泵站調(diào)度自動(dòng)化建設(shè)與運(yùn)行管理分析

劉俊

（東莞市南畬塱排站管理處，廣東 東莞 523000）

1 泵站調(diào)度自動(dòng)化技術(shù)分析

作為城市供水系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，人工動(dòng)力來(lái)源既能有效地實(shí)現(xiàn)城市的水量分布，又能起到調(diào)水防洪等方面的作用。但是，泵站耗能較大，對(duì)推動(dòng)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展是不利的。因此，需要實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)方面的技術(shù)，以保證泵站調(diào)度的自動(dòng)化技術(shù)水平。

1.1 網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)

在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方面，調(diào)度源頭、取水系、泵站三者相距甚遠(yuǎn)，需要跨越很遠(yuǎn)的障礙，必須要在各個(gè)區(qū)域都設(shè)置光線的自動(dòng)接入，同時(shí)利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將三個(gè)區(qū)域連接起來(lái)，形成一個(gè)完整的體系。但是，如果有人故意破壞了這個(gè)網(wǎng)絡(luò)，那么這個(gè)系統(tǒng)就會(huì)癱瘓，因此，在設(shè)計(jì)的時(shí)候，一定要加強(qiáng)對(duì)硬件的防護(hù)和設(shè)置的防火墻?？紤]到網(wǎng)絡(luò)中的各種裝置十分繁雜，因此必須對(duì)各個(gè)網(wǎng)絡(luò)IP 進(jìn)行正確的IP 位址分析，以便為后續(xù)施工，并改進(jìn)位址不相容性。泵站的控制系統(tǒng)必須選用成熟可靠的工業(yè)產(chǎn)品，系統(tǒng)必須具備良好的可維護(hù)性、可擴(kuò)展性和性價(jià)比，并能夠?qū)崿F(xiàn)硬件故障的自我診斷與自我修復(fù)。使用模板結(jié)構(gòu)，可根據(jù)用戶需求增減功能，變化后可自行設(shè)置。

1.2 計(jì)算機(jī)技術(shù)

計(jì)算機(jī)技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)中扮演著非常關(guān)鍵的角色，可以收集、監(jiān)測(cè)、處理大量的數(shù)據(jù)，同時(shí)也是建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的基本和終端。很顯然，電腦可以把所有的部件都連接在一起，為了確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行，需要提供充足的電力以及UPS 這樣的備用電源，這樣既可以增強(qiáng)電腦的儲(chǔ)存容量，又可以幫助工程師在遇到緊急狀況的時(shí)候，節(jié)約時(shí)間和人力。另外，電腦終端也不能連接到手機(jī)上，以免電腦被病毒入侵，造成數(shù)據(jù)丟失。因此，對(duì)泵站的調(diào)度自動(dòng)化工作，不僅可以為泵站的正常生產(chǎn)提供一個(gè)良好的環(huán)境，而且可以逐步減少能耗。與此同時(shí)，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了泵站的自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)了抽水泵站的自動(dòng)監(jiān)測(cè)，減少了相關(guān)的工作強(qiáng)度，從本質(zhì)上提高了泵站的運(yùn)行管理水平。

1.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)

要想真正實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，既要考慮原有的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制技術(shù)，又要兼顧現(xiàn)有系統(tǒng)的各種新特性。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)的互聯(lián)與更新既要?jiǎng)討B(tài)、實(shí)時(shí)，又要具有較高的開(kāi)發(fā)速度和良好的兼容性。受網(wǎng)絡(luò)傳輸路徑、傳輸距離等因素的影響，從發(fā)端到目的地的數(shù)據(jù)可能會(huì)通過(guò)幾條傳輸線路和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，在大部分情況下，對(duì)某一指令或現(xiàn)場(chǎng)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸所需的實(shí)際時(shí)間是不能預(yù)測(cè)和控制的，傳輸時(shí)延存在較大差異；這就極大地制約了以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的自動(dòng)化系統(tǒng)的性能。在工程上，為降低傳輸延遲，可以通過(guò)減少冗余信息、壓縮被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，提高傳輸速率和減少傳輸時(shí)間。

