太陽能閘門控制系統(tǒng)在灌區(qū)管理的應用與推廣

孫桂軍

（韶山灌區(qū)工程管理局 湘潭市 411401）

1 開發(fā)背景

灌區(qū)管理是一個龐大的系統(tǒng)工程，不但具有線長、面廣、點多、分散的特點，而且還具有相互影響、相互制約的特點，要使這樣一個龐大的系統(tǒng)能夠有效地運作、協(xié)調(diào)地運轉(zhuǎn)，沒有現(xiàn)代的信息技術(shù)是完全不可能的。只有充分地利用信息技術(shù)，才能更好地為灌區(qū)管理服務(wù)、更好地為“三農(nóng)”服務(wù)。

（1）韶山灌區(qū)工程全干渠有大型閘門70多處，大小涵閘586處，分水總流量達到74 m3/s,直接從干渠上提水機埠158處，取水總量達11 m3/s，兩者合計為85 m3/s。而灌區(qū)總干進流僅為44.5 m3/s，抗旱期間如何有效地、及時地控制各分水涵閘，合理利用水資源，達到上下游均衡受益，是擺在我們面前的一個艱巨任務(wù)，建設(shè)一套閘門測控系統(tǒng)是我們著力研究的課題。

（2）干渠沿渠大多地處偏僻，交流用電不很方便，如何解決實現(xiàn)閘門控制用電需要是灌區(qū)管理中面臨的實際問題。

（3）南方灌區(qū)具有暴雨突發(fā)性、區(qū)域性的特點，防汛期間，在風雨交加、電閃雷鳴惡劣天氣的情況下，如何減輕工作人員的勞動強度、提高工作效率也是一個很突出的問題，建設(shè)一套閘門測控系統(tǒng)也是很有必要的。

（4）灌區(qū)工程的閘門不僅肩負著灌區(qū)工程的安全運行、灌區(qū)灌溉的科學配水，同時還肩負著灌區(qū)的工業(yè)供水，如何高效可靠地運行也是我們首要考慮的問題，對其實行遙控也是必要的。

（5）灌區(qū)的很多支渠灌溉好幾個村組,有的支渠甚至灌溉幾個鄉(xiāng)鎮(zhèn),水事糾紛時有發(fā)生,如何減少、防止水事糾紛,如何對閘門進行有效管理也是我們所面臨的問題,可見控制好各支渠閘門為灌區(qū)科學配水、節(jié)約用水、上下游均衡受益意義重大，因此對其進行閘門遙控也是勢在必行的。

韶山灌區(qū)通過多年的探索研究，太陽能閘門控制系統(tǒng)確實解決了灌區(qū)管理中存在的許多問題,同時也符合建設(shè)“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型”社會的時代發(fā)展需要。

2 閘門控制系統(tǒng)功能及結(jié)構(gòu)

太陽能閘門控制系統(tǒng)改變原來手動人工控制閘門的狀況，減輕了管理人員的勞動強度，能在信息中心、所轄地段信息分中心（管理所、站）進行無線遙控及現(xiàn)場操作閘門，并具有相應的保護及報警裝置。

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

韶山灌區(qū)太陽能閘門控制系統(tǒng)按三級體系進行建設(shè)。即第一級為基本信息采集點。用于采集閘位信息，水位信息，以及用于接收控制指令的控制裝置，如閘門啟閉控制器等。所采集到的信息數(shù)據(jù)通過通訊網(wǎng)絡(luò)上傳。第二級是以管理所（站）為單元的信息分中心。主要對所轄范圍內(nèi)的各種數(shù)據(jù)信息進行監(jiān)測，并對其進行整理、上傳。同時執(zhí)行管理局信息中心的指令，完成對各控制點的配水控制。第三級為灌區(qū)管理局信息中心。它對整個灌區(qū)的所有信息進行監(jiān)測，并對干渠主要測控點進行直接控制。根據(jù)各種數(shù)據(jù)信息，確定灌區(qū)水資源優(yōu)化配置、優(yōu)化調(diào)度、優(yōu)化利用方案，為灌區(qū)管理決策提供依據(jù)。

