基于無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的新型智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊青書　單中健　李貴璞

摘 要：針對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)灌溉自動(dòng)化水平偏低、取水困難、機(jī)井分布散亂、野外操作危險(xiǎn)性高等一系列問(wèn)題，研制一款新型智能灌溉系統(tǒng)，可以對(duì)區(qū)域內(nèi)分散的機(jī)井進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控與管理，農(nóng)戶可以根據(jù)需要辦理充值IC卡，只需在灌溉控制箱的感應(yīng)區(qū)刷卡即可實(shí)現(xiàn)智能灌溉，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)扣除費(fèi)用，后臺(tái)系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)控每個(gè)機(jī)井的使用情況，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)灌溉收費(fèi)智能化，提高了水資源利用率。

關(guān)鍵詞：無(wú)功補(bǔ)償；控制箱；IC卡；充值器

中圖分類號(hào)：S274 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）17-0087-02

Abstract： In view of a series of problems， such as low level of agricultural irrigation automation， difficulty in collecting water， scattered distribution of machine wells and high risk of field operation， a new type of intelligent irrigation system is developed， which can control and manage scattered machine wells in the area. Farmers can recharge IC cards according to their needs. They only need to swipe their cards in the induction area of the irrigation control box to realize intelligent irrigation. The system will automatically deduct expenses. The backstage system can monitor the use of each machine well in real time. The intelligent agricultural irrigation charge has been realized， and the utilization rate of water resources has been improved.

Keywords： reactive power compensation； control box； IC card； recharging device

前言

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，耕地面積近20億畝，農(nóng)田灌溉成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，同時(shí)我國(guó)又是缺水國(guó)家，水資源分布不均。因此充分利用有限的水資源滿足全國(guó)農(nóng)業(yè)灌溉成為一個(gè)十分嚴(yán)峻的課題。而傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)灌溉存在很多弊端，如無(wú)序取水、收費(fèi)混亂、浪費(fèi)嚴(yán)重、安全隱患等問(wèn)題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)農(nóng)業(yè)水資源利用系數(shù)僅為發(fā)達(dá)國(guó)家的50%，另外，國(guó)家能源局提出“井井通電”的戰(zhàn)略目標(biāo)，因此，我們必須調(diào)整思路，研制一款新型農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)，使農(nóng)業(yè)灌溉實(shí)現(xiàn)智能化、節(jié)約化以及安全可靠化。

1 系統(tǒng)框架

本著操作簡(jiǎn)便、使用安全、管理便利等原則，按照現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層、村委管理層以及上級(jí)監(jiān)管層三個(gè)層級(jí)進(jìn)行設(shè)計(jì)。整個(gè)系統(tǒng)可工作流程如下圖1所示：

整個(gè)系統(tǒng)涉及到的關(guān)鍵技術(shù)包括：基于射頻IC卡的讀寫計(jì)費(fèi)功能開發(fā)；無(wú)功補(bǔ)償與低電壓治理融合技術(shù)；基于區(qū)域分散機(jī)井信息管控技術(shù)研究；基于android系統(tǒng)的機(jī)井灌溉app開發(fā)；農(nóng)田灌溉管控系統(tǒng)與配電自動(dòng)化系統(tǒng)融合技術(shù)。

2 灌溉控制箱

機(jī)井智能灌溉控制箱是整個(gè)農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的核心設(shè)備，它是集灌溉控制器、配電設(shè)備、電機(jī)啟動(dòng)器（按需配置）、三相智能電表和水表（部分地區(qū)會(huì)收取水費(fèi)）等設(shè)備于一體的控制計(jì)量箱?？梢圆杉喔扔秒娏?、用水量或灌溉時(shí)間并自動(dòng)收取灌溉費(fèi)用。同時(shí)預(yù)留位置，按照需求選擇接入移動(dòng)式電能質(zhì)量治理設(shè)備，解決農(nóng)業(yè)灌溉電能質(zhì)量差的問(wèn)題。

該新型灌溉控制箱具備以下技術(shù)特點(diǎn)：（1）多種計(jì)費(fèi)方式可選，電量/水費(fèi)量/水電量同時(shí)/時(shí)間四種方式。（2）控制器內(nèi)置加密芯片，所有傳輸數(shù)據(jù)均經(jīng)過(guò)加密處理，充分保證信息安全。（3）設(shè)備預(yù)留串口/網(wǎng)口等調(diào)試接口，同時(shí)支持3G/4G遠(yuǎn)程維護(hù)及升級(jí)。（4）具備防盜防竊電功能。當(dāng)控制箱被非法打開后，控制器會(huì)立即向監(jiān)控中心發(fā)送報(bào)警信息，并在30秒內(nèi)通過(guò)控制開關(guān)自動(dòng)切斷電源，同時(shí)發(fā)出蜂鳴聲警報(bào)。若要恢復(fù)用電，必須由管理人員持有電子密鑰才可恢復(fù)。（5）可根據(jù)需求選擇接入不同容量電能質(zhì)量綜合治理設(shè)備，保證灌溉用電質(zhì)量。（6）可擴(kuò)展其它監(jiān)測(cè)功能，如風(fēng)速、風(fēng)向、水位等。（7）具有防雷保護(hù)功能，確?？刂葡湓诶子晏鞖獍踩煽窟\(yùn)行。

下面以計(jì)電費(fèi)型控制箱為例介紹整個(gè)控制箱內(nèi)部設(shè)計(jì)框架，如圖2。

控制箱固定在機(jī)井旁，三相電從底部進(jìn)入箱內(nèi)，對(duì)于電能質(zhì)量較差的地區(qū)，可根據(jù)選擇安裝移動(dòng)式電能質(zhì)量治理模塊，有效慮除諧波、提高功率因素。

