水利灌區(qū)水情自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

周德東　邊玉國(guó)

(蘭州工業(yè)學(xué)院電氣工程學(xué)院， 甘肅 蘭州　730050)

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水利灌區(qū)水情自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

周德東邊玉國(guó)

(蘭州工業(yè)學(xué)院電氣工程學(xué)院， 甘肅 蘭州730050)

水利行業(yè)智能化發(fā)展已成為必然趨勢(shì)。水利灌區(qū)作為用水大戶，其節(jié)水灌溉、合理用水必須著眼于信息化的發(fā)展。本文介紹了甘肅鼎新灌區(qū)水情自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)情況。該系統(tǒng)運(yùn)行效果良好，可為水利灌區(qū)智能化發(fā)展做參考。

灌區(qū)； 水情； 自動(dòng)監(jiān)控

1　引　言

隨著信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的不斷發(fā)展，水利行業(yè)的智能化已成為當(dāng)前發(fā)展的必然趨勢(shì)，并正在逐步實(shí)施。由于世界性水資源的短缺，作為用水大戶的農(nóng)田灌溉，其合理用水、節(jié)約用水已刻不容緩，加強(qiáng)水情信息監(jiān)測(cè)可達(dá)到控制水量、定額管理的目的，因此水利灌區(qū)信息化建設(shè)必須提上既定日程。

2　水利灌區(qū)概述

甘肅省鼎新灌區(qū)位于黑河下游，地處甘肅省與內(nèi)蒙古自治區(qū)的交界地帶，深居巴丹吉林沙漠腹地，灌溉面積14萬(wàn)畝，南北長(zhǎng)70余km，東西寬平均約4km，地勢(shì)西南高，東北低，自然縱坡在1‰左右，海拔在1130～1200m之間。

該灌區(qū)水情自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)是為有效落實(shí)農(nóng)業(yè)用水總量控制與定額管理提供技術(shù)保障，其重點(diǎn)是加強(qiáng)水資源的統(tǒng)一調(diào)配，在總量控制的基礎(chǔ)上，合理制定區(qū)域間水量分配方案。系統(tǒng)建設(shè)的好壞，直接關(guān)系到節(jié)水型社會(huì)試點(diǎn)的建設(shè)，是灌區(qū)治理開發(fā)和現(xiàn)代化管理的需要。

3　設(shè)計(jì)要求

甘肅省某灌區(qū)水情自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)項(xiàng)目，主要內(nèi)容為建設(shè)渠道水庫(kù)水情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、重點(diǎn)閘門監(jiān)控系統(tǒng)、重點(diǎn)區(qū)域視頻監(jiān)視系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)及信息傳輸平臺(tái)，灌區(qū)應(yīng)用軟件開發(fā)。

該項(xiàng)目將綜合運(yùn)用信息化技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)，構(gòu)建灌區(qū)水情自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以此充分發(fā)揮灌區(qū)的節(jié)水調(diào)水功能，增強(qiáng)水管所的應(yīng)變能力和水資源配置水平，提高灌區(qū)的現(xiàn)代化管理水平，最終對(duì)提升灌區(qū)的整體管理水平和綜合效益，實(shí)現(xiàn)科學(xué)管理、高效控制、節(jié)能增效起到直接的作用。

此次信息化項(xiàng)目將充分運(yùn)用信息系統(tǒng)集成理念，綜合應(yīng)用通信技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能技術(shù)和有關(guān)水利渠系工程技術(shù)，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的支撐下，將灌區(qū)的水量調(diào)度活動(dòng)、供水計(jì)量業(yè)務(wù)，包括水情采集、部分閘門監(jiān)控、重點(diǎn)區(qū)域視頻監(jiān)視、水量調(diào)度、供水分析以及各級(jí)水管部門的業(yè)務(wù)活動(dòng)集成起來(lái)，構(gòu)筑一個(gè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的信息系統(tǒng)。

4　水情監(jiān)測(cè)站設(shè)計(jì)

水位和流量信息采集是灌區(qū)水情自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的關(guān)鍵組成部分。準(zhǔn)確計(jì)量主要引水口的水位，邏輯計(jì)算流量、水量，能夠?yàn)檎麄€(gè)灌區(qū)水量調(diào)度管理和水量計(jì)量以及直接計(jì)費(fèi)提供所必需的數(shù)據(jù)。

水流量計(jì)量是為灌區(qū)管理自動(dòng)化、整體信息化系統(tǒng)服務(wù)的，是適用于水資源和水利調(diào)度的專用智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。根據(jù)灌區(qū)工程的實(shí)際情況，結(jié)合國(guó)內(nèi)外同類工程模式，要求該系統(tǒng)具有可靠性、準(zhǔn)確性、實(shí)用性、先進(jìn)性、開放性、安全性和易維護(hù)性等特點(diǎn)。

