引黃灌區支斗渠水量計量與測控技術研究與應用

張景輝，于樹利，許卓寧

（1.甘肅省景泰川電力提灌水資源利用中心，甘肅白銀，730400；2.唐山現代工控技術有限公司河北省灌區量水測控系統及儀表技術創新中心，河北唐山，063020）

1 支斗渠水量計量與測控設計

支斗渠閘門流量測控系統的整體框架結構總體設計按照“硬件協同、軟件集成、閉環控制”的理念。采用支渠閘門開度和下游斗渠水位的數據模型、水利學軟件算法及閘門測控的自適應反饋控制系統。該系統主要由支斗渠水量計量與閘門測控系統和監控中心部分組成。

1.1 支斗渠水量計量

在原有斗渠標準堰槽的基礎上，配套一體化超聲波水位計及安裝測橋，用于測量斗渠標準堰槽水位測量來代替傳統人工觀測記錄，這樣既符合了該灌區用水習慣，也方便了監管。

超聲波測距原理是在超聲波發射裝置發出超聲波，它的根據是接收器接到超聲波時的時間差。超聲波發射器向某一方向發射超聲波，在發射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。該設備同時配有溫度補償使其具備了高精度測量水位的目的，安裝方式見圖2。

圖1 支斗渠水量計量與測控設計圖

圖2 一體化超聲波水位計安裝3D圖

1.2 閘門測控系統

支斗渠閘門流量測控系統的整體框架結構，對支渠閘門開度和下游斗渠水位的數據模型、水利學軟件算法及閘門測控的自適應反饋控制系統等關鍵技術設計；在原有斗渠標準堰槽的基礎上，配套一體化超聲波水位計，用于測量斗渠流量（即斗渠上游支渠閘門過閘流量）。并將此水情信息作為上游支渠閘門測控的反饋信號，在原有支渠土建水利設施的基礎上，將支渠手動閘門改造成太陽能供電的電動閘門，研發手改電閘門測控一體化裝置，并接收斗渠上傳水情信息，形成“支斗渠水量計量與閘門測控系統”，實現支斗渠的上下游量水測流設備聯動控制，實現支斗渠水資源按恒流量、恒閘位、恒水位的聯合調度。

1.2.1 系統構成

核心主機：測控一體啟閉機、閘位傳感器、上下限保護、卡閘保護、手搖/電動離合機構；太陽能供電系統：架桿、太陽能電池板、地埋蓄電池倉、充放電控制及保護電路；野外防護罩：將主機整體防護，整體防盜門用專用鑰匙打開。設計圖見圖3所示。

圖3 支斗渠閘門流量測控系統設計圖

1.2.2 支斗渠閘門流量測控系統調節模式

閘位調節模式：閘門開度遠程預設，實現閘門量水；水位調節模式：應用于閘后為計量堰槽的場合，根據堰槽水位做恒水位調節；流量調節模式：應用于閘門計量為明渠流量計的場合，根據明渠流量計監測的流量做恒流量調節。

1.2.3 支斗渠閘門流量測控系統閘位調控機制

系統調節，控制軟件設置預期給定，依據當前流量、設計流量、當前閘位，推算出預期閘位，閘門調節至預期值，等待動作時間間隔到達，比對當前流量和預期流量差值，依據上個調節階段的數據，推算下次閘位需要上升或下降的數值，如果此數值小于閘位動作死區則閘門停止調節，等待下次動作時間間隔達到，再進行判斷，如果此數值大于閘位動作死區，按推算出的數值進行調解。閘位調控邏輯原理圖見圖4所示。

圖4 閘位調控邏輯原理圖

1.3 支斗渠閘門流量測控系統閘位調控APP

1.3.1 設備校準

點“校準參數”項，并在界面中點“讀取參數”，可以查看并修改設備參數。在該界面可以校準“閘前水位”，“閘后水位”和“閘位”。點擊設置的參數項，彈出對應的參數設置界面，點設置按鈕系統彈出提示參數設置成功。校準完后可以回到“查詢信息”界面。查看當前信息，確認校準信息。

1.3.2 閘門調節

點擊“調節參數”項，在界面中點“讀取參數”讀取當前設備的調節參數。通過設定閘位和改變閘門調節類型，可以對閘門進行調節。

閘位調節方式，點擊界面中“設定閘位”彈出閘位設置界面，修改設定閘位后點擊設置按鈕，系統彈出參數設置成功的提示，閘位即設定完成。點“閘門調節類型”后進入閘門調節類型設定界面，在選項中選擇“閘位調節”，點“設置”按鈕后設備此時就按照設定的閘位進行調節。閘門調節完畢后，將“閘門調節類型”設置為“不調節”。

下游水位調節方式，先點擊界面中“下游水位調節”彈出下游水位調節值設置界面。修改下游水位值后點擊設置按鈕彈出參數設置成功的提示，下游水位即設定完成。點“閘門調節類型”后進入閘門調節類型設定界面，在選項中選擇“下游水位調節”，點“設置”按鈕后設備此時就按照設定的下游水位值漸進式調節。調節完畢后，將“閘門調節類型”設置為“不調節”。

2 應用管理軟件

應用管理軟件平臺基于.netFram e Work,c#程序設計語言和SQL數據庫，采用以B/S模型為主，部分通過C/S模型程序輔助的開發方案，并綜合運用分布式數據庫、分布式計算、數據挖掘(Data Mining)、地理信息系統、多媒體、基于Ajax的B/S模式實時信息處理、COMET等技術。

2.1 控制參數

控制參數界面，可實現實時數據、狀態報警的查詢，閘門運行過程顯示，閘門控制按鈕、閘門開度顯示、目標水位、目標流量、目標閘位的參數輸入，見圖5所示。

圖5 控制參數界面

2.2 數據處理

實現閘門控制系統上報數據的計算、存儲、查詢、統計、報表、打印工作。所有數據全部存儲到服務器數據庫中。按設定的時間間隔記錄水位、閘位、流量、報警、狀態數據，記錄閘門超限、通訊故障、閘門故障等報警信息。根據記錄的數據生成歷史曲線或直方圖，生成日、月、年報表。見圖6報表統計、直方圖。

圖6 報表統計、直方圖

2.3 系統管理

系統具備增加和刪除用戶、角色，修改用戶權限的功能。系統可以按用戶組來分配操作權限，劃分為操作員組、管理員組。操作員組的成員一般只能為進行簡單的日常操作、數據查詢等;管理員組負責運行參數等功能的設置，并對重要的數據進行統計分析，分配或收回指定操作人員對指定閘門的操作權限，限制操作人員對操作記錄的修改，修改密碼及退出系統。

3 結論

構建引黃灌區支斗渠流量計量與閘門測控系統架構，研制支斗渠閘門流量調控技術及裝置，開發引黃灌區支斗渠流量與閘門測控系統軟件平臺。支斗渠閘門流量測控系統，利用太陽能浮充蓄電池供電，解決灌區大面積無交流電，只能用手動控制閘門的情況；并具備手動操作遠程操作功能，集成了恒定閘位、恒水位、恒流量控制模式。實現引黃灌區支斗渠水量計量智能化、閘門控制自動化、調度決策科學化和運行管理協同化的總體目標。