太陽能閘門控制系統在灌區管理的應用與推廣

孫桂軍

（韶山灌區工程管理局 湘潭市 411401）

1 開發背景

灌區管理是一個龐大的系統工程，不但具有線長、面廣、點多、分散的特點，而且還具有相互影響、相互制約的特點，要使這樣一個龐大的系統能夠有效地運作、協調地運轉，沒有現代的信息技術是完全不可能的。只有充分地利用信息技術，才能更好地為灌區管理服務、更好地為“三農”服務。

（1）韶山灌區工程全干渠有大型閘門70多處，大小涵閘586處，分水總流量達到74 m3/s,直接從干渠上提水機埠158處，取水總量達11 m3/s，兩者合計為85 m3/s。而灌區總干進流僅為44.5 m3/s，抗旱期間如何有效地、及時地控制各分水涵閘，合理利用水資源，達到上下游均衡受益，是擺在我們面前的一個艱巨任務，建設一套閘門測控系統是我們著力研究的課題。

（2）干渠沿渠大多地處偏僻，交流用電不很方便，如何解決實現閘門控制用電需要是灌區管理中面臨的實際問題。

（3）南方灌區具有暴雨突發性、區域性的特點，防汛期間，在風雨交加、電閃雷鳴惡劣天氣的情況下，如何減輕工作人員的勞動強度、提高工作效率也是一個很突出的問題，建設一套閘門測控系統也是很有必要的。

（4）灌區工程的閘門不僅肩負著灌區工程的安全運行、灌區灌溉的科學配水，同時還肩負著灌區的工業供水，如何高效可靠地運行也是我們首要考慮的問題，對其實行遙控也是必要的。

（5）灌區的很多支渠灌溉好幾個村組,有的支渠甚至灌溉幾個鄉鎮,水事糾紛時有發生,如何減少、防止水事糾紛,如何對閘門進行有效管理也是我們所面臨的問題,可見控制好各支渠閘門為灌區科學配水、節約用水、上下游均衡受益意義重大，因此對其進行閘門遙控也是勢在必行的。

韶山灌區通過多年的探索研究，太陽能閘門控制系統確實解決了灌區管理中存在的許多問題,同時也符合建設“資源節約型、環境友好型”社會的時代發展需要。

2 閘門控制系統功能及結構

太陽能閘門控制系統改變原來手動人工控制閘門的狀況，減輕了管理人員的勞動強度，能在信息中心、所轄地段信息分中心（管理所、站）進行無線遙控及現場操作閘門，并具有相應的保護及報警裝置。

2.1 系統總體結構

韶山灌區太陽能閘門控制系統按三級體系進行建設。即第一級為基本信息采集點。用于采集閘位信息，水位信息，以及用于接收控制指令的控制裝置，如閘門啟閉控制器等。所采集到的信息數據通過通訊網絡上傳。第二級是以管理所（站）為單元的信息分中心。主要對所轄范圍內的各種數據信息進行監測，并對其進行整理、上傳。同時執行管理局信息中心的指令，完成對各控制點的配水控制。第三級為灌區管理局信息中心。它對整個灌區的所有信息進行監測，并對干渠主要測控點進行直接控制。根據各種數據信息，確定灌區水資源優化配置、優化調度、優化利用方案，為灌區管理決策提供依據。

2.2 系統組網設計

根據韶山灌區的客觀實際，通過對當前通信技術的分析比較，為確保系統網絡結構清晰，使系統具備較強的兼容性，有利于系統建設逐步籌資、逐步建設、逐步完善，并有利于系統建設中的安裝調試及在系統運行中的維護檢修和升級改造，將計算機網絡系統和通訊系統相對獨立，各成體系。計算機網絡系統分成中心站和各自獨立的分中心站。通訊系統采用兩級網絡結構：一級為信息采集監控站點到分中心站，通訊方式以超短波為主，輔以GSM或有線方式等；二級為各分中心站到中心站，通訊方式為虛擬專網（VPN）或者超短波通訊。虛擬專網（VPN）是采用隧道技術以及加密、身份認證等方法，在公共網絡中建立專用的數據通信網絡的技術。在虛擬專網中，任意兩個節點之間的連接并沒有傳統專網所需的端到端的物理鏈路，而是采用公眾網的資源動態組成的。具有建設成本低、傳輸容量大、容易擴展、使用方便、易于管理等優點。VPN使用的協議主要有三種：點到點隧道協議（PPTP—Point-to-Point Tunneling Protocol），第二層隧道協議（L2TP—Layer 2 Tunneling Protocol）以 及 IPsec（Secure IP）。無線超短波通訊方式具有投資小、管理方便、通訊距離較遠（無中繼通訊半徑為50 km）等特點，比較適合灌區這種特定的區域應用。超短波通訊頻率為 （220～240）MHz，采用 CSMA（Carrier Sense Multiple Access,載波監測多址接入）協議進行數據傳輸，即先偵聽后發送的隨機競爭信道接入方式；采用FSK數字調制方式，傳輸速率為 1 200 bps。有線通訊采用RS485通訊協議，速率為4800bps。

