智能路燈模型假設(shè)及原理依據(jù)

　　一.智能路燈的模型假設(shè)如下六點(diǎn)：

　　1.一切電感鎮(zhèn)流器燈具，包括電感啟動(dòng)日光燈、霓虹燈，電感啟動(dòng)水銀燈、鈉燈、金鹵燈等。

　　2.一切阻性負(fù)載光源，包括白熾燈，碘鎢等、鹵素?zé)舻取?/p>

　　3.一切電子鎮(zhèn)流器節(jié)能燈和電子鎮(zhèn)流器HID燈。

　　4.帶功率因數(shù)補(bǔ)償電容的電感鎮(zhèn)流器燈具，帶集中或分散電容補(bǔ)償?shù)恼彰骶€路。

　　5..以上照明負(fù)載的混合負(fù)載線路。

　　6.允許少量動(dòng)力負(fù)載（降壓節(jié)能不顯著），辦公自動(dòng)化設(shè)備（內(nèi)部開關(guān)電源自動(dòng)穩(wěn)壓，外部降壓不能節(jié)電），內(nèi)含功率因數(shù)校正（PFC實(shí)現(xiàn)內(nèi)部穩(wěn)壓）的電子鎮(zhèn)流器光源。

　　二.智能路燈的原理依據(jù)如下三點(diǎn)：

　　1.恒定調(diào)節(jié)輸出電壓，對(duì)較高電網(wǎng)電壓（通常在230V以上，電極過渡損傷，高溫），可實(shí)現(xiàn)燈具的保護(hù)，延長燈具壽命，同時(shí)也有較大節(jié)電空間。

　　2.對(duì)照明現(xiàn)場的照度調(diào)節(jié)，以滿足環(huán)保和綠色照明指標(biāo)，同時(shí)節(jié)能。

　　3.根據(jù)場所的情景變化，“以人為本”，“按需調(diào)亮”，“實(shí)時(shí)調(diào)亮”。

　　三.智能路燈的電氣參數(shù)如下：

　　1.智能路燈的能適應(yīng)阻性、容性、感性及一切電力負(fù)載：照明負(fù)載的復(fù)雜性和混合性。

　　2.對(duì)電網(wǎng)無污染，不增加電流諧波：對(duì)電網(wǎng)的環(huán)保要求。

　　3.實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)：調(diào)壓調(diào)光，以人為本。

　　4.電壓調(diào)節(jié)步進(jìn)值小于2伏：HID燈電壓突變3伏以上，容易導(dǎo)致燈滅。

　　5.電壓調(diào)節(jié)時(shí)，不能出現(xiàn)電流切斷現(xiàn)象：HID燈斷流，引起燈電弧熄滅。

　　3.電壓調(diào)節(jié)范圍為140V至輸入電壓：正常點(diǎn)亮的HID電感鎮(zhèn)流器燈，降壓在140V以下時(shí)容易熄滅。

　　7.通電時(shí)，要有預(yù)熱功能：保障HID燈的充分點(diǎn)燃。

　　8.有用戶可編程按時(shí)段調(diào)節(jié)電壓功能：根據(jù)照明環(huán)境需要，個(gè)性化保護(hù)節(jié)能方案。

　　9.欠壓、過壓設(shè)備保護(hù)功能。

　　10.過流設(shè)備保護(hù)功能。

　　11.過熱設(shè)備保護(hù)功能。

　　12.溫度傳感器，電腦外部設(shè)備自檢保護(hù)功能。

　　13.主變壓設(shè)備檢測與故障保護(hù)功能。⑥主變壓輔助設(shè)備檢測與故障保護(hù)功能。

　　14.防水、防破壞檢測，異常狀態(tài)檢測，安全檢測報(bào)警。

　　·15.硬件上有RS232口，USB口或SPI口等資源，以便連接GPRS/GMS/電臺(tái)等，實(shí)現(xiàn)RTU。

　　16..軟件上有通訊接口。

　　17.電腦主板能采集輸入輸出電壓，輸出電流，功率因數(shù)，設(shè)備溫度，等基本設(shè)備狀態(tài)參數(shù)，以及設(shè)備安全，照明情況等相關(guān)參數(shù)，并上傳上位機(jī)。

　　18.電腦主板能接受上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸以及執(zhí)行各種實(shí)時(shí)命令。

