一种泵站能效监测系统的制作方法

本实用新型属于水利工程及环境工程技术领域，具体涉及一种泵站能效监测系统。

背景技术：

大型梯级泵站是缓解水资源分布不均匀和解决城市缺水的重要水利设施，在国民生活和经济发展中发挥着重要作用，此类工程一般具有管线长，流量大，运行时间长，能耗大等特点，其中运行费用最大的部分是电费，平均约占总运行成本的1/3~1/4。至2008年，全国机电灌排泵站装机容量达4254.3万kW，其中固定式机电灌排泵站装机2395.3万kW，共有灌排泵站443504处。泵站众多，其年运行耗能巨大，如果按所有机电灌排泵站每年平均开机20天，每天运行20小时计算，则每年需要用电约170亿kW.h度，电费总量相当可观。

另外，目前整体而言我国泵站的效率较低。据统计，我国机电灌排的大中型泵站平均泵站效率仅30%-50%，甚至有的泵站效率只有20％～30％。也就是说，在目前的情况下，泵站所消耗的能源，一半以上做了无用功。按全国机电灌排泵站耗电年均170亿kW.h，如果将平均泵站效率由40%提高到60%，则可年均节电56.66亿kW.h度，节能空间巨大。

为了降低泵站的运行能耗，就需要使得泵站在完成其所担负的提水任务的条件下，寻找一种相对最佳的运行方式，使其产生的效益相对最大或者说在产生相同效益时消耗的成本最小。因此，当前更需要在泵站的运行过程中，对泵站运行的能耗进行监测，根据用户信息以及水文气象等条件，结合当前的泵站系统的运行状况，按照经济合理的原则确定优化目标并用系统优化的方法，求解最优运行决策，使得泵站在完成任务的同时降低运行费用。

技术实现要素：

为了提高我国大中型泵站管理和运行调度水平，提高泵站灌溉保证能力、节约水资源、降低泵站能源单耗，确保泵站充分发挥效益，本实用新型提供一种泵站能效监测系统。

为解决上述问题，本实用新型采用的技术方案是：

一种泵站能效监测系统，包括一个远端控制中心，若干泵站，其所属远端控制中心包括分别通过光传输汇聚设备连接到工业以太网的内部接口服务器、WEB应用服务器、移动客服端和PC客服端；所述泵站设置有光传输设备和直流电源装置，以及依次连接到泵站交换机的工作站、采集服务器、数据库服务器、打印机、投影仪、微机综合保护装置和若干现地监测装置，GPS时钟模块连接到所述工作站，所述泵站交换机通过光传输设备连接到工业以太网。

进一步，光传输汇聚设备为OptiX 2500+(Metro 3000)，光传输设备为OptiX Metro 1000。

进一步，所述微机综合保护装置包括分别连接到第一主控设备通信接口的进线保护装置、主变压器与站用变压器保护装置、出线保护装置、主机保护装置、第一通讯单元、录波器、第一显示单元。

进一步，所述现地监测装置包括第二主控设备和电源系统，以及分别连接到第二主控设备通信接口的切换开关、控制按钮、温度检测仪、第二通讯单元、第二显示单元、电度表、水位计、流量计、压力传感器。

进一步，所述第一通讯单元、第二通讯单元为网卡，第一显示单元、第二显示单元为液晶显示屏。

进一步，所述第一主控设备或第二主控设备通过以太网连接到所述采集服务器。

进一步，所述第一主控设备或第二主控设备为PLC可编程控制器。

进一步，所述水位计设置在泵站的前池和出水池，流量计设置在泵站总上水管，压力传感器设置在每台水泵机组出水管与泵站总上水管处。

进一步，其特征在于：所述水位计为脉冲型雷达水位计，所述流量计为外夹式超声波量水计，压力传感器为HUBA 511。

应用本实用新型构建的能效监测系统对泵站运行进行优化调度包括泵站内的优化调度和泵站梯级优化调度，具体方法如下：

泵站内的优化调度：

步骤一：找出每个泵站内单台与多台水泵并联组合供水时的最优工况点，这是站内优化的目标；

步骤二：构建泵站站内优化调度数学模型，以泵站的耗能最小为总目标。约束条件包括：水量平衡约束和开机台数约束。采用动态规划方法求解。求解过程中，阶段变量为水泵机组台数，分别为1、2……n,n为本站机组总台数；状态变量为投入运行的机组台数，台数应该根据实际需要的流量确定；决策变量，由于工况不可调，流量数值固定。所以对每台机组即每个阶段决策只有两种:开机和停机，若决策开机，流量等于定值，不开机则流量为零；决策输出变量为机组的能耗。因此，利用动态规划方法，可以求出阶段变量的第1阶段至第n阶段，求出n台机组运行时的最小耗能组合，相应的机组配备与组合即为最优运行组合。