2.3 信息中心和信息分中心設計

韶山灌區信息中心設在灌區管理局機關內，是灌區管理信息化系統的核心機構，它擔負著整個灌區各種信息的監測與重要配水設施的控制任務，對灌區信息進行集中管理，為水資源的合理配置、優化調度、優化利用及灌區的建設決策提供科學依據。

目前信息中心開發建設了監控軟件、用水管理決策支持軟件等專業應用軟件，主要對灌區支渠的主要閘門進行控制，為灌區用水管理和水資源的合理調配發揮了不可替代的作用。信息中心系統結構如圖1。

圖1 信息中心系統結構圖

韶山灌區信息分中心設在各管理所（站）內，主要職能是監測所管轄范圍內各信息采集點的實時數據，并執行信息中心的調度指令，完成對各控制點的配水控制。并且向信息中心上傳采集點信息和控制信息。在信息分中心配置移動式接收發送設備、管理計算機、太陽能站、打印機、虛擬專網通訊設備等。為防止雷擊和外界突然停電而造成系統的癱瘓，在分中心安裝電源及接口防雷器和不間斷電源（UPS），以確保系統的安全、穩定運行。

信息分中心的系統結構見圖2。

圖2 信息分中心系統結構

2.4 太陽能遙控站系統設計

為解決野外無電力電源供應閘門的有效控制問題，對現場附近無電力電源供應的閘門實施太陽能無線遙控控制。在現場安裝太陽能遙控執行裝置、數據接收發送設備、水位、閘位傳感器等設備，以無線方式與所轄信息分中心、信息中心聯網。在隸屬管理所安裝1臺移動式接收發送設備，可在管理所發送指令對閘門進行遙控，并把實時數據發送至信息中心。閘門太陽能遙控站系統結構見圖3。

本研究創新成果：研制了低功耗直流螺桿啟閉機和低功耗終端測控裝置，合理配置太陽能電池板功率和蓄電池容量。

圖3 閘門太陽能遙控站系統結構圖

常規的啟閉機通過蝸輪蝸桿傳動，并增加一對三角皮帶輪減速，這種結構體積大，而且啟閉機總效率低，1 t的常規啟閉機電機功率500 W。針對太陽能供電特性，采用現代先進的傳動技術，改造啟閉機結構，降低啟閉速度同時提高了裝置的傳動總效率，1 t啟閉機電機功率僅為180 W。

低功耗終端測控裝置（RTU）采用超低功耗單片微處理器技術，同時采用多級電源控制技術，使RTU裝置的休眠狀態的功耗達到微安級，待機功耗小于10 mA。

研究充放電曲線，進行充放電試驗分析，準確耦合太陽能供電系統參數，合理配置太陽能電池板功率和蓄電池容量。

3 系統應用成效

（1）該成果在灌區節水灌溉中的應用，提高了灌區的管理水平，極大地推動了行業科技進步，為國家糧食安全生產提供了一個科技平臺。

（2）通過閘門的自動控制，實現了按計劃配水，提高了灌區配水效率，減少了灌區水資源浪費。

（3）改善了生態環境，促進農業乃至社會經濟的可持續發展，具有重大的社會效益。

（4）該研究成果具有節能、穩定、可靠、經濟實用等特點，具有極強的示范和帶動作用。在全國大中型灌區節水灌溉中具有廣泛的推廣應用價值，成果發展前景廣闊，經濟效益巨大。

4 存在的問題

（1）系統設計時由于考慮節約能源出發，電瓶容量有限，現場太陽能閘門遙控站未常期處于開機狀態，信息中心、信息分中心向閘門控制站發出指令時不會馬上執行閘門操作，要等太陽能閘門遙控站開機時才會接收指令，再進行閘門控制，從而影響了閘門控制的及時性。

（2）由于從事閘門管理人員的業務水平有限，有一部分工作人員對系統的認識還不夠深刻，還不能大膽地開展工作。

5 信息化建設展望

太陽能閘門控制系統在全國大型灌區信息化建設中具有廣闊的發展前景。灌區要發展，既要加強信息化硬件建設，也要加強信息化人才培養。假以時日，能對灌區干渠上各分水涵閘進行統一控制，輔以視頻監測，在通信信道方面將逐步考慮利用公眾服務網和光纖通信，將是灌區管理又一次質的提升。