南水北調泵站故障診斷系統的設計分析

邵艷波 許正周

摘要：南水北調東線工程將按照市場化的方式運作，這就要求管理機構在調水計劃制定、水價制定、合同管理、水量計量、工程與調度管理、信息共享與發布等方面需要按照市場規則運行，要求價格合理、計量可信、水質保證。為了降低運行成本，提高資本的收益率，必須實現泵站優化調度和高效經濟運行，降低機組故障率，提高其安全可靠性，對泵站機組運行狀態實施監測與故障診斷。因此需建設泵站遠程故障診斷系統，來幫助現場泵站管理人員實時了解泵站的健康狀況，事前預警、事中告警應急處理、事后評價，優化工程管理，支持各級管理機構調水過程的管理工作，實現對設備的實時在線狀態監測和在線故障自動診斷，并且給出機組安全等級評價，極大提高機組的可靠性，延長無故障工作時間，減少檢修和維護費用，提高生產效率，保持設備良好狀態，及時發現運行中的隱患，充分發揮泵站效能。

關鍵詞：泵站；故障診斷系統；工程管理

一.項目背景

南水北調東線工程利用江蘇省江水北調工程擴大規模，向北延伸。江蘇省內調水線路總長852km，其中長江至洪澤湖445km，洪澤湖至駱馬湖270km，駱馬湖至下級湖137km。沿線輸水河道現狀大多具有防洪、排澇、航運、供水等綜合功能。

江蘇境內從長江至南四湖地勢逐步抬高，高差約30m，江蘇段調水工程以京杭運河線為主，已建成江都、淮安、泗陽等9個梯級。

南水北調東線工程體系不僅具有供水功能，在增加現有工程供水規模和能力的同時，還保留和增加了防洪、排澇等能力。在服從防洪安全的前提下，為充分利用洪水資源，降低運行成本，減少抽江水量，減少電能消耗，提高工程效率和綜合效益，實現多水源互調互濟，統籌調度、多目標供水，因此工程可靠、高效、安全運行至關重要。

二.故障診斷系統研發技術路線

（一）系統架構

故障診斷系統采取分層分布式架構，主要由信息采集層、信息傳輸層和應用系統層構成。具備下列功能：數據采集與處理；數據通訊；運行狀態監測及分析；趨勢預判、故障分析及告警等。

泵站現場通過環網交換機與遠程數據中心聯網，實現遠程狀態監測和故障診斷等功能。其中，最為關鍵的現場故障診斷應用系統的開發，主要是利用振動、溫度、流量、水位、壓力、電流、電壓、功率等參數，采用智能神經元、自學習、自診斷、大數據分析等技術。

信息采集層大部分數據可通過與泵站現有自動化監控系統通訊提取，其它必要的數據根據實際情況加裝對應的傳感器等前端設備進行補充采集。

（二）技術路線

根據泵站故障診斷系統專業性要求高、可靠性要求高、智能化要求高、站點分布廣、可借鑒經驗少、標準規范少以及受管理模式約束大的特點，需選擇泵站工程先行試點，制定系統研發工作技術路線。（見圖1、圖2）

三一信息化現狀

（一）調度運行管理系統建設現狀

目前公司正在建設南水北調東線一期江蘇段調度運行管理系統，工程主要包括信息采集系統、通信系統、計算機網絡、工程監控與視頻監視系統、數據中心、應用系統、實體運行環境和網絡信息安全8個部分。工程的建設目標是實現江蘇境內工程調度運行管理的信息自動采集、運行監控聯網、智能分析處理、科學決策支撐，從而全面提高工程調度運行的現代化管理水平。系統具備實時掌握江蘇境內泵站出口、省市縣際交水斷面、干線水文站的水量、水位、水質、工程運行等調水信息，具備調水沿線泵站、干線重要控制建筑物、重要取水口門等工程的監控，具備水量預測預報、水源優化調度、調水過程的全線監控和各級管理部門之間的異地會商等功能。

目前調度系統在江都數據中心建設完成調度室、會商室、機房實體環境，監測泵站工情、水量、水質等信息，實現調水信息管理平臺綜合展示和查詢管理、視頻會議、視頻監視、工程監控等系統，基本滿足了應急調度期的需求。光纜線路工程基本完工，骨干網傳輸設備安裝工程已開工，年內貫通自建專網。調度運行系統主要有三張網，即外網、監控網和調度管理網。外網主要是解決與internet網、外網站的連接以及各站點上外網的需求。監控網主要是解決各相關站點的監控、遠程控制、故障診斷系統的需求。調度管理網重點解決調度、工程運行、管理、辦公、視頻、會商等的需要。主要有信息采集、通信、網絡、管理支撐平臺及應用系統建設等。

（二）試點泵站建設現狀

選取南水北調東線某泵站作為試點站，此站主要任務是通過與下級站聯合運行，向下游湖泊調水150m3/s。試點站工程包括泵站、擋洪閘、進水閘和上下游引河。泵站安裝立式全調節混流泵5臺套，設計揚程6m，單泵設計流量37.5m3/s，轉速125r/min，采用真空破壞閥斷流，配套同步電機功率3550kW、電壓10kV。另裝有1000kW定漿水輪發電機組。變電所電源從洪澤縣朱壩變電所引接，由一條110kV架空線接入，主變容量25MVA。

