疏勒河灌区闸门精准远程自动化控制技术研究

马乐平，刘磊，陈兴国

（1.甘肃省疏勒河流域水资源管理局，735211，玉门；2.南瑞集团公司国网电力科学研究院，211000，南京）

疏勒河灌区闸门精准远程自动化控制技术研究

马乐平1，刘磊2，陈兴国1

（1.甘肃省疏勒河流域水资源管理局，735211，玉门；2.南瑞集团公司国网电力科学研究院，211000，南京）

疏勒河灌区；渠道流量；闭环控制；自动化

甘肃省疏勒河灌区现有斗口以上各类闸门2 000余座，承担着灌区134.42万亩（1亩=1/15 hm2，下同）农业灌溉的水量调节、计量任务，主要以平板闸门人工螺杆启闭和断面人工观测水位并利用率定的水位流量关系曲线查算输水流量进而计算水量，由于点多面广、布局分散且大多无输电线路通达，水管人员只能依靠人工操作和现场观测。随着灌区信息化建设的深入，为减轻水管人员的劳动强度达到无人值守，解决此类闸门远程自动控制和过闸流量精准计量成为现实问题。

一、灌区闸门实施精准远程控制的重要性

疏勒河灌区位于河西走廊西端，是甘肃省百万亩以上大型自流灌区之一。由于地处我国西北干旱地区，疏勒河灌区水资源一直较为缺乏，用水矛盾突出。2014年灌区被水利部确定为全国水权制度建设试点单位，各级渠道闸门控制和水量精准计量是水权分配和灌区信息化建设的基础。

调配水是灌区管理工作的主要内容之一，输水计量的精确性和控制的精准性直接关系灌区水资源“三条红线”的控制目标。对于灌区而言，为实现灌区水资源优化配置，提高灌区用水效率和效益，需选择合理的控制方法对这些设施加以控制，如加强人工控制或建立自动化控制手段等，通过整个灌区的资源优化等一系列准则对各个控制设施实现远程控制或自动化控制，最终实现整个灌区的自动化。由此可见，灌区实现自动化控制的先决条件就是对灌区基本设施的控制，这些设施主要是灌区渠道中的分水闸、节制闸、管道等。

目前灌区闸门作为水利工程建设中一个基本的水利设施，在农田灌溉、水位控制、供水等诸多工程应用中发挥着重要作用。而当前绝大多数灌区的分水控制、测流计量等基本上是依靠配水员手动操作和目测经验，管理水平低，效率低，与灌区信息化建设要求具有很大差距。

农业灌溉要达到“计量到户、按方收费”的目标，除需要精确的量水设备外，还要保证输水控制的精准，将两者结合起来共同达到精准输水，是实现精准农业的关键。

二、国内外渠道闸门自动控制研究现状

国外对渠道自动控制闸门的研究起步较早，不仅在远程测控闸门系统理论方面有丰硕的成果，而且在应用方面也取得了很大的成功。

在理论方面，国外目前采用非恒定流的二维和三维计算模型求解Saint-Venant长波方程模拟渠道中的流态变化，尤其是自动闸门的过渡过程及调节过程中闸门与渠道水体相互作用的模拟。其中主要模拟闸门上游自动控制、闸门下游自动控制和综合控制，为闸门开度与流量的控制提供可靠的基础信息。

在整体控制方面，澳大利亚一公司提出了全渠道控制系统理论，通过渠道上下游闸门联动控制、测控一体，对传统闸门进行了彻底改造，摆脱了以往粗放式人工管理模式。但这一方法适于水流流速较缓且具有一定调蓄水功能的渠道，同时投资成本较高。

国内大部分灌区在闸门控制方面只是将原来手动闸门改造成远程自动化控制闸门，过闸流量主要根据测定的闸前、闸后水位和闸门开度再依据水力学公式进行计算。由于闸门运行工况不同，特别是闸前水流紊乱造成水位波动较大，直接影响到水位传感器读数精度，进而影响到过闸流量，除非改善原有闸前建筑物进水条件或增加传感器数量。

