疏勒河灌區(qū)閘門精準(zhǔn)遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制技術(shù)研究

馬樂平，劉磊，陳興國

（1.甘肅省疏勒河流域水資源管理局，735211，玉門；2.南瑞集團(tuán)公司國網(wǎng)電力科學(xué)研究院，211000，南京）

疏勒河灌區(qū)閘門精準(zhǔn)遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制技術(shù)研究

馬樂平1，劉磊2，陳興國1

（1.甘肅省疏勒河流域水資源管理局，735211，玉門；2.南瑞集團(tuán)公司國網(wǎng)電力科學(xué)研究院，211000，南京）

疏勒河灌區(qū)；渠道流量；閉環(huán)控制；自動(dòng)化

甘肅省疏勒河灌區(qū)現(xiàn)有斗口以上各類閘門2 000余座，承擔(dān)著灌區(qū)134.42萬畝（1畝=1/15 hm2，下同）農(nóng)業(yè)灌溉的水量調(diào)節(jié)、計(jì)量任務(wù)，主要以平板閘門人工螺桿啟閉和斷面人工觀測水位并利用率定的水位流量關(guān)系曲線查算輸水流量進(jìn)而計(jì)算水量，由于點(diǎn)多面廣、布局分散且大多無輸電線路通達(dá)，水管人員只能依靠人工操作和現(xiàn)場觀測。隨著灌區(qū)信息化建設(shè)的深入，為減輕水管人員的勞動(dòng)強(qiáng)度達(dá)到無人值守，解決此類閘門遠(yuǎn)程自動(dòng)控制和過閘流量精準(zhǔn)計(jì)量成為現(xiàn)實(shí)問題。

一、灌區(qū)閘門實(shí)施精準(zhǔn)遠(yuǎn)程控制的重要性

疏勒河灌區(qū)位于河西走廊西端，是甘肅省百萬畝以上大型自流灌區(qū)之一。由于地處我國西北干旱地區(qū)，疏勒河灌區(qū)水資源一直較為缺乏，用水矛盾突出。2014年灌區(qū)被水利部確定為全國水權(quán)制度建設(shè)試點(diǎn)單位，各級渠道閘門控制和水量精準(zhǔn)計(jì)量是水權(quán)分配和灌區(qū)信息化建設(shè)的基礎(chǔ)。

調(diào)配水是灌區(qū)管理工作的主要內(nèi)容之一，輸水計(jì)量的精確性和控制的精準(zhǔn)性直接關(guān)系灌區(qū)水資源“三條紅線”的控制目標(biāo)。對于灌區(qū)而言，為實(shí)現(xiàn)灌區(qū)水資源優(yōu)化配置，提高灌區(qū)用水效率和效益，需選擇合理的控制方法對這些設(shè)施加以控制，如加強(qiáng)人工控制或建立自動(dòng)化控制手段等，通過整個(gè)灌區(qū)的資源優(yōu)化等一系列準(zhǔn)則對各個(gè)控制設(shè)施實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制或自動(dòng)化控制，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)灌區(qū)的自動(dòng)化。由此可見，灌區(qū)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制的先決條件就是對灌區(qū)基本設(shè)施的控制，這些設(shè)施主要是灌區(qū)渠道中的分水閘、節(jié)制閘、管道等。

目前灌區(qū)閘門作為水利工程建設(shè)中一個(gè)基本的水利設(shè)施，在農(nóng)田灌溉、水位控制、供水等諸多工程應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用。而當(dāng)前絕大多數(shù)灌區(qū)的分水控制、測流計(jì)量等基本上是依靠配水員手動(dòng)操作和目測經(jīng)驗(yàn)，管理水平低，效率低，與灌區(qū)信息化建設(shè)要求具有很大差距。

農(nóng)業(yè)灌溉要達(dá)到“計(jì)量到戶、按方收費(fèi)”的目標(biāo)，除需要精確的量水設(shè)備外，還要保證輸水控制的精準(zhǔn)，將兩者結(jié)合起來共同達(dá)到精準(zhǔn)輸水，是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵。

