关键词：明渠水体；提质工程；电气及自控设计
引言
用现代控制理论解决渠道运行自动控制问题,将整个渠道作为一个系统,建立起整个渠道水面变化与所有节制闸门开度变化之间的关系,常规3种运行方式只不过是运行的初始条件,控制目标是使整个水面线,取水口可灵活设置,撇开了子系统间的耦合问题。同时可从理论上系统地说明渠道系统可控性、可观测性、稳定性等问题。
1渠道输水控制的稳定性特点
渠道输水控制的稳定性特点主要是以下两个方面：首先是hi水位变化速度不能太大。由于渠道输水过程中,渠堤的渗透压与渠道内的水压是平衡的,如果渠道内水位突然降低,破坏了这种平衡,渠堤有可能发生滑坡或衬砌板被破坏,因此渠道输水控制中,必须控制水位下降速度,控制水位下降速度是明渠输水控制中最主要的原则之一。美国垦务局设计要求渠道水位下降速度不宜超过0.15m/h,24h不超过0.30m。国内引黄济青工程要求非冰期不超过0.30m/h,冰期输水不超过0.15m/h,24小时不超过0.30m/h。其次是冰期输水需要更严格控制水位降落或升高的速度。水位降落速度过快,容易造成冰盖塌落,形成冰坝或冰塞;水位上涨的速度过快,容易破坏冰盖,或使水漫溢上冰盖,不断冻结形成新的冰层,最终造成冰坝、冰塞等事故。
2明渠水体提质工程电气及自控设计电气设计
明渠水体提质工程电气及自控设计电气设计主要涉及到以下五个方面：（1）电气设计范围及内容。根据工艺专业提供的用电设备，按照国家有关电气专业设计规范及标准进行本工程电气设计。以10KV进线电缆终端为界，具体设计内容包括：10KV箱变，管理房、纳米曝气机、潜水推流器、水质在线监测设备、视频监控的配电，防雷接地，电缆敷设设计。（2）电源及电压。本明渠水体提质工程供电按三级负荷要求进行设计，为单回10KV供电。本工程电源由城市10KV电源引入，电压等级为10/0.4/0.22KV。（3）设备配套控制柜。各类用电设备配套设置控制柜，防护等级不低于IP55，采用双层门设计，并配有门锁防止误操作。控制柜主要采用手动、自动、远程相结合操作的方式，并预留自动操作和状态采集的接点，作为远程PLC控制用。（4）计量与功率因数。用电计量方式由供电局确定，设计采用高供高量的计量方式。明渠内其他用电按规范设置电工测量仪表及用电计量仪表。为了提高用电设备运行功率因数，设计在低压侧采用集中补偿方式进行补偿，无功补偿装置。采取自动投切的方式，满足补偿后10kV高压侧功率因数不低于0.95。（5）线路敷设。电缆敷设主要采用穿管敷设，电缆保护管埋地敷设时，管顶距地面深度不小于0.7m。对于无法埋地敷设的河段，采用防水电缆；水下电缆不得悬空于水中，应敷设于水底。暴露在空气中的部分应加装碳素波纹管套管并采用卡扣固定；水下电缆不宜在中间设置接头。电缆敷设通过河道、水渠等障碍时，采用顶部悬挂、侧壁悬挂敷设方式。悬吊架设的电缆与桥梁构架之间的净距不小于0.5m。在桥梁上增加的电缆和附件等设施，不得减小桥底或整条河道的最小净空。
3渠道运行状态反馈控制器设计
渠道运行状态反馈控制器设计主要是针对于对于渠道运行控制系统,如果系统是完全可控的,则可以选用适当的常数反馈矩阵K,使系统(A-BK)的特征值(极点)全部位于左半S平面,使系统达到稳定。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆当各渠池的水面线、节制闸门的开度不在目标位置时,控制调节作用就是要对渠道系统施加一个恰当的开度系列,使各点的水位和流量迅速趋向控制目标位置。根据各节点的目前水位、流量与目标状态水位、流量的偏差来决定各节制闸门开度的变化。任何一个渠池的水流状态发生变化,整个渠道系统都会发生响应。
