景電灌區(qū)新型閘門遠(yuǎn)程智能測(cè)控系統(tǒng)研制與開發(fā)

劉思璋

（甘肅省景泰川電力提灌管理局，甘肅 景泰730400）

1 工程概況

景電灌區(qū)位于甘肅省中部省城蘭州以北180km 處，東臨黃河，北倚騰格里沙漠，自東向西橫跨甘、蒙兩省區(qū)，白銀、武威、內(nèi)蒙阿拉善盟三市（盟），景泰、古浪、民勤、左旗四縣（旗）。工程分期建設(shè)：一期工程1969 年開工建設(shè)，1974 年竣工；二期工程1984 年7 月開工建設(shè)，1994 年基本建成，1999 年竣工驗(yàn)收；景電二期延伸向民勤調(diào)水工程，1995 年11 月開工建設(shè)，2000 年9月基本建成，2001 年3 月5 日開始向民勤輸水，是利用已建成的景電二期工程的灌溉間隙和空閑容量向民勤調(diào)水，緩解該地區(qū)水資源日趨減少、土地沙化、生態(tài)環(huán)境惡化的應(yīng)急工程。

1.1 工程主要特性

景電工程從黃河提水，總體規(guī)劃設(shè)計(jì)提水流量28.6m3/s，加大流量33m3/s，裝機(jī)容量25.97 萬(wàn)kW，興建泵站43 座，最大提水高度602m，灌溉面積近百萬(wàn)畝。

一期灌區(qū)修建泵站13 座，安裝機(jī)組103 臺(tái)（套），總裝機(jī)容量6.78 萬(wàn)kW。總干渠1 條，干渠2 條，總干及干渠長(zhǎng)73.44km，總干及干渠建筑物141 座，支渠16 條，長(zhǎng)135.27km，支渠建筑物459 座，量水堰401 座。

二期灌區(qū)已建成總干及干渠泵站18 級(jí)（座）, 支渠泵站12座，共安裝機(jī)組203 臺(tái)（套），建成總干渠及干渠3 條，總長(zhǎng)113.24km，總干渠及干渠建筑物375 座，支渠43 條，總長(zhǎng)337.95km，支渠渠道建筑物2112 座，量水堰782 座。

1.2 工程效益

景電工程的興建，在騰格里沙漠南沿筑起了一道綠色屏障，有效地阻止了騰格里沙漠的南移，從根本上改變了當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)基本條件。工程運(yùn)行30 多年來，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益、生態(tài)環(huán)境效益，被灌區(qū)人民稱為“翻身工程、扶貧工程、致富工程”，成為甘肅省農(nóng)業(yè)科技示范、發(fā)展“兩高一優(yōu)”農(nóng)業(yè)、帶領(lǐng)群眾致富奔小康的示范基地。

2 閘門遠(yuǎn)程智能測(cè)控系統(tǒng)技術(shù)方案確定及研制

閘門遠(yuǎn)程智能測(cè)控系統(tǒng)主要由遠(yuǎn)程智能測(cè)控終端、閘門控制器、通信系統(tǒng)、太陽(yáng)能供電系統(tǒng)、中心調(diào)度系統(tǒng)等四部分組成。

閘門控制器和遠(yuǎn)程智能測(cè)控終端是利用太陽(yáng)能供電，通過中心計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控各支、斗口水量及閘門的運(yùn)行情況，根據(jù)目標(biāo)流量完成對(duì)閘門的閉環(huán)控制，同時(shí)將現(xiàn)場(chǎng)采集到的水量及閘門信息通過無線通訊網(wǎng)上傳至監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)閘門的遠(yuǎn)程測(cè)控。

2.1 技術(shù)參數(shù)確定

閘門遠(yuǎn)程自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)的研制，最關(guān)鍵的兩個(gè)參數(shù)是流量確定和動(dòng)力選擇。

閘孔流量的大小，取決于閘前水深和閘孔過流面積。以閘前的最低水深、支渠實(shí)際運(yùn)行需要的最大流量值，根據(jù)閘孔出流公式

計(jì)算需要的閘孔寬度b 和閘孔高度e。式中，μ1=0.76（e/H)0.038。

對(duì)閘門進(jìn)行受力分析，計(jì)算需要的啟閉力矩，根據(jù)最大力矩，選擇啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)功率。以景電二期工程總一支為例，通過力學(xué)傳遞和杠桿原理計(jì)算，以0.735KN 的力完成靜水壓力為4193KN 的閘門啟閉操作。

