泵站监控及优化调度研究

赵丽艳 陈春宝

摘 要：随着我国科技水平和综合国力的大力提高，水力资源在国民经济建设中体现出其越来越重要的地位，我国对水利工程建设上也加大了投资力度，合理充分地利用水力资源显得越来越重要。

关键词：水库泵站 监控 优化 调度

一、监控及优化高度在水库泵站中的作用

泵站——水的唯一人工动力来源，作为重要的工程措施，它在水资源的合理调度和管理中起着不可替代的作用。泵站是解决洪涝灾害、水环境恶化、干旱缺水当今三大水资源问题的有效工程措施之一。它们承担着区域性的防洪、除涝、灌溉、调水和供水的重任，主要用于城市给排水、农田排灌以及跨流域调水等。泵站与其它水利建筑物不同，它无需修建挡水和引水建筑物，对资源和环境无影响，受水源、地形、地质等条件的影响较小，且具有投资省、成本低、工期短、见效快、灵活机动等优点。

众所周知，泵站是机械设备、电力设备和水利工程的综合体，由于機组容量不断增大，泵站工程安全可靠性和节约能源的要求不断提高，靠人工手动操作难以满足要求，需要采用先进的控制系统、控制方式。泵站监控系统是集控制、保护、运行、管理为一体的综合性系统，它可以大大提高泵站的效率。

二、泵站监控对象和要求

1、泵站

1.1泵站工程组成：泵站工程主要由泵房、管道、进出水建筑物及变电站等组成。泵房内安装有水泵、传动装置和动力机组成的机组，还有辅助设备和电气设备等。进出水建筑物主要有取水、引水设施及水池等。泵站的管道主要包括进水管和出水管。进水管将水源和水泵进口连接起来，出水管连接水泵出口和水池的管道。泵站投和运行后，水流即可经过建筑物和进水管进入水泵，通过水泵加压后，将水流送出水池或管网，从而达到提水或输水的目的。 1.2泵站的能耗分析：泵站的功能是把一定流量的水从低处提升到某一高度，或输送一定距离，以满足用户的需要。因此泵站必须消耗一定的能量。泵站的抽水装置主要有动力机、传动装置、水泵、出水管、水池以及辅助设备等部分组成，各组成部分都要损耗一定的能量。1.3泵站的控制方式，在泵站系统中，根据计划输水量，在维持整个输水线路的输水量和前池水位基本不变的情况下，并考虑沿线相关限制条件，通过有效的水力控制方式，来达到水量和流量平衡，在达到稳定、高质供水的基础上降低能耗和供水成本。

2、水泵

水泵是一种能够进行能量传递的机械，它把动力机的机械能传递给被抽送的流体，使流体的能量增加，从而达到提升或输送流体的目的。泵又是一种通用机械，水泵是泵站中最主要的设备。水泵设计制造、造型配套、安装运行、维护管理的好坏不仅对工程投资的影响很大，且与节约能源、降低成本、提高经济效益都有密切关系。

2.1.水泵的自动调节：比如当实际的供水工况的变化规律与水泵特性较吻合时，无需任何控制手段，水泵能依据自己的特性满足各种工况要求。

2.2闸阀调节：当水泵所提供的杨程高于所需扬程，用关小出水闸阀来进行恒流调节，以保证净水构筑物免受冲击负荷的影响。闸阀调节简单易行，又不另加投资，因此，当水位变幅不大时，成为了常用的调节方式。但是，他将多余的能量全部消耗在闸阀上，是不经济的，当能量较大时不应采用，当水位变幅较大时，可考虑以下即将提到的台数组合或采用换轮、高速等方式。

2.3水泵台数组合：是通过不同台数的水泵并联运行来满足工况的不断变化，它要求泵站内水泵台数较多，且大小搭配，平面造价太贵，一般用在大型供水泵中。

2.4切削叶轮：它对应为换轮的方式。要注意切削范围，只有在一定的切削范围内，才能利用切削律确定叶轮的切削量。注意台数组合和换轮方式都不能适合工况的连续变化，必须辅以闸阀调节，因此运行中存在能量浪费。

