全渠道控制系統在中衛南山臺子揚水灌區的應用

孫淑華，李 莉，馬海峰，程 良

(寧夏回族自治區水利科學研究院，銀川 750021)

1 研究背景

水利部在2007年通過“948”項目將澳大利亞潞碧墾公司生產的測控一體化閘門引入中國。測控一體化閘門同時具有水量監測和控制功能，可以穩定閘前水位，啟閉靈活[1]。通過幾年的試驗示范，測控一體化閘門的科學理念和設備的先進性已得到國內水利同行的認可[2-6]。全渠道控制系統(Total Channel Control，TCC)是以全渠道測控一體化閘門為核心設備的典型下游控制系統，TCC 能夠通過將流量測量與上下游水位、閘門的控制結合為一整體來精確控制渠道內輸水效率。當下游用戶用水時，TCC根據下游需水要求，適時向下游閘門相鄰的上游閘門發射閘門調節信號，依次往上類推，通過渠系中每個閘門配置的高精度水位傳感器和反饋、前饋控制相結合，自動調節開度補充水量，直到水位達到設定值為止。在確保所有農田灌溉供水穩定的同時，也減少了由于使用傳統灌溉基礎設施而產生的大量退水和水流失[7,8]。近幾年，TCC在國內多個灌區得到應用[9-12]。

南山臺子揚水灌區工程始建于1978年，工程布置三級揚水，其中揚水干渠總長28.2 km。由于該灌區歷史悠久，工程建設標準低，更新改造投入不足，造成揚水干渠砌護率低，渠道配套設施差，已不能適應現代農業和節水型灌區建設需求。因此，灌區于2015年開始進行了節水配套改造項目，其中揚水干渠砌護13.5 km，新建和改造節制閘6座(分別為陰洞粱節制閘、彩達節制閘、堿溝節制閘、青駝崖節制閘、喜溝節制閘和丹陽節制閘)，安裝9扇測控一體槽閘(其中陰洞梁節制閘、彩達節制閘和堿溝節制閘為雙孔設置，青駝崖節制閘、喜溝節制閘和丹陽節制閘為單孔設置)，并配套安裝TCC系統。南山臺子揚水干渠安裝的測控一體化槽閘型號及數量情況見表1，揚水干渠各渠段渠道參數見表2。

表1 南山臺子揚水干渠測控一體化槽閘型號及數量Tab.1 Type and quantity of integrated measurement and control gates of main water-lifting channel in Nanshantaizi irrigation area

表2 南山臺子揚水干渠渠道參數Tab.2 Parameters of main water-lifting channel in Nanshantaizi irrigation area

2 閘門分布和系統控制方法

2.1 測控一體化閘門參數及分布

南山臺子揚水干渠安裝的測控一體化槽閘見圖1，本次試運行涉及的陰洞粱節制閘、彩達節制閘、堿溝節制閘和青駝崖節制閘在干渠上的具體分布見圖2，其中雙C1直開口位于彩達節制閘和堿溝節制閘之間，各節制閘上下游水位和流量均由節制閘自身配置的高精度傳感器監測。

圖2 南山臺子揚水干渠試運行節制閘分布圖Fig.2 Distribution of check-gates in main water-lifting channel in Nanshantaizi irrigation area during the trial run

圖1 測控一體化閘門Fig.1 Integrated gate of measurement and control

2.2 全渠道控制系統控制方法

潞碧墾公司高效的TCC系統能夠通過將流量與上下游水位測量、閘門的控制結合為一整體來精確控制渠道內輸水效率，通過反饋和前饋控制相結合，確保所有農田灌溉供水的穩定，通過按需供水及訂水計算機網絡化，促進了農業生產力的提高[9]。

在中衛南山臺子揚水干渠此次試運行中，上游節制閘控制臨近的下游節制閘的上游水位，板閘流量計直開口運行在流量模式。當某一個直開口的流量調整時，TCC中的前饋控制在沒有等到相應直開口的上游節制閘監測到緊鄰的下游節制閘的上游水位因直開口的流量調整而變化時，就根據直開口所調整的流量即刻響應，調整向下游的供給流量，而不是等到上游節制閘的TCC中的反饋控制在監測到下游節制閘的上游水位因為直開口的流量波動而偏離了其上游節制閘所設定的控制值后才響應以減小水位的波動。當上游的節制閘為響應因為下游直開口的流量調整而產生的水位波動時，因其響應而造成的流量及水位波動也會被其更上游的節制閘TCC的反饋控制監測到，從而發生類似的響應，就這樣逐級向上游傳遞，直到緩沖池，使參與試運行的閘門在短時間內自動調節到最佳工作狀態。這樣渠系中的任何渠段有流量調整，都不會使渠道設定的運行水位產生劇烈波動，既保證了灌溉的流量需求，又保障了渠系內穩定水位的安全運行。