2.2 新型結(jié)構(gòu)閘門研制

傳統(tǒng)平板閘門的卡阻和漏水問題是制約閘門遠(yuǎn)程智能測(cè)控系統(tǒng)的關(guān)鍵因素之一。克服傳統(tǒng)平板閘門自身的問題，吸取拍門的密封性良好和弧形閘門省力的優(yōu)點(diǎn)，研制了節(jié)能省力的新型拍弧式結(jié)構(gòu)閘門，是該系統(tǒng)研制的重要亮點(diǎn)。

2.3 遠(yuǎn)程測(cè)控終端

景電采用的遠(yuǎn)程測(cè)控終端具有串口、開關(guān)量輸入、定時(shí)等多種休眠模式和大容量本地存儲(chǔ)的能力，通過人機(jī)界面和操作按鍵，便于現(xiàn)場(chǎng)管理人員操作。

遠(yuǎn)程測(cè)控終端采用低功耗大容量設(shè)計(jì)，具有強(qiáng)大的前端數(shù)據(jù)采集與處理能力，用于數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)，并上傳至信息中心。

圖1 遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

該終端作為系統(tǒng)的獨(dú)立工作站點(diǎn)，完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集與處理以及與監(jiān)控中心的遠(yuǎn)程通信，具有易擴(kuò)展性和易維護(hù)性的特點(diǎn)，而且自成體系，當(dāng)遠(yuǎn)程通信中斷時(shí)能獨(dú)立運(yùn)行，不影響對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集功能。遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

2.4 閘門控制器

閘門控制器是灌區(qū)水量及閘門遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

AD-ZK－2009 閘門控制器為閘門的開/關(guān)提供了精確的開度控制，具有三重保護(hù)功能：即開度控制、機(jī)械上下限控制和力矩控制。AD-ZK－2009 閘門控制器采用直聯(lián)式結(jié)構(gòu), 功能全面、性能可靠、體積小、重量輕、使用維護(hù)方便。

閘門遠(yuǎn)程控制流程見圖2。

2.5 太陽(yáng)能供電系統(tǒng)

景泰電力提灌工程，灌溉面積百余萬(wàn)畝，灌區(qū)地域廣袤，支、斗口分散，有些閘口市電難以到達(dá)，且使用市電建設(shè)成本高、施工難度大。根據(jù)景電灌區(qū)具有豐富的光熱資源，年日照時(shí)數(shù)約3000 小時(shí)，為確保全系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，及降低灌區(qū)建設(shè)成本、運(yùn)營(yíng)費(fèi)用，本系統(tǒng)的設(shè)備供電部分選用太陽(yáng)能供電技術(shù)，由太陽(yáng)能電池組件(陣列)、控制器、蓄電池組成。其中電池組件和蓄電池為電源系統(tǒng)，控制器為控制保護(hù)系統(tǒng)。

圖2 閘門遠(yuǎn)程控制流程圖

2.6 通信系統(tǒng)

由于被測(cè)控分水口地處偏僻、布局分散，結(jié)合當(dāng)?shù)責(zé)o線公網(wǎng)覆蓋情況，我們選擇在相同氣候環(huán)境條件下，對(duì)全灌區(qū)各計(jì)劃測(cè)控點(diǎn)CDMA 和GSM 移動(dòng)公網(wǎng)信號(hào)質(zhì)量的測(cè)試對(duì)比，選擇CDMA 通信方式。

圖3 通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 閘門遠(yuǎn)程智能測(cè)控系統(tǒng)實(shí)施的保障措施

3.1 加強(qiáng)施工管理

3.1.1 明確任務(wù)，落實(shí)責(zé)任。在各施工項(xiàng)目上，均派有項(xiàng)目負(fù)責(zé)人和技術(shù)人員，配合監(jiān)理工程師監(jiān)督檢查質(zhì)量、進(jìn)度等施工情況，協(xié)商解決施工中出現(xiàn)的問題，嚴(yán)格按照合同進(jìn)行施工。加強(qiáng)技術(shù)管理，開工前做好技術(shù)交底工作，嚴(yán)格按照規(guī)范要求，提出技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和要求。竣工時(shí)認(rèn)真做好竣工技術(shù)資料的搜集、整編工作。抓好進(jìn)度管理，設(shè)備購(gòu)置、設(shè)備安裝調(diào)試、軟件開發(fā)，事先做好各項(xiàng)工作的進(jìn)度計(jì)劃，督促執(zhí)行做好項(xiàng)目。

