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 基于Zigbee與GPRS的市區照明調光節能監控系統  瀏覽次數:1776

1 引言

市區照明包括道路照明、高層建筑照明、廣場照明、橋梁照明等。發達國家早在20世紀80年代中期已陸續開始建立的市區路燈集中監控系統。當前,世界各國都在大力推進低碳節能事業的發展,許多國家都嚴格限制低功率因數的電氣設備進入市場。歐美的IEC555VDE0838IEEE-519和我國的GB17625.1 -1998等標準對電氣設備的輸入諧波電流提出明確的要求。

隨著我國城市建設逐步走向現代化,對市區公共照明管理的要求越來越高。20067月建設部制定了《十一五城市綠色照明工程規劃綱要》。規劃的主要目標是以2005年為基數,年城市照明節電目標5%,從200620105年間累計節電25%。采取合理的節能控制措施、正確地運用光源、改善照明環境,實現綠色照明,已成為市區照明技術的重要發展方向。近年來我國經濟相對比較發達的城市紛紛采用各種技術對市區燈光系統進行集中管理改造

我們自2006年初開始,對市區照明節能監控系統進行研究,并確定以單燈調光技術為突破口。經過了近3年的努力,研發出了一個建立在互聯網遠程監控平臺上的 “市區照明調光節能監控系統”,并在在我國許多城市推廣應用。該系統根據高壓鈉燈的特性,采用有源PFC技術,在電網電壓波動范圍從120V264V的情況下,使功率因數達到0.99以上,啟動電流降低60%,線路負載減輕50%,電流諧波總量控制低于10%,綜合能耗節約了40%以上。

2  系統的構成

 

 

1為該系統的硬件結構框圖:

 

 

各部分功能簡述如下。

監控中心:硬件建立在主控服務器和其它網絡設備上,負責巡檢、監控、管理等功能。

監控終端:負責對轄區內所有燈具設備的單燈精細化管理,并對所有燈具和線路實現動態監控、巡檢;具有聯網和脫機兩種工作模式。

網絡轉換單元:完成GPRS網絡到微功耗無線子網的轉換,同時還負責無線子網的自動調度和數據采集;具有上傳下達的功能。

單燈信息單元:負責接收、解析來自上級網絡的各種指令;同時上傳其控制的燈具設備及線路的電流、電壓、負載、壽命等信息。

調光模塊:通電后自動執行單燈信息單元下達的各種指令,實現恒功率輸出,同時將燈具設備和線路的動態信息反饋給單燈信息單元。

3 監控中心及其管理功能

3.1 通信平臺

監控中心硬件由一臺主控服務器和一套網絡設備組成,配合軟件運行,可以完成對整個所轄范圍的燈進行管理。圖2給出了該系統的通信平臺示意圖。


該系統以混合通信的方式組成有線與無線相結合的廣域通信網絡,監控中心基于靜態IP建立互聯網出入口。監控終端設備基于GPRS無線公網實現與互聯網(Internet)的數據交換,同時又是一個Zigbee無線專網的主站,它與調光設備進行數據交換,載波頻率為2.4GHz。采用上述組網技術,管理者可以在任何一個可進入互聯網的地方對系統進行有效的調度和信息查詢,可以通過登錄操作讀取所管理的市區中任何一盞路燈的狀態信息并可以對它進行調光控制。

3.2 應用屬性管理

按照應用屬性進行管理是該系統一個主要特點。在組網時除了對遠端節點按區域進行劃分之外,在同一個遠端節點中,按照街道或建筑物的方向劃分為八個區域,每個方向區域支持多達15種應用屬性管理。如:“濱河東路(網絡轉換單元節點名稱)南向西側(微網信息單元的方位)快車道(應用屬性)”。在照明管理過程中,管理者最終的管理目標是具有特定應用屬性的燈具,而不是安裝在配電箱中的開關,一個現場人員在請求監控中心遠程控制時,諸如“請打開迎澤橋北側高桿燈”的描述比“請打開水西關南街配電箱第四路開關”更加準確。

該系統可利用模糊查詢的方法,自動匹配篩選出管理者需要的管理對象,如“迎澤橋北側”包含“迎澤橋東向北側”和“迎澤橋西向北側”兩個方位。在其高級屬性設置中,采用復合方位標識,還可以識別“迎澤橋北側單號燈桿” 和“迎澤橋北側雙號燈桿”等對象。然而無論我們對方位的查詢有多精確,安裝在這些位置的燈具才是我們所關心的,比如支干道的路燈桿,只安裝了一盞燈,主干道的路燈桿,安裝了三盞燈,而繁華街道(如五一廣場)的華燈燈柱上竟多達9個燈頭。

實際上一個城市的燈光無論其復雜程度如何,都可以根據其所滿足的照明需求來進行屬性定義,比如“快車道”、“慢車道”、“人行道”、“綠化帶”、“草坪燈”、“立面泛光”、“樓頂泛光”等等。該系統提供多達255種自定義屬性。結合模糊查詢的方位識別,管理者能迅速、準確地鎖定目標。

應用屬性可以通過監控軟件進行設置,因此開關燈的管理不是取決于配電箱交流接觸器的工作狀態,而是取決調光設備的應用屬性設置,而這些燈的供電來自哪一根電纜則無關緊要。其結果是對供電線路的布線施工要求降低。

