江如春 沈芳芳 张 歆
(1.江苏省江都水利工程管理处，江苏 扬州 225200;2.江苏省水利科教中心，江苏 南京 210029)
智慧水利以物联网为核心,通过现场数据、图像及状态实时采集、处理、分析、计算等,实现对工程现场泵站运行的动态监视、远程控制、智能决策与流程优化,促进泵站各运行环节间高效地进行数据共享与协同工作。本文以南水北调东线源头江都水利枢纽第一抽水站为典型,按照“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”要求,以数字化、网络化、智能化为主线,全面实现数字化场景、智慧化模拟、精准化决策,以构建数字孪生泵站为核心,全面推进算据、算法、算力建设,加快构建具有预报、预警、预演、预案等功能的智慧水利体系,实现精细化数字化泵站管理全覆盖。
江都第一抽水站(简称江都一站)是南水北调东线源头——江都水利枢纽工程的重要组成部分。工程于1961年12月开始兴建,1963年3月竣工,是新中国成立后国内第一个自行设计、自行建设、自行管理的大型泵站。现装有8台1.75ZLQ-6.0立式机械全调节轴流泵,配套TL1000-24/2150型立式同步电动机,设计总流量81.6m3/s。泵站采用堤身式结构,肘形进水流道,虹吸式出水流道,真空破坏阀断流。
江都一站在探索工程管理精细化、信息化、标准化等方面均取得了较好成绩,实现了各高低压电气设备远程开关、主水泵远程启停、各项运行参数远程实时显示并预警;工程精细化管理平台实现了任务下达、任务实施、任务追踪、任务完成及任务评价等全过程管理体系,涵盖了工程管理中检查观测、维修养护、水政执法、评价考核等业务工作。面对新时代水利现代化高质量发展新要求,仍存在很大提升空间。
国内有关大型泵站现代化技术的研究大多集中在监测、自动化控制和泵站运行优化等方面。我国泵站工程从规模和数量上来看,目前居于世界前列,当前的智慧水利建设也已经初具规模,然而尚存在以下缺陷和不足:
a.缺乏深入的智慧化感知。当前的水利基础设施、平台建设还缺乏深入透彻的感知,没有实现水利数据自动采集和安全监测的全覆盖,在水情监测报讯方面存在欠缺,暴露出自动化、信息化技术应用不够深入的问题。
b.缺乏全面的互联共通。现有的水利建设网络覆盖面不足,不同业务系统之间的信息链接和共享存在欠缺,缺乏深入全面的业务协同。另外,在水利基础设施建设方面还存在缺失,基础软硬件支撑体系应用较为单薄。
c.缺乏智能的应用终端。当前的水利建设中新一代信息技术应用还较为薄弱,没有充分突显大数据、人工智能、虚拟现实技术的智慧水利应用功能,在智能化应用服务终端方面尚存在欠缺。
针对现有研究不足,需要不断优化和创新智慧水利的集约化、智能化、云端化和智能应用服务性能,充分利用互联网、大数据、云计算等新一代信息技术,做好水资源合理配置和调度,实现智慧水利的全面透彻感知、数据信息共享、协同智能管理和泛在服务。
3.1 研究确定水利智慧泵站数字孪生基础数据
数据是智慧水利建设的基础,有了数据,上层应用和智慧分析才有基础支撑。因此,通过数据主导应用,以数据为核心,再利用数据进行全域标识、状态精准感知、数据实时分析、动态优化调度、智能精准执行,充分发挥数据价值,构建泵站大数据库,使各监测数据联动,实现泵站工程的智能模拟、监控、诊断、预测和控制。
3.2 部署安装数字孪生信息采集物联传感设备
为了更好地发展智慧泵站数字孪生技术,进一步完善泵站运行基础数据的自动采集系统,在江都一站现有的水位检测、水泵运行参数(电气量、温度等信息)的基础上,以现有主机组为原形,完善泵站安全运行监测数据类别,增加实时运行流量监测、关键部位位移振动监测、电气室光感烟感等安全监测设施。
3.3 改造升级泵站远程诊断集中智能控制系统
江都一站已于2020年完成泵站测控保一体化升级改造,并顺利完成测控保一体化设备M60的各项参数设置和运行调试工作。在实际运行中发现,上位机监控系统与现场新设备设施存在通信延时、操作指令卡死等现象,对工程安全稳定运行有一定影响。为提高江都一站监控系统的稳定性和兼容性,适应现代化智慧水利建设为新要求,打造集数据安全存储、智能分析、合理运用、科学决策、自动控制于一体的泵站远程诊断集中智能控制系统。
3.4 运用准确数据,辅助科学决策,实现智能管理
充分挖掘数据价值,构建水利数据大脑,实现水利的模拟、监控、诊断、预测和控制,以“一库、一平台、一张图、N应用”为核心架构,构建水利数据生态,创新业务应用。在确保数据准确的前提下,科学运用数据间的逻辑关系,人为赋予数据生命,使各数据在特定设置范围中,根据应用逻辑编程,作出数据联动“智能”响应,使泵站达到最佳运行状态,探索“集中监控、故障精确定位、动态调度、智能管理”智慧化管理模式,实现水利泵站安全、平稳、高效、低耗运行。
3.5 数字孪生+3D建模,提升教育培训和安全预警能力