二、國內(nèi)外渠道閘門自動(dòng)控制研究現(xiàn)狀

國外對渠道自動(dòng)控制閘門的研究起步較早，不僅在遠(yuǎn)程測控閘門系統(tǒng)理論方面有豐碩的成果，而且在應(yīng)用方面也取得了很大的成功。

在理論方面，國外目前采用非恒定流的二維和三維計(jì)算模型求解Saint-Venant長波方程模擬渠道中的流態(tài)變化，尤其是自動(dòng)閘門的過渡過程及調(diào)節(jié)過程中閘門與渠道水體相互作用的模擬。其中主要模擬閘門上游自動(dòng)控制、閘門下游自動(dòng)控制和綜合控制，為閘門開度與流量的控制提供可靠的基礎(chǔ)信息。

在整體控制方面，澳大利亞一公司提出了全渠道控制系統(tǒng)理論，通過渠道上下游閘門聯(lián)動(dòng)控制、測控一體，對傳統(tǒng)閘門進(jìn)行了徹底改造，擺脫了以往粗放式人工管理模式。但這一方法適于水流流速較緩且具有一定調(diào)蓄水功能的渠道，同時(shí)投資成本較高。

國內(nèi)大部分灌區(qū)在閘門控制方面只是將原來手動(dòng)閘門改造成遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制閘門，過閘流量主要根據(jù)測定的閘前、閘后水位和閘門開度再依據(jù)水力學(xué)公式進(jìn)行計(jì)算。由于閘門運(yùn)行工況不同，特別是閘前水流紊亂造成水位波動(dòng)較大，直接影響到水位傳感器讀數(shù)精度，進(jìn)而影響到過閘流量，除非改善原有閘前建筑物進(jìn)水條件或增加傳感器數(shù)量。

三、疏勒河灌區(qū)閘門遠(yuǎn)程控制研究情況

結(jié)合疏勒河灌區(qū)斗口輸水的特點(diǎn)，利用先進(jìn)的控制技術(shù)及水位采集技術(shù)，通過基于閘后斷面流量反饋閘門控制逼近目標(biāo)流量的閉環(huán)式自動(dòng)化控制技術(shù)研究，即拋開利用閘孔測流方式，利用閘后50 m內(nèi)渠道標(biāo)準(zhǔn)巴歇爾槽加磁致伸縮水位計(jì)進(jìn)行流量（水量）在線監(jiān)測。所得實(shí)時(shí)流量（水量）數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)線反饋至閘門控制上位機(jī)，與閘位控制器所接收到的由調(diào)度人員發(fā)送的目標(biāo)流量（水量）比較后，確定閘門提升或下降，形成實(shí)測流量與閘門開度閉環(huán)控制自動(dòng)調(diào)節(jié)最終逼近目標(biāo)流量（在5%允許誤差范圍即可），這一方法已成功應(yīng)用于疏勒河灌區(qū)的斗口閘門的精準(zhǔn)控制。圖1為巴歇爾槽加磁致伸縮水位計(jì)概化圖。

圖1 巴歇爾槽加磁致伸縮水位計(jì)概化圖

1. 閘門精準(zhǔn)閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

疏勒河斗口的渠道設(shè)計(jì)流量基本在0.3～1.0 m3/s，閘門為螺桿鑄鐵閘門，針對疏勒河灌區(qū)閘門實(shí)際需求，在不改變現(xiàn)有閘門運(yùn)行工況下，閘門的控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、升降系統(tǒng)、測控系統(tǒng)、太陽能供電系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、顯示屏及一體化箱體組成。閘門的開啟和關(guān)閉支持本地、遠(yuǎn)程電動(dòng)控制和本地機(jī)械手搖控制等3種控制方式。圖2為閘門控制系統(tǒng)總體框架。

圖2 閘門控制系統(tǒng)框架

2. 閘門精準(zhǔn)閉環(huán)控制設(shè)計(jì)