4 調度與監控功能

為了實現各種調度與監控功能,該系統利用成熟的網絡技術,形成從監控中心到路燈桿的遠程高速數據鏈。軟件平臺基于廣域互聯網構建通信服務器、遠程數據服務器和客戶調度監控終端。

4.1 調度功能

該系統可以根據指令對任意一盞或多盞燈的功率進行調光或熄滅,功率調整范圍為額定功率的30100%。可在監控終端上設置多種調光預案,并自動執行,而不依賴監控中心。采用精確控制技術達到精細管理效果,從而實現按需照明。

4.2 遙測功能

該系統可以單燈工作狀態自動檢測,代替了以往的人工巡檢工作。單燈自動檢測的電參數有電壓、電流、功率、累積電量等。根據所監測的數據,可以計算出燈泡的使用是否到期,并在燈泡的壽命到期時提醒更換。

4.3 遙信功能

準確詳細的告警信息是照明管理日常維護工作的重要依據。本系統具有以下告警功能:單燈點火失敗告警、單燈開路告警、單燈短路告警、電壓越界保護告警、熱保護告警、燈失效告警、掉電告警等。

4.4 防盜功能

電纜設施被盜多發生在晚上,特別是有半夜燈控制的線路。線路整夜供電,無線信息裝置關閉單燈同時保持通信暢通,一旦某方向出現多個調光模塊失電,即觸發告警。不依賴任何額外的裝置,即可對電纜設施實行有效防盜。

5節能措施

該系統為了最大限度的降低市區照明的能耗,采取了如下措施:

5.1 恒壓控制

電壓大幅波動條件下的恒功率控制和降功率輸出,是市區照明節能技術的一個重要方向。本系統采取了恒壓控制技術,當電網電壓在120V~264V范圍內波動時,可以輸出恒定的電壓。從而避免了電網電壓升高造成的能源浪費

5.2 功率因數校正

我國市區照明的主要光源是高壓鈉燈,其電感鎮流器與燈配套工作系統功率因數較低,一般在0.43~0.55之間,電流諧波總量在45~65%之間,供電系統的無功負荷大,線路電流較大,對電網污染嚴重。此外,高強度氣體放電自引燃到穩定工作大約需要5~10min,引燃后的啟動電流是正常工作電流的1~2倍。啟動電流大,時間短,導致燈壽命明顯縮短。

采用有源PFC技術使電源功率因數大于0.99,并且無沖擊電流、無能量反射、不污染電網,總電流明顯下降,線路負載減輕50%以上。

5.3 多時段調光輸出

目前市區照明存在的一個突出問題是受電網電壓波動的影響,照明極不合理。前半夜電壓偏低,功率不足,光效低;后半夜電壓偏高,能耗明顯加大。以250W高壓鈉燈為例,電壓為190V時輸出功率不足160W,而電壓升到240V時的輸出功率卻接近300W。本系統采用了多時段調光輸出技術,有效的解決了這一問題,并使綜合能耗降低了25%。共有8個可預置功率輸出的調光時段,最低功率輸出30%。表1給出了多時段功率輸出預置的一個實例。圖3給出了多時段調光與傳統技術對比圖。

17:00  19  21  23  01  03  05:00 時間

120

100

80

60

40 20

%   相對能耗

3多時段調光與傳統技術對比

 

 

  


實踐表明,燈泡在額定電壓以下工作時,壽命延長數倍。

由于本系統的Zigbee無線子網是系統的末端執行網絡,所以可以采用“線控”與“子網調度”相結合的方式進行自動開關燈和調光管理,如將一部分調光設備設置為“通電即自動全功率輸出”的模式,另一部分設置為“通電即待命”模式;“線控”由TDFY3400監控終端實現,可設置為跟隨季節變換自動調整交流接觸器開啟時間,“線控”開啟的全功率輸出可定義為第一時段執行的調光任務,而其它時段執行的調光任務則由監控中心定制后下載到子網的網絡轉換單元。

調光任務包含有如下參數:網絡轉換單元節點、任務執行時間、方向信息、應用屬性信息、調光命令字及功率百分比。例如:

任務1“迎澤橋”+“23:25”“+“全部方向”+“高桿燈”+“調光”+“功率75%;

任務2“迎澤橋”+“23:25”“+“全部方向單號”+“防撞欄”+“調光”+“功率0%;

任務3“迎澤橋”+“23:25”“+“全部方向雙號”+“防撞欄”+“調光”+“功率50%;

任務4“迎澤橋”+“23:25”“+“全部方向”+“草坪燈”+“調光”+“功率0%;

任務5“迎澤橋”+“23:25”“+“全部方向”+“人行道”+“調光”+“功率0%;

是本系統多時段(23:25)調光任務隊列。

5 總結

本文所介紹的“市區照明調光節能監控系統”已經在我國許多城市推廣應用。該系統采用有源PFC技術,在電網電壓波動范圍從120V264V的情況下,使功率因數達到0.97以上;采用多時段自動調光技術使綜合能耗節約了40%以上。滿足低碳和節能的要求,符合國家的有關規定,具有一定的推廣價值,和廣泛的應用前景。

 

 
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