引黄灌区支斗渠水量计量与测控技术研究与应用

张景辉，于树利，许卓宁

（1.甘肃省景泰川电力提灌水资源利用中心，甘肃白银，730400；2.唐山现代工控技术有限公司河北省灌区量水测控系统及仪表技术创新中心，河北唐山，063020）

1 支斗渠水量计量与测控设计

支斗渠闸门流量测控系统的整体框架结构总体设计按照“硬件协同、软件集成、闭环控制”的理念。采用支渠闸门开度和下游斗渠水位的数据模型、水利学软件算法及闸门测控的自适应反馈控制系统。该系统主要由支斗渠水量计量与闸门测控系统和监控中心部分组成。

1.1 支斗渠水量计量

在原有斗渠标准堰槽的基础上，配套一体化超声波水位计及安装测桥，用于测量斗渠标准堰槽水位测量来代替传统人工观测记录，这样既符合了该灌区用水习惯，也方便了监管。

超声波测距原理是在超声波发射装置发出超声波，它的根据是接收器接到超声波时的时间差。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。该设备同时配有温度补偿使其具备了高精度测量水位的目的，安装方式见图2。

图1 支斗渠水量计量与测控设计图

图2 一体化超声波水位计安装3D图

1.2 闸门测控系统

支斗渠闸门流量测控系统的整体框架结构，对支渠闸门开度和下游斗渠水位的数据模型、水利学软件算法及闸门测控的自适应反馈控制系统等关键技术设计；在原有斗渠标准堰槽的基础上，配套一体化超声波水位计，用于测量斗渠流量（即斗渠上游支渠闸门过闸流量）。并将此水情信息作为上游支渠闸门测控的反馈信号，在原有支渠土建水利设施的基础上，将支渠手动闸门改造成太阳能供电的电动闸门，研发手改电闸门测控一体化装置，并接收斗渠上传水情信息，形成“支斗渠水量计量与闸门测控系统”，实现支斗渠的上下游量水测流设备联动控制，实现支斗渠水资源按恒流量、恒闸位、恒水位的联合调度。

1.2.1 系统构成

核心主机：测控一体启闭机、闸位传感器、上下限保护、卡闸保护、手摇/电动离合机构；太阳能供电系统：架杆、太阳能电池板、地埋蓄电池仓、充放电控制及保护电路；野外防护罩：将主机整体防护，整体防盗门用专用钥匙打开。设计图见图3所示。

图3 支斗渠闸门流量测控系统设计图

1.2.2 支斗渠闸门流量测控系统调节模式

闸位调节模式：闸门开度远程预设，实现闸门量水；水位调节模式：应用于闸后为计量堰槽的场合，根据堰槽水位做恒水位调节；流量调节模式：应用于闸门计量为明渠流量计的场合，根据明渠流量计监测的流量做恒流量调节。

1.2.3 支斗渠闸门流量测控系统闸位调控机制

系统调节，控制软件设置预期给定，依据当前流量、设计流量、当前闸位，推算出预期闸位，闸门调节至预期值，等待动作时间间隔到达，比对当前流量和预期流量差值，依据上个调节阶段的数据，推算下次闸位需要上升或下降的数值，如果此数值小于闸位动作死区则闸门停止调节，等待下次动作时间间隔达到，再进行判断，如果此数值大于闸位动作死区，按推算出的数值进行调解。闸位调控逻辑原理图见图4所示。

图4 闸位调控逻辑原理图

1.3 支斗渠闸门流量测控系统闸位调控APP

1.3.1 设备校准

点“校准参数”项，并在界面中点“读取参数”，可以查看并修改设备参数。在该界面可以校准“闸前水位”，“闸后水位”和“闸位”。点击设置的参数项，弹出对应的参数设置界面，点设置按钮系统弹出提示参数设置成功。校准完后可以回到“查询信息”界面。查看当前信息，确认校准信息。

1.3.2 闸门调节

点击“调节参数”项，在界面中点“读取参数”读取当前设备的调节参数。通过设定闸位和改变闸门调节类型，可以对闸门进行调节。

闸位调节方式，点击界面中“设定闸位”弹出闸位设置界面，修改设定闸位后点击设置按钮，系统弹出参数设置成功的提示，闸位即设定完成。点“闸门调节类型”后进入闸门调节类型设定界面，在选项中选择“闸位调节”，点“设置”按钮后设备此时就按照设定的闸位进行调节。闸门调节完毕后，将“闸门调节类型”设置为“不调节”。

下游水位调节方式，先点击界面中“下游水位调节”弹出下游水位调节值设置界面。修改下游水位值后点击设置按钮弹出参数设置成功的提示，下游水位即设定完成。点“闸门调节类型”后进入闸门调节类型设定界面，在选项中选择“下游水位调节”，点“设置”按钮后设备此时就按照设定的下游水位值渐进式调节。调节完毕后，将“闸门调节类型”设置为“不调节”。

2 应用管理软件

应用管理软件平台基于.netFram e Work,c#程序设计语言和SQL数据库，采用以B/S模型为主，部分通过C/S模型程序辅助的开发方案，并综合运用分布式数据库、分布式计算、数据挖掘(Data Mining)、地理信息系统、多媒体、基于Ajax的B/S模式实时信息处理、COMET等技术。

2.1 控制参数

控制参数界面，可实现实时数据、状态报警的查询，闸门运行过程显示，闸门控制按钮、闸门开度显示、目标水位、目标流量、目标闸位的参数输入，见图5所示。

图5 控制参数界面

2.2 数据处理

实现闸门控制系统上报数据的计算、存储、查询、统计、报表、打印工作。所有数据全部存储到服务器数据库中。按设定的时间间隔记录水位、闸位、流量、报警、状态数据，记录闸门超限、通讯故障、闸门故障等报警信息。根据记录的数据生成历史曲线或直方图，生成日、月、年报表。见图6报表统计、直方图。

图6 报表统计、直方图

2.3 系统管理

系统具备增加和删除用户、角色，修改用户权限的功能。系统可以按用户组来分配操作权限，划分为操作员组、管理员组。操作员组的成员一般只能为进行简单的日常操作、数据查询等;管理员组负责运行参数等功能的设置，并对重要的数据进行统计分析，分配或收回指定操作人员对指定闸门的操作权限，限制操作人员对操作记录的修改，修改密码及退出系统。

3 结论

构建引黄灌区支斗渠流量计量与闸门测控系统架构，研制支斗渠闸门流量调控技术及装置，开发引黄灌区支斗渠流量与闸门测控系统软件平台。支斗渠闸门流量测控系统，利用太阳能浮充蓄电池供电，解决灌区大面积无交流电，只能用手动控制闸门的情况；并具备手动操作远程操作功能，集成了恒定闸位、恒水位、恒流量控制模式。实现引黄灌区支斗渠水量计量智能化、闸门控制自动化、调度决策科学化和运行管理协同化的总体目标。