2.2 系統(tǒng)組網(wǎng)設(shè)計

根據(jù)韶山灌區(qū)的客觀實際，通過對當前通信技術(shù)的分析比較，為確保系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)清晰，使系統(tǒng)具備較強的兼容性，有利于系統(tǒng)建設(shè)逐步籌資、逐步建設(shè)、逐步完善，并有利于系統(tǒng)建設(shè)中的安裝調(diào)試及在系統(tǒng)運行中的維護檢修和升級改造，將計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)相對獨立，各成體系。計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)分成中心站和各自獨立的分中心站。通訊系統(tǒng)采用兩級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：一級為信息采集監(jiān)控站點到分中心站，通訊方式以超短波為主，輔以GSM或有線方式等；二級為各分中心站到中心站，通訊方式為虛擬專網(wǎng)（VPN）或者超短波通訊。虛擬專網(wǎng)（VPN）是采用隧道技術(shù)以及加密、身份認證等方法，在公共網(wǎng)絡(luò)中建立專用的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)。在虛擬專網(wǎng)中，任意兩個節(jié)點之間的連接并沒有傳統(tǒng)專網(wǎng)所需的端到端的物理鏈路，而是采用公眾網(wǎng)的資源動態(tài)組成的。具有建設(shè)成本低、傳輸容量大、容易擴展、使用方便、易于管理等優(yōu)點。VPN使用的協(xié)議主要有三種：點到點隧道協(xié)議（PPTP—Point-to-Point Tunneling Protocol），第二層隧道協(xié)議（L2TP—Layer 2 Tunneling Protocol）以 及 IPsec（Secure IP）。無線超短波通訊方式具有投資小、管理方便、通訊距離較遠（無中繼通訊半徑為50 km）等特點，比較適合灌區(qū)這種特定的區(qū)域應用。超短波通訊頻率為 （220～240）MHz，采用 CSMA（Carrier Sense Multiple Access,載波監(jiān)測多址接入）協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸，即先偵聽后發(fā)送的隨機競爭信道接入方式；采用FSK數(shù)字調(diào)制方式，傳輸速率為 1 200 bps。有線通訊采用RS485通訊協(xié)議，速率為4800bps。

2.3 信息中心和信息分中心設(shè)計

韶山灌區(qū)信息中心設(shè)在灌區(qū)管理局機關(guān)內(nèi)，是灌區(qū)管理信息化系統(tǒng)的核心機構(gòu)，它擔負著整個灌區(qū)各種信息的監(jiān)測與重要配水設(shè)施的控制任務(wù)，對灌區(qū)信息進行集中管理，為水資源的合理配置、優(yōu)化調(diào)度、優(yōu)化利用及灌區(qū)的建設(shè)決策提供科學依據(jù)。

目前信息中心開發(fā)建設(shè)了監(jiān)控軟件、用水管理決策支持軟件等專業(yè)應用軟件，主要對灌區(qū)支渠的主要閘門進行控制，為灌區(qū)用水管理和水資源的合理調(diào)配發(fā)揮了不可替代的作用。信息中心系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 信息中心系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

韶山灌區(qū)信息分中心設(shè)在各管理所（站）內(nèi)，主要職能是監(jiān)測所管轄范圍內(nèi)各信息采集點的實時數(shù)據(jù)，并執(zhí)行信息中心的調(diào)度指令，完成對各控制點的配水控制。并且向信息中心上傳采集點信息和控制信息。在信息分中心配置移動式接收發(fā)送設(shè)備、管理計算機、太陽能站、打印機、虛擬專網(wǎng)通訊設(shè)備等。為防止雷擊和外界突然停電而造成系統(tǒng)的癱瘓，在分中心安裝電源及接口防雷器和不間斷電源（UPS），以確保系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行。

