一种节能水泵群组协同控制方法及系统与流程

本发明涉及水泵控制，尤其涉及一种节能水泵群组协同控制方法及系统。

背景技术：

1、在工业生产和城市基础设施中，多台水泵常需协同工作以满足变化的用水需求。现有集中控制系统多基于水泵出厂性能曲线建立运行规律，通过监测管网压力和流量来调度泵群运行。然而，随着系统长期运行，各水泵因投运时间、累计运行时长及维护周期不同，机械性能逐渐分化，出现性能衰退。控制装置仍按出厂理想参数进行调度，导致实际能耗高于理论最优值，造成持续能源浪费。更为严重的是，当单台水泵发生滤网堵塞等非停机类隐性故障时，现有系统无法区分压力下降源于需求增加还是设备故障，常通过盲目增泵或强行提升故障泵转速来维持压力，不仅加剧设备损坏风险，更导致泵群整体能耗激增。运维人员仅能观察到总功率异常，无法快速定位故障源，系统长期处于高能耗、高风险运行状态。针对上述问题，现有技术亟需改进。

技术实现思路

1、本技术公开了一种节能水泵群组协同控制方法及系统，旨在解决现有技术中无法在线识别水泵性能衰退及非停机类隐性故障，导致泵群调度策略失配、能源浪费及设备损坏风险的技术问题。

2、本技术的技术方案如下：

3、第一方面，本技术公开了一种节能水泵群组协同控制方法，应用于由多台变频水泵构成的泵群系统，该方法包括：

4、获取泵群中各水泵的电气运行参数，以及管网的整体水力运行参数，电气运行参数包括对应水泵的电流、电压和运行频率，整体水力运行参数包括管网总流量和总压力；

5、基于电气运行参数和预设的电机特性参数，分别估算各水泵的机械功率，基于整体水力运行参数，推算各水泵的水力运行参数，水力运行参数包括各水泵对应的流量和扬程；

6、根据机械功率和水力运行参数，分别计算各水泵的性能指标，性能指标用于表征该水泵当前工作能力的单泵性能指数；

7、持续记录性能指标，基于各水泵的性能指标的历史记录建立各水泵对应的历史性能参考值；

8、根据各水泵的性能指标相对于对应历史性能参考值的长期变化趋势识别性能衰退，以及根据性能指标在预设时间内的异常下降识别非停机类故障，非停机类故障为未触发停机报警而导致对应水泵性能指标异常下降的故障；

9、根据各水泵是否存在性能衰退或非停机类故障，实时调整各水泵的运行优先级，并基于调整后的运行优先级对泵群进行负荷调度，运行优先级为用于表征各水泵参与泵群负荷分配顺序或分配权重的调度参数；

10、当识别出任一水泵存在非停机类故障时，对故障水泵设定运行限制，并调整泵群的负荷分配，以降低故障水泵承担的负荷，运行限制包括对故障水泵设定最大允许转速上限。

11、进一步地，根据各水泵的性能指标相对于对应历史性能参考值的长期变化趋势识别性能衰退，以及根据性能指标在预设时间内的异常下降识别非停机类故障，包括：

12、提取性能指标的变化特征，变化特征至少包括性能指标相对于对应历史性能参考值的长期偏离特征，以及性能指标在预设时间内的短时下降特征；

13、将目标水泵的性能指标与泵群中其他健康水泵的性能指标进行比较，得到横向比较结果，横向比较结果用于表征目标水泵的性能指标与健康水泵的性能指标之间的差异程度，健康水泵为未识别出性能衰退或非停机类故障的水泵；

