一体化测控闸门自动化系统在疏勒河昌马灌区的应用

2014-02-20曾国雄

水利规划与设计 2014年5期

曾国雄

曾国雄

（甘肃省疏勒河流域水资源管理局甘肃玉门 735211）

一直以来，农业水资源利用由于监测手段和设备落后，对水资源利用效率研究的深度、精度还不够。因此疏勒河灌区引进澳大利亚“渠系一体化端至端明渠灌溉基础设施自动化系统”，实现了渠道的全自动化控制和各项数据及信息采集。该系统在中国西北地区首家引进，目前还未有研究成果。本文详细介绍了一体化测控闸门系统的设计和主要功能，对一体化测控闸门与传统闸门进行了性价比分析，并进行了运行观测试验，对采集的灌溉流量数据与传统的人工测流数据进行了对比分析。

一体化测控闸门系统设计功能性价比分析流量数据分析

1 前言

农业水资源利用效率是水利人当前急需研究和探讨的重要课题。一直以来，农业水资源利用由于监测手段和设备落后，对水资源利用效率研究的深度、精度还不够。因此，疏勒河管理局借助中澳合作内陆河流域综合管理子项目“应对水资源可持续发展面临的威胁”研究之际，引进澳大利亚的“渠系一体化端至端明渠灌溉基础设施自动化系统”，作为疏勒河灌区农业水资源利用效率原位观测系统试验工程。农业水资源利用效率原位观测实验研究工作包括澳大利亚生产的闸门9套、研发的水情自动监测和闸门远程监控及信息传输系统软件1套。系统安装于昌马灌区南干渠系，涵盖了南干渠、南干二分干渠上的7处引水闸口。实现渠道全自动化控制和全面信息化以及闸前、闸后水位、流量及各孔闸门开度的自动化控制和信息采集，为灌区提供实时数据采集、监测及报告，极大的改善了管理方式。目前此系统已开始运行且运行良好，今年春灌数据已全部采集。今年年初，由于此系统的良好运行，清华大学确定昌马南干渠灌区为国家“十二五”科技支撑项目“水联网多水源实时调度与过程控制技术”科研项目中的技术推广应用示范区。借此科研课题的开展，以及“敦煌水资源合理利用与生态保护综合规划”项目的实施，南干渠技术示范区将可能进一步引进一体化闸门系统，实现南干渠上游至下游全渠道自动化控制运行。

2 概况

昌马灌区是疏勒河流域农业灌溉工程三大灌区中规模最大的灌区，位于疏勒河中游，光照充分，热量丰富，地势平坦，灌溉条件良好，灌区历史悠久，地广人稀。灌区现状灌溉面积68.9万亩，灌区现有调蓄水库一座，坝型为壤土心墙砂砾石坝，最大坝高为54m，水库总库容1.94亿m3，其中兴利库容1.0亿m3，死库容8000万m3，防洪库容1400万m3。灌区现有两座引水枢纽，其中一座是核工业集团404厂工业取水口，设计引水流量为3.2m3/s，设计年引水量为8275万m3；一座是昌马渠首，是以农业灌溉为主的水利枢纽，设计引水流量为65m3/s。

该灌区现有干渠7条，渠道总长187.37km,衬砌完好率61.67%；支干渠10条，渠道总长114.89km,衬砌完好率84.94%；支渠56条，渠道总长261.62km,衬砌完好率85.72%；分支渠19条，渠道总长65.67km,衬砌完好率80.78%；各类渠系建筑物1855座。

3 总体设计13

昌马灌区现代化工程由升级改造后的南干进水闸、南干一斗分水闸、南干一分干渠进水闸、南干二分干进水闸，二分干一支渠进水闸、二分干一支节制闸、二分干二支分水闸、二分干四斗进水闸组成。

用于信息化和自动化管理的主机系统安装在疏勒河流域管理局昌马南干渠灌溉管理所自动化控制室，监控渠道中各控制点的水位和流量。同时系统也将监测记录渠道设备的各项运行数据。此系统可通过互联网接受访问和操控，其应用系统具有完善的数据图形处理软件模块、可在线自定义的多级警报系统及完善的用户管理授权安全系统。系统内的一体化测控闸门可与上下游的闸门联系并完全自主按照预设运作，主机系统可根据系统的需求全自动控制系统内的所有设备或在需要时实施人工远程控制。

具体系统结构如图：

4 系统分项设计

4.1渠道监控设备

一体化测控闸门设备（包括一体化槽闸和一体化流量计等）既是流量控制闸门又是流量测量仪器，其野外流量测量精确度误差小于±5%，水位和闸位精确度误差小于±0.5mm。该系统由太阳能驱动，它通过独特的流量计算程式，高精度超声波水位感应器测得上游、下游水位，和数码式闸位值来计算流量。它通过无线电遥测系统监控所有闸门相关信息，与上下游闸门互动，并通过互联网远程监控实时和历史数据。