移動(dòng)式電能質(zhì)量綜合治理裝置是集諧波慮除、無(wú)功補(bǔ)償和低電壓質(zhì)量等功能于一體的電能質(zhì)量綜合治理設(shè)備，預(yù)留接口，方便插拔，操作簡(jiǎn)便。

控制器接收到用戶IC刷卡后，讀取卡內(nèi)信息，判斷卡內(nèi)余額充足，向電氣控制單元發(fā)送命令，智能斷路器合閘，控制箱出線口電源接通，外接潛水泵開始工作，此時(shí)控制器讀取電能表讀數(shù)。

當(dāng)用戶再次刷卡時(shí)，控制器再次讀取電能表讀數(shù)，計(jì)算出所用電量自動(dòng)從卡內(nèi)扣除費(fèi)用，然后向電氣控制單元發(fā)送命令，智能斷路器斷開，潛水泵停止工作。

電機(jī)啟動(dòng)器可按需配置，主要分三種：（1）交流接觸器，經(jīng)常用于小功率水泵的直接啟動(dòng)；（2）軟啟動(dòng)器，具備降壓?jiǎn)?dòng)功能，可以延長(zhǎng)水泵的使用壽命；（3）變頻器，屬于高檔啟動(dòng)器，可以實(shí)現(xiàn)恒壓供水。

3 移動(dòng)式電能質(zhì)量治理模塊

目前很多農(nóng)村在運(yùn)配變通常年限較長(zhǎng)、設(shè)備狀況較差，能效水平較低，加之其中部分臺(tái)區(qū)受單相負(fù)荷用電隨機(jī)性的影響，三相負(fù)荷不平衡較為突出，并且電能利用率偏低、造成較大的電能浪費(fèi)。因此考慮在該灌溉系統(tǒng)中引入無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)，加裝電能質(zhì)量治理模塊，可以有效降低配變臺(tái)區(qū)損耗，消除三相不平衡對(duì)設(shè)備造成的損壞，同時(shí)提高功率因數(shù)，節(jié)約電能量和水資源。

該電能質(zhì)量治理模塊采用高性能CPU，實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)電壓、電流等電量信息，分析計(jì)算系統(tǒng)有功、無(wú)功以及諧波等，根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行情況，強(qiáng)迫注入對(duì)應(yīng)的電流，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)中電流的實(shí)時(shí)與動(dòng)態(tài)無(wú)靜差調(diào)節(jié)，其結(jié)構(gòu)示意圖如下所示：

該模塊具備以下功能：（1）傳統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償功能。用復(fù)合開關(guān)實(shí)現(xiàn)電容器的過(guò)零投切，減小動(dòng)作沖擊電流，具備分補(bǔ)與相間補(bǔ)償功能；采用電容投切優(yōu)化算法，循環(huán)使用裝置內(nèi)電容器，提高系統(tǒng)使用壽命。（2）有功與無(wú)功不平衡治理功能。有源裝置并聯(lián)接入系統(tǒng)中，采用多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)有功與無(wú)功的負(fù)序和零序不平衡治理、無(wú)功補(bǔ)償、諧波消除（2-13次諧波）等功能。（3）無(wú)沖擊并網(wǎng)與無(wú)縫切換功能。在調(diào)節(jié)過(guò)程中，采用電網(wǎng)網(wǎng)側(cè)電流控制策略，采用基于PWM控制技術(shù)的三相變流器，實(shí)現(xiàn)裝置的無(wú)沖擊并網(wǎng)。（4）長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)。具備有源與無(wú)源無(wú)縫切換技術(shù)，循環(huán)使用裝置內(nèi)電容器與SPC，提高系統(tǒng)使用壽命。

4 無(wú)線藍(lán)牙IC卡及發(fā)卡器

在每個(gè)自然村村委會(huì)設(shè)置一臺(tái)發(fā)卡器，農(nóng)戶可在當(dāng)?shù)馗鶕?jù)需要辦理實(shí)名卡或臨時(shí)卡。農(nóng)戶用IC卡在機(jī)井控制箱刷卡感應(yīng)區(qū)刷一下，系統(tǒng)自動(dòng)開始工作，再次刷卡則會(huì)切斷電源停止供水，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)用電量或用水量進(jìn)行計(jì)算，自動(dòng)扣除相應(yīng)費(fèi)用。

該系統(tǒng)開發(fā)了一款基于android系統(tǒng)的app，其通過(guò)藍(lán)牙可連接到發(fā)卡器，對(duì)發(fā)卡器進(jìn)行相應(yīng)操作，同時(shí)可根據(jù)控制箱ID編號(hào)登錄控制箱，實(shí)時(shí)查看控制箱信息，農(nóng)戶可以根據(jù)app實(shí)時(shí)查看用水用電情況。該設(shè)計(jì)充分滿足現(xiàn)代高層次農(nóng)戶需求，也是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)智能化的一個(gè)體現(xiàn)。同時(shí)該APP增加對(duì)控制器的管理功能，通過(guò)APP實(shí)現(xiàn)控制器的升級(jí)維護(hù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

該系統(tǒng)不僅使管理部門實(shí)現(xiàn)了先收費(fèi)、后灌溉的管理目標(biāo)；也使農(nóng)戶達(dá)到借助IC卡自主澆地的目的，可有效解決農(nóng)業(yè)機(jī)井灌溉管理中長(zhǎng)期存在的電費(fèi)/水費(fèi)計(jì)量不準(zhǔn)、拖延灌溉費(fèi)用和浪費(fèi)水資源的難題。該系統(tǒng)的推廣使用，有助于提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平，增強(qiáng)農(nóng)民節(jié)水意識(shí)和農(nóng)業(yè)用電安全意識(shí)，減少水資源浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)開發(fā)與利用。

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