智慧泵站平台在水利工程管理中的应用

刘浏昊知，何青岩

（江苏省灌溉总渠管理处，江苏 淮安 223200）

1 引言

在水利工程建设范围不断扩大的背景下， 水利工程内部设备不断增加，不同设备管理方法具有一定差异，使工程管理工作面临较大的难题。 而智慧泵站平台可以实时监控泵站设备，在分析设备运行数据的基础上自动开展远程管理，避免设备空载运行，提高整体调度水平。 因此，探究智慧泵站平台在水利工程管理中的应用具有非常突出的现实意义。

2 智慧泵站平台背景概述

智慧泵站平台起源于地区间水资源分配不均。 2009 年至今，灌溉排水泵站更新改造不断推进，智慧泵站平台走入灌溉排水泵站管理层面，为泵站规范化管理提供了充足的支持。 当前，我国智慧泵站平台的市场化应用范围仍然较小，建设基础较为薄弱，在未来国家投资力度不断加大的背景下，智慧泵站平台的建设范围将进一步拓展。 同时在泵站管理使用率低、检修维护不到位、空载运行、高能耗等困难不断突出的背景下，智慧泵站平台将成为现代泵站建设的重要方向[1]。

3 智慧泵站平台的功能分析

3.1 智能监控

智能监控是智慧泵站平台的主要功能。 在智慧泵站平台运行过程中，可以借助监控摄像头、智能传感器，24 h 实时监控泵站所在区域气象、水位以及电力设备运行数据。 同时，远程监控泵站变频器、水泵、流量计及设备控制器状态，在平台端随时查看，为设备管理提供充足的数据支持。

3.2 故障报警

故障报警是智慧泵站平台的功能之一。 在泵站设备出现故障表现时，智慧泵站平台可以自动发出声光报警，并自动将报警信息推送到管理者手机端、电脑端，便于压缩泵站设备故障管理控制延时，为泵站工作流程顺利推进提供依据。

3.3 远程控制

远程控制在智慧泵站平台运行过程中表现较为突出。 在智慧泵站平台运行过程中， 可以根据需要经设备快线诊断并修改泵站设备控制器程序，保障泵站设备维护效率，也可以根据监控数据将管理指示传递到泵站， 高速低延迟， 断网续传（网络修复后自动传输），远程自动控制泵组启动或停止，精简泵站管理流程，保障泵站设备精准、安全、高效运行。

3.4 可视化

智慧泵站平台终端具有组态监控的特点， 可以直接拖拉绘制泵站运行画面，绑定泵站设备运行数据，完成对泵站工艺流程的可视化展现。 同时，从多个维度整合泵站设备数据，以数据图表的形式进行可追溯分析，在实现数字化运营的同时，辅助泵站管理决策[2]。

4 智慧泵站平台在水利工程管理中的价值

4.1 降低维修等待时间

传统水利工程泵站管理中维修工作量大， 因无法实时掌握液位、水位、水质等数据，加之汛期紧急状况下人工数据记录时间消耗，导致维修等待时间较长。 而通过搭建智慧泵站平台， 可以远程自动采集泵站运行数据， 远程自动维护泵组设备，降低维修等待时间，提升泵站运行维护效率。

4.2 减少设备空载运行

智慧泵站平台打破了泵站设备之间信息交互的壁垒，实现了设备信息分布数字化。 泵站内设备以网络为纽带，可以实时传递运行状态信息， 智慧泵站平台中心则实时更新设备运行数据，通过设备运行数据分析进行控制管理，加强设备运行状态管控，减少泵站内设备空载运行情况，为设备运行效益提高提供依据[3]。

4.3 提高整体调度水平

智慧泵站平台是针对传统泵站存在不足而研制的专用装置。 智慧泵站平台内配置有无线网络、专用控制系统、物联网云平台、数据采集器等智能设备，可以实现泵站的可视化远距离监控与自动控制。 高度智能的泵站平台，可以在减少人为工作量的同时，整体提高泵站调度水平，为泵站可持续发展提供依据。

4.4 强化管理成本控制

泵站是水利工程的重要组成部分，在防洪储水、确保灌溉安全等方面具有重要意义。 传统泵站具有结构松散、泄露风险高、占地面积大、匹配度差等问题，管理成本风险较高。 而引入智慧泵站管理平台可以实现无人值守自动控制， 并及时监测运行情况自适应调整优化，强化泵站管理成本控制，提高工程管理效益[4]。

5 智慧泵站平台在水利工程管理中的应用

5.1 智慧泵站平台架构

智慧泵站平台主要对接物联网云平台搭配工业智能网关，结合水利工程个性化管理需求，集成远程监控、自动维护与管理模块。

如图1 所示， 智慧泵站平台应用架构主要包括泵站监控中心、工业智能网关、PLC（可编程逻辑控制器）、摄像头几个部分。 其中，泵站监控中心主要包括站点监控中心、工程监控中心、移动手机端（微信、电子邮件等）等。 泵站智能中心可以经4G/5G、以太网与工业智能网关进行监控数据交互，工业智能网关负责集成摄像头视频监控数据以及PLC 控制下的流量计、变频器与水泵监控数据。 而水利工程管理者可以经电脑、手机等终端随时远距离监测泵站内状态， 并经设备快线完成站段、泵站PLC 的远程配置预更新，实现泵站智能化管理，营造无人值守氛围。

