全渠道控制系统在中卫南山台子扬水灌区的应用

孙淑华，李 莉，马海峰，程 良

(宁夏回族自治区水利科学研究院，银川 750021)

1 研究背景

水利部在2007年通过“948”项目将澳大利亚潞碧垦公司生产的测控一体化闸门引入中国。测控一体化闸门同时具有水量监测和控制功能，可以稳定闸前水位，启闭灵活[1]。通过几年的试验示范，测控一体化闸门的科学理念和设备的先进性已得到国内水利同行的认可[2-6]。全渠道控制系统(Total Channel Control，TCC)是以全渠道测控一体化闸门为核心设备的典型下游控制系统，TCC 能够通过将流量测量与上下游水位、闸门的控制结合为一整体来精确控制渠道内输水效率。当下游用户用水时，TCC根据下游需水要求，适时向下游闸门相邻的上游闸门发射闸门调节信号，依次往上类推，通过渠系中每个闸门配置的高精度水位传感器和反馈、前馈控制相结合，自动调节开度补充水量，直到水位达到设定值为止。在确保所有农田灌溉供水稳定的同时，也减少了由于使用传统灌溉基础设施而产生的大量退水和水流失[7,8]。近几年，TCC在国内多个灌区得到应用[9-12]。

南山台子扬水灌区工程始建于1978年，工程布置三级扬水，其中扬水干渠总长28.2 km。由于该灌区历史悠久，工程建设标准低，更新改造投入不足，造成扬水干渠砌护率低，渠道配套设施差，已不能适应现代农业和节水型灌区建设需求。因此，灌区于2015年开始进行了节水配套改造项目，其中扬水干渠砌护13.5 km，新建和改造节制闸6座(分别为阴洞粱节制闸、彩达节制闸、碱沟节制闸、青驼崖节制闸、喜沟节制闸和丹阳节制闸)，安装9扇测控一体槽闸(其中阴洞梁节制闸、彩达节制闸和碱沟节制闸为双孔设置，青驼崖节制闸、喜沟节制闸和丹阳节制闸为单孔设置)，并配套安装TCC系统。南山台子扬水干渠安装的测控一体化槽闸型号及数量情况见表1，扬水干渠各渠段渠道参数见表2。

表1 南山台子扬水干渠测控一体化槽闸型号及数量Tab.1 Type and quantity of integrated measurement and control gates of main water-lifting channel in Nanshantaizi irrigation area

表2 南山台子扬水干渠渠道参数Tab.2 Parameters of main water-lifting channel in Nanshantaizi irrigation area

2 闸门分布和系统控制方法

2.1 测控一体化闸门参数及分布

南山台子扬水干渠安装的测控一体化槽闸见图1，本次试运行涉及的阴洞粱节制闸、彩达节制闸、碱沟节制闸和青驼崖节制闸在干渠上的具体分布见图2，其中双C1直开口位于彩达节制闸和碱沟节制闸之间，各节制闸上下游水位和流量均由节制闸自身配置的高精度传感器监测。

图2 南山台子扬水干渠试运行节制闸分布图Fig.2 Distribution of check-gates in main water-lifting channel in Nanshantaizi irrigation area during the trial run

图1 测控一体化闸门Fig.1 Integrated gate of measurement and control

2.2 全渠道控制系统控制方法

潞碧垦公司高效的TCC系统能够通过将流量与上下游水位测量、闸门的控制结合为一整体来精确控制渠道内输水效率，通过反馈和前馈控制相结合，确保所有农田灌溉供水的稳定，通过按需供水及订水计算机网络化，促进了农业生产力的提高[9]。

在中卫南山台子扬水干渠此次试运行中，上游节制闸控制临近的下游节制闸的上游水位，板闸流量计直开口运行在流量模式。当某一个直开口的流量调整时，TCC中的前馈控制在没有等到相应直开口的上游节制闸监测到紧邻的下游节制闸的上游水位因直开口的流量调整而变化时，就根据直开口所调整的流量即刻响应，调整向下游的供给流量，而不是等到上游节制闸的TCC中的反馈控制在监测到下游节制闸的上游水位因为直开口的流量波动而偏离了其上游节制闸所设定的控制值后才响应以减小水位的波动。当上游的节制闸为响应因为下游直开口的流量调整而产生的水位波动时，因其响应而造成的流量及水位波动也会被其更上游的节制闸TCC的反馈控制监测到，从而发生类似的响应，就这样逐级向上游传递，直到缓冲池，使参与试运行的闸门在短时间内自动调节到最佳工作状态。这样渠系中的任何渠段有流量调整，都不会使渠道设定的运行水位产生剧烈波动，既保证了灌溉的流量需求，又保障了渠系内稳定水位的安全运行。

