控制节电器模型

原理和依据：

电气参数：

Mni 智能电感技术

智能化路灯简介：

结构：

设计

节能效果分析

结 语

控制节电器模型

理想节电控制器模型与电气、通讯协议规范 照明节能控制器负载假设：

⑴ 一切电感镇流器灯具，包括电感启动日光灯、霓虹灯，电感启动水银灯、钠灯、金卤灯等。

⑵ 一切阻性负载光源，包括白炽灯，碘钨等、卤素灯等。

⑶ 一切电子镇流器节能灯和电子镇流器 HID 灯。

⑷ 带功率因数补偿电容的电感镇流器灯具，带集中或分散电容补偿的照明线路。

⑸ 以上照明负载的混合负载线路。

⑹ 允许少量动力负载（降压节能不显著），办公自动化设备（内部开关电源自动稳压，外部降压不能节电），内含功率因数校正（ PFC 实现内部稳压）的电子镇流器光源。

原理和依据：

⑴ 通过对照明线路输出电压的调节，降低光源的有效电流，在电压线性下降的初期，照度并不明显降低，而节约功率却按电压的平方下降。

⑵ 恒定调节输出电压，对较高电网电压（通常在 230V 以上，电极过渡损伤，高温），可实现灯具的保护，延长灯具寿命，同时也有较大节电空间。

⑶ 对照明现场的照度调节，以满足环保和绿色照明指标，同时节能。

⑷ 根据场所的情景变化，“以人为本”， “按需调亮”，“实时调亮”。

电气参数：

· 基本电气功能

① 能适应阻性、容性、感性及一切电力负载：照明负载的复杂性和混合性。

② 对电网无污染，不增加电流谐波：对电网的环保要求。

③ 实现实时动态电压调节：调压调光，以人为本。

④ 电压调节步进值小于 2 伏： HID 灯电压突变 3 伏以上，容易导致灯灭。

⑤ 电压调节时，不能出现电流切断现象： HID 灯断流，引起灯电弧熄灭。

⑥ 电压调节范围为 140V 至输入电压：正常点亮的 HID 电感镇流器灯，降压在 140V 以下时容易熄灭。

⑦ 通电时，要有预热功能：保障 HID 灯的充分点燃。

⑧ 有用户可编程按时段调节电压功能：根据照明环境需要，个性化保护节能方案。

· 保护功能

① 欠压、过压设备保护功能。

② 过流设备保护功能。

③ 过热设备保护功能。

④ 温度传感器，电脑外部设备自检保护功能。

⑤ 主变压设备检测与故障保护功能。 ⑥ 主变压辅助设备检测与故障保护功能。

⑦ 防水、防破坏检测，异常状态检测，安全检测报警。

· 通讯接口及 RTU 功能

① 硬件上有 RS232 口， USB 口或 SPI 口等资源，以便连接 GPRS/GMS/ 电台等，实现 RTU 。

② 软件上有通讯接口。

③ 电脑主板能采集输入输出电压，输出电流，功率因数，设备温度，等基本设备状态参数，以及设备安全，照明情况等相关参数，并上传上位机。

④ 电脑主板能接受上位机的数据传输以及执行各种实时命令。

⑤ 制定行业标准的通讯协议并公开。

· 无条件保障照明功能 照明可靠性，事关重大，宁可不节能，也要首先保障照明。

① 有机械旁路功能。

② 检测到设备出现可恢复性故障时，保障本次照明，不节能，下次照明，故障恢复正常进入节能。

③ 检测到设备出现不可恢复性故障，如器件损坏等，强制机械旁路。

④ 当电源、电脑控制板出现故障，设备旁路保障照明不节能。

Mni 智能电感技术

⑴ 采用电力电子技术，将工频自藕变压器高频化，实现超大功率的高效率小体积化。

⑵ 利用电力电子器件，实现电压调节的无触点化。

⑶ 采用 10 位数字电位器，实现电压电压调节步进值 0.25 伏。

⑷ 电磁兼容，输出纯正弦波，电压平滑连续调节。

⑸ 在调压过程中，能量四象限流通，因此适应阻性、容性、感性等一切负载。

⑹ 采用 ARM 7TDMI 32 位工业嵌入控制，移植其它芯片也容易。

⑺ 具有全方位的智能电感保护功能。

⑻ 可制作功率不限，目前加工条件可制作 3X 6000A 。

⑼ 采用 C/C++ 开发，移植方便。

⑽ 具有 RTU 软硬件接口。

⑾ 具有无条件保障照明功能。

采用 Mni 智能电感技术，由于电压的高度平滑调节，大大降低 “ 半老化 HID 灯 ” 的熄火电压，灯内电弧更稳定，降压调亮节能空间更大，节电率更高，更能极大保护灯具和延长灯具的使用寿命，实现 “ 按需调亮 ” ， “ 实时调亮 ” ， “ 钠灯、金卤灯宽范围调亮 ” ， “ 一切灯光负载调亮 ” 。