試點站建有自動化監控系統和視頻監視系統，其中包括計算機監控系統站控級服務器、工作站、工業以太網交換機、防火墻、加密與隔離等安全設備、現地控制單元、前端設備、傳輸設備、信息管理系統計算機設備和網絡設備等。自動化監控系統能夠實現對主、輔機組的有效控制和電氣量、溫度、流量、壓力等參數的可靠監測。視頻系統主要是對主輔廠房、節制閘、上下游河道的視頻監視。

目前，自動化監控系統綜合分析等方面利用率不高，視頻監視系統缺少安防系統，且試點泵站工程信息化系統主要輔助泵站的管理，使用率不高。

四.需求分析情況

根據泵站實施條件，作為試點工程，目前完成了需求分析的工作，通過對振動、擺度、溫度、壓力、電氣、非電量等信息的監測、分析、計算、判斷等，達到對泵站工程運行狀態的掌握，從而提前預判、告警，實現狀態檢修、降低現場值班人員的數量的質量，達到降本的目的。具體內容包括。

1.數據采集方案：為實現遠程故障診斷，需采集的數據范圍和參數。

2.故障判別流程：為實現故障的計算機自動判別，匯總泵站可能出現的重要故障類型，以及每個故障的判別流程。

3.管理基本流程：以事前預警、事中告警應急處理、事后評價的管理體系為目標，編制故障診斷系統中工作流程圖。

五.數據采集方案

數據采集點范圍：根據管理范圍的要求，將試點站電氣、主機、輔機等系統納入系統采集范圍，從每個設備的每個部件環節按順序梳理需監測的數據點。

數據采集點選取原則：按信息參考價值高、可直接監測、可靠穩定性高、便于安裝、自動監測與人工監測結合考慮。

數據采集點匯總表內容：數據采集點匯總表包含目前監測狀況、監測方案、監測傳感器選型、傳感器安裝部位和數量等內容。

數據采集初步選型：目前泵站監控系統已有的數據采集點，填報內容詳細到數據具體來源和傳輸路徑。目前泵站監控系統沒有的數據采集點，對未安裝且不熟悉的傳感器，采用在網上尋找相關監測傳感器資料，參照類似項目的產品型號的方式進行比選。初步確定監測方案、監測傳感器選型、傳感器安裝部位和數量等內容。

六.故障判別流程

故障類型表內容：選取對主機安全運行影響較大故障，編制故障類型表。

故障的分析流程圖：將泵站在運行過程中故障發生時，人工憑經驗排查故障的流程圖形化。

1、主電動機

（1）繼電保護跳閘（過流、過負荷、速斷、差動、低（過）電壓）。可能產生的原因：保護裝置故障、電機故障、機械卡阻、電壓過低、勵磁故障、電纜故障、互感器故障等。

（2）瓦溫過高。可能產生的原因：測溫系統故障、電機過載、油溫高、冷卻水流量低或水溫高、潤滑油劣化、油缸進水等。

（3）油溫過高。可能產生的原因：冷卻水流量低或水溫高、潤滑油劣化、油缸進水等。

（4）油位異常。可能產生的原因：環境溫度高，冷卻器破裂。

（5）振動異常。可能產生的原因：水泵過載、軸瓦磨損嚴重、抗重螺栓松動或脫落、擺度異常、軸心軌跡異常。

2、主水泵：振動異常。可能產生的原因：汽蝕、卡阻、水位組合不符、水導軸承磨損異常、碰殼。

七.應用系統開發

（一）技術要求

（1）溫度、壓力、流量、水（油）位等參數，具有自動跟蹤、計算、分析等，實時定量（性）顯示變化趨勢。

（2）振動、開關量，具有實時采集、處理、存儲。

（3）故障報警準確、及時。

（4）采用實時數據庫存儲、修改及調閱。電氣、溫度、壓力、流量等采集精度、周期等滿足要求。

（5）設置用戶管理，采用密碼、指紋等，主要分現場、數據中心及運維級三種。

（6）各畫面調閱快速、及時，系統的實時性、無故障運行時間、丟包率等系統指標滿足要求。

（7）顯示采用波形圖、柱狀圖、餅圖、流程圖、統計表等形式，部分可采用LED閃爍式，情況越接近設定值，越危險顏色越紅，跳動的頻率越快。

（8）按提供的輸出、報表等要求，具有查閱、輸出、打印等功能。

（9）采用MUDBUS或OPC通信傳輸。

（10）采用三級菜單。

（11）所有弱電傳感器線纜的連接需采用焊接。

（二）診斷要求

（1）在發現相關的故障后，可采用報文、框圖、流動字幕等顯示，字體為紅色，并伴有聲光信號。

（2）能實時提醒現場輔助處理故障的原因及方法。

（3）按定量（性）的要求，能通過計算分析，提前預測、智能告警。

（三）系統界面

在三維泵站矢量圖的基礎上，具備以下功能界面：振動、溫度、壓力、流量、電氣、故障類型（集中顯示）、輔助原因分析、工程技術參數、維修、試驗記錄輸入及顯示、開關量狀態監測、報表、報告輸出

以上相關界面，根據現成各主輔設備運行技術參數關聯性，如振動、溫度、流量、壓力、電氣量等，可以集中呈現。

八.管理基本流程

在故障診斷系統投入運行后，會對管理流程產生影響，以事前預警、事中告警應急處理、事后評價的管理體系為目標，設計兩級管理模式，即泵站現場級和遠程級，與其他應用系統采用接口對接。泵站現場級主要負責日常值班、人工定期輔助巡視、應急事件處理、記錄處理過程和結果；遠程級主要負責故障判斷、編制人工輔助排查方案、編制現場處理方案、應急事件處理、記錄診斷報告、維修建議等。