4.2主机系统

主机系统由无线电接收站、摩托罗拉网关和服务器组成。主机系统用于监控记录渠道中各控制点的水位和流量，同时也监测记录渠道设备的各项运行数据。此系统可通过互联网接受访问和操控。其应用系统具有完善的数据图形处理软件模块、可在线自定义的多级警报系统及完善的用户管理授权安全系统。

4.3SCADA 联通系统

SCADA 联通系统是用于整体渠道网络自动控制的系统，它将低效率的人工操作明渠系统转换成全自动一体化遥控系统。通过渠道高效率的全自动化运作可达到 90%的新输送效率基准。

5 系统主要功能

SCADA 联通系统可精确控制上下游水位并能智能模拟渠道工作和运行。智能控制软件将渠系内所有的监控点（节制闸，配水闸，泵站等）联接在同一个网络中，并且通过持续的自我调节使整个灌溉系统始终处于最佳工作状态。该系统将传统的灌溉用水损失较大的明渠系统的人工控制策划改造成反应迅速、高效灵活的全渠道自动化计算机控制系统。

5.1现场信息和闸门信息监控功能

自动采集闸门开启高度、闸门上下游水位和闸门运行状态，通过远程数据通信网发送到控制中心，在控制中心的计算机屏幕上利用动态图形进行实时监视。以图形、表格、文字形式实时显示各闸门的运行状态、数据及故障情况。主要显示的内容为：闸门开度和预设值；闸门上下水位和预设值；闸门运行状态（升、降、停）；太阳能驱动系统状态；电池状态；闸门启闭机状态；当前流量；累计流量；各种故障。

5.2渠水流失检测功能

每两个相邻节制闸点和其之间的渠道构成一个水池。上游闸门流量为水池流入水量，下游闸门流量为水池流出水量，其间的分水闸流量也是水池流出水量。这样根据水平衡模型就可以计算出该渠道段的流失水量，从而可以有针对性的实施渠道修补工作。

5.3一体化测控闸门操作功能

一体化测控闸门工作方式通过切换可实现自动控制操作、手动操作、锁定操作三种方式。远程操作主要通过 SCADA 联通应用软件来实现；本地操作则使用闸门控制台的液晶显示屏和按键。远程操作主和本地操作都有授权使用和记录功能，可按不同级别设定密码和权限以提高系统运行的可靠性和安全性。只有输入的用户名和密码正确时，参数输入和按钮才能起作用，否则操作无效。一体化测控闸门主要有以下几种控制模式：流量控制：根据渠道供水要求，可自动调节并控制闸门开度，保持所设置的流量恒定不变；上游或下游水位控制：根据渠道供水要求，可自动调节并控制闸门开度，保持所设置的水位恒定不变；闸位控制：闸门能够自动调节并保持预定的位置；紧急控制：遇到紧急意外情况，能够实施急停处理。

5.4数据查询功能

SCADA 联通系统拥有完善的历史和实施数据查询功能，并提供功能强大的数据趋势图处理软件。其主要查询功能包括：根据时间、闸门号、操作员等查询历史操作；根据时间、故障内容等查询故障情况；根据时间、闸门号查询该门的流量、实时流量、累积流量；根据时间、闸门号查询该门历史开度。

5.5报警和紧急处理功能

报警和紧急处理功能是渠道自动化监控系统必需的功能。在闸门运行过程中通过现场控制单元实时监测设备运行状态，一旦系统发生故障，系统会立即根据警报级别和通报程序通过一系列方式（短信，电子邮件等）报警并能够及时处理，包括自动或手动终止当前运行。其主要报警内容如下：现场设备名称；数据点描述；数据点的值；数据点的记录时间；报警状态；报警发生时间；报警确认状态；报警确认时间；报警总次数；报警优先级别。

6 一体化测控闸门性价比分析

一体化测控闸门与普通闸门的投资对比，从工程管理方面可省出至少1个人的人工工资，该系统的寿命是30年，两种闸门系统单座的年平均投资见表1。

根据表1，SCADA 联通系统一体化闸门单座年平均投资费用为9568元，普通闸门单座投资为7046元，差额为2522元，虽价格偏高，但SCADA联通系统一体化闸门的测流精确度要远高于人工测流。

为此本文对南干一分干渠进水闸由一体化闸门系统测得的流量和人工测水流量进行了数据对比，一体化闸门系统自动化测流每十分钟测一次流量，人工测流每一小时测量一次，连续测三天。数据成果见表2、表3。

表1 两种闸门系统年平均投资对比表

表2 南干一分干渠进水闸人工测水流量表

表3 南干一分干渠进水闸一体化闸门系统测水流量表单位：m3/s

对表2、表3数据进行列图表分析：

经对以上数据分析可得，一体化闸门系统自动化测量共测了201组流量数据，平均值为1.103m3/s，该系统测流的容许误差值为5%即0.055，自动化测流中只有4.6%的测流成果在容许误差之外，人工测流共测了36组数据，其中有52.8%的测流成果超过了容许误差值，得出的结论是一体化闸门自动化测流时间间隔短，实时监控性强，测流的精确度要远高于人工测流。