3.1.2 抓質(zhì)量管理。由管理局質(zhì)安處配合監(jiān)理部進(jìn)行對(duì)設(shè)備、設(shè)備安裝等質(zhì)量控制、監(jiān)督與驗(yàn)收。對(duì)于設(shè)備，從對(duì)投標(biāo)單位資質(zhì)審查到設(shè)備的質(zhì)量檢查，對(duì)每一個(gè)環(huán)節(jié)嚴(yán)格把關(guān)。對(duì)于應(yīng)用軟件開發(fā)，提出詳細(xì)的書面要求，注重軟件調(diào)試過程，對(duì)每一項(xiàng)內(nèi)容按要求逐一進(jìn)行調(diào)試。設(shè)備供貨單位和軟件開發(fā)單位在項(xiàng)目結(jié)算時(shí)，對(duì)于設(shè)備必須附有質(zhì)量合格證，調(diào)試報(bào)告等基本資料，由監(jiān)理人員、項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、開發(fā)商共同簽字，證明系統(tǒng)開發(fā)結(jié)束。

3.2 施工保障條件

以項(xiàng)目負(fù)責(zé)人為組織者，項(xiàng)目成員為骨干，信息中心為實(shí)施部門，進(jìn)行各項(xiàng)工作的銜與接協(xié)調(diào)，保證項(xiàng)目正常實(shí)施。

4 閘門遠(yuǎn)程智能測(cè)控系統(tǒng)效益分析

閘門遠(yuǎn)程智能測(cè)控系統(tǒng)具有系統(tǒng)可靠性好、安全性高、產(chǎn)品成熟、操作簡(jiǎn)單、管理方便、易于維護(hù)等特點(diǎn)。該系統(tǒng)的研制和投入使用不但可以實(shí)時(shí)測(cè)量水量信息、控制閘門運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)精確化、精細(xì)化的科學(xué)管理，而且能夠提高設(shè)備運(yùn)行效率和水的有效利用率，實(shí)現(xiàn)水資源的優(yōu)化配置，達(dá)到節(jié)水、節(jié)能、降低供水成本，合理用水，取得了以下經(jīng)濟(jì)效益：

4.1 水量及閘門遠(yuǎn)程測(cè)控的實(shí)現(xiàn)，有利于加強(qiáng)干渠水量管理，提高干渠水利用率，減輕水量管理人員勞動(dòng)強(qiáng)度。

4.2 支渠閘門啟閉操作、流量調(diào)節(jié)、水量統(tǒng)計(jì)的自動(dòng)化，減輕水量管理人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，可減少支口管理人數(shù)。

4.3 遠(yuǎn)程測(cè)控終端現(xiàn)場(chǎng)智能閉環(huán)控制，使支渠流量始終保持目標(biāo)值，提高分水響應(yīng)能力，避免了因干渠水位變化導(dǎo)致支渠流量的增減變化，保證支渠流量穩(wěn)定，有利于提高支渠利用率。

4.4 太陽(yáng)能供電方式，節(jié)約架設(shè)供電線路費(fèi)用和電費(fèi)開支；使用固態(tài)膠體免維護(hù)電池，使用壽命長(zhǎng)、耐高溫、抗低溫、維護(hù)成本低。

4.5 廉價(jià)租用CDMA 無線寬帶移動(dòng)通信公網(wǎng)，保持永遠(yuǎn)在線，節(jié)約組建專網(wǎng)的費(fèi)用，節(jié)約了維護(hù)成本。

4.6 流量的實(shí)時(shí)性，實(shí)現(xiàn)公開透明的干渠水量管理，提高干渠利用率1%，每年節(jié)約水資源達(dá)到416 萬(wàn)m3，節(jié)約電能800 萬(wàn)Kwh。

5 結(jié)論

灌區(qū)閘門遠(yuǎn)程智能測(cè)控系統(tǒng)的研制開發(fā)實(shí)現(xiàn)了支渠閘門遠(yuǎn)程閉環(huán)自動(dòng)控制、流量自動(dòng)調(diào)節(jié)、水量遠(yuǎn)程傳輸及統(tǒng)計(jì)，通過對(duì)流量的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)控，為水量管理和優(yōu)化調(diào)度提供了技術(shù)手段，也為灌區(qū)用水的合理調(diào)度和科學(xué)決策提供了充分、準(zhǔn)確、及時(shí)的數(shù)據(jù)，縮短了調(diào)度決策周期，降低了管理成本，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了灌區(qū)用水環(huán)境，提高了水量管理的工作效率，提升了灌區(qū)管理水平，對(duì)灌區(qū)水資源的優(yōu)化配置和綜合效益的發(fā)揮起到了極為重要的作用。