3 TCC系统试运行

3.1 试运行准备

TCC试运行准备分为现场调试准备和远程调试准备两部分。现场调试准备分为现场闸门通讯调试、节制闸的检查及板闸流量计的检查，TCC远程调试准备主要包括各闸门控制器参数的设置和TCC服务器的设置。

3.2 试运行计划

将渠首至彩达节制闸作为缓冲池。TCC控制试运行分为3天进行：2019 年8月2日在彩达节制闸和碱沟节制闸间进行；2019年8月3日在彩达节制闸和碱沟节制闸、碱沟节制闸和青驼崖节制闸间进行；2019年8月6日在彩达节制闸和碱沟节制闸间再次进行。

3.3 运行结果及分析

(1)彩达节制闸和碱沟节制闸间TCC控制试运行。2019年8月2日在彩达节制闸和碱沟节制闸间进行TCC控制试运行，控制系统运行期间的轨迹数据图见图3。节制闸的控制模式有0、3、6三种，分别代表开度模式(单个闸门随上下游水位自动调节开度)、开度固定模式(即将闸门开度固定在某个值，不随上下游水位变化)和TCC控制模式(将整条渠道的测控一体闸构成一个系统，实现全渠道自动化控制)。

图3中黄色标记说明如下：①下午16点30分，彩达节制闸切换到TCC控制模式；②彩达节制闸TCC模式下监控的下游水位，也就是碱沟节制闸的上游水位被设定为1.35 m；③下午16点54分，彩达节制闸和碱沟节制闸间的双C1直开口流量由0.1 m3/s，增加到0.18 m3/s；④当双C1流量增大后，由于前馈控制的作用，彩达节制闸即开始打开，向下游补水，导致彩达节制闸的上游水位下降；⑤同时，由于反馈控制的作用，当彩达节制闸监测到它下游的碱沟节制闸的上游水位由于双C1的流量增大而降低时，彩达节制闸会持续打开，向下游补充水量，使碱沟节制闸的上游水位维持在所设定的1.35 m；⑥在这段TCC控制时间内，碱沟节制闸的上游水位并没有因为双C1的流量增大而明显降低；⑦下午17点32分，双C1 的流量调整回为原来的0.1 m3/s；⑧随后彩达节制闸的控制模式也被切换回原来的开度模式，此段TCC试运行结束。

图3 彩达节制闸和碱沟节制闸间TCC控制试运行轨迹数据图Fig.3 TCC control trail data diagram between Caida - Jiangou check-gates

自下午16点54分，双C1直开口流量由0.1 m3/s增加到0.18 m3/s，至下午17点32分，双C1 的流量调整回0.1 m3/s期间，通过彩达节制闸的前馈和反馈控制，碱沟节制闸的上游水位基本维持在设定的1.35 m(最低为1.348 m，最高为1.350 m)；为维持下游碱沟节制闸的设定水位，彩达节制闸主闸门开度由1 702 mm增加至1 752 mm，辅闸门开度由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控制试运行结果得出，随着渠系流量调整，碱沟节制闸的上游水位相对平稳，没有产生剧烈波动。

(2)彩达节制闸和碱沟节制闸、碱沟节制闸和青驼崖节制闸间TCC控制试运行。2019年8月3日 在彩达节制闸和碱沟节制闸、碱沟节制闸和青驼崖节制闸间进行TCC控制试运行，控制系统运行期间的轨迹数据图见图4。

图4 彩达节制闸和碱沟节制闸、碱沟节制闸和青驼崖节制闸间TCC控制试运行轨迹数据图Fig.4 TCC control trail data diagram between Caida-Jiangou check-gates and Jiangou-Qingtuoya check-gates

