基于無功補償技術的新型智能農業灌溉系統設計

楊青書　單中健　李貴璞

摘 要：針對我國農業灌溉自動化水平偏低、取水困難、機井分布散亂、野外操作危險性高等一系列問題，研制一款新型智能灌溉系統，可以對區域內分散的機井進行統一監控與管理，農戶可以根據需要辦理充值IC卡，只需在灌溉控制箱的感應區刷卡即可實現智能灌溉，系統會自動扣除費用，后臺系統可實時監控每個機井的使用情況，實現了農業灌溉收費智能化，提高了水資源利用率。

關鍵詞：無功補償；控制箱；IC卡；充值器

中圖分類號：S274 文獻標志碼：A 文章編號：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

我國是農業大國，耕地面積近20億畝，農田灌溉成為農業生產的重要環節，同時我國又是缺水國家，水資源分布不均。因此充分利用有限的水資源滿足全國農業灌溉成為一個十分嚴峻的課題。而傳統的農業灌溉存在很多弊端，如無序取水、收費混亂、浪費嚴重、安全隱患等問題。據統計，我國農業水資源利用系數僅為發達國家的50%，另外，國家能源局提出“井井通電”的戰略目標，因此，我們必須調整思路，研制一款新型農業灌溉系統，使農業灌溉實現智能化、節約化以及安全可靠化。

1 系統框架

本著操作簡便、使用安全、管理便利等原則，按照現場設備層、村委管理層以及上級監管層三個層級進行設計。整個系統可工作流程如下圖1所示：

整個系統涉及到的關鍵技術包括：基于射頻IC卡的讀寫計費功能開發；無功補償與低電壓治理融合技術；基于區域分散機井信息管控技術研究；基于android系統的機井灌溉app開發；農田灌溉管控系統與配電自動化系統融合技術。

2 灌溉控制箱

機井智能灌溉控制箱是整個農業灌溉系統的核心設備，它是集灌溉控制器、配電設備、電機啟動器（按需配置）、三相智能電表和水表（部分地區會收取水費）等設備于一體的控制計量箱。可以采集灌溉用電量、用水量或灌溉時間并自動收取灌溉費用。同時預留位置，按照需求選擇接入移動式電能質量治理設備，解決農業灌溉電能質量差的問題。

該新型灌溉控制箱具備以下技術特點：（1）多種計費方式可選，電量/水費量/水電量同時/時間四種方式。（2）控制器內置加密芯片，所有傳輸數據均經過加密處理，充分保證信息安全。（3）設備預留串口/網口等調試接口，同時支持3G/4G遠程維護及升級。（4）具備防盜防竊電功能。當控制箱被非法打開后，控制器會立即向監控中心發送報警信息，并在30秒內通過控制開關自動切斷電源，同時發出蜂鳴聲警報。若要恢復用電，必須由管理人員持有電子密鑰才可恢復。（5）可根據需求選擇接入不同容量電能質量綜合治理設備，保證灌溉用電質量。（6）可擴展其它監測功能，如風速、風向、水位等。（7）具有防雷保護功能，確保控制箱在雷雨天氣安全可靠運行。

下面以計電費型控制箱為例介紹整個控制箱內部設計框架，如圖2。

控制箱固定在機井旁，三相電從底部進入箱內，對于電能質量較差的地區，可根據選擇安裝移動式電能質量治理模塊，有效慮除諧波、提高功率因素。

移動式電能質量綜合治理裝置是集諧波慮除、無功補償和低電壓質量等功能于一體的電能質量綜合治理設備，預留接口，方便插拔，操作簡便。

控制器接收到用戶IC刷卡后，讀取卡內信息，判斷卡內余額充足，向電氣控制單元發送命令，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，此時控制器讀取電能表讀數。

當用戶再次刷卡時，控制器再次讀取電能表讀數，計算出所用電量自動從卡內扣除費用，然后向電氣控制單元發送命令，智能斷路器斷開，潛水泵停止工作。

電機啟動器可按需配置，主要分三種：（1）交流接觸器，經常用于小功率水泵的直接啟動；（2）軟啟動器，具備降壓啟動功能，可以延長水泵的使用壽命；（3）變頻器，屬于高檔啟動器，可以實現恒壓供水。

