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摘要:隨著水廠泵站自動化控制的普及以及節能減排的迫切性，水廠泵站等大型能耗單位的降壓節能技術關注度日益提高。水廠泵站自動化控制過程中需要消耗大量的電力資源，不可避免的會造成巨大的能源浪費，因此該過程中的低壓節能技術分析十分必要。針對水廠泵站自動化控制中泵站低壓節能軟件、硬件技術進行分析，并結合模擬實驗，驗證了低壓節能控制技術的準確性和實用性。
關鍵詞:水廠泵站;自動化控制;低壓節能;模擬運行
0引言
水廠泵站在為城市鄉村提供生活、生產、工業用水的同時，普遍存在著一系列問題。其中，在水廠泵站的自動化控制過程中，最為突出和難以解決的問題是電力資源的消耗。低壓節能技術實現的關鍵在于，在滿足最大數量的用戶及保障水壓足夠的情況下，實現自動化控制系統的最低壓運行，以達到節約能源的目標［1］。針對目前水廠泵站自動化控制的現狀，為了達到降壓節能的目的，文章進行了水廠泵站自動化控制中的低壓節能技術分析。
1泵站低壓節能軟件技術分析
對于一般水廠泵站的自動化控制系統中，確定了控制系統的基本邊界條件(流量、水壓)和基本設備參數(水泵、電機、渦輪)的情況下，泵站自動化控制系統的節能軟件主要采用最小二乘法理論進行數據處理［2］?；谧钚《朔ǖ蛪汗澞芩惴ǎ軌蜻\用串聯和并聯交互的泵組的特征進行最小二乘擬合，自動找出一套最為簡便的運算方法和數據處理控制方法。通過簡便計算和大數據處理，可以節省自動化控制系統的運算時間和耗電量，同時可以保證泵組在最低能耗下的穩定運行，即在最低能耗的情況下，對泵組進行低耗能的運轉方式和水流調配。我們能夠明確整個軟件節能計算的運行過程。根據提供的邊界條件和設備參數，根據計算篩選后進行優化數據的采集，對優化后的數據進行最小二乘擬合曲線運算，通過最優化節能方程的求解能夠確定最佳策略算法和運行方法，最后經過組態軟件接受到的信號對泵站自動化系統PLC控制，從而實現設備的控制和運行等操作［4］。
2泵站低壓節能硬件技術分析
泵站的低壓節能技術的實現除了依賴于軟件的最優化運算外，還依賴于低壓節能硬件的實際操作和運行。泵站的低壓節能硬件系統主要包括低壓線路轉換終端層、綜合節能裝置和低壓線路綜合控制主站層3大部分［5］。
2.1低壓線路轉換終端層分析
低壓線路轉換終端層能夠基于自動化控制系統采集的數據，進行周期性的取樣，并將篩選后的優化數據上傳到綜合節能裝置中，通過綜合節能裝置的分析結果進行反饋指令的傳達和控制命令的執行，從而實現整個控制過程的穩定運行［6］。低壓線路轉換終端層可以快速進行線路低壓下的切換，優化了相關自動化控制系統的互聯網通訊模塊。相比較于傳統線路轉換器，低壓轉換器能夠維持在低壓工作狀態下，穩定支撐水廠泵站覆蓋區域的線路通訊，確保區域內穩定的水資源調節調度工作，并且通訊覆蓋區域較傳統轉換器增大了2km以上［7］。
2.2綜合節能裝置分析
綜合節能裝置對于實現低壓節能算法有重要意義，它主要作用是接收線路轉換終端層的各種信號以及反饋系統軟件的各種指標和結果等，因此，綜合節能裝置又被稱作低壓節能技術中的中間層。綜合節能裝置主要分為智能控制單元、無功率反饋單元、通訊單元三部分。智能控制單元也是基于最小二乘法算法的低壓節能裝置，它的主要作用是采集終端層的各種信號參數，并通過低壓節能運算標準對各種參數進行標準化，通過對比標準參數篩選出相關的參數進行下一步處理，而無關參數則反饋到無功率單元中。無功率反饋單元主要用于接收智能控制單元中篩選出的低壓節能無關參數，并將與無關參數相關的運算或操作直接終止。這樣就大大節省了數據運算與處理的時間，數據計算的減少直接導致了設備能夠在低壓下穩定運行，并且降低了整個運行過程的能耗。通訊單元主要用于接收終端層反饋的相關參數，并對相關參數進行最優運算，經過最優化處理的參數會被傳輸到低壓節能控制軟件中進行二次處理。得到的反饋信息再次傳輸到通訊單元中，通過通訊單元來實現實際運行操作指令的下達。
2.3低壓線路綜合控制主站層分析
低壓線路綜合控制的核心裝置———低壓控制主站層主要用于接收各類參數和指標，并對參數進行對比篩選，運算后將收到的信號劃分為優化數據和無關數據，并分別將兩種數據反饋到低壓線路控制終端層和綜合節能裝置的無功率反饋單元，實現對自動化控制的數據低壓節能處理。一般的，所有的平臺數據都會通過主站層進行處理和分析。主站層在對各類參數進行實時運算處理的同時，還能對整個自動化控制平臺進行數據監測。針對各裝置和單元的操作和運轉進行標準數據對比和評測，及時發現耗能高、過程多、相關性差的運算和操作，并通過無功率反饋單元直接進行終止命令，確保整個低壓節能軟件和硬件的運行都在低壓節能環境下進行。綜合整個硬件系統的各部分功能來看，我們可以確定整個硬件系統的工作原理。首先，低壓控制終端層將采集到的實時數據傳輸到綜合節能裝置(中間層)，中間層對收集到的數據進行調控篩選等處理后，將粗略計算分類的數據發送到低壓節能綜合控制主站層。主站層對數據進行精確劃分并分別將相關參數和無關參數反饋給中間層的低壓節能單元和無功率反饋單元，使中間層的兩個單元對不同參數進行相關的處理。最后，中間層不同單元的反饋信息會再次傳達回到終端層中，通過終端層的相開關實現具體的操作。整個硬件系統的操作流程是可循環的，不出現意外情況下在低壓運行條件下可持續穩定的進行，不僅對泵站自動化控制系統實現了實時數據監控和快速運算，同時也有利于節約整個系統的電力能源消耗情況，實現水廠泵站自動化控制中的低壓節能技術分析。