　　19.制定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的通訊協(xié)議并公開。

　　·無條件保障照明功能照明可靠性，事關(guān)重大，寧可不節(jié)能，也要首先保障照明。

　　20.有機(jī)械旁路功能。

　　21.檢測到設(shè)備出現(xiàn)可恢復(fù)性故障時(shí)，保障本次照明，不節(jié)能，下次照明，故障恢復(fù)正常進(jìn)入節(jié)能。

　　22.檢測到設(shè)備出現(xiàn)不可恢復(fù)性故障，如器件損壞等，強(qiáng)制機(jī)械旁路。

　　23.當(dāng)電源、電腦控制板出現(xiàn)故障，設(shè)備旁路保障照明不節(jié)能。

　　四.智能路燈的智能電感技術(shù)如下幾點(diǎn)：

　　1.采用電力電子技術(shù)，將工頻自藕變壓器高頻化，實(shí)現(xiàn)超大功率的高效率小體積化。

　　2.利用電力電子器件，實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)的無觸點(diǎn)化。

　　3.采用10位數(shù)字電位器，實(shí)現(xiàn)電壓電壓調(diào)節(jié)步進(jìn)值0.25伏。

　　4.電磁兼容，輸出純正弦波，電壓平滑連續(xù)調(diào)節(jié)。

　　5.在調(diào)壓過程中，能量四象限流通，因此適應(yīng)阻性、容性、感性等一切負(fù)載。

　　6.采用ARM7TDMI32位工業(yè)嵌入控制，移植其它芯片也容易。

　　7.具有全方位的智能電感保護(hù)功能。

　　8.可制作功率不限，目前加工條件可制作3X6000A。

　　9.采用C/C++開發(fā)，移植方便。

　　10.具有RTU軟硬件接口。

　　11.具有無條件保障照明功能。

　　五.智能路燈的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)（系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)）如下：

　　1.智能路燈控制系統(tǒng)

　　該智能路燈節(jié)能系統(tǒng)主要由電量檢測電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、自耦變壓器電路、顯示電路及載波通信等電路組成。將一年大致分為三個(gè)季節(jié)段來對(duì)路燈進(jìn)行控制，使其在不同的季節(jié)有不同的開關(guān)燈時(shí)間。而從開燈到關(guān)燈根據(jù)當(dāng)?shù)亟煌ㄓ挚纱笾路譃槿齻€(gè)階段(高峰、正常、低谷)來對(duì)路燈進(jìn)行控制。從實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片中將當(dāng)前的路燈工作狀況進(jìn)行相應(yīng)的歸類，由單片機(jī)輸出控制接觸器的線圈的斷合，而其觸點(diǎn)的輸出分別控制自耦變壓器的三個(gè)觸頭，對(duì)應(yīng)著四個(gè)檔位，每個(gè)檔位對(duì)應(yīng)著相應(yīng)的路燈電壓。由于電力傳輸中有諧波干擾造成電力不穩(wěn)，要時(shí)刻檢測路燈的電量，以電量芯片ATT7028檢測出電流或者電壓過高或者過低，將得到的信息傳給AT89C51單片機(jī)，單片機(jī)同時(shí)與鐵電存儲(chǔ)器的信息相比較，如果發(fā)現(xiàn)電流或者電壓過高或者過低，單片機(jī)馬上做出調(diào)整，適當(dāng)?shù)亟档突蛘呱唠妷?，以?shí)現(xiàn)對(duì)路燈過載、過壓等各種功能進(jìn)行控制，用電力載波通信技術(shù)將現(xiàn)場情況傳送至監(jiān)控室。原理框圖如圖1所示。

　　2.智能路燈電量檢測電路的設(shè)計(jì)

　　電量采集模塊主要完成路燈電流和電壓的數(shù)據(jù)采集。將采集到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為ADC電路可采集處理的模擬信號(hào)，通過電量芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送到單片機(jī)中，檢測電壓和電流是否超載，依據(jù)此來控制電路負(fù)載的電壓。設(shè)計(jì)中采用三相電能專用計(jì)量芯片ATT7028A，適用于三相三線和三相四線應(yīng)用，能夠測量各相以及合相的有功功率、有功能量，同時(shí)還能測量各相電流、電壓有效值、功率因數(shù)、相角、頻率等參數(shù)，充分滿足三相復(fù)功率多功能電能表的需求。同時(shí)將電量信號(hào)存入到鐵電存儲(chǔ)器AT24C24里，該存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)不易丟失，以便有功電能歷史記錄的查詢。ATT7028A提供一個(gè)SPI接口，方便與外部單片機(jī)之間進(jìn)行計(jì)量參數(shù)以及校表參數(shù)的傳遞。設(shè)計(jì)中應(yīng)用ATT7028A測量電流和電壓有效值，采用軟件校表，通過SPI接口與外部單片機(jī)之間進(jìn)行計(jì)量參數(shù)的傳遞，以此來檢測路燈電壓電流的有效值。另外對(duì)檢測到的過載、過壓等故障進(jìn)行報(bào)警。