3 TCC系統試運行

3.1 試運行準備

TCC試運行準備分為現場調試準備和遠程調試準備兩部分。現場調試準備分為現場閘門通訊調試、節制閘的檢查及板閘流量計的檢查，TCC遠程調試準備主要包括各閘門控制器參數的設置和TCC服務器的設置。

3.2 試運行計劃

將渠首至彩達節制閘作為緩沖池。TCC控制試運行分為3天進行：2019 年8月2日在彩達節制閘和堿溝節制閘間進行；2019年8月3日在彩達節制閘和堿溝節制閘、堿溝節制閘和青駝崖節制閘間進行；2019年8月6日在彩達節制閘和堿溝節制閘間再次進行。

3.3 運行結果及分析

(1)彩達節制閘和堿溝節制閘間TCC控制試運行。2019年8月2日在彩達節制閘和堿溝節制閘間進行TCC控制試運行，控制系統運行期間的軌跡數據圖見圖3。節制閘的控制模式有0、3、6三種，分別代表開度模式(單個閘門隨上下游水位自動調節開度)、開度固定模式(即將閘門開度固定在某個值，不隨上下游水位變化)和TCC控制模式(將整條渠道的測控一體閘構成一個系統，實現全渠道自動化控制)。

圖3中黃色標記說明如下：①下午16點30分，彩達節制閘切換到TCC控制模式；②彩達節制閘TCC模式下監控的下游水位，也就是堿溝節制閘的上游水位被設定為1.35 m；③下午16點54分，彩達節制閘和堿溝節制閘間的雙C1直開口流量由0.1 m3/s，增加到0.18 m3/s；④當雙C1流量增大后，由于前饋控制的作用，彩達節制閘即開始打開，向下游補水，導致彩達節制閘的上游水位下降；⑤同時，由于反饋控制的作用，當彩達節制閘監測到它下游的堿溝節制閘的上游水位由于雙C1的流量增大而降低時，彩達節制閘會持續打開，向下游補充水量，使堿溝節制閘的上游水位維持在所設定的1.35 m；⑥在這段TCC控制時間內，堿溝節制閘的上游水位并沒有因為雙C1的流量增大而明顯降低；⑦下午17點32分，雙C1 的流量調整回為原來的0.1 m3/s；⑧隨后彩達節制閘的控制模式也被切換回原來的開度模式，此段TCC試運行結束。

圖3 彩達節制閘和堿溝節制閘間TCC控制試運行軌跡數據圖Fig.3 TCC control trail data diagram between Caida - Jiangou check-gates

自下午16點54分，雙C1直開口流量由0.1 m3/s增加到0.18 m3/s，至下午17點32分，雙C1 的流量調整回0.1 m3/s期間，通過彩達節制閘的前饋和反饋控制，堿溝節制閘的上游水位基本維持在設定的1.35 m(最低為1.348 m，最高為1.350 m)；為維持下游堿溝節制閘的設定水位，彩達節制閘主閘門開度由1 702 mm增加至1 752 mm，輔閘門開度由1 701 mm增加至 1 753 mm，流量由5.518 m3/s增加至5.575 m3/s，上游水位由1.497 m下降至1.460 m。

由此段TCC控制試運行結果得出，隨著渠系流量調整，堿溝節制閘的上游水位相對平穩，沒有產生劇烈波動。

(2)彩達節制閘和堿溝節制閘、堿溝節制閘和青駝崖節制閘間TCC控制試運行。2019年8月3日 在彩達節制閘和堿溝節制閘、堿溝節制閘和青駝崖節制閘間進行TCC控制試運行，控制系統運行期間的軌跡數據圖見圖4。

圖4 彩達節制閘和堿溝節制閘、堿溝節制閘和青駝崖節制閘間TCC控制試運行軌跡數據圖Fig.4 TCC control trail data diagram between Caida-Jiangou check-gates and Jiangou-Qingtuoya check-gates