2.5水泵调速：他与切削叶轮都是通过改变水泵的特性曲线来适应工况的变化，控制水泵调速，主要遵循高效、不阻水、不汽蚀等原则来确定调速范围。

三、泵站监控系统的系统结构

泵站监控系统通常分为三层，即泵站集控层、现地控制层和网络及网络接口。

1、泵站控制层

泵站控制层是整个监控系统的核心。其站控级主要由主控机和工作站等数台计算机构成，配有一台打印机等辅助设备，并由以太网形式联成一个监控网络系统。主控机主要用于完成监控系统在这一级上的各种任务，如：安全监视、运行管理、系统自诊断与上、下层通讯等。而图形工作站则主要完成人机接口功能，如：各种画面的显示、各种控制命令的发出等。

2、现地控制层

现地控制单元层 LCU监控系统的现地控制层在分布式控制系统中，主要是指针对某一特定的控制对象而设置的远方终端设备，又称现地控制单元。它们分别通过各自的网络硬件设备，在相应的软件支持下，与站控级一起连成一个计算机局域网。它主要负责完成现场设备各种数据的采集、处理及事件的记录，信息传输，设备控制及保护等工作，并通过以太网通讯协议与站控级计算机相连，传送运行设备的实时数据。一般主要由泵机组现地控制单元和开关站现地控制单元等组成。这几台机组现地控制单元分别对几台机组实施监控，一台公用现地控制单元用于对泵站的公用系统，如对油、水、气系统等进行监测和控制，而另一台开关站的现地控制单元用于对开关站实现监控。

3、网络及网络接口

泵站监控系统的网络通信分为两类：以太网通信和串行数据通信。监控系统内部的上位机与各台 LCU之间可通过 100M光纤以太网形式通信，以实现各种实时数据和控制命令的快速传输。由于泵站的励磁、保护、模拟屏等其他装置或设备的通信能力受装置本身硬件配置的限制，无法采用统一的总线方式联接起来，因此与这些设备的通信采用串行数据通信方式，由通信工作站等承担此功能，采集的信息经预处理，经以太网传送至各上位机供画面显示和打印。

四、水库泵站优化调度

1、泵站站内机组的优化调度

泵站的经济运行首先应该在满足抽水量和扬程的前提下， 尽量减少提水流量和降低提水扬程；其次，要设法提高泵站的装置效率。泵站优化运行的实质问题是如何选择机组组合和确定所选择机组的运行工况泵。

1.1泵站机组选型：灌区运行要求泵站既能满足正常情况供水， 又能满足向调节水库储水和从调节水库提水灌溉。也就是要求泵站机组在满足设计流量的情况下，适应不同扬程运行要求，既能满足设计情况下供水，又能在非设计情况下满足各单机组的灵活运用。

1.2水泵叶片的开启角度的确定，从提高水泵、电动机、管理机构与综合效率出发，根据大中型泵站多型号水泵机组运行的优化调度进行了研究。在满足要求的条件下， 泵站净扬程一定时，取较小的叶片角度，水泵的流量小，水头损失也较小， 泵站装置效率高；而对于不同型号的机组，效率高的机组开机台数多，水泵叶片角度则偏大，效率低的机组开机台数少，水泵叶片角度偏小。

1.3泵站运行最优工况的选择，在需要泵站提取一定的流量时， 泵站内以不同的装置或不同的水泵参加运行。而在这些方案中， 须找出相应于能耗最少或者泵站效率最高的运行方案所对应的工况，即泵站运行的最优工况。

2、泵站间的优化调度

在多级提水系统中， 各级泵站之间有着密切的水力联系 ，各站的流量、水位互相影响制约着整个提水系统的运行。多级泵站的优化运行，既要考虑各级泵站内的机组优化运行， 还要考虑站与站之间水力要素的优化组合。

3、级间流量配合及水位（扬程）的优化

泵站的最优运行决定于泵站中的各项装置的运行特性和各装置间的流量或扬程的最优分配（并联泵系统或不同泵型的泵站中，各装置之间的流量最优分配及串联泵系统或分级泵装置之间的扬程最优分配）。