图1 智慧泵站平台应用架构

在水利工程管理过程中， 智慧泵站平台可以根据执行指令现场控制各个泵站操作情况，将操作情况安全、高效地传输给工业智能网关，基于工业智能网关完成数据的存储与传输，为异地远程服务监控、水利调度、远程数据分析与指令下达提供依据。 从现场操作端配置来看，除视频监控系统摄像头外，还包括水质监控用流量计、可编程逻辑控制器、机组运行状态监控用传感器（将若干振动传感器安装到电机端采集机组振动数据并传送到智慧泵站平台）等。 先经手机软件或第三方微信登录到视频监控系统，实现泵站现场情况的实时观看[5]。 再经流量计对现有水质进行实时监控， 并将实时区域水质传递到智慧泵站平台后台， 后台按照前期设定公式分析结果反馈给上位机，为区域调水提供依据。 而可编程逻辑控制器由上位机、 下位机组成， 上位机为组态界面集成了泵站运行参数设置、操作按钮、历史数据、记录报警数据、水利工程三维模型等，在实时显示泵站运行情况的同时，判定水泵机组设备是否处于异常工作状态，若是，则提前发出警报，最大限度地降低水泵机组故障损失；下位机负责控制水泵、闸门、电动阀等自动化设备，负责与变频器配合变送各个传感器的信号，涵盖了设备轴承温度信号、设备定子信号、设备电压、上游水位信号、下游水位信号、扬程信号等。 在发现泵站内设备温度超出设计温度标准后启动自动保护模块，关停机器，或者在发现泵站运行荷载超出设计荷载时关停机器，一般闸门、水泵之间为联锁控制，可以在关停闸门的同时控制水泵停止运行。

5.2 应用过程

5.2.1 智能控制

智慧泵站管理平台是监控系统设备、应用系统、网络通信系统集成的结果，涉及了水利自动化、信息化、现代化建设的诸多方面。 在依托现场控制单元、现场传感器、显示设备、监控系统站控单元、网络通信设备与软件、电力线缆等设备完成泵站运行数据采集的基础上， 可以在平台端根据需要浏览保护运行监视网络拓扑图、巡视路线图、主接线图、低压主接线图、直流系统图、主画面、水系统图、温度监视图、运行报表、水位曲线等，或者点击 “事件查询” 按钮查询特定事件，根据查询信息进行主辅机智能控制以及故障远程处理。 比如，主机自动开机控制时，首先，判定电子绝缘电阻、转子绝缘电阻、励磁工况均处于合格状态，打开主电机冷却通风机风门，准备自动开机（或手动确认）；其次，打开冷却水电动球阀，冷却水示波信号正常，若不正常重新尝试或手动去人。 同时励磁运行方式为恒电流方式；再次，确定叶片调节机构控制方式为自动，并自动将叶片角度调整为-6°。 同时，确定主机开关控制方式为远程控制，开关手车至工作位置，开关未储能，合上主机开关分闸；最后，关闭真空阀循环调度，将叶片调节到运行角度。 而主机自动停机流程与自动开机流程相反， 需要先准备开关控制至远方位置，拉开主机分闸、真空循环阀，再调整开关手车至试验位置、叶片调节结构控制方式为自动。

5.2.2 调度优化

受江河潮位顶托，泵站运行期间能量损耗变化较为剧烈，特定时期能量损耗较高。 基于此，依托智慧泵站管理平台，利用三维插值方法，构建泵组运行的数学模型，离散优化处理泵站运行时段，构建目标时间段泵站运行的状态矩阵，最终在可行解集内进行开机时长、叶片角度、开机台数的限定。 进而借助遗传算法寻求目标时间段泵站运行状态参数的最优解，解决江河潮位顶托工作状况下泵站能量损耗过高的问题， 为泵站降本增效运行提供依据， 实现水利工程管理经济效益最大化。 在基于智慧泵站管理平台的泵站优化调度期间，首先，人工输入流量需求、泵站机组热备状态与优化调度模式；其次，自动加载泵站特性曲线、历史潮位信息与当前上游、下游水位信息；再次，预先估测未来24 h 下游水位扬程；最后，进行时段离散化， 将时间影响因素转换为一个变量， 直接输出优化结果，并以图形方式展示优化结果。

5.3 应用展望

智慧泵站平台有效联系了人与物、人与人、物与物，实现了泵站内设备与终端、设备与设备之间信息共享，为场景预先估测、实时数据分析、异常状态预先警报、故障诊断提供了依据。 特别是综合调度、智能流量控制参数的应用，可以为水利工程管理可视化、科学化提供依据。 但是，当前水利工程内部设备运行时间较长，自动化控制水平不足，部分电灌站仍然没有实现信息化、自动化、智能化要求。 基于此，在未来智慧泵站平台打造期间，应纳入水利工程设备自动化控制内容，从底层出发，逐步向应用层递进。 即从水利工程内部陈旧设备自动化改造着手，进行智能传感器、网络设备的配备，并进行网络的搭建，推动泵站同步改造，为智慧泵站平台在泵站管理中应用优势的充分发挥提供依据。

6 结语

综上所述，智慧泵站平台是物联网与自动化设备有机结合的成果，集成应用了智能装备、大数据采集分析技术、智能传感器、视频监控、通信技术、自动控制技术等，可以实时监控泵站现有设备并对其进行自动化控制。 同时，实时掌握泵站多类信息及数据，解决泵站信息不对称、排涝不及时、能源损耗多、运维成本高等问题。 因此，水利工程管理人员应根据管理实况，合理应用智慧泵站平台，充分发挥智慧泵站平台在水利工程管理中的应用优势，确保工程可靠、节能、高效、安全运行。