圖4中黃色標記說明如下：①下午13點，彩達節制閘切換到TCC控制模式；②下午13點20分到35分，雙C1直開口的流量從0.1 m3/s增加到0.3 m3/s后又恢復到0.1 m3/s；③在以上雙C1直開口流量調整的時段內，堿溝節制閘的水位因為彩達節制閘的控制并沒有出現大的波動；④鑒于前一個小時的穩定運行，下午14點27分，把堿溝節制閘切換到TCC模式，用堿溝節制閘控制下游青駝崖節制閘的上游水位；⑤由于青駝崖節制閘的實際上游水位比設定值高，堿溝節制閘減小對下游渠段的供水，試圖降低青駝崖節制閘的上游水位至設定水位；⑥堿溝節制閘減少向下游的供水量，相應的閘門開度變小；⑦隨著堿溝節制閘開度變小，其閘前上游水位相應上升，超過所要控制的設定值；⑧彩達節制閘的TCC反饋控制檢測到其所要控制的堿溝節制閘的上游水位與設定值間的誤差持續變大，彩達節制閘開始減小向下游供水，以降低堿溝節制閘的上游水位；⑨彩達節制閘開度減小，減少向下游供水；⑩ 因為向下游供水量減少，彩達節制閘前的上游水位開始上升；經過一段時間的調節，下午15點50分，青駝崖節制閘的上游水位開始下降；堿溝節制閘的TCC反饋控制檢測到青駝崖節制閘的上游水位開始下降后，也開始打開閘門，恢復向下游的供水；由于堿溝節制閘開始打開，其閘前上游水位略有下降，并低于其設定值；彩達節制閘的TCC反饋控制檢測到堿溝節制閘的上游水位開始低于其要控制的設定值時，開始加大向下游的供給流量，以提升水位；一段時間的調節后，堿溝節制閘的上游水位恢復至設定值；下午18點02分，彩達節制閘由TCC模式，切換回開度模式；隨后青駝崖節制閘的上游水位也恢復到設定值；18點13分，堿溝節制閘也由TCC模式切換到開度模式，至此TCC運行調試結束。

該段TCC試運行總共分為兩段，第一段是雙C1直開口流量發生變化時，通過彩達節制閘的前饋和反饋控制調節堿溝節制閘上游水位；第二段是通過TCC的反饋控制，用堿溝節制閘控制青駝崖節制閘上游水位，再通過彩達節制閘控制堿溝節制閘上游水位。

第一段中，在下午13點20分到35分，雙C1直開口的流量從0.1 m3/s增加到0.3 m3/s后又恢復到0.1 m3/s期間，因為彩達節制閘的控制，堿溝節制閘的上游水位基本維持在設定的1.315 m(最低為1.315 m，最高為1.320 m)；而彩達節制閘為控制堿溝節制閘的上游水位，主閘門開度由1 663 mm增加至 1 697 mm，輔閘門開度由1 683 mm增加至 1 697 mm，流量由5.678 m3/s增加至5.720 m3/s后逐漸下降至5.579 m3/s，上游水位由1.505 m下降至1.488 m后逐漸增至1.490 m。

第二段中，為控制青駝崖節制閘上游水位降至設定水位，從14點27分開始，堿溝節制閘主閘門開度由1 396 mm下降至1 155 mm，輔閘門開度由1 401 mm下降至1 158 mm，流量由4.099 m3/s下降至3.198 m3/s，上游水位由1.323 m上升至1.356 m。在15點50分后，檢測到青駝崖節制閘的上游水位開始下降后，堿溝節制閘逐漸恢復向下游的供水。主閘門開度最高上升至1 355 mm，輔閘門開度最高上升至1 362 mm，流量最高增至4.516 m3/s，上游水位最低下降至1.297 m；為控制堿溝節制閘水位，在堿溝節制閘上游水位上升時，彩達節制閘主閘門開度由1 771 mm下降至1 284 mm，輔閘門開度由1 767 mm下降至1 285 mm，流量由5.474 m3/s下降至4.845 m3/s，上游水位由1.446 m上升至1.742 m。堿溝節制閘逐漸恢復向下游供水后，堿溝節制閘上游水位逐漸下降，彩達節制閘閘門開度、流量和上游水位也逐漸上升，最終將堿溝節制閘的上游水位穩定控制在設定值(1.315 m)附近。

在該段試運行過程第一段中，當雙C1直開口流量發生變化時，彩達節制閘成功控制堿溝節制閘上游水位穩定在設定水位。第二段中，堿溝節制閘成功將青駝崖節制閘上游水位降低至設定水位，同時因為彩達節制閘的控制，堿溝節制閘上游水位也被及時控制在較低波動范圍內，并最終控制在設定值附近，成功實現了TCC 3個節制閘間水位的控制和調節。

(3)彩達節制閘和堿溝節制閘間TCC控制試運行。TCC 控制器都是基于系統辨識的一階模型設計，在設計TCC模型時，要根據具體的渠道參數計算控制器參數，所以要提供準確的渠道信息。在2019年8月2日彩達節制閘和堿溝節制閘間TCC控制試運行中，雖隨著渠系流量調整，渠道水位相對平穩，沒有產生劇烈波動，但是系統對于渠道動態變化的響應速度未能達到要求。為提高系統對渠道動態變化的響應速度，根據進一步確認的渠道信息重新計算了控制器參數，在2019年8月6日進行了彩達節制閘和堿溝節制閘間第二次TCC控制試運行。控制系統運行期間的軌跡數據圖見圖5。