三、疏勒河灌区闸门远程控制研究情况

结合疏勒河灌区斗口输水的特点，利用先进的控制技术及水位采集技术，通过基于闸后断面流量反馈闸门控制逼近目标流量的闭环式自动化控制技术研究，即抛开利用闸孔测流方式，利用闸后50 m内渠道标准巴歇尔槽加磁致伸缩水位计进行流量（水量）在线监测。所得实时流量（水量）数据通过数据线反馈至闸门控制上位机，与闸位控制器所接收到的由调度人员发送的目标流量（水量）比较后，确定闸门提升或下降，形成实测流量与闸门开度闭环控制自动调节最终逼近目标流量（在5%允许误差范围即可），这一方法已成功应用于疏勒河灌区的斗口闸门的精准控制。图1为巴歇尔槽加磁致伸缩水位计概化图。

图1 巴歇尔槽加磁致伸缩水位计概化图

1. 闸门精准闭环控制系统结构

疏勒河斗口的渠道设计流量基本在0.3～1.0 m3/s，闸门为螺杆铸铁闸门，针对疏勒河灌区闸门实际需求，在不改变现有闸门运行工况下，闸门的控制系统总体结构由驱动系统、升降系统、测控系统、太阳能供电系统、通信系统、显示屏及一体化箱体组成。闸门的开启和关闭支持本地、远程电动控制和本地机械手摇控制等3种控制方式。图2为闸门控制系统总体框架。

图2 闸门控制系统框架

2. 闸门精准闭环控制设计

闸门的远程控制实现了闸门自动化，为了达到过闸流量的精准测控，本次研究利用闸后的流量反馈逐渐逼近闸门控制的目标流量。根据量水堰槽的比选，本次闸后流量采用巴歇尔槽加磁致伸缩水位计进行流量监测，流量数据通过数据线接入闸门一体化控制装置。

图3 闸门精准闭环控制流程示意图

闸门精准闭环控制流程见图3。①流量与闸门开度关系曲线。为了更快速地达到精准控制的目标，首先通过闸后巴歇尔槽水位计计量的流量与闸门的开度，率定出闸门的开度与流量的初始关系曲线，达到闸门初步目标流量的控制开度。②闸门精准闭环控制。由于每次渠道来水的不确定性，闸门的开度与流量关系也是不确定的，通过初设的关系进行闸门的开启，再通过下游流量的反馈逐步调整闸门的开度，使闸后流量与目标流量的偏差在5%内，最终达到控制流量逼近目标流量的目的。

3. 闸门精准闭环控制方式

采用基于B/S（Browser/Server）结构即浏览器和服务器结构，利用全组态式设计、面向服务（SOA）、分层分布式组件模型技术，建立灌区一体化平台服务总线，为灌区系统提供标准化、规范化、一体化的服务平台，实现测、控一体化，灌区管理人员在此平台即可实现远程操控闸门精准灌溉。同时开发了疏勒河渠系闸门控制手机APP，灌区管理人员通过手机随时随地对闸门进行远程监控。

四、结语

通过基于闸后流量的精准闭环自动化控制技术，将传统闸门控制水流单一的功能改进为测控一体化多功能，闸门动力由人力或电力驱动改进为太阳能支持直流变频电机驱动，集能源支持、监测、控制、通信为一体，具有自动监测水情、自动记录数据、自动汇算记录及根据水情稳定流量的作用。流量的测量根据闸后巴歇尔槽与专门设置的水位传感器来实现，避免了水位波动和视觉引起的误差；闸门开度依靠闸门上的传感器参考点来监测，避免了手工测量的误差，并通过闭环控制技术使过闸流量的控制更为精准，双塔灌区从2015年开始实现了24套闸门的自动化控制，覆盖灌溉面积6.8万亩，做到了及时准确调节渠系流量；有效快速执行配水任务，克服人工操作带来的不准确因素；同时大大降低了工作人员的劳动强度，利用准确的量水设备与先进的控制系统将闸门和流量监控结合在一起，进一步提升了灌区现代化管理水平。■

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S27+TP393

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1000-1123（2017）14-0058-02

2017-02-26

马乐平，处长，教授级高级工程师。

责任编辑 张金慧