运用自动控制系统对泵站进行全面的监测，能在最短的时间内发现问题并解决，对于整个泵站的整体运行起到了很大的作用，从而提高管理效率，保证泵站安全稳定运行，有利于社会和经济效益的提高[3]。

3.5 调度方案优化

泵站调度方案的优化可以分成两个阶段：第一步，以泵站的总能量消耗最小为目标进行优选；第二个阶段是根据河道内外水位的限制，对多目标进行降级。根据市场区域的不同，23 个泵站被分为4 组，每组为一个测试因子，共4 项测试因子。每个泵站均配有多个排水泵，通常有机组全开、机组1/2 开、只开1 台机组等3 种运行模式。根据实际工程的具体条件，确定了各组水泵机组的启动模式和运行时间，以此作为实验水平。若进行综合测试，则按以上各项测试因子及程度，共完成81 项测试。每个小组的测试结果都是按一定的操作规律组合，为抽水排出等水量所需的最低能量消耗。通过对两种不同的综合调度方法的对比，可以看出，第一种组合方式是最优的。与现有的调度方案相比，采用最优方案，可节省6%左右的能源。同时，根据该方案，以最小能耗为目标进行了优化，不仅在常规洪水期间是可行的，而且在节约能源和环境保护方面也有一定的应用价值。在极端的大雨和特殊情况下，其他的排水指标就会下降。在此基础上，本文提出了一种基于多目标优化方法的多目标优化方法来代替能量消耗最少的单一目标优化方法。

4 泵站自动化建设与运行管理应注意的问题

4.1 对自动控制装置进行适当的分区

泵站的自动化是由多个独立的闭路循环单元构成的连续控制系统。所以，在设计系统时，必须明确层次。为了减少和转移风险，不能采用单一的控制装置来实现泵站的全部控制功能。尤其是辅助设备，采用闭环控制方式是理想的。在关键的控制线上，仅向上述单位下达指示和接收状态，各单位根据设定的运行需求进行自己的工作。

4.2 管道流量控制

一方面是无压管道流量控制，利用取水枢纽液压闸阀的开度来控制无压输水管的流量。通过对某一特定流量和某一流量的差值进行反馈，对某一特定流量的无压管进行控制。另一方面是有压管道流量控制，有压输水管线的流量是通过泵站抽水次数和调速调节量来实现的。由监测中心站根据测量到的分水口的流量，计算出与无压管线流量之间的差值，然后利用压力泵室终端对水泵的开关量或者变频调速进行调节，对有压管道的给水流量进行控制。

4.3 运营管理效率

针对泵站的联合调度问题，存在着运行效率低、运行费用高等问题，首先，针对泵站群的运行参数指标多、计算流程复杂、计算时间长等问题，提出了一种基于曲面拟合、建立数学模型的方法，并通过建立数学模型，获得各泵站的相应关系，减少了重复计算，大大提高了计算效率。其次，对单个泵站的优化操作进行了建模，并将改进后的差分演化算法与传统的调度方法进行了对比，并对结果进行了分析；通过对该方法的分析，表明该改进的微分进化方法能够显著地改善水泵机组的运行效率，减少能源消耗，减少运行费用。利用建立的数学模型，对泵站群进行了联合优化，并利用改进的差分演化算法对其进行了求解，可显著减少运营成本。在泵站群联合优化调度中，采用了一种新的差分演化方法，该方法具有较强的可靠性和精确性，能够快速、高效地求出最优解，便于联合调度中心和各泵站现场工作人员根据实际情况进行合理的调度。

4.4 控制调节优化

对泵站进行自动的管理与监视，必须要对原有的系统架构有一定的认识，并认识到它们之间的不同之处。为了实现对数据的有效利用，必须建立起与之相适应的外联界面，实现对数据的分享。同时采用人为方法进行调整，通常情况下，泵站的水位都会低于或超过一定值，出现在正常区间内的可能性非常低。因此，在泵站一体化自动控制中，水位的调节非常关键，必须确保在一定范围内的高度。采用分立模式来控制电动机的开口数，再加上水泵的连续工作，将传统的手动和现代的自动化技术相结合，采用了PID 变换，可以对电动机的开口数进行管理，通过 PID 控制器，可以有效地管理水泵的工作频率。

综上所述，在泵站的自动化施工和运营中，必须密切关注有关的设备状况，确保设备的品质和型号，并结合现代的技术手段，实现抽水系统的自动化管理。要进一步提升泵站的运营效率，有关方面要根据泵站的实际状况，建立健全的管理体系，有效地收集各种资料，以便对以后的工作进行有效的控制。