2 泵站調(diào)度自動(dòng)化建設(shè)與運(yùn)行管理的薄弱點(diǎn)

利用微機(jī)技術(shù)建立的泵站調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)，能夠促進(jìn)水泵廠的自動(dòng)監(jiān)測(cè)和管理；減少有關(guān)部門(mén)的工作壓力，提高泵站的運(yùn)營(yíng)和經(jīng)營(yíng)管理。據(jù)了解，目前泵站調(diào)度自動(dòng)化建設(shè)和運(yùn)行管理存在以下缺點(diǎn)：

2.1 泵站自動(dòng)化管理系統(tǒng)不完善

目前水利工程技術(shù)的進(jìn)步，使國(guó)內(nèi)泵站的水準(zhǔn)值有所提高，然而放眼國(guó)內(nèi)，并未達(dá)到一定規(guī)模，很多項(xiàng)目都出現(xiàn)了一個(gè)問(wèn)題，即僅僅滿足了某一項(xiàng)的要求，而沒(méi)有一個(gè)切實(shí)可行的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 缺乏對(duì)泵站自動(dòng)化的全面了解

目前，國(guó)內(nèi)泵站的自動(dòng)化已初見(jiàn)端倪，但仍有許多問(wèn)題有待解決，例如泵站的技術(shù)人員的專業(yè)水平都不夠高，他們對(duì)泵站的自動(dòng)化也僅限于表象，把自動(dòng)控制看成用鼠標(biāo)控制泵站的開(kāi)關(guān)即可實(shí)現(xiàn)，但事實(shí)上，泵站仍然有很多的操作細(xì)節(jié)。

2.3 泵站調(diào)度系統(tǒng)還需要進(jìn)一步改良

由于技術(shù)條件和客觀條件的限制，國(guó)內(nèi)許多泵站并沒(méi)有相應(yīng)的水泵房，只采用常規(guī)的運(yùn)轉(zhuǎn)模式，這將給泵站的生產(chǎn)和調(diào)度帶來(lái)困難。有些抽水站雖然有幾個(gè)單位可以進(jìn)行一定的調(diào)整，但是沒(méi)有相關(guān)的管理部門(mén)做后盾，使泵站的工作性能不能得到進(jìn)一步的提升。

3 泵站調(diào)度自動(dòng)化建設(shè)與運(yùn)行管理對(duì)策

3.1 裝置選擇

保證泵站調(diào)度平穩(wěn)是保證泵站調(diào)度自動(dòng)化的重要環(huán)節(jié)。目前，國(guó)內(nèi)泵站的調(diào)速控制技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)新的高度，對(duì)其安全、有效性的需求也越來(lái)越大，而要確保設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，就能使水泵的調(diào)度工作更加有效，從而降低水泵的失效概率。所以要重視泵站的自動(dòng)化操作需要，選用合適的機(jī)型，以確保所選用的機(jī)組滿足泵站的自動(dòng)控制需求。首先，對(duì)市場(chǎng)上的設(shè)備進(jìn)行全面評(píng)價(jià)，考察其產(chǎn)品的使用情況，并優(yōu)先與業(yè)內(nèi)知名的設(shè)備銷售商進(jìn)行業(yè)務(wù)洽談。其次，結(jié)合裝置在操作中的環(huán)境特性，對(duì)在使用中遇到的問(wèn)題進(jìn)行合理的剖析，以減少在使用中發(fā)生的事故[1]。

3.2 自動(dòng)化設(shè)計(jì)

第一，正確處理測(cè)量，控制和保護(hù)的關(guān)系。在過(guò)去的泵站設(shè)計(jì)中，測(cè)量、保護(hù)和控制是互不相關(guān)的部件。這種設(shè)計(jì)模式的產(chǎn)生，很大程度上是由于技術(shù)和裝備的限制。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，二者的界線逐漸模糊，逐漸趨于統(tǒng)一。比如，在泵站的二次電設(shè)計(jì)中，其核心部分是繼電保護(hù)。繼電保護(hù)除了對(duì)非電量進(jìn)行測(cè)量之外，還需要對(duì)電力裝置的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而取代以往的傳統(tǒng)計(jì)量方式。另外還有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一是減少設(shè)備，節(jié)省成本，定期監(jiān)測(cè)保護(hù)回路，增加系統(tǒng)的可靠性。又比如，繼電器的最終目標(biāo)是切換裝置，而我們的自動(dòng)控制目標(biāo)也是切換裝置，原理相同；二是由于繼電器的動(dòng)作可靠性較高，所以可以將繼電器的控制集成到繼電器保護(hù)系統(tǒng)中。