信息分中心的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 信息分中心系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.4 太陽能遙控站系統(tǒng)設(shè)計

為解決野外無電力電源供應閘門的有效控制問題，對現(xiàn)場附近無電力電源供應的閘門實施太陽能無線遙控控制。在現(xiàn)場安裝太陽能遙控執(zhí)行裝置、數(shù)據(jù)接收發(fā)送設(shè)備、水位、閘位傳感器等設(shè)備，以無線方式與所轄信息分中心、信息中心聯(lián)網(wǎng)。在隸屬管理所安裝1臺移動式接收發(fā)送設(shè)備，可在管理所發(fā)送指令對閘門進行遙控，并把實時數(shù)據(jù)發(fā)送至信息中心。閘門太陽能遙控站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖3。

本研究創(chuàng)新成果：研制了低功耗直流螺桿啟閉機和低功耗終端測控裝置，合理配置太陽能電池板功率和蓄電池容量。

圖3 閘門太陽能遙控站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

常規(guī)的啟閉機通過蝸輪蝸桿傳動，并增加一對三角皮帶輪減速，這種結(jié)構(gòu)體積大，而且啟閉機總效率低，1 t的常規(guī)啟閉機電機功率500 W。針對太陽能供電特性，采用現(xiàn)代先進的傳動技術(shù)，改造啟閉機結(jié)構(gòu)，降低啟閉速度同時提高了裝置的傳動總效率，1 t啟閉機電機功率僅為180 W。

低功耗終端測控裝置（RTU）采用超低功耗單片微處理器技術(shù)，同時采用多級電源控制技術(shù)，使RTU裝置的休眠狀態(tài)的功耗達到微安級，待機功耗小于10 mA。

研究充放電曲線，進行充放電試驗分析，準確耦合太陽能供電系統(tǒng)參數(shù)，合理配置太陽能電池板功率和蓄電池容量。

3 系統(tǒng)應用成效

（1）該成果在灌區(qū)節(jié)水灌溉中的應用，提高了灌區(qū)的管理水平，極大地推動了行業(yè)科技進步，為國家糧食安全生產(chǎn)提供了一個科技平臺。

（2）通過閘門的自動控制，實現(xiàn)了按計劃配水，提高了灌區(qū)配水效率，減少了灌區(qū)水資源浪費。

（3）改善了生態(tài)環(huán)境，促進農(nóng)業(yè)乃至社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，具有重大的社會效益。

（4）該研究成果具有節(jié)能、穩(wěn)定、可靠、經(jīng)濟實用等特點，具有極強的示范和帶動作用。在全國大中型灌區(qū)節(jié)水灌溉中具有廣泛的推廣應用價值，成果發(fā)展前景廣闊，經(jīng)濟效益巨大。

4 存在的問題

（1）系統(tǒng)設(shè)計時由于考慮節(jié)約能源出發(fā)，電瓶容量有限，現(xiàn)場太陽能閘門遙控站未常期處于開機狀態(tài)，信息中心、信息分中心向閘門控制站發(fā)出指令時不會馬上執(zhí)行閘門操作，要等太陽能閘門遙控站開機時才會接收指令，再進行閘門控制，從而影響了閘門控制的及時性。

（2）由于從事閘門管理人員的業(yè)務(wù)水平有限，有一部分工作人員對系統(tǒng)的認識還不夠深刻，還不能大膽地開展工作。

5 信息化建設(shè)展望

太陽能閘門控制系統(tǒng)在全國大型灌區(qū)信息化建設(shè)中具有廣闊的發(fā)展前景。灌區(qū)要發(fā)展，既要加強信息化硬件建設(shè)，也要加強信息化人才培養(yǎng)。假以時日，能對灌區(qū)干渠上各分水涵閘進行統(tǒng)一控制，輔以視頻監(jiān)測，在通信信道方面將逐步考慮利用公眾服務(wù)網(wǎng)和光纖通信，將是灌區(qū)管理又一次質(zhì)的提升。