泵站梯级优化调度：

步骤一：梯级间调度优化模型确定。以各泵站的提水扬程Hj为关联变量，建立梯级泵站扬程优化调度的模型。优化计算首先由梯级泵站扬程优化模型要求关联变量Hj通过水位变幅从而在可行域内进行离散，扬程实际上是由进水池Hj，出水位Hc组合确定的，需要根据水位实际变幅合理确定决策扬程间隔大小，求出各级泵站在扬程Hj的最小轴功率。

步骤二：目标函数的确定，以梯级泵站系统总轴功率最小为目标函数。

步骤三：约束条件：

1）水量平衡约束。相邻两级站之间必须满足水量平衡。

2）输水渠道水深约束。级站渠道的最低、最高水深。

3）最大开机台数约束。包含梯级间每座泵站的装机台数与开机台数。

4）扬程平衡约束。在一次计算中，第一级站的进水位Hj1，和最后一级站的出水位Hc2看作不变。

5）流量约束。各级泵站的实际提水流量q应大于用户需要的最小流量，并小于由泵站提水能力决定的最大流量。同时，要求前一级站流量大于或等于后一级站流量。

6）决策约束。各级泵站的扬程由各自的进、出水位决定。除第一级站的进水位和最后一级站的出水位在一次计算中看作不变值外，其余各进出水位均随泵站区间的调蓄状况(充满程度)而定。通过求解，最后求得所有组合状况下的最小能耗值，从而选择出并且最终确定出能耗最小情况下的机组组合状态,使灌溉能耗达到最小。

本实用新型可实现对每个泵站的前池和出水池的水位，机组的流量，进出水管的压力，机组的能耗，分水口的流量等水文气象和机组运行参数的采集。控制中心利用采集的数据，根据泵站运行调度的实际需要，构建梯级泵站运行调度数学模型，依据该数学模型可开发出多级泵站的配水优化运行调度系统。合理调度运行各级泵站，满足灌溉需求的同时，最大限度节约能源，获得灌区内最大的经济和社会效益。

附图说明

图1 是本实用新型的结构框图。

图2 是本实用新型的微机综合保护装置结构框图。

图3是本实用新型的现地监测装置结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

如图1所示，一种泵站能效监测系统，包括一个远端控制中心1，若干泵站2，所属远端控制中心1包括分别通过光传输汇聚设备10连接到工业以太网3的内部接口服务器11、WEB应用服务器12、移动客服端13和PC客服端14；所述内部接口服务器11用于移动客户端13与系统间进行数据交换，包括：数据采集、数据同步、数据核查等功能。所述泵站2设置有光传输设备20和直流电源装置4，以及依次连接到泵站交换机21的工作站22、采集服务器23、数据库服务器24、打印机25、投影仪26、微机综合保护装置28和若干现地监测装置（29），GPS时钟模块27连接到所述工作站22，所述泵站交换机21通过光传输设备20连接到工业以太网3。

为了保证通信网络高效、可靠、稳定，通过“星型+总线型”的网络架构部署网络干线，即现地泵站2的局域网通过光传输设备10 OptiX Metro 1000链接到远端控制中心1的光传输汇聚设备20 OptiX 2500+(Metro 3000)，所述远端控制中心1同样自建局域网，并可以对联网泵站2的能效进行监控、以及对泵站2的运行进行控制管理。每个泵站2又分布式设有若干现地监测装置29。当泵站2数量较多时，还可采用多级网络体系结构，例如二级网络体系结构，即远端控制中心1分设若干条光缆路由，每条光缆路由分别链接多个泵站2。远端控制中心1局域网采用千兆以太网技术进行组网，泵站2的局域网采用快速以太网或者光纤环网技术构建局域网络。

如图2所示，为了对泵站2的进线、出线、主变压器与站用变压器、主机等设备进行保护，本实用新型提供了分别单独安装于各自高压开关柜低压仪表室内或者组屏安装的泵站微机综合保护装置28，所述微机综合保护装置28包括分别连接到第一主控设备280通信接口的进线保护装置281、主变压器与站用变压器保护装置282、出线保护装置283、主机保护装置284、第一通讯单元285、录波器286、第一显示单元287。