4.1水情監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)項(xiàng)目要求，此次水情自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)項(xiàng)目中水位信息采集分為三種情形：

a.與閘門配套的閘門上下游渠道水位采集6處19點(diǎn)。

b.獨(dú)立渠道水位采集29處29點(diǎn)。

c.水庫(kù)庫(kù)水位采集8處8點(diǎn)。

4.1.1與閘門配套的閘門上下游渠道水位采集

由于此類水位點(diǎn)分布在閘門的上游和下游約100m處，這些閘門在該期工程中需要控制，因此這6處19點(diǎn)水位采集點(diǎn)在閘門監(jiān)控系統(tǒng)中進(jìn)行設(shè)計(jì)，水位由閘門監(jiān)控核心單元采集，采集的水位數(shù)據(jù)發(fā)送到相應(yīng)的信息分中心或信息中心站進(jìn)行存儲(chǔ)。

4.1.2獨(dú)立渠道水位采集

獨(dú)立渠道水位采集共29處29點(diǎn)，根據(jù)采集的渠道水位數(shù)據(jù)，通過(guò)水位—流量關(guān)系換算出流量，再計(jì)算出水量。采集的水位數(shù)據(jù)通過(guò)通信模塊發(fā)送到水管所信息中心數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中存儲(chǔ)。

4.1.3水庫(kù)庫(kù)水位采集

水庫(kù)庫(kù)水位采集共8處8點(diǎn)，根據(jù)采集的庫(kù)水位數(shù)據(jù)，通過(guò)水位—庫(kù)容關(guān)系換算出庫(kù)容。采集的水位數(shù)據(jù)通過(guò)通信模塊發(fā)送到水管所信息中心數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器上存儲(chǔ)。

4.2系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

渠道水位采集點(diǎn)和水庫(kù)庫(kù)水位采集點(diǎn)由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和接收端設(shè)備組成。現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備包括：遙測(cè)RTU終端設(shè)備、水位傳感器、通信單元和供電單元；接收端設(shè)備包括：數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和安裝了水位流量接收處理軟件和水位庫(kù)容接收處理軟件的工作站。水位采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　水位采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖1所示，采集點(diǎn)主要由遙測(cè)終端(RTU)、GPRS 通信模塊、水位傳感器及供電單元組成。水位傳感器選擇壓力式水位傳感器；供電單元選擇太陽(yáng)能供電系統(tǒng)，由遙測(cè)終端機(jī)控制太陽(yáng)能電池板給蓄電池充電，防止太陽(yáng)能板對(duì)蓄電池?zé)o限制充電，導(dǎo)致蓄電池充爆損壞，再由蓄電池給遙測(cè)終端供電。水位傳感器感應(yīng)水位信號(hào)，由遙測(cè)終端采集并臨時(shí)存儲(chǔ)，再通過(guò)GPRS通信模塊傳送到中心站數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器存儲(chǔ)。

灌區(qū)水情自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　水情自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

其中，部分引水樞紐水位點(diǎn)通過(guò)浮子式水位計(jì)采集庫(kù)區(qū)水位，采用超聲波液位計(jì)采集總干渠首水位，將數(shù)據(jù)采用GPRS發(fā)送到水管所信息中心監(jiān)控計(jì)算機(jī)上。

采用GPRS通信的29點(diǎn)水位采集點(diǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3　水位采集點(diǎn)通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

采用GPRS 通信方式的水情采集由現(xiàn)場(chǎng)RTU 定時(shí)采集水位數(shù)據(jù)，通過(guò)傳輸單元分別傳送到水管所數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中存儲(chǔ)；在水管所信息中心分析處理應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析、統(tǒng)計(jì)、查詢。

水情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在遙測(cè)RTU終端設(shè)備控制下，自動(dòng)完成各引水口水位參數(shù)的采集和預(yù)處理并存入固態(tài)存儲(chǔ)器，并經(jīng)GPRS通信鏈路向信息中心站傳送所采集的數(shù)據(jù)，利用GPRS網(wǎng)絡(luò)通信方式傳輸?shù)剿芩?，所有水位采集點(diǎn)采用太陽(yáng)能極板供電。

水情監(jiān)測(cè)站向信息中心報(bào)送數(shù)據(jù)的方式可采用定時(shí)上報(bào)、中心召測(cè)應(yīng)答、事件報(bào)送的混合體制。事件報(bào)送時(shí)，每當(dāng)流量參數(shù)發(fā)生一個(gè)計(jì)量單位的變化時(shí)，采集終端機(jī)就自動(dòng)采集，并進(jìn)行數(shù)據(jù)擾動(dòng)濾波，加注時(shí)標(biāo)，按指定的格式存儲(chǔ)。采集終端機(jī)中至少可保存一個(gè)月以上的數(shù)據(jù)。如采集站與中心站發(fā)生長(zhǎng)時(shí)間通信線路中斷時(shí)，數(shù)據(jù)能通過(guò)IC卡轉(zhuǎn)存，并通過(guò)水管段上報(bào)到水管所信息中心。