智能化路灯简介：

智能化路灯具有发光效率高、耗电量少、使用寿命长、安全可靠，光源出光率强,有利于环保等特性。应用于城市主干道 (Main road) 城市次干道 (Street) 工业园区道路、城乡道路等领域。

结构：

1 系统硬件电路的设计

1．1 智能路灯控制系统

该智能路灯节能系统主要由电量检测电路、实时时钟、自耦变压器电路、显示电路及载波通信等电路组成。将一年大致分为三个季节段来对路灯进行控制，使其在不同的季节有不同的开关灯时间。而从开灯到关灯根据当地交通又可大致分为三个阶段(高峰、正常、低谷)来对路灯进行控制。从实时时钟芯片中将当前的路灯工作状况进行相应的归类，由单片机输出控制接触器的线圈的断合，而其触点的输出分别控制自耦变压器的三个触头，对应着四个档位，每个档位对应着相应的路灯电压。由于电力传输中有谐波干扰造成电力不稳，要时刻检测路灯的电量，以电量芯片ATT7028检测出电流或者电压过高或者过低，将得到的信息传给AT89C51单片机，单片机同时与铁电存储器的信息相比较，如果发现电流或者电压过高或者过低，单片机马上做出调整，适当地降低或者升高电压，以实现对路灯过载、过压等各种功能进行控制，用电力载波通信技术将现场情况传送至监控室。原理框图如图1所示。

1．2 电量检测电路的设计

电量采集模块主要完成路灯电流和电压的数据采集。将采集到的信号转换为ADC电路可采集处理的模拟信号，通过电量芯片转换为数字信号送到单片机中，检测电压和电流是否超载，依据此来控制电路负载的电压。设计中采用三相电能专用计量芯片ATT7028A，适用于三相三线和三相四线应用，能够测量各相以及合相的有功功率、有功能量，同时还能测量各相电流、电压有效值、功率因数、相角、频率等参数，充分满足三相复功率多功能电能表的需求。同时将电量信号存入到铁电存储器AT24C24里，该存储器数据不易丢失，以便有功电能历史记录的查询。ATT7028A提供一个SPI接口，方便与外部单片机之间进行计量参数以及校表参数的传递。设计中应用ATT7028A测量电流和电压有效值，采用软件校表，通过SPI接口与外部单片机之间进行计量参数的传递，以此来检测路灯电压电流的有效值。另外对检测到的过载、过压等故障进行报警。

1．3 路灯控制电路

路灯控制电路由译码电路、开关电路与变压器控制电路组成。为了使路灯分时控制取得优良的节能效果，除了要根据时间段来开启不同档位电压外，还需要实际考虑到电网电压在不同时段的电压波动情况。故将单片机检测到的电量信号与处理的实时时钟芯片DS1302信号作为74LS155二-四译码器译码地址输入端，译码器的四个端输出经三极管放大后分别驱动四个接触器的线圈，而其四个触点分别对应自藕变压器的三个触头，亦即路灯四种档：全压(220 V)、高峰期档(额定电压的93%)、正常期档(额定电压的88%)、低峰期档(额定电压的83%)。从而达到既兼顾路灯亮度又达到节能的效果。KM4接在母线上还能关闭路灯，原理如图2所示。

1．4 电力载波通信

为了实现控制室能够方便及时了解现场路灯运行情况，采用电力线载波通信技术将现场路灯检测运行的状况传送至控制室。以LM1893集成芯片实现电力载波通信，LM1893是美国国家半导体公司生产的FSK制式的调制解调芯片。能够实现可靠的串行数据的半双工电力线通信，具有发送和接收数据两种工作模式，能够与51单片机相兼容。LM1893调制解调数据输入端DATAIN与AT89C51单片机的串行输出口TXD相连，输出端DATAOUT与AT89C51的串行输入口RXD相连。LM1893的TX/RX发送接收控制端由单片机的P1．O端控制，高电平为发送状态，低电平为接收状态。路灯控制器接收到外部数据信息后，先要对所收数据的报文头和地址进行判断。当报文头正确，地址为本机地址时，它才执行相应的灯控命令，执行完后进入发送状态。