閘門的遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)了閘門自動(dòng)化，為了達(dá)到過閘流量的精準(zhǔn)測控，本次研究利用閘后的流量反饋逐漸逼近閘門控制的目標(biāo)流量。根據(jù)量水堰槽的比選，本次閘后流量采用巴歇爾槽加磁致伸縮水位計(jì)進(jìn)行流量監(jiān)測，流量數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)線接入閘門一體化控制裝置。

圖3 閘門精準(zhǔn)閉環(huán)控制流程示意圖

閘門精準(zhǔn)閉環(huán)控制流程見圖3。①流量與閘門開度關(guān)系曲線。為了更快速地達(dá)到精準(zhǔn)控制的目標(biāo)，首先通過閘后巴歇爾槽水位計(jì)計(jì)量的流量與閘門的開度，率定出閘門的開度與流量的初始關(guān)系曲線，達(dá)到閘門初步目標(biāo)流量的控制開度。②閘門精準(zhǔn)閉環(huán)控制。由于每次渠道來水的不確定性，閘門的開度與流量關(guān)系也是不確定的，通過初設(shè)的關(guān)系進(jìn)行閘門的開啟，再通過下游流量的反饋逐步調(diào)整閘門的開度，使閘后流量與目標(biāo)流量的偏差在5%內(nèi)，最終達(dá)到控制流量逼近目標(biāo)流量的目的。

3. 閘門精準(zhǔn)閉環(huán)控制方式

采用基于B/S（Browser/Server）結(jié)構(gòu)即瀏覽器和服務(wù)器結(jié)構(gòu)，利用全組態(tài)式設(shè)計(jì)、面向服務(wù)（SOA）、分層分布式組件模型技術(shù)，建立灌區(qū)一體化平臺服務(wù)總線，為灌區(qū)系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、一體化的服務(wù)平臺，實(shí)現(xiàn)測、控一體化，灌區(qū)管理人員在此平臺即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控閘門精準(zhǔn)灌溉。同時(shí)開發(fā)了疏勒河渠系閘門控制手機(jī)APP，灌區(qū)管理人員通過手機(jī)隨時(shí)隨地對閘門進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

四、結(jié)語

通過基于閘后流量的精準(zhǔn)閉環(huán)自動(dòng)化控制技術(shù)，將傳統(tǒng)閘門控制水流單一的功能改進(jìn)為測控一體化多功能，閘門動(dòng)力由人力或電力驅(qū)動(dòng)改進(jìn)為太陽能支持直流變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，集能源支持、監(jiān)測、控制、通信為一體，具有自動(dòng)監(jiān)測水情、自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)、自動(dòng)匯算記錄及根據(jù)水情穩(wěn)定流量的作用。流量的測量根據(jù)閘后巴歇爾槽與專門設(shè)置的水位傳感器來實(shí)現(xiàn)，避免了水位波動(dòng)和視覺引起的誤差；閘門開度依靠閘門上的傳感器參考點(diǎn)來監(jiān)測，避免了手工測量的誤差，并通過閉環(huán)控制技術(shù)使過閘流量的控制更為精準(zhǔn)，雙塔灌區(qū)從2015年開始實(shí)現(xiàn)了24套閘門的自動(dòng)化控制，覆蓋灌溉面積6.8萬畝，做到了及時(shí)準(zhǔn)確調(diào)節(jié)渠系流量；有效快速執(zhí)行配水任務(wù)，克服人工操作帶來的不準(zhǔn)確因素；同時(shí)大大降低了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，利用準(zhǔn)確的量水設(shè)備與先進(jìn)的控制系統(tǒng)將閘門和流量監(jiān)控結(jié)合在一起，進(jìn)一步提升了灌區(qū)現(xiàn)代化管理水平?！?/p>

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S27+TP393

B

1000-1123（2017）14-0058-02

2017-02-26

馬樂平，處長，教授級高級工程師。

責(zé)任編輯 張金慧