3實例分析
為了對泵站低壓節能技術軟件和硬件的運行準確性進行判斷，我們在山東青島幾家大型水廠泵站進行試點實驗。試點實驗主要分為實驗參數的采集、相關參數的條件調整和實驗對比結果的分析3部分進行。
3.1實驗參數的采集
為了更好的驗證該低壓節能硬件和軟件技術的可靠性和準確性。需要采集這幾家泵站的實際的泵站自動化控制能源損耗(電力損耗為主)、工作電壓、水泵數量、最大流量等參數，與實驗進行對比參照。經過對幾家水廠的實際數據調查，并篩選出關鍵性的影響參數并進行平均值量化后，我們得到表1的基本實驗參數。經過對比幾家水廠泵站的關鍵性影響參數和實際低壓節能技術的應用問題。我們確定了七個基本參數，包括:泵站的泵流量、電機功率、轉速、電機運行電壓、電力損耗、控制電壓以及控制周期等。
3.2參數的邊界調整
為了提高實際邊界參數對于實驗后的結果的對比性，我們需要對該低壓節能軟件和硬件的邊界參數做出一定量的調整，使其結合實際的低壓控制網絡的特征，并獲得評價更為精確的結果。邊界參數的調整主要包括:低壓控制電機電壓的調整、低壓線路轉換調整以及三相無功平衡調整等方面。低壓控制下的電機電壓調整是依據泵站在最大承載力的情況下，穩定運行所消耗的最經濟電壓的區間。根據電力損耗的經驗公式，依據實際電阻、電壓的數值，可以確定出最佳電壓區間(500－550VAC)，此時電網的損耗將是最小的。調整后的電機電壓參數輸入低壓節能軟件中后，經過智能終端層的統計分析功能，找到該低壓下的最佳配變檔位區間，根據實際需求可以在該區間內調整不同情況下的最佳檔位。低壓線路轉換調整是在泵站的實際工作中，可能隨時會發生檔位變化或流量變化，進而導致線路需要轉換來實現不同檔位的控制。由于線路轉換會影響到電機轉速和電機工作電壓，進而影響整個自動化控制體系的電壓和能源消耗，所以要在線路轉換時設置一個能夠在最低電壓下穩定工作電壓區間，保證線路轉換和節能操作。根據實際情況，我們選取最佳控制電壓區間為17－20VDC。三相無功平衡調整是當自動控制系統在低壓條件下完成三相電無功不平衡配變調整后，進行的低壓條件下的無功率定補操作，對配變的無功率反饋行為進行補償能夠實現整個低壓節能裝置的平衡。同時，三相無功平衡調整能夠使整個泵站自動化系統的配電網中無功率流動最小化，從而實現無功損耗在最低電壓下的消耗最小化。
3.3實驗結果分析
通過低壓節能裝置在青島幾家大型水廠泵站的試點實驗，對比傳統自動化控制體系的未安裝節能裝置的數據。通過表中對比數據，我們可以得到的結論有:1)泵站自動化控制系統在安裝了低壓節能軟件和硬件設備后，試點泵站的電力損耗平均降低9.8%，較傳統的設備電力損耗有大幅度的降低，最大線性損耗較同期普通設備降低15%。在降低電力損耗方面，低壓節能裝置的節能效果十分明顯。2)安裝低壓節能裝置后的泵站自動化控制體系的工作電壓明顯降低，較傳統裝置電壓降低幅度達到了50%。工作電壓的大幅降低，不僅降低了整個自動化控制的耗電量，還能夠有效保障設備內電子元器件的使用壽命和可靠性。3)在安裝了低壓節能裝置后的泵站自動控制系統，由于其優化后的最小二乘法算法，使得整個系統處理分析等過程變得更快捷。所以，控制周期和線路切換的速度大幅度的縮減，并且基于智能技術的調節裝置，還能夠實現普通系統無法實現的無功率平衡調節功能。
4結語
通過對水廠泵站自動化控制中的低壓節能硬件設施和軟件設施的技術分析，能夠實現泵站自動控制下穩定的常規運行和操作，通過對低壓節能技術設施的試點實驗，充分驗證了泵站低壓節能技術的可行性，并且能夠優化電壓、流量和電機的平衡，降低穩定運行的電壓，降低線性電力損失率，達到了降損、節能、減排效應的同步實現，社會效益也得到驗證。需要說明的是，目前泵站的低壓節能控制技術的硬件和軟件設施還不夠完善，一些細節控制并不能完全解決實際問題。但隨著低壓調壓器、低壓穩流器等裝置越來越普及，低壓控制系統的運行以及國家政策經濟性調控手段的實施，低壓節能技術的效果也將越來越顯著。因此，泵站自動化控制中的低壓節能技術具有十分廣闊的發展前景。
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作者:李建平 單位:南昌縣紅旗大泵電力排灌管理站