3.1渠道运行控制限制条件
渠道运行控制限制条件主要是：渠道水流运行控制是将渠道水流从某种初始状态控制转移到目标状态,其间为过渡过程。控制器设计的关键是如何选择K矩阵,使渠道在控制运行的过渡过程中:(1)系统能在有限的时间内趋于稳定;(2)最大的水面波动不致于漫溢堤顶;(3)节制闸门的行程控制在允许的范围内,不发生过大的超调;(4)渠道水面的降落速度不致于使渠道边坡衬砌发生破坏。
3.2渠道运行控制性能指标
渠道运行控制性能指标主要是两个方面:首先是水面波动小,保证水流动态平稳过渡,减小由于水面波动而增加的渠堤安全超高,从而节省渠堤的土建工程量。其次是闸门开度变化的频率和行程小,减小能耗。
3.3状态观测器
状态观测器是一个在物理上可以实现的动态系统,在输入和输出驱动下,产生一组逼近于真实系统的状态变量。观测器的作用就是根据观测到的各渠池上、下游端水位估计出整个渠道系统各节点的水位和流量,即估计状态向量。控制器根据估计的状态向量通过反馈作用而产生一系列的闸门调节作用。引入状态观测器后,渠道运行控制系统由两部分构成,即全维状态反馈系统,主要是确定全维状态反馈增益矩阵;观测器系统,主要是确定观测器增益矩阵。
3.4步长的设定
步长可以用固定步长,也可以是变步长。为了使控制过程既可以达到快的响应速度,又可以使水流变化稳定,可以采用变步长法,即在控制开始初期取较大的步长,在后期采用较小的步长。另外,在步长相同的情况下,动态目标水位的起始值不同,控制结果也不同,为了加快响应,动态起始目标水位可选择距离当前水位较远的位置,相反,为了得到更稳定的结果,可选择较近的位置。因此,在步进法中,系统的响应速度是可以控制的。一般情况下,的值越小,超调量越小,水位调节过程越稳定,但达到最终控制目标所需的时间较长;相反,的值越大,稳定性会相对减小,但会加快响应速度。
4排水体运行中存在的问题
（1）横排堵塞，部分横排的施工过程控制不够严格，管道埋设出现断裂、没有按顺坡布置，管材选择不理想、管口布置不易人工测量。（2）横排尾部排水不畅个别横排出水后，尾部是倒坡，水无法排除，影响横排出水量。（3）几年来维修横排10处，采取人工与机械配合的办法处理堵塞问题。解决措施主要是（1）造成渠底破坏的原因很多，但是纵、横排水体对减小渠道水胀破坏有一定的作用。（2）安装后的纵横排水设施，要避免或解决堵塞问题，及时疏通，保证正常工作。（3）根据渠道的具体空间位置，尽量布设排水体，可减少后期运行中的维修量，提高渠道使用效率。（4）横排施工期间要注意管道选材，严把质量关，做好管接头连接处理问题，做好排水口施工问题，便于测量流量。
结语
总之，明渠水体提质工程电气及自控设计一般包括：工程范围内用电设备供配电设计、防雷及接地设计、集中控制系统PLC系统配置、水质在线监测、视频监控配置等。
参考文献
[1]袁钲.浅析雨水及污水提升泵站电气设计[J].水利与电力,2016(03).
[2]李政芮.电气接地和电气安全问题探析[J].山东工业技术,2016(01):172+181。
论文作者:陈松林
论文发表刊物:《城镇建设》2019年2卷17期
论文发表时间:2019/11/29
标签：渠道论文; 水位论文; 水体论文; 步长论文; 明渠论文; 横排论文; 观测器论文; 《城镇建设》2019年2卷17期论文;