3 移動式電能質量治理模塊

目前很多農村在運配變通常年限較長、設備狀況較差，能效水平較低，加之其中部分臺區受單相負荷用電隨機性的影響，三相負荷不平衡較為突出，并且電能利用率偏低、造成較大的電能浪費。因此考慮在該灌溉系統中引入無功補償技術，加裝電能質量治理模塊，可以有效降低配變臺區損耗，消除三相不平衡對設備造成的損壞，同時提高功率因數，節約電能量和水資源。

該電能質量治理模塊采用高性能CPU，實時檢測系統電壓、電流等電量信息，分析計算系統有功、無功以及諧波等，根據系統的運行情況，強迫注入對應的電流，實現配電網中電流的實時與動態無靜差調節，其結構示意圖如下所示：

該模塊具備以下功能：（1）傳統的無功補償功能。用復合開關實現電容器的過零投切，減小動作沖擊電流，具備分補與相間補償功能；采用電容投切優化算法，循環使用裝置內電容器，提高系統使用壽命。（2）有功與無功不平衡治理功能。有源裝置并聯接入系統中，采用多電平拓撲結構，實現有功與無功的負序和零序不平衡治理、無功補償、諧波消除（2-13次諧波）等功能。（3）無沖擊并網與無縫切換功能。在調節過程中，采用電網網側電流控制策略，采用基于PWM控制技術的三相變流器，實現裝置的無沖擊并網。（4）長壽命設計。具備有源與無源無縫切換技術，循環使用裝置內電容器與SPC，提高系統使用壽命。

4 無線藍牙IC卡及發卡器

在每個自然村村委會設置一臺發卡器，農戶可在當地根據需要辦理實名卡或臨時卡。農戶用IC卡在機井控制箱刷卡感應區刷一下，系統自動開始工作，再次刷卡則會切斷電源停止供水，系統會根據用電量或用水量進行計算，自動扣除相應費用。

該系統開發了一款基于android系統的app，其通過藍牙可連接到發卡器，對發卡器進行相應操作，同時可根據控制箱ID編號登錄控制箱，實時查看控制箱信息，農戶可以根據app實時查看用水用電情況。該設計充分滿足現代高層次農戶需求，也是實現農業生產智能化的一個體現。同時該APP增加對控制器的管理功能，通過APP實現控制器的升級維護。

5 結束語

該系統不僅使管理部門實現了先收費、后灌溉的管理目標；也使農戶達到借助IC卡自主澆地的目的，可有效解決農業機井灌溉管理中長期存在的電費/水費計量不準、拖延灌溉費用和浪費水資源的難題。該系統的推廣使用，有助于提高農業生產水平，增強農民節水意識和農業用電安全意識，減少水資源浪費，實現水資源的可持續開發與利用。

參考文獻：

[1]劉春來，楊萬龍，王劍波.機井灌溉計量收費管理與控制系統研制[J].節水灌溉，2009（6）：55-57.

[2]朗志欽，于建營.GPRS在灌溉區取水計量遠程監控系統中的研究與應用[J].水利信息化，2010，16：57-59.

[3]黃剛，劉佳林，李曉東，等.基于GSM的微型遠程灌溉系統研制[J].中國農村水利水電，2013（10）.

[4]高玉芹.基于ZigBee和模糊控制決策的自動灌溉系統的設計[J].節水灌溉，2010（08）.

[5]趙麗，張春林.基于單片機的智能澆花系統設計與實現[J].長春大學學報，2012（06）.

[6]陳輝.基于ZigBee與GPRS的溫室番茄遠程智能灌溉系統的研究與實現[D].浙江大學，2013.

[7]宋增芳.精準遠程灌溉物聯網墑情監測控制系統研制[D].甘肅農業大學，2013.

[8]崔增團.節水灌溉施肥技術在我國的應用研究[J].中國農村水利水電，2007（04）.