优选的，第一主控设备280为PLC控制器，采用施耐德CPU、模块、触摸屏、按钮等。进线保护装置281 为PSM692U数字式保护装置，主变压器与站用变压器保护装置282为PST-693数字式保护装置，出线保护装置283为PSM692U数字式保护装置，主机保护装置284为PSC691U数字式保护装置。

所述进线保护装置281的配置包括限时速断保护、过电流保护、低电压保护、PT断线告警、接地故障告警、控制回路断线告警等。对其三相电流、三相电压、有功功率、无功功率、功率因数等参数进行测量。

所述主变压器与站用变压器保护装置282的配置包括限时速断保护、过电流保护、PT断线告警、温度保护、接地故障告警、控制回路断线告警等。对其三相电流、有功功率、无功功率以及计量有功电度、无功电度及温度测量等参数进行测量。

所述出线保护装置283的配置包括限时速断保护、过电流保护、低电压保护、PT断线告警、接地故障告警、控制回路断线告警等。对其三相电流、三相电压、有功功率、无功功率、功率因数等参数进行测量。

所述主机保护装置284的配置包括限时速断保护、反时限过流保护、过负荷保护、低电压保护、零序电流保护、温度保护、PT断线告警、接地故障告警、控制回路断线告警等。对其三相电流、有功功率、无功功率、功率因数及主机温度等参数进行测量。

所述第一主控设备280对断路器工作位置信号、控制回路断线信号、隔离开关位置信号（手车工作、试验位置信号）、装置本身的自检、断路器事故跳闸信号、母线接地信号、控制方式远方/就地转换信号、各种保护动作信号进行监测。

第一通讯单元285为网卡等网络通信模块，微机综合保护装置28通过第一通讯单元285将所有信息实时发送到数据库服务器24，并能接收泵站2工作站22或远端控制中心1的各种控制操作及保护定值、保护投退、测量精度调校系数等各种配置参数。

所述微机综合保护装置28通过所述录波器286对故障进行录波和对事件进行记录，故障录波功能将故障前、故障中、故障后的电压、电流、断路器状态和保护信息完整真实的记录下来，记录长度要求大于100个周波，为进行故障分析提供依据。录波器启动采用多种触发方式。事件记录功能包括：保护动作信息、断路器/隔离开关状态变化、保护功能的投入/退出、本地/远方切换、联锁控制命令、自检告警等，在线记录事件量要求达到30条以上，时间精度小于2ms，具有掉电不丢失功能。

所述微机综合保护装置28的第一显示单元287为LCD液晶屏。具有友好的人机界面，可视化操作。显示内容包括运行参数、故障信息和事件记录、保护定值等。工作、告警、故障、断路器位置、远控、通讯工作的是否正常可以LED指示灯分别表示。

所述泵站2的交换机21、工作站22、采集服务器23、数据库服务器24、打印机25、投影仪26等监控设备设于泵站厂房控制室或者管理房内，通过泵站光纤局域网或者普通局域网将若干现地监测装置29实时采集的数据（如机组运行参数、状态、水位曲线、流量等）上传至数据库服务器24。工作站22显示现场设备的运行参数与状态，所述泵站2一般不设UPS电源，电源采用逆变电源柜方式经逆变后供电，逆变电源柜电源取用直流屏电池。

本实用新型主要实现数据采集与处理功能、统计与计算功能、参数在线修改、控制与调节功能、设备运行统计记录及生产管理、画面显示、语音报警、人机联系、系统自检、自动重启动、系统诊断等功能。采用交互式人机对话方式实现各种能效的监测，采用面向对象方法进行查询、操作使用起来非常简单、方便、灵活。采用多窗口方式提供操作人员与监控系统的接口，包括系统窗口，图形显示、控制窗口、时钟、报警、控制任务窗口等。画面调用有人工召唤和自动调用两种方式。人工召唤方式是选中相应对象后调出；自动方式为事件发生时自动弹出。人机接口具有权限管理功能，不同职责的运行维护人员有不同等级的操作权限，每种权限有其特定的应用范围，以保证系统的安全性。值班人员能在操作员工作站22上方便准确调用画面；实现监测点和设备的投入与退出；修改限值；控制命令下发；设置和修改各种参数；召唤打印；事件确认；报警设置；日期设置；打印周期及打印设备的设置；方便地完成修改运行方式，负荷给定值、限值等。

