基于无功补偿技术的新型智能农业灌溉系统设计

杨青书　单中健　李贵璞

摘 要：针对我国农业灌溉自动化水平偏低、取水困难、机井分布散乱、野外操作危险性高等一系列问题，研制一款新型智能灌溉系统，可以对区域内分散的机井进行统一监控与管理，农户可以根据需要办理充值IC卡，只需在灌溉控制箱的感应区刷卡即可实现智能灌溉，系统会自动扣除费用，后台系统可实时监控每个机井的使用情况，实现了农业灌溉收费智能化，提高了水资源利用率。

关键词：无功补偿；控制箱；IC卡；充值器

中图分类号：S274 文献标志码：A 文章编号：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

我國是农业大国，耕地面积近20亿亩，农田灌溉成为农业生产的重要环节，同时我国又是缺水国家，水资源分布不均。因此充分利用有限的水资源满足全国农业灌溉成为一个十分严峻的课题。而传统的农业灌溉存在很多弊端，如无序取水、收费混乱、浪费严重、安全隐患等问题。据统计，我国农业水资源利用系数仅为发达国家的50%，另外，国家能源局提出“井井通电”的战略目标，因此，我们必须调整思路，研制一款新型农业灌溉系统，使农业灌溉实现智能化、节约化以及安全可靠化。

1 系统框架

本着操作简便、使用安全、管理便利等原则，按照现场设备层、村委管理层以及上级监管层三个层级进行设计。整个系统可工作流程如下图1所示：

整个系统涉及到的关键技术包括：基于射频IC卡的读写计费功能开发；无功补偿与低电压治理融合技术；基于区域分散机井信息管控技术研究；基于android系统的机井灌溉app开发；农田灌溉管控系统与配电自动化系统融合技术。

2 灌溉控制箱

机井智能灌溉控制箱是整个农业灌溉系统的核心设备，它是集灌溉控制器、配电设备、电机启动器（按需配置）、三相智能电表和水表（部分地区会收取水费）等设备于一体的控制计量箱。可以采集灌溉用电量、用水量或灌溉时间并自动收取灌溉费用。同时预留位置，按照需求选择接入移动式电能质量治理设备，解决农业灌溉电能质量差的问题。

该新型灌溉控制箱具备以下技术特点：（1）多种计费方式可选，电量/水费量/水电量同时/时间四种方式。（2）控制器内置加密芯片，所有传输数据均经过加密处理，充分保证信息安全。（3）设备预留串口/网口等调试接口，同时支持3G/4G远程维护及升级。（4）具备防盗防窃电功能。当控制箱被非法打开后，控制器会立即向监控中心发送报警信息，并在30秒内通过控制开关自动切断电源，同时发出蜂鸣声警报。若要恢复用电，必须由管理人员持有电子密钥才可恢复。（5）可根据需求选择接入不同容量电能质量综合治理设备，保证灌溉用电质量。（6）可扩展其它监测功能，如风速、风向、水位等。（7）具有防雷保护功能，确保控制箱在雷雨天气安全可靠运行。

下面以计电费型控制箱为例介绍整个控制箱内部设计框架，如图2。

控制箱固定在机井旁，三相电从底部进入箱内，对于电能质量较差的地区，可根据选择安装移动式电能质量治理模块，有效虑除谐波、提高功率因素。

移动式电能质量综合治理装置是集谐波虑除、无功补偿和低电压质量等功能于一体的电能质量综合治理设备，预留接口，方便插拔，操作简便。

控制器接收到用户IC刷卡后，读取卡内信息，判断卡内余额充足，向电气控制单元发送命令，智能断路器合闸，控制箱出线口电源接通，外接潜水泵开始工作，此时控制器读取电能表读数。

当用户再次刷卡时，控制器再次读取电能表读数，计算出所用电量自动从卡内扣除费用，然后向电气控制单元发送命令，智能断路器断开，潜水泵停止工作。

电机启动器可按需配置，主要分三种：（1）交流接触器，经常用于小功率水泵的直接启动；（2）软启动器，具备降压启动功能，可以延长水泵的使用寿命；（3）变频器，属于高档启动器，可以实现恒压供水。