　　3.智能路燈控制電路

　　路燈控制電路由譯碼電路、開關(guān)電路與變壓器控制電路組成。為了使路燈分時(shí)控制取得優(yōu)良的節(jié)能效果，除了要根據(jù)時(shí)間段來開啟不同檔位電壓外，還需要實(shí)際考慮到電網(wǎng)電壓在不同時(shí)段的電壓波動(dòng)情況。故將單片機(jī)檢測到的電量信號(hào)與處理的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302信號(hào)作為74LS155二-四譯碼器譯碼地址輸入端，譯碼器的四個(gè)端輸出經(jīng)三極管放大后分別驅(qū)動(dòng)四個(gè)接觸器的線圈，而其四個(gè)觸點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)自藕變壓器的三個(gè)觸頭，亦即路燈四種檔：全壓(220V)、高峰期檔(額定電壓的93%)、正常期檔(額定電壓的88%)、低峰期檔(額定電壓的83%)。從而達(dá)到既兼顧路燈亮度又達(dá)到節(jié)能的效果。KM4接在母線上還能關(guān)閉路燈，原理如圖2所示。

　　4.智能路燈電力載波通信

　　為了實(shí)現(xiàn)控制室能夠方便及時(shí)了解現(xiàn)場路燈運(yùn)行情況，采用電力線載波通信技術(shù)將現(xiàn)場路燈檢測運(yùn)行的狀況傳送至控制室。以LM1893集成芯片實(shí)現(xiàn)電力載波通信，LM1893是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的FSK制式的調(diào)制解調(diào)芯片。能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的串行數(shù)據(jù)的半雙工電力線通信，具有發(fā)送和接收數(shù)據(jù)兩種工作模式，能夠與51單片機(jī)相兼容。LM1893調(diào)制解調(diào)數(shù)據(jù)輸入端DATAIN與AT89C51單片機(jī)的串行輸出口TXD相連，輸出端DATAOUT與AT89C51的串行輸入口RXD相連。LM1893的TX/RX發(fā)送接收控制端由單片機(jī)的P1．O端控制，高電平為發(fā)送狀態(tài)，低電平為接收狀態(tài)。路燈控制器接收到外部數(shù)據(jù)信息后，先要對(duì)所收數(shù)據(jù)的報(bào)文頭和地址進(jìn)行判斷。當(dāng)報(bào)文頭正確，地址為本機(jī)地址時(shí)，它才執(zhí)行相應(yīng)的燈控命令，執(zhí)行完后進(jìn)入發(fā)送狀態(tài)。

　　六.智能路燈的產(chǎn)品設(shè)計(jì)：

　　軟件主要完成：根據(jù)比較所得的結(jié)果控制硬件切換檔位以達(dá)到路燈定時(shí)工作的要求；檢測實(shí)時(shí)電網(wǎng)電壓以控制是否要改變檔位以達(dá)到電網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的；最后則是配合主控室完成多機(jī)通信。整個(gè)智能路燈節(jié)能控制系統(tǒng)被分為了分時(shí)分段模塊(主要通過時(shí)鐘芯片DS1302和鐵電存儲(chǔ)芯片AT24C02配合完成)、電壓監(jiān)控調(diào)檔模塊(由電工參數(shù)測量芯片ATT7028加以軟件判斷來實(shí)現(xiàn))、遠(yuǎn)程通信模塊(由LM1893完成)以及實(shí)時(shí)顯示模塊組成。

　　將一年大致分為三個(gè)季節(jié)段來對(duì)路燈進(jìn)行控制，每個(gè)季節(jié)段有著不同的開關(guān)燈時(shí)間。從開燈到關(guān)燈根據(jù)當(dāng)?shù)亟煌ㄓ挚纱笾路譃槿齻€(gè)階段來對(duì)路燈進(jìn)行控制，分別為交通高峰期、交通正常期和交通低谷期。這三個(gè)階段加上避免電網(wǎng)電壓過低的全壓運(yùn)行檔，就構(gòu)成了全壓、高峰、正常、低谷四個(gè)工作時(shí)間段，根據(jù)本地區(qū)的實(shí)際情況進(jìn)行劃分。系統(tǒng)通過對(duì)日歷時(shí)鐘芯片DS1302