14、根据长期偏离特征识别对应水泵是否存在性能衰退，得到第一识别结果；

15、根据短时下降特征以及横向比较结果，识别对应水泵是否存在非停机类故障，得到第二识别结果；

16、根据第一识别结果和第二识别结果更新各水泵的健康状态；

17、根据健康状态，确定各水泵是否存在性能衰退或非停机类故障。

18、进一步地，持续记录性能指标，包括：

19、对接收到的性能指标进行实时校验，实时校验包括检查性能指标的数值范围和性能指标的变化率，以及检查性能指标的数据连续性，并进行异常处理：

20、当性能指标的数值范围超出预设数值范围时，将对应的性能指标判定为异常数据并进行剔除或标记；

21、当性能指标的变化率超过预设变化阈值时，启动短时数据缓存，并根据短时数据缓存中的数据判断性能指标是否为短时扰动噪声；

22、对判断为短时扰动噪声的性能指标进行平滑处理，若判断性能指标不是短时扰动噪声，则将对应的性能指标作为异常性能指标保留，并用于性能衰退或非停机类故障识别；

23、当检测到性能指标的数据连续性中断且为通信中断导致的数据缺失时，对缺失的性能指标进行填充，填充方式根据通信中断的时长和通信中断前历史性能指标的变化趋势确定；

24、对异常处理后的性能指标进行聚合和压缩并存储。

25、进一步地，根据各水泵是否存在性能衰退或非停机类故障，实时调整各水泵的运行优先级，并基于调整后的运行优先级对泵群进行负荷调度，包括：

26、获取电网的电价信息、生产装置的工艺要求以及各水泵的历史运行时间数据；

27、设定运行目标的权重，运行目标包括节能、设备保护、峰值电耗控制、磨损均衡以及满足工艺要求；

28、根据电价信息、工艺要求、历史运行时间数据以及各水泵的性能衰退或非停机类故障信息，计算各水泵在不同启停状态和目标转速下对各运行目标的影响；

29、根据各运行目标的权重以及各水泵对各运行目标的影响，确定各水泵对应的调度权重，并根据调度权重实时调整各水泵的运行优先级；

30、根据调整后的运行优先级，生成泵群的负荷调度指令，对泵群进行负荷调度。

31、进一步地，根据各水泵的性能指标相对于对应历史性能参考值的长期变化趋势识别性能衰退，以及根据性能指标在预设时间内的异常下降识别非停机类故障之前，还包括：

32、周期性地选择泵群中一台转速波动和性能指标波动处于预设范围内，且性能指标高于预设性能阈值的水泵作为校准参照；

33、在选定校准参照后，启动诊断性运行模式，在诊断性运行模式下，校准参照以预设的稳定转速运行，并持续采集校准参照的电气运行参数和主管网的水力运行参数，诊断性运行模式为用于采集校准参照运行数据的受控运行模式；

34、根据校准参照的电气运行参数和水力运行参数，并结合校准参照的出厂理想性能数据，计算当前环境因素或传感器老化对性能指标的综合偏差量；

35、将综合偏差量应用于泵群中所有水泵的性能指标，对性能指标进行实时补偿；

36、持续记录经过补偿后的性能指标，并基于补偿后的性能指标进行各水泵的性能衰退识别和健康状态判断。

37、进一步地，当检测到性能指标的数据连续性中断且为通信中断导致的数据缺失时，对缺失的性能指标进行填充，包括：

38、当通信中断的时长小于预设时长阈值时，采用线性插值或最近有效值对缺失的性能指标进行填充；

39、当通信中断的时长大于或等于预设时长阈值时，分析泵群中其他健康水泵在通信中断时段的运行状态，并结合当前管网的整体水力负荷变化，对发生通信中断的水泵对应的缺失性能指标进行推算填充。

40、进一步地，当通信中断的时长大于或等于预设时长阈值时，分析泵群中其他健康水泵在通信中断时段的运行状态，并结合当前管网的整体水力负荷变化，对发生通信中断的水泵对应的缺失性能指标进行推算填充，包括：

41、获取发生通信中断的水泵在通信中断发生前的运行参数序列；

42、识别运行参数序列中是否存在表征非停机类故障早期变化的早期故障迹象；

43、分析泵群中其他健康水泵在通信中断时段的运行状态，并结合当前管网的整体水力负荷变化趋势，调整发生通信中断的水泵与健康水泵之间的运行关联权重，运行关联权重为用于表征发生通信中断的水泵与健康水泵之间运行关联程度的参数；