第二，正確地選擇通信協(xié)議。泵站的自動(dòng)控制是一種較為簡(jiǎn)便的控制方法，在設(shè)備的選用上，傳統(tǒng)的方法是采用具有通訊協(xié)定的設(shè)備，以方便數(shù)據(jù)的交換和節(jié)省現(xiàn)場(chǎng)的線路。然而，在國(guó)際上，卻沒(méi)有統(tǒng)一的通訊協(xié)定。在一個(gè)泵站中，存在著多個(gè)通訊協(xié)定和通訊規(guī)范，這就使得整個(gè)系統(tǒng)的整合變得非常困難。以前的方法是使用一個(gè)工業(yè)控制電腦進(jìn)行協(xié)調(diào)，盡管智能傳感器已成為發(fā)展的必然趨勢(shì)，但并不能滿足一維的要求。根據(jù)泵站的實(shí)際情況，其主要設(shè)備布置在泵房?jī)?nèi)，線路長(zhǎng)度不大，提出了在傳感器中應(yīng)盡可能使用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的方法，對(duì)于綜合功能較強(qiáng)的設(shè)備，選擇具備通訊功能的設(shè)備是很有意義的。

第三，可擴(kuò)展和兼容的自動(dòng)化控制。隨著自動(dòng)化系統(tǒng)的不斷發(fā)展和一體化程度的提高，對(duì)水泵廠的自動(dòng)化控制系統(tǒng)提出了更高的需求，在進(jìn)行自動(dòng)化控制時(shí)，除了滿足兼容需求之外，還需要具備可擴(kuò)展性。

3.3 加強(qiáng)信息采集和管理

為了提高系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，必須對(duì)網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備進(jìn)行全面的綜合管理，必須對(duì)其進(jìn)行全面的數(shù)據(jù)采集和處理。比如，對(duì)抽水機(jī)臺(tái)的調(diào)度值自動(dòng)化施工所需的技術(shù)文件等進(jìn)行統(tǒng)一的管理，并對(duì)接入的設(shè)備的運(yùn)行記錄、維護(hù)記錄等資源進(jìn)行統(tǒng)一的管理。泵站調(diào)度自動(dòng)化施工較為繁瑣，調(diào)度源頭、泵站、取水設(shè)施等都要跨大段的銜接，其施工難點(diǎn)很大，要提高抽水泵站的排班工作效率，就必須收集和整理有關(guān)數(shù)據(jù)，然后才能投入使用。比如，有關(guān)的計(jì)算機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)、泵站調(diào)度數(shù)據(jù)、土建數(shù)據(jù)、設(shè)備數(shù)據(jù)等，要為設(shè)備的運(yùn)行、檢修和管理提供科學(xué)的基礎(chǔ)，促進(jìn)水泵的功能的充分利用。此外，為了更好地了解泵站的實(shí)際情況，并對(duì)其使用狀態(tài)進(jìn)行了分析，為今后泵站的科學(xué)管理提供參考[2]。

