干旱季節期間的抽水站運行工況安全態勢感知方法

楊金華

(云南省麗江市永勝縣濤源鎮農業綜合服務中心水利辦，云南 麗江 674100)

本文研究的抽水站位于濤源鎮，該縣區共擁有耕地面積超過0.933 3×104hm2，由于鎮內具有較豐富的水文資源與土地資源，因此地方農業執行管理單位將該鎮區列為主要農業生產區域。盡管該鎮區的地理環境十分優越，但由于地區水源的匱乏，導致濤源鎮也是永勝縣“十年九旱”的主要地界[1]。由于該區域氣候炎熱、干旱少雨，人民群眾生產生活用水絕大多數依賴抽水站供給。抽水站效益發揮好壞在移民的生產生活、庫區穩定及鄉村振興、全面小康進程中起著至關重要的作用。為了進一步發揮地區抽水站的作用，本文將以地區干旱時期為例，提出一種針對抽水站運行工況的安全態勢感知方法，以期為地區農業生產與灌溉、地區居住群體穩定生活提供更好的條件。

1 干旱季節期間的抽水站運行工況安全態勢感知方法

1.1 干旱季節對抽水站運行影響分析

為了保證抽水站的穩定運行，并確保對其安全態勢感知結果的有效性，本文將開展干旱季節對抽水站運行影響的綜合分析。

結合研究地區抽水站作業區域的水文條件可知，地區在干旱季節作業時，抽水站中作業設備的運行大多處于超負荷狀態[2]。設備在此種條件下長時間作業，不僅會加劇設備的老化，甚至還會影響到機組的壽命。抽水泵在作業時，其中電機呈現一種圓周運動趨勢，機械裝置的運行使泵內結構中隔膜在運行中做復式運動，通過此種方式，對水泵內的空氣進行壓縮，使內部形成一種真空結構，此種真空結構會與泵外空氣形成一種壓差，在壓差的作用下，外部水體進入泵內腔體中，從而達到抽水的目的。

在對機組設備進行常規檢查時發現，部分長時間處于作業狀態的水泵已在高壓狀態下出現漏水等問題，造成機坑區域積水，部分機坑部位的積水現象較嚴重，導致機組的主泵無法正常作業。同時，機組部件在運行過程中，其中軸承結構、零構件等受到外界環境的干擾發生侵蝕，當作業機組的水軸承與油箱區域的水密封性失效后，其結構會在運行中處于長期進水的狀態，部分粒徑較小的泥沙也會順著軸承結構滲入機組內部，從而造成水軸承與機組構件之間的間隙越來越大，由此對區域抽水站設備與相關機組的運行造成威脅[3]。當前端農業對水資源呈現需求狀態時，會加劇抽水站相關設備的運轉，而環境的不適將會影響抽水站的運轉。由此可見，干旱季節對于抽水站的運行是存在負面影響的。

1.2 建立抽水站運行工況安全態勢感知指標體系

為降低干旱季節對抽水站運行的影響，采用構建抽水站運行工況安全態勢感知指標體系的方式，對抽水站運行過程中的情況進行綜合評估[4]。在此過程中，引進ADS態勢指標模型，明確該指標模型在實際應用中，會存在大量的不確定性因素對評估結果造成影響。因此，在構建評估體系時，引進效用理論，綜合前文分析，結合風險效用函數，構建指標體系。對應的指標內容見表1。

表1 抽水站運行工況安全態勢感知指標體系

其中A1指標適用于描述抽水站運行工況的主要指標，當A1指標失衡時，對應的抽水站機組運行將出現異常。考慮到機組運行出現嚴重失衡問題時，部分構件的運行將出現孤島現象，為了更加及時地掌握抽水站運行工況，則需要建立一個針對抽水站運行工況的目標函數，將該函數作為依托，進行抽水站運行安全態勢的感知。目標函數表達式如下：

(1)

式中：H為針對抽水站運行工況的目標函數；x為與抽水站運行機組連接的負荷節點；λ為機組節點重要性；S為機組運行容量；L為故障饋線長度；n為負荷開關，對應n=0是表示“開關閉合”，對應n=1時表示“開關打開”；M為機組失衡度；i為抽水站運行工況安全態勢感知指標。

綜合表1與式(1)中內容，完成對抽水站運行工況安全態勢感知指標體系的構建。

1.3 基于模糊層次分析法評估安全態勢預警等級

在完成上述相關研究后，參照ADS態勢指標模型，引進模糊層次分析法，對抽水站運行工況的安全態勢進行評估。將最后評估的結果進行安全等級劃分，通常情況下，安全態勢感知結果劃分為4個等級，并根據不同等級對應的指數，進行安全態勢預警等級的劃分[5]。見表2。

表2 安全態勢預警等級

表2中F為等級指數，考慮到指數計算的過程可能受到外界相關因素的影響與干擾，因此選擇模糊計算法，進行F值的計算[6]。計算公式如下：

(2)