3 移动式电能质量治理模块

目前很多农村在运配变通常年限较长、设备状况较差，能效水平较低，加之其中部分台区受单相负荷用电随机性的影响，三相负荷不平衡较为突出，并且电能利用率偏低、造成较大的电能浪费。因此考虑在该灌溉系统中引入无功补偿技术，加装电能质量治理模块，可以有效降低配变台区损耗，消除三相不平衡对设备造成的损坏，同时提高功率因数，节约电能量和水资源。

该电能质量治理模块采用高性能CPU，实时检测系统电压、电流等电量信息，分析计算系统有功、无功以及谐波等，根据系统的运行情况，强迫注入对应的电流，实现配电网中电流的实时与动态无静差调节，其结构示意图如下所示：

该模块具备以下功能：（1）传统的无功补偿功能。用复合开关实现电容器的过零投切，减小动作冲击电流，具备分补与相间补偿功能；采用电容投切优化算法，循环使用装置内电容器，提高系统使用寿命。（2）有功与无功不平衡治理功能。有源装置并联接入系统中，采用多电平拓扑结构，实现有功与无功的负序和零序不平衡治理、无功补偿、谐波消除（2-13次谐波）等功能。（3）无冲击并网与无缝切换功能。在调节过程中，采用电网网侧电流控制策略，采用基于PWM控制技术的三相变流器，实现装置的无冲击并网。（4）长寿命设计。具备有源与无源无缝切换技术，循环使用装置内电容器与SPC，提高系统使用寿命。

4 无线蓝牙IC卡及发卡器

在每个自然村村委会设置一台发卡器，农户可在当地根据需要办理实名卡或临时卡。农户用IC卡在机井控制箱刷卡感应区刷一下，系统自动开始工作，再次刷卡则会切断电源停止供水，系统会根据用电量或用水量进行计算，自动扣除相应费用。

该系统开发了一款基于android系統的app，其通过蓝牙可连接到发卡器，对发卡器进行相应操作，同时可根据控制箱ID编号登录控制箱，实时查看控制箱信息，农户可以根据app实时查看用水用电情况。该设计充分满足现代高层次农户需求，也是实现农业生产智能化的一个体现。同时该APP增加对控制器的管理功能，通过APP实现控制器的升级维护。

5 结束语

该系统不仅使管理部门实现了先收费、后灌溉的管理目标；也使农户达到借助IC卡自主浇地的目的，可有效解决农业机井灌溉管理中长期存在的电费/水费计量不准、拖延灌溉费用和浪费水资源的难题。该系统的推广使用，有助于提高农业生产水平，增强农民节水意识和农业用电安全意识，减少水资源浪费，实现水资源的可持续开发与利用。

参考文献：

[1]刘春来，杨万龙，王剑波.机井灌溉计量收费管理与控制系统研制[J].节水灌溉，2009（6）：55-57.

[2]朗志钦，于建营.GPRS在灌溉区取水计量远程监控系统中的研究与应用[J].水利信息化，2010，16：57-59.

[3]黄刚，刘佳林，李晓东，等.基于GSM的微型远程灌溉系统研制[J].中国农村水利水电，2013（10）.

[4]高玉芹.基于ZigBee和模糊控制决策的自动灌溉系统的设计[J].节水灌溉，2010（08）.

[5]赵丽，张春林.基于单片机的智能浇花系统设计与实现[J].长春大学学报，2012（06）.

[6]陈辉.基于ZigBee与GPRS的温室番茄远程智能灌溉系统的研究与实现[D].浙江大学，2013.

[7]宋增芳.精准远程灌溉物联网墒情监测控制系统研制[D].甘肃农业大学，2013.

[8]崔增团.节水灌溉施肥技术在我国的应用研究[J].中国农村水利水电，2007（04）.