图4中黄色标记说明如下：①下午13点，彩达节制闸切换到TCC控制模式；②下午13点20分到35分，双C1直开口的流量从0.1 m3/s增加到0.3 m3/s后又恢复到0.1 m3/s；③在以上双C1直开口流量调整的时段内，碱沟节制闸的水位因为彩达节制闸的控制并没有出现大的波动；④鉴于前一个小时的稳定运行，下午14点27分，把碱沟节制闸切换到TCC模式，用碱沟节制闸控制下游青驼崖节制闸的上游水位；⑤由于青驼崖节制闸的实际上游水位比设定值高，碱沟节制闸减小对下游渠段的供水，试图降低青驼崖节制闸的上游水位至设定水位；⑥碱沟节制闸减少向下游的供水量，相应的闸门开度变小；⑦随着碱沟节制闸开度变小，其闸前上游水位相应上升，超过所要控制的设定值；⑧彩达节制闸的TCC反馈控制检测到其所要控制的碱沟节制闸的上游水位与设定值间的误差持续变大，彩达节制闸开始减小向下游供水，以降低碱沟节制闸的上游水位；⑨彩达节制闸开度减小，减少向下游供水；⑩ 因为向下游供水量减少，彩达节制闸前的上游水位开始上升；经过一段时间的调节，下午15点50分，青驼崖节制闸的上游水位开始下降；碱沟节制闸的TCC反馈控制检测到青驼崖节制闸的上游水位开始下降后，也开始打开闸门，恢复向下游的供水；由于碱沟节制闸开始打开，其闸前上游水位略有下降，并低于其设定值；彩达节制闸的TCC反馈控制检测到碱沟节制闸的上游水位开始低于其要控制的设定值时，开始加大向下游的供给流量，以提升水位；一段时间的调节后，碱沟节制闸的上游水位恢复至设定值；下午18点02分，彩达节制闸由TCC模式，切换回开度模式；随后青驼崖节制闸的上游水位也恢复到设定值；18点13分，碱沟节制闸也由TCC模式切换到开度模式，至此TCC运行调试结束。

该段TCC试运行总共分为两段，第一段是双C1直开口流量发生变化时，通过彩达节制闸的前馈和反馈控制调节碱沟节制闸上游水位；第二段是通过TCC的反馈控制，用碱沟节制闸控制青驼崖节制闸上游水位，再通过彩达节制闸控制碱沟节制闸上游水位。

第一段中，在下午13点20分到35分，双C1直开口的流量从0.1 m3/s增加到0.3 m3/s后又恢复到0.1 m3/s期间，因为彩达节制闸的控制，碱沟节制闸的上游水位基本维持在设定的1.315 m(最低为1.315 m，最高为1.320 m)；而彩达节制闸为控制碱沟节制闸的上游水位，主闸门开度由1 663 mm增加至 1 697 mm，辅闸门开度由1 683 mm增加至 1 697 mm，流量由5.678 m3/s增加至5.720 m3/s后逐渐下降至5.579 m3/s，上游水位由1.505 m下降至1.488 m后逐渐增至1.490 m。

第二段中，为控制青驼崖节制闸上游水位降至设定水位，从14点27分开始，碱沟节制闸主闸门开度由1 396 mm下降至1 155 mm，辅闸门开度由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点50分后，检测到青驼崖节制闸的上游水位开始下降后，碱沟节制闸逐渐恢复向下游的供水。主闸门开度最高上升至1 355 mm，辅闸门开度最高上升至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；为控制碱沟节制闸水位，在碱沟节制闸上游水位上升时，彩达节制闸主闸门开度由1 771 mm下降至1 284 mm，辅闸门开度由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。碱沟节制闸逐渐恢复向下游供水后，碱沟节制闸上游水位逐渐下降，彩达节制闸闸门开度、流量和上游水位也逐渐上升，最终将碱沟节制闸的上游水位稳定控制在设定值(1.315 m)附近。

在该段试运行过程第一段中，当双C1直开口流量发生变化时，彩达节制闸成功控制碱沟节制闸上游水位稳定在设定水位。第二段中，碱沟节制闸成功将青驼崖节制闸上游水位降低至设定水位，同时因为彩达节制闸的控制，碱沟节制闸上游水位也被及时控制在较低波动范围内，并最终控制在设定值附近，成功实现了TCC 3个节制闸间水位的控制和调节。

(3)彩达节制闸和碱沟节制闸间TCC控制试运行。TCC 控制器都是基于系统辨识的一阶模型设计，在设计TCC模型时，要根据具体的渠道参数计算控制器参数，所以要提供准确的渠道信息。在2019年8月2日彩达节制闸和碱沟节制闸间TCC控制试运行中，虽随着渠系流量调整，渠道水位相对平稳，没有产生剧烈波动，但是系统对于渠道动态变化的响应速度未能达到要求。为提高系统对渠道动态变化的响应速度，根据进一步确认的渠道信息重新计算了控制器参数，在2019年8月6日进行了彩达节制闸和碱沟节制闸间第二次TCC控制试运行。控制系统运行期间的轨迹数据图见图5。