現(xiàn)地水情監(jiān)測(cè)站是由太陽(yáng)能電源供電系統(tǒng)、水情監(jiān)測(cè)終端機(jī)(RTU)、水位傳感器、GPRS/GSM通信模塊、防盜探測(cè)器、信號(hào)避雷器等組成，可選配IC卡數(shù)據(jù)提取接口。其中水情監(jiān)測(cè)RTU、防盜探測(cè)器、信號(hào)避雷器、液晶顯示模塊、膠體蓄電池等設(shè)備集成在終端機(jī)箱內(nèi)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　水情監(jiān)測(cè)現(xiàn)地站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

水位傳感器輸出4～20mA信號(hào)，水情監(jiān)測(cè)RTU的模擬量輸入接口(AI)進(jìn)行水位測(cè)量。

防盜探測(cè)器的開關(guān)信號(hào)輸入水情監(jiān)測(cè)RTU的開關(guān)量輸入/輸出模塊(DI/DO)，用于探測(cè)測(cè)量井是否被打開，起防盜報(bào)警作用。

IC卡讀寫接口(可選)經(jīng)與水情監(jiān)測(cè)RTU進(jìn)行IC卡數(shù)據(jù)交換，在沒有通信信號(hào)的情況下，通過(guò)IC卡，在水管所的IC卡識(shí)別終端上將數(shù)據(jù)上傳。

GPRS MODEM通過(guò)RS232/RS485接口與水情監(jiān)測(cè)RTU進(jìn)行通訊。在有通信信號(hào)的情況下，所有數(shù)據(jù)經(jīng)水情監(jiān)測(cè)RTU采集，并通過(guò)GPRS上傳到水管所調(diào)度監(jiān)控中心。

太陽(yáng)能電源提供RTU設(shè)備電源輸入，為整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)供電。

5　防雷接地設(shè)計(jì)

灌區(qū)水情監(jiān)測(cè)站防雷設(shè)計(jì)主要有三方面，各水位觀測(cè)站的防雷采用太陽(yáng)能支架頂部安裝避雷針、通信線路同軸避雷器和水情監(jiān)測(cè)終端機(jī)I/O端口防高壓三位一體的防雷技術(shù)；此外，建設(shè)水情監(jiān)測(cè)站接地網(wǎng)，接地電阻不大于4Ω，可更好地避免雷擊。

該項(xiàng)目提供兩個(gè)方面的防雷設(shè)計(jì)考慮。

a. GSM通信天線引雷：水泥電線桿頂部安裝避雷針，在有雷電引起超高壓時(shí)，直接對(duì)地放電，保護(hù)設(shè)備。

b.通信線路引雷：對(duì)于通信電纜較長(zhǎng)且裸露在外的GPRS模塊串口，通信線路采用信號(hào)線避雷器，最大限度地把雷擊信號(hào)引入水情監(jiān)測(cè)站接地網(wǎng)。

6　防盜安保設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的水位監(jiān)測(cè)站均考慮無(wú)人值守方式，采用物理防盜機(jī)械鎖安裝在測(cè)井蓋上進(jìn)行一級(jí)物理防盜；此外在設(shè)備箱內(nèi)采用紅外線報(bào)警探頭或門磁開關(guān)探測(cè)的二級(jí)電子防盜，信息中心站通過(guò)遙測(cè)終端機(jī)進(jìn)行信號(hào)采集，然后經(jīng)GPRS通信送到各遙測(cè)中心站，以進(jìn)行報(bào)警。

另外，采用40kgφ12的鋼筋制作金屬保護(hù)欄保護(hù)現(xiàn)地水情監(jiān)測(cè)站系統(tǒng)。

7　結(jié)　語(yǔ)

隨著科技的發(fā)展，任何行業(yè)必將實(shí)現(xiàn)智能化、信息化，水利灌區(qū)也不例外。水利灌區(qū)水情自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)施，將進(jìn)一步促進(jìn)水利行業(yè)智能化、信息化建設(shè)，達(dá)到全面合理用水、節(jié)約用水的目的。

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Design on water condition automatic monitoring system in water conservancy irrigation area

ZHOU Dedong, BIAN Yuguo

(LanzhouInstituteofTechnologyCollegeofElectricalEngineering,Lanzhou730050,China)

Intelligent development of water conservancy industry has become an inevitable trend. Water conservancy irrigation area is regarded as large water consumption user. Its water saving irrigation and reasonable water consumption must focus on the development of informationization. In the paper, the design condition of water condition automatic monitoring system in Gansu Dingxin irrigation area is introduced. The system has good operation effect, which can be used as reference for intelligent development in water conservancy irrigation area.

irrigation area; water condition; automatic monitoring

10.16616/j.cnki.11-4446/TV.2016.01.009

TU93

B

1005-4774(2016)01-0027-04