44、根据调整后的运行关联权重、健康水泵的运行状态以及管网的整体水力负荷变化，对发生通信中断的水泵对应的缺失性能指标进行推算，得到填充值；

45、根据识别出的早期故障迹象，对填充值进行修正，以使填充后的缺失性能指标表征对应的性能衰减或波动特征。

46、进一步地，识别运行参数序列中是否存在表征非停机类故障早期变化的早期故障迹象，包括：

47、对运行参数序列进行特征提取，得到序列特征，序列特征包括均值特征、波动特征、趋势特征和周期特征中的一种或多种；

48、将序列特征与预设的早期故障特征模式进行比对，得到比对结果，早期故障特征模式为用于表征不同非停机类故障早期变化特征的预设模式；

49、根据比对结果，确定运行参数序列中是否存在早期故障迹象。

50、进一步地，当性能指标的变化率超过预设变化阈值时，启动短时数据缓存之后，还包括：

51、获取各水泵的实时运行工况信息，实时运行工况信息包括水泵的启停状态、转速设定值以及当前负荷；

52、根据实时运行工况信息，从预先建立的工况-变化率特征库中查询与当前运行工况相匹配的正常性能指标变化率范围，工况-变化率特征库为用于存储不同运行工况对应的正常性能指标变化率范围的数据集合；

53、对短时数据缓存中的性能指标进行连续采样，并计算当前采样点与前一采样点之间的性能指标变化率；

54、将计算得到的性能指标变化率与正常性能指标变化率范围进行比较；

55、当性能指标变化率超出正常性能指标变化率范围时，结合实时运行工况信息，判断性能指标变化率是否为由工况快速变化引起的正常波动；

56、若判断为由工况快速变化引起的正常波动，则不触发异常报警或诊断流程，诊断流程为执行对性能衰退或非停机类故障的识别；

57、若判断为非正常波动，则触发异常报警或诊断流程。

58、第二方面，本技术还公开了一种节能水泵群组协同控制系统，应用于由多台变频水泵构成的泵群系统，包括：

59、获取单元，用于获取泵群中各水泵的电气运行参数，以及管网的整体水力运行参数，电气运行参数包括对应水泵的电流、电压和运行频率，整体水力运行参数包括管网总流量和总压力；

60、估算单元，用于基于电气运行参数和预设的电机特性参数，分别估算各水泵的机械功率，基于整体水力运行参数，推算各水泵的水力运行参数，水力运行参数包括各水泵对应的流量和扬程；

61、计算单元，用于根据机械功率和水力运行参数，分别计算各水泵的性能指标，性能指标用于表征该水泵当前工作能力的单泵性能指数；

62、记录及建立单元，用于持续记录性能指标，基于各水泵的性能指标的历史记录建立各水泵对应的历史性能参考值；

63、识别单元，用于根据各水泵的性能指标相对于对应历史性能参考值的长期变化趋势识别性能衰退，以及根据性能指标在预设时间内的异常下降识别非停机类故障，非停机类故障为未触发停机报警而导致对应水泵性能指标异常下降的故障；

64、调整及调度单元，用于根据各水泵是否存在性能衰退或非停机类故障，实时调整各水泵的运行优先级，并基于调整后的运行优先级对泵群进行负荷调度，运行优先级为用于表征各水泵参与泵群负荷分配顺序或分配权重的调度参数；

65、限制及负荷调整单元，用于当识别出任一水泵存在非停机类故障时，对故障水泵设定运行限制，并调整泵群的负荷分配，以降低故障水泵承担的负荷，运行限制包括对故障水泵设定最大允许转速上限。

66、有益效果：本技术通过实时采集各水泵的电气运行参数和管网整体水力运行参数，分别估算机械功率和水力运行参数，计算表征单泵工作能力的性能指标，并建立历史性能参考值，从而突破了现有技术仅依赖出厂性能曲线进行调度的局限。通过长期趋势分析识别性能衰退，通过短时异常下降识别非停机类故障，实现了对水泵实际健康状态的在线、实时、独立评估。在此基础上，根据设备健康状态动态调整运行优先级和负荷调度，并对故障水泵设定转速上限，有效避免了因性能衰退导致的调度失配和非停机类故障引发的盲目增泵，显著降低了泵群整体能耗，减少了设备损坏风险，提升了系统运行的经济性和可靠性。