圖5中黃色標記說明如下：①在閘間流量變化之前，就已經將彩達節制閘切換到TCC控制模式；②在TCC模式下，堿溝節制閘的上游水位一直穩定在設定水位值附近；③下午18點05分，彩達節制閘和堿溝節制閘間的雙C1直開口流量逐步由0 m3/s增加到0.27 m3/s；④當雙C1流量增大后，由于前饋控制的作用，彩達節制閘即開始打開，向下游補水；⑤彩達節制閘加大流量向下游補水；⑥彩達節制閘因為加大流量向下游補水，而上游來水量并沒有變化，導致閘前上游水位有輕微下降；⑦下午18點18分，雙C1 直開口關閉；⑧監測到雙C1關口后，同樣因為前饋控制作用，彩達節制閘即刻減少向下游輸水量；⑨同時，彩達節制閘減小開度，以減少向下游供水；⑩因為向下游供水量減少，彩達節制閘前的上游水位略有回升；下午18點27分，彩達節制閘切換回開度模式，當日TCC運行結束。

圖5 彩達節制閘和堿溝節制閘間TCC控制試運行軌跡數據圖Fig.5 TCC control trail data diagram between Caida-Jiangou check-gates

下午18點05分，雙C1直開口流量由0 m3/s增加到0.27 m3/s，由于前饋作用，彩達節制閘主閘門開度即由1 731 mm增加至 1 763 mm，輔閘門開度由1 732 mm增加至 1 746 mm，流量由4.868 m3/s增加至5.001 m3/s，上游水位由1.395 m下降至1.387 m。下午18點18分，雙C1 直開口關閉，彩達節制閘主閘門開度即由1 763 mm下降至 1 753 mm，輔閘門開度由1 746 mm下降至1 710 mm，流量由5.001 m3/s下降至4.077 m3/s，上游水位由1.387 m上升至1.394 m后逐漸恢復到雙C1直開口流量變化前正常值。堿溝節制閘的上游水位基本維持在設定的1.248 m(最低為1.245 m，最高為1.248 m)。

在整個運行期間，堿溝節制閘的上游水位始終保持在上游彩達節制閘監控的設定值附近，沒有因為雙C1流量的調整而出現明顯波動。在第三次試運行中，控制效果明顯改善，系統對于渠系流量變化的響應速度明顯高于第一次試運行。

4 結論和存在問題

本次試運行的目的在于檢驗隨著渠系間流量的變化，上游節制閘能否在短時間內調動前饋、反饋系統成功控制下游節制閘上游水位。在TCC 的3次試運行中，隨著彩達節制閘和堿溝節制閘間渠系流量增加，彩達節制閘可以穩定控制堿溝節制閘上游水位，渠道設定水位相對平穩，沒有產生劇烈波動。雙C1直開口流量變化期間，第一次試運行中堿溝節制閘的上游水位基本維持在設定的1.35 m(最低為1.348 m，最高為1.350 m)；第二次試運行第一段中，堿溝節制閘的上游水位波動范圍在1.315～1.320 m之間(設定水位1.315 m)；第三次試運行中，堿溝節制閘的上游水位波動范圍在1.245～1.248 m之間(設定水位1.248 m)。

第二次試運行第二段中，成功實現了TCC 3個節制閘間水位的控制和調節，堿溝節制閘成功控制青駝崖節制閘上游水位下降至設定水位，上游的彩達節制閘通過反饋作用及時調節堿溝節制閘上游水位，并最終將堿溝節制閘的上游水位穩定控制在設定值(1.315 m)附近。

但在運行過程中，也存在一些問題，距離實現全渠道的TCC控制還有一定差距，具體如下：

(1)由于TCC 系統的水源來自彩達節制閘上游渠道。當彩達節制閘下游系統的取水變化時，彩達節制閘對此產生的反應，不論是開閘補水還是關閘減少水量，都無法和上游的陰洞梁節制閘及更上游的渠首組成一個整體去響應系統內的變化。所以試運行過程中，需要時刻關注陰洞梁節制閘及彩達節制閘的上游水位及流量。在確保彩達節制閘有足夠調節空間的同時，又不能對上游渠道的運行造成干擾。因此，TCC系統在運行過程中需要控制水源才能達到更好的控制效果。

(2)雖然三次TCC試運行反應出了各閘門間對渠道從穩態到動態的響應，但控制效果的進一步提高需要結合更詳細具體的渠道參數，使得控制器的設計及控制參數的計算更符合渠道的實際情況，再通過一次次的系統調試運行達到更優化的控制效果。

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