式中：Wk為等級指數；j為設備連接線路；α為最大指數的特征向量。

在完成對指數的計算后，對表1提出的指標內容進行權重劃分，得到不同指標在安全態勢感知過程中的權重值，并根據對應的指標權重，建立一個判斷矩陣。矩陣表達式如下：

(3)

式中：u為計算結果一致度。

當上述判斷矩陣成立時，證明引進ADS態勢指標模型構建的指標體系成立。當對應的指標體系與評價等級滿足評估需求時，可直接按照式(2)對F值進行計算，根據對接計算結果于對應的風險等級，進行抽水站運行工況安全態勢的感知。以此種方式，實現對抽水站運行工況的實時監控，以此完成本文方法的設計研究。

2 實例應用分析

2.1 實驗數據與實驗方法

本次實踐的場所為永勝縣濤源鎮抽水站，最低海拔為1 212.0 m，抽水站的揚程可以達到200～300 m。濤源鎮屬于典型的以種植業為主的農業大鎮，鎮內共有11 122戶38 727人。目前中心水利辦共管理鎮屬抽水站26座，總裝機5 736 kW，灌溉面積0.2×104hm2以上，惠及全鎮3萬余人。該鎮是魯地拉電站的主淹沒區，也是移民大鎮，共有移民5 825戶19 285人。為實現移民“穩得住、能發展”，鎮黨委政府持續加大產業結構調整力度，致力于將此地區打造為可代表區域經濟建設與發展的綠色走廊。截至目前，使用抽水設備作為支撐種植的沃柑已超過0.24×104hm2，其他經濟作物533.333 hm2以上。選擇此區域的抽水站作為此次實例應用的試點場所，可以確保前端對抽水站運行工況進行實時感知，掌握不同設備在運行過程中存在的異常，避免由于設備運行異常造成的額外經濟損失與安全事故。實驗前，需要先掌握永勝縣濤源鎮抽水站的相關運行設備，具體內容見表3。

表3 永勝縣濤源鎮抽水站運行設備

在掌握支撐抽水站運行的相關設備后，以設備的綜合運行負荷監控結果作為評估指標。在抽水站運行的前端布設一個運行設備綜合負荷傳感器，用于實時監控前端設備的集成運行情況，并建立傳感器與終端預警設備之間的通信連接，當傳感器識別到運行設備在高負荷運行狀態下，超過前端設定的安全閾值范圍后，將自動觸發預警設備，此時前端將發出信號警報，以此種方式，便可以達到對抽水站運行工況實時感知的目的。在此過程中，以永勝縣濤源鎮抽水站一天24 h的運行狀態進行監控。其中運行設備負荷量統計可用下述公式進行計算：

(4)

式中：P為運行設備負荷量統計結果；se為傳感器設備；i為運行設備；j為設備連接線路；t為實驗周期，本文此次研究的t值為24 h；γ為外界干擾因素。設定每間隔1 h執行一次安全評估。

2.2 實驗結果與分析

對永勝縣濤源鎮抽水站運行設備在24 h內的運行情況進行評估，將計算得到的運行設備負荷量統計結果作為評價本文方法有效性的依據，實施此次實驗，將實驗結果繪制成折線圖。見圖1。

圖1 抽水站運行工況安全態勢感知結果

圖1中，a與-a之間的負荷量統計結果為安全范圍，當統計的P值在a與-a之間時，表示抽水站運行工況良好。b與-b表示為負荷極限值，當統計的P達到b或-b時，運行將發生異常。當統計的P值在[a，b]或[-a，-b]范圍內時，將自動觸發前端預警，表示抽水站在此時間段內的運行工況異常。綜合圖1所示的結果，進行不同時間段感知負荷值的統計，見表4。

表4 實驗結果

由表2中的實驗結果可知，在8～10 h、21 h等時段，永勝縣濤源鎮抽水站運行設備負荷量超出安全范圍，此時前端將發出對應的預警。由此可以得出本文此次實驗的結論：本文設計的干旱季節期間的抽水站運行工況安全態勢感知方法，在實際應用中，可實現對抽水站中運行設備的負荷量的實時感知，從而為抽水站運轉提供更好的技術支持。

3 結 語

為了提高抽水站的穩定運行能力，降低由于抽水站運行不穩定造成的經濟損失，本文展開了干旱季節期間的抽水站運行工況安全態勢感知方法的設計與研究。在完成相關研究后，采用實例應用的方式，驗證了本文設計的方法在實際應用中，可實現對抽水站中運行設備的負荷量的實時感知，從而為抽水站運轉提供更好的技術支持。通過抽水站的正常運轉，進一步保證了濤源鎮的農業灌溉用水問題，實現對現行產業發展結構的優化，保障了農業市場的生產總值，提高了地區農民個體的收入，為打造金沙江綠色經濟走廊，奠定了堅實的基礎。