数字孪生泵体运行实时监测是运用虚拟仿真技术及离散事件仿真系统对现实泵体进行数字建模、仿真验证校验、虚拟环境运行的技术措施。数字孪生泵体建设是“智慧水利”的基础工程,为后续的泵体故障识别及动态优化调度提供大量的实验数据及实验环境。在完善的仿真模型的基础上,在仿真系统里进行各种复杂的试验,获取现实系统的各项指标。在主水泵大修的过程中,运用仿真模型,根据大修现场安装测量数据,实时模拟,实时指导大修部件安装调整方向,提高检修效率和检修质量。在职工技术教育培训中,可以不局限于主机大修周期要求,运用仿真模型,随时对水泵进行模拟拆解、安装,帮助职工迅速成长,提高队伍整体技术水平。
4.1 泵站数据采集
数据采集是数字孪生泵体、设备故障识别以及泵站优化调度的基础。数据采集的类型包括电量监测、非电量监测、振动监测和温度监测等4个方面。电量监测内容:高压母线和低压母线的电流、电压、有功功率、无功功率、功率因数等,机组运行时的电压、定子电流、有功功率、无功功率、功率因数、励磁电流、励磁电压等,直流系统电压、电流等。非电量监测包括实时流量、上下游水位、扬程等。振动监测包括机组和压力管道的振动系数。温度监测包括电动机及水泵轴承(轴瓦)温度、电动机定子绕组温度(电机预埋电阻完好)、变压器温度、环境温度等,具体数据采集类型见表1。
表1 江都一站拟采集的数据类型统计
为了实现上述数据的自动化采集,需配置智能传感装置以及设计相关的自动化数据采集程序,即采集硬件和上位机。在上述数据自动化采集的过程中需要解决下列关键问题:
a.智能传感器部署。在进行泵体设备振动、温度等信息的采集时需遵循不改变设备原有结构及性能的原则,尤其在采集叶轮的振动频率时无法将传感器直接部署于叶片上,否则因叶轮高速运转将导致传感器脱落。
b.多源异构数据的集成。由上述数据类型分析可知,包括电流、电压、功率、振动、温度等信息,通过部署多类传感器或者调用DCS系统汇聚了多源异构信息,此时需要解决此类信息的集成管理与统一传输问题。
c.特征信号提取及处理。在采集泵体关键部位的振动信号时常常受到其他数据的干扰,例如水环境的波动、泵体的故障、电磁场的干扰等,此时需要利用特征信号提取及数据清洗技术获取所需振动信号。
4.2 泵体虚拟仿真
将虚拟仿真技术应用于水利工程运行管理领域,建立三维实时动态虚拟仿真环境,利用3D图显技术,使泵站运行管理人员能在虚拟环境下,实现水泵机组运行状态的虚拟演示,实时同步机组的运行状态。该技术的应用不仅可以大大提高水利工程动态运行的控制能力,提高工作效率,降低管理损耗,同时对于水利工程运行管理水平的提升具有划时代的意义。在泵体虚拟仿真过程中拟解决的关键问题如下:
a.动态建模。动态建模技术是虚拟仿真的核心技术,利用动态建模技术获取水利工程的实时监测数据,然后将这些数据信息转化成三维立体数据,并结合工程特点利用获取的三维立体数据建立三维虚拟环境模型。
b.三维图像快速生成。为了使建立的泵站工程三维虚拟模型可视化程度较高,就要求建立的模型图像具有高刷新频率,所以在建立三维虚拟模型时需要利用三维图像快速生成技术,依据江都一站二维CAD图纸和相关建筑数据形成三维虚拟环境,提高模型的可视化程度。
4.3 设备故障识别及诊断
随着现代工业的快速发展,泵站设备也变得更加多功能化、智能化,泵体能否正常运行对工程安全以及运行成本起着至关重要的作用。通过传统的人工化的技术手段对泵体进行检测和维护已经不能满足现代化水利进程的需求,因此,需要一种更智能化的检测手段对设备进行实时监测。在泵体故障识别及诊断过程中拟解决的关键问题如下:
a.泵体故障类型分析。泵体故障类型分析是故障识别及诊断的基础,首先需要弄清泵体常见的故障类型以及故障关联的物理量特征,通过一定的数据关联算法预演故障可能发生的时间、位置以及原因。
b.故障识别及诊断技术。泵体故障识别无论采用何种手段、何种技术,实质上都是围绕主机组运行时各核心部件温度信息、振动信息和噪声信息开展的,对泵体的故障诊断仅仅依靠专家和设备管理人员的经验判断,或者通过一些简单的仪器对故障进行诊断和维护显然是行不通的,需要通过进一步探索智能化故障识别技术。
4.4 泵站优化调度
泵站优化调度拟解决的关键问题如下:
a.泵站在长期运行过程中,由于磨损、不规范操作等因素,系统特性在缓慢发生变化,不同时期可能需要不同的函数关系模型来描述各台水泵的性能特性。
b.优化调度目标函数确定及建模:提出多目标函数的优化调度策略,在不同的运行工况下选取的优化调度目标不同,例如在汛期时应尽可能选取“运行效率及排水量最大化”作为调度目标,在淡水季应尽可能选取“运行费用及能耗最大化”作为调度目标等。
推进数字孪生泵站工程建设作为智慧水利体系的核心组成,是适应现代信息技术发展形势的必然要求,也是实现精细化、数字化管理的迫切需要。要按照“先行先试”的原则,以单座泵站工程为原型,初步建立较为完善的数字孪生平台,实现技术探索和积累,在探索和尝试中对数字孪生技术进行优化与完善,提高泵站工程预报、预警、预演、预案的科学性、实用性、可操作性,为高质量开展南水北调后续工程建设与运行管理提供数字孪生场景及应用技术参考。
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