3.4 應(yīng)用自動(dòng)化系統(tǒng)管理模式

為了進(jìn)一步提升泵站的自動(dòng)控制和管理，必須把泵站的管理與現(xiàn)代的經(jīng)營(yíng)方法相聯(lián)系，以適應(yīng)新時(shí)期的要求。采用自動(dòng)控制系統(tǒng)可以有效地提升泵站的自動(dòng)調(diào)度和管理工作。采用可控式LCU 可實(shí)現(xiàn)對(duì)正在運(yùn)轉(zhuǎn)的泵站的工藝控制。在數(shù)據(jù)采集上，采用信息收集裝置對(duì)各操作參數(shù)進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，確保管理者根據(jù)所掌握的數(shù)據(jù)，對(duì)設(shè)備進(jìn)行適時(shí)的調(diào)節(jié)，以達(dá)到提高設(shè)備的使用效果。當(dāng)前我國(guó)的抽水工程正逐步走向現(xiàn)代化，為了順應(yīng)抽水工程的發(fā)展，其經(jīng)營(yíng)工作必須與時(shí)俱進(jìn)。特別是在泵站的自動(dòng)控制和操作中，為了提高管理的有效性和正確地把握泵站的工作狀況，必須采用自動(dòng)式的控制系統(tǒng)。運(yùn)用自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)泵站進(jìn)行全面的監(jiān)測(cè)，能在最短的時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并解決，對(duì)于整個(gè)泵站的整體運(yùn)行起到了很大的作用，從而提高管理效率，保證泵站安全穩(wěn)定運(yùn)行，有利于社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益的提高[3]。

3.5 調(diào)度方案優(yōu)化

泵站調(diào)度方案的優(yōu)化可以分成兩個(gè)階段：第一步，以泵站的總能量消耗最小為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)選；第二個(gè)階段是根據(jù)河道內(nèi)外水位的限制，對(duì)多目標(biāo)進(jìn)行降級(jí)。根據(jù)市場(chǎng)區(qū)域的不同，23 個(gè)泵站被分為4 組，每組為一個(gè)測(cè)試因子，共4 項(xiàng)測(cè)試因子。每個(gè)泵站均配有多個(gè)排水泵，通常有機(jī)組全開(kāi)、機(jī)組1/2 開(kāi)、只開(kāi)1 臺(tái)機(jī)組等3 種運(yùn)行模式。根據(jù)實(shí)際工程的具體條件，確定了各組水泵機(jī)組的啟動(dòng)模式和運(yùn)行時(shí)間，以此作為實(shí)驗(yàn)水平。若進(jìn)行綜合測(cè)試，則按以上各項(xiàng)測(cè)試因子及程度，共完成81 項(xiàng)測(cè)試。每個(gè)小組的測(cè)試結(jié)果都是按一定的操作規(guī)律組合，為抽水排出等水量所需的最低能量消耗。通過(guò)對(duì)兩種不同的綜合調(diào)度方法的對(duì)比，可以看出，第一種組合方式是最優(yōu)的。與現(xiàn)有的調(diào)度方案相比，采用最優(yōu)方案，可節(jié)省6%左右的能源。同時(shí)，根據(jù)該方案，以最小能耗為目標(biāo)進(jìn)行了優(yōu)化，不僅在常規(guī)洪水期間是可行的，而且在節(jié)約能源和環(huán)境保護(hù)方面也有一定的應(yīng)用價(jià)值。在極端的大雨和特殊情況下，其他的排水指標(biāo)就會(huì)下降。在此基礎(chǔ)上，本文提出了一種基于多目標(biāo)優(yōu)化方法的多目標(biāo)優(yōu)化方法來(lái)代替能量消耗最少的單一目標(biāo)優(yōu)化方法。

4 泵站自動(dòng)化建設(shè)與運(yùn)行管理應(yīng)注意的問(wèn)題

4.1 對(duì)自動(dòng)控制裝置進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆謪^(qū)

泵站的自動(dòng)化是由多個(gè)獨(dú)立的閉路循環(huán)單元構(gòu)成的連續(xù)控制系統(tǒng)。所以，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，必須明確層次。為了減少和轉(zhuǎn)移風(fēng)險(xiǎn)，不能采用單一的控制裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)泵站的全部控制功能。尤其是輔助設(shè)備，采用閉環(huán)控制方式是理想的。在關(guān)鍵的控制線上，僅向上述單位下達(dá)指示和接收狀態(tài)，各單位根據(jù)設(shè)定的運(yùn)行需求進(jìn)行自己的工作。