图5中黄色标记说明如下：①在闸间流量变化之前，就已经将彩达节制闸切换到TCC控制模式；②在TCC模式下，碱沟节制闸的上游水位一直稳定在设定水位值附近；③下午18点05分，彩达节制闸和碱沟节制闸间的双C1直开口流量逐步由0 m3/s增加到0.27 m3/s；④当双C1流量增大后，由于前馈控制的作用，彩达节制闸即开始打开，向下游补水；⑤彩达节制闸加大流量向下游补水；⑥彩达节制闸因为加大流量向下游补水，而上游来水量并没有变化，导致闸前上游水位有轻微下降；⑦下午18点18分，双C1 直开口关闭；⑧监测到双C1关口后，同样因为前馈控制作用，彩达节制闸即刻减少向下游输水量；⑨同时，彩达节制闸减小开度，以减少向下游供水；⑩因为向下游供水量减少，彩达节制闸前的上游水位略有回升；下午18点27分，彩达节制闸切换回开度模式，当日TCC运行结束。

图5 彩达节制闸和碱沟节制闸间TCC控制试运行轨迹数据图Fig.5 TCC control trail data diagram between Caida-Jiangou check-gates

下午18点05分，双C1直开口流量由0 m3/s增加到0.27 m3/s，由于前馈作用，彩达节制闸主闸门开度即由1 731 mm增加至 1 763 mm，辅闸门开度由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点18分，双C1 直开口关闭，彩达节制闸主闸门开度即由1 763 mm下降至 1 753 mm，辅闸门开度由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后逐渐恢复到双C1直开口流量变化前正常值。碱沟节制闸的上游水位基本维持在设定的1.248 m(最低为1.245 m，最高为1.248 m)。

在整个运行期间，碱沟节制闸的上游水位始终保持在上游彩达节制闸监控的设定值附近，没有因为双C1流量的调整而出现明显波动。在第三次试运行中，控制效果明显改善，系统对于渠系流量变化的响应速度明显高于第一次试运行。

4 结论和存在问题

本次试运行的目的在于检验随着渠系间流量的变化，上游节制闸能否在短时间内调动前馈、反馈系统成功控制下游节制闸上游水位。在TCC 的3次试运行中，随着彩达节制闸和碱沟节制闸间渠系流量增加，彩达节制闸可以稳定控制碱沟节制闸上游水位，渠道设定水位相对平稳，没有产生剧烈波动。双C1直开口流量变化期间，第一次试运行中碱沟节制闸的上游水位基本维持在设定的1.35 m(最低为1.348 m，最高为1.350 m)；第二次试运行第一段中，碱沟节制闸的上游水位波动范围在1.315～1.320 m之间(设定水位1.315 m)；第三次试运行中，碱沟节制闸的上游水位波动范围在1.245～1.248 m之间(设定水位1.248 m)。

第二次试运行第二段中，成功实现了TCC 3个节制闸间水位的控制和调节，碱沟节制闸成功控制青驼崖节制闸上游水位下降至设定水位，上游的彩达节制闸通过反馈作用及时调节碱沟节制闸上游水位，并最终将碱沟节制闸的上游水位稳定控制在设定值(1.315 m)附近。

但在运行过程中，也存在一些问题，距离实现全渠道的TCC控制还有一定差距，具体如下：

(1)由于TCC 系统的水源来自彩达节制闸上游渠道。当彩达节制闸下游系统的取水变化时，彩达节制闸对此产生的反应，不论是开闸补水还是关闸减少水量，都无法和上游的阴洞梁节制闸及更上游的渠首组成一个整体去响应系统内的变化。所以试运行过程中，需要时刻关注阴洞梁节制闸及彩达节制闸的上游水位及流量。在确保彩达节制闸有足够调节空间的同时，又不能对上游渠道的运行造成干扰。因此，TCC系统在运行过程中需要控制水源才能达到更好的控制效果。

(2)虽然三次TCC试运行反应出了各闸门间对渠道从稳态到动态的响应，但控制效果的进一步提高需要结合更详细具体的渠道参数，使得控制器的设计及控制参数的计算更符合渠道的实际情况，再通过一次次的系统调试运行达到更优化的控制效果。

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