所述现地监测装置29向下接收各类传感器与执行机构的输入信息，对泵站2的主辅设备的运行状态，运行参数及测量值进行实时采集、工程量化，如每个泵站的前池和出水池的水位，机组的流量，进出水管的压力，机组的能耗，分水口的流量等，并将数据存入数据库服务器24，作为系统实时监视、告警、控制、制表，计算和处理的依据，数据采集的对象分为模拟量、开关量、温度量等。

如图3所示，所述现地监测装置29包括第二主控设备290和电源系统291，以及分别连接到第二主控设备290通信接口的切换开关292、控制按钮293、温度检测仪294、第二通讯单元295、第二显示单元296、电度表297、水位计298、流量计299、压力传感器300。

优选的，第二主控设备290为PLC控制器，采用施耐德CPU、模块、触摸屏、按钮等。第二通讯单元295为网卡等通信模块，第二显示单元296为LCD液晶显示屏。

所述第二主控设备290通过以太网3连接到采集服务器23。

获得精确的水位数据，是优化调度的前提，所述水位计298设置在泵站2的前池和出水池，流量计299设置在泵站2总上水管，压力传感器300设置在每台水泵机组出水管与泵站2总上水管处。

为了适应较为恶劣的环境，所述水位计298为脉冲型雷达水位计。由于一般泵站水泵出水管相对口径较大，所述流量计299为外夹式超声波量水计，压力传感器（301）为HUBA 511系列。

本实用新型对于温度的测量方式如下，由于电机温度检测点比较多，为了节省投资，不采用温度模块检测的方法，而采用温度检测仪294对多台电机温度进行检测，并通过modbus通用协议将采集的温度数据传输到相关现场PLC。每台现地监测装置29均装配有24路温度检测仪294，将所属机组温度接入该监测装置29的温度检测仪294。监测装置29的PLC配置电源模块、CPU模块、以太网通信口、开关量模块和模拟量模块（I/O点数留有20％的容量裕度）。为了确保机组的安全，关键部位温度值比如水泵与电机轴瓦温度用PLC的温度模块直接监测。本实用新型选用NRC-003D电动机温度检测仪，实际实施时可以考虑选用其它的电动机温度检测仪。

本实用新型对于模拟量的采集方式如下，其中模拟量分为电气模拟量、非电气模拟量。电气模拟量信号的采集，可以采用交流采样实现，定时采集CT、PT的电流、电压信号，计算得出有关的电流、电压、功率、频率等数值。非电气模拟量和部分电气模拟量采用4～20mA模拟量采集实现，对模拟量信号的处理包括回路断线检测、数字滤波、误差补偿、数据有效性合理性判断、标度换算、梯度计算、越限判断及越限报警，最后经工程及格式化处理后存入数据库服务器24。

本实用新型对于开关量的采集方式如下，其中开关量包括事件顺序记录（SOE）开关量和普通开关量两种。SOE开关量指事故、断路器分合及重要电气、保护的动作信号。所述现地监测装置29采用快速扫查方式检测这些动作信号并以毫秒级的时间分辨率进行记录。普通开关量是指除SOE开关量以外的各类故障信号、报警信号、隔离开关位置、设备状态等。现地监测装置29对普通开关量的采集为定时扫查方式。对开关量信号的处理包括光电隔离、硬件及软件滤波、基准时间补偿、数据有效性合理性判断、启动相关量处理功能（如启动事件顺序记录、事故报警、自动推出画面以及自动停机等），最后经格式化处理后存入数据库服务器24。

本实用新型配备全电子多功能电度表297测量机组、进线的有功/无功电度等参数。

本实用新型利用上述技术方案实现了对每个泵站的前池和出水池水位监测，机组流量监测，进出水管压力监测，机组能耗监测，渠系水位监测，分水口流量监测。

在传输数据过程中，所述现地监测装置29的通信方案如下：

（1）作为系统以太网络中的节点与泵站级进行通信，通过PLC直接与以太网连接，向上位机发送数据采集和事件信息，接受其下行的控制命令并将执行结果回送主控级。

（2） 与各种智能采集装置等设备的通信，监测装置29设置有与多功能电度表和温度巡检仪等装置的通信接口。

（3）接收GPS时钟模块27的同步信号，使各个监测装置29的采样时间、采集频率等信息同步。

每台现地监测装置29要求分别单独组屏，离墙安装，布置于机组层内。通过切换开关292、控制按钮293实现相关系统功能与现地操作功能。同时，通过现地光纤环网或者以太网与所属采集服务器23、数据库服务器24链接。