　　讀出來的當(dāng)前與鐵電存儲(chǔ)器芯片AT24C02中存儲(chǔ)的開、關(guān)燈時(shí)間進(jìn)行比較，在各檔開啟的時(shí)刻就切換至相應(yīng)檔位，在關(guān)閉的時(shí)段關(guān)閉，其余時(shí)段進(jìn)行監(jiān)控。在交通高峰時(shí)段，保證路燈有足夠的照明度。于是正常情況下，路燈應(yīng)投入第1檔運(yùn)行。此時(shí)，當(dāng)電網(wǎng)電壓過低(低于208V)，則路燈應(yīng)全壓運(yùn)行；如果電網(wǎng)電壓過高(高于236V)，路燈可以跳過第1檔，直接投入第2檔運(yùn)行。在交通正常階段，要兼顧照度和節(jié)電效果，正常情況下，路燈應(yīng)該投入第2檔運(yùn)行。在電網(wǎng)電壓低手205V時(shí)，返回第1檔運(yùn)行；在電網(wǎng)電壓高于242V時(shí)，則投入第3檔運(yùn)行。在交通低谷階段，重點(diǎn)考慮節(jié)電效果。正常情況下投入第3檔運(yùn)行，只有當(dāng)電網(wǎng)電壓過低(低于195V)時(shí)，路燈才會(huì)返回第2檔運(yùn)行。但是由于電網(wǎng)的波動(dòng)或干擾，可能會(huì)出現(xiàn)電壓偶爾的不正常，若一旦檢測到電壓超限就切換檔位，很容易造成誤操作，從而導(dǎo)致頻繁的切換。設(shè)計(jì)中采用了以下方法來避免檔位的頻繁切換：當(dāng)路燈運(yùn)行于1～2檔時(shí)刻之間，需使電壓維持在208～236V之間，這里采用COUNT，COUNT_H，COUNT_L三個(gè)計(jì)數(shù)器來監(jiān)測電壓。COUNT從0開始，每分鐘加1，加到5，即5min后清零。COUNT_H從0開始，每min比較當(dāng)前電壓與電壓上限值的大小，若超過上限則將COUNT_H加1，在每次COUNT清零之前，若COUNTH值等于5，則認(rèn)為連續(xù)5min電壓超出上限運(yùn)行，相應(yīng)地將路燈運(yùn)行檔位切換至低一檔運(yùn)行；若COUNT_H值小于5，則認(rèn)為是電網(wǎng)的波動(dòng)，不進(jìn)行切換。電壓下限監(jiān)測同理。每5min將三個(gè)計(jì)數(shù)器同時(shí)清零。

　　從SPI總線上獲取ATT7028檢測的電工參數(shù)的計(jì)量結(jié)果，再對(duì)檢測值進(jìn)行校表，即可對(duì)校表寄存器賦值來進(jìn)行軟件校表。

　　顯示模塊主要是在控制室內(nèi)顯示當(dāng)前時(shí)間及檢測到的路燈的運(yùn)行情況。

　　主程序與各個(gè)子模塊之間采用定時(shí)中斷聯(lián)系，每隔1min中斷一次，在每次中斷時(shí)均要完成四大任務(wù)，即讀出實(shí)時(shí)時(shí)間發(fā)送至主控室，決定是否換檔，根據(jù)電網(wǎng)波動(dòng)實(shí)際情況控制決定是否改變檔位，以及將原邊電網(wǎng)電壓根據(jù)實(shí)際情況發(fā)送至監(jiān)控室。軟件流程圖如圖3所示。

　　七.智能路燈的效果分析：以1kw路燈為例，設(shè)當(dāng)路燈電壓為205V時(shí)，單位時(shí)間耗電量為0.87kWh；當(dāng)路燈電壓為193V時(shí)，耗電為O.77kWh；在滿足行人車輛運(yùn)行需要的情況下，適當(dāng)降低路燈的端電壓，可節(jié)能20%左右。在深夜行人稀少時(shí)，可將路燈的端電壓降至170～180V，路燈1h內(nèi)耗電O.55kWh左右，除去其他損耗，可節(jié)約電能近40%。