4.2 管道流量控制

一方面是無(wú)壓管道流量控制，利用取水樞紐液壓閘閥的開(kāi)度來(lái)控制無(wú)壓輸水管的流量。通過(guò)對(duì)某一特定流量和某一流量的差值進(jìn)行反饋，對(duì)某一特定流量的無(wú)壓管進(jìn)行控制。另一方面是有壓管道流量控制，有壓輸水管線的流量是通過(guò)泵站抽水次數(shù)和調(diào)速調(diào)節(jié)量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由監(jiān)測(cè)中心站根據(jù)測(cè)量到的分水口的流量，計(jì)算出與無(wú)壓管線流量之間的差值，然后利用壓力泵室終端對(duì)水泵的開(kāi)關(guān)量或者變頻調(diào)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，對(duì)有壓管道的給水流量進(jìn)行控制。

4.3 運(yùn)營(yíng)管理效率

針對(duì)泵站的聯(lián)合調(diào)度問(wèn)題，存在著運(yùn)行效率低、運(yùn)行費(fèi)用高等問(wèn)題，首先，針對(duì)泵站群的運(yùn)行參數(shù)指標(biāo)多、計(jì)算流程復(fù)雜、計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題，提出了一種基于曲面擬合、建立數(shù)學(xué)模型的方法，并通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，獲得各泵站的相應(yīng)關(guān)系，減少了重復(fù)計(jì)算，大大提高了計(jì)算效率。其次，對(duì)單個(gè)泵站的優(yōu)化操作進(jìn)行了建模，并將改進(jìn)后的差分演化算法與傳統(tǒng)的調(diào)度方法進(jìn)行了對(duì)比，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析；通過(guò)對(duì)該方法的分析，表明該改進(jìn)的微分進(jìn)化方法能夠顯著地改善水泵機(jī)組的運(yùn)行效率，減少能源消耗，減少運(yùn)行費(fèi)用。利用建立的數(shù)學(xué)模型，對(duì)泵站群進(jìn)行了聯(lián)合優(yōu)化，并利用改進(jìn)的差分演化算法對(duì)其進(jìn)行了求解，可顯著減少運(yùn)營(yíng)成本。在泵站群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度中，采用了一種新的差分演化方法，該方法具有較強(qiáng)的可靠性和精確性，能夠快速、高效地求出最優(yōu)解，便于聯(lián)合調(diào)度中心和各泵站現(xiàn)場(chǎng)工作人員根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行合理的調(diào)度。

4.4 控制調(diào)節(jié)優(yōu)化

對(duì)泵站進(jìn)行自動(dòng)的管理與監(jiān)視，必須要對(duì)原有的系統(tǒng)架構(gòu)有一定的認(rèn)識(shí)，并認(rèn)識(shí)到它們之間的不同之處。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的有效利用，必須建立起與之相適應(yīng)的外聯(lián)界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的分享。同時(shí)采用人為方法進(jìn)行調(diào)整，通常情況下，泵站的水位都會(huì)低于或超過(guò)一定值，出現(xiàn)在正常區(qū)間內(nèi)的可能性非常低。因此，在泵站一體化自動(dòng)控制中，水位的調(diào)節(jié)非常關(guān)鍵，必須確保在一定范圍內(nèi)的高度。采用分立模式來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的開(kāi)口數(shù)，再加上水泵的連續(xù)工作，將傳統(tǒng)的手動(dòng)和現(xiàn)代的自動(dòng)化技術(shù)相結(jié)合，采用了PID 變換，可以對(duì)電動(dòng)機(jī)的開(kāi)口數(shù)進(jìn)行管理，通過(guò) PID 控制器，可以有效地管理水泵的工作頻率。

綜上所述，在泵站的自動(dòng)化施工和運(yùn)營(yíng)中，必須密切關(guān)注有關(guān)的設(shè)備狀況，確保設(shè)備的品質(zhì)和型號(hào)，并結(jié)合現(xiàn)代的技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)抽水系統(tǒng)的自動(dòng)化管理。要進(jìn)一步提升泵站的運(yùn)營(yíng)效率，有關(guān)方面要根據(jù)泵站的實(shí)際狀況，建立健全的管理體系，有效地收集各種資料，以便對(duì)以后的工作進(jìn)行有效的控制。