本实用新型的直流电源装置4为微机型直流电源装置，具有充电馈电屏、电池屏各一块，安装于控制室内。直流电源装置4具有逆变功能，输出交流220V电源供给监控系统设备。直流电源采用一路380V或者220V交流电源供电，平时输出交流220V电源供给系统设备用；当交流电源失电时，由蓄电池逆变为交流220V电源供电，以确保系统设备电源可靠，蓄电池采用高可靠长寿命产品。

微机型直流电源屏的技术参数：1）直流屏采用三相四线380V或者220V交流电源供电；2）输入电压适应范围：380VAC±10％或者220VAC±10％ 三相50Hz±2%；3）输出额定直流电压：230VDC（15路），稳压精度标称值0.01%，最大0.5%；4）蓄电池额定容量：65Ah～80Ah；6）设备负载等级：Ⅰ级连续运行；7）逆变装置：输出额定交流电压220VAC

蓄电池性能：1）额定电压：12V；2）20小时放电额定容量C20：65Ah～80Ah；3）放电电流I20：5000mA

高频开关：高频开关采用N+1冗余配置，所选模块均带有先进的的动态匀流电路，多模块并联或系统扩展时自动均流，若一台模块故障，即自动退出，其它各台自动均分负荷，以提高设备的可靠性。

通讯：直流系统具有液晶显示功能，提供RS-485通讯接口（modbus RTU规约），向上输送各种测量参数和信号。信号包括输出接地报警、电压过高、电压过低、熔丝报警、电池过放报警等，系统达到遥控、遥信、遥测、遥调功能。

测量、保护：直流系统测量选用数字表式计。配置直流电压表和直流电流表。直流系统具有蓄电池电压自动检测和绝缘检测等功能，需配备完善的自动保护，输出过载和短路保护、输出过电压保护、输入浪涌保护、输入欠电压保护、电池过放电保护、防雷击保护。

应用本实用新型构建的能效监测系统对泵站运行进行优化调度包括泵站内的优化调度和泵站梯级优化调度，具体方法如下：

泵站内的优化调度：

步骤一：找出每个泵站内单台与多台水泵并联组合供水时的最优工况点，这是站内优化的目标；

步骤二：构建泵站站内优化调度数学模型，以泵站的耗能最小为总目标。约束条件包括：水量平衡约束和开机台数约束。采用动态规划方法求解。求解过程中，阶段变量为水泵机组台数，分别为1、2……n,n为本站机组总台数；状态变量为投入运行的机组台数，台数应该根据实际需要的流量确定；决策变量，由于工况不可调，流量数值固定。所以对每台机组即每个阶段决策只有两种:开机和停机，若决策开机，流量等于定值，不开机则流量为零；决策输出变量为机组的能耗。因此，利用动态规划方法，可以求出阶段变量的第1阶段至第n阶段，求出n台机组运行时的最小耗能组合，相应的机组配备与组合即为最优运行组合。

泵站梯级优化调度：

步骤一：梯级间调度优化模型确定。以各泵站的提水扬程Hj为关联变量，建立梯级泵站扬程优化调度的模型。优化计算首先由梯级泵站扬程优化模型要求关联变量Hj通过水位变幅从而在可行域内进行离散，扬程实际上是由进水池Hj，出水位Hc组合确定的，需要根据水位实际变幅合理确定决策扬程间隔大小，求出各级泵站在扬程Hj的最小轴功率。

步骤二：目标函数的确定，以梯级泵站系统总轴功率最小为目标函数。

步骤三：约束条件：

1）水量平衡约束。相邻两级站之间必须满足水量平衡。

2）输水渠道水深约束。级站渠道的最低、最高水深。

3）最大开机台数约束。包含梯级间每座泵站的装机台数与开机台数。

4）扬程平衡约束。在一次计算中，第一级站的进水位Hj1，和最后一级站的出水位Hc2看作不变。

5）流量约束。各级泵站的实际提水流量q应大于用户需要的最小流量，并小于由泵站提水能力决定的最大流量。同时，要求前一级站流量大于或等于后一级站流量。

6）决策约束。各级泵站的扬程由各自的进、出水位决定。除第一级站的进水位和最后一级站的出水位在一次计算中看作不变值外，其余各进出水位均随泵站区间的调蓄状况(充满程度)而定。通过求解，最后求得所有组合状况下的最小能耗值，从而选择出并且最终确定出能耗最小情况下的机组组合状态,使灌溉能耗达到最小。