设计

软件主要完成：根据比较所得的结果控制硬件切换档位以达到路灯定时工作的要求；检测实时电网电压以控制是否要改变档位以达到电网实时监控的目的；最后则是配合主控室完成多机通信。整个智能路灯节能控制系统被分为了分时分段模块(主要通过时钟芯片DS1302和铁电存储芯片AT24C02配合完成)、电压监控调档模块(由电工参数测量芯片ATT7028加以软件判断来实现)、远程通信模块(由LM1893完成)以及实时显示模块组成。

将一年大致分为三个季节段来对路灯进行控制，每个季节段有着不同的开关灯时间。从开灯到关灯根据当地交通又可大致分为三个阶段来对路灯进行控制，分别为交通高峰期、交通正常期和交通低谷期。这三个阶段加上避免电网电压过低的全压运行档，就构成了全压、高峰、正常、低谷四个工作时间段，根据本地区的实际情况进行划分。系统通过对日历时钟芯片DS1302

读出来的当前与铁电存储器芯片AT24C02中存储的开、关灯时间进行比较，在各档开启的时刻就切换至相应档位，在关闭的时段关闭，其余时段进行监控。在交通高峰时段，保证路灯有足够的照明度。于是正常情况下，路灯应投入第1档运行。此时，当电网电压过低(低于208 V)，则路灯应全压运行；如果电网电压过高(高于236 V)，路灯可以跳过第1档，直接投入第2档运行。在交通正常阶段，要兼顾照度和节电效果，正常情况下，路灯应该投入第2档运行。在电网电压低手205 V时，返回第1档运行；在电网电压高于242 V时，则投入第3档运行。在交通低谷阶段，重点考虑节电效果。正常情况下投入第3档运行，只有当电网电压过低(低于195 V)时，路灯才会返回第2档运行。但是由于电网的波动或干扰，可能会出现电压偶尔的不正常，若一旦检测到电压超限就切换档位，很容易造成误操作，从而导致频繁的切换。设计中采用了以下方法来避免档位的频繁切换：当路灯运行于1～2档时刻之间，需使电压维持在208～236 V之间，这里采用COUNT，COUNT_H，COUNT_L三个计数器来监测电压。COUNT从0开始，每分钟加1，加到5，即5 min后清零。COUNT_H从0开始，每min比较当前电压与电压上限值的大小，若超过上限则将COUNT_H加1，在每次COUNT清零之前，若COUNT H值等于5，则认为连续5 min电压超出上限运行，相应地将路灯运行档位切换至低一档运行；若COUNT_H值小于5，则认为是电网的波动，不进行切换。电压下限监测同理。每5 min将三个计数器同时清零。

从SPI总线上获取ATT7028检测的电工参数的计量结果，再对检测值进行校表，即可对校表寄存器赋值来进行软件校表。

显示模块主要是在控制室内显示当前时间及检测到的路灯的运行情况。

主程序与各个子模块之间采用定时中断联系，每隔1 min中断一次，在每次中断时均要完成四大任务，即读出实时时间发送至主控室，决定是否换档，根据电网波动实际情况控制决定是否改变档位，以及将原边电网电压根据实际情况发送至监控室。软件流程图如图3所示。

节能效果分析

以1 kw路灯为例，设当路灯电压为205 V时，单位时间耗电量为0．87 kWh；当路灯电压为193 V时，耗电为O.77 kWh；在满足行人车辆运行需要的情况下，适当降低路灯的端电压，可节能20%左右。在深夜行人稀少时，可将路灯的端电压降至170～180 V，路灯1 h内耗电O.55 kWh左右，除去其他损耗，可节约电能近40 %。

结 语

该智能路灯节能装置采用分时换挡方法，在保证照明的情况下兼顾到了用电低谷期节能效果。实验表明该智能路灯节能控制系统可明显地提高路灯的用电效率，延长路灯使用寿命。在节约能源、电力资源合理利用的今天，该装置有着十分广阔的社会和商业前景。