智能化路燈

理想節電控制器模型與電氣、通訊協議規範 照明節能控制器負載假設：

⑴ 一切電感鎮流器燈具，包括電感啟動日光燈、霓虹燈，電感啟動水銀燈、鈉燈、金鹵燈等。

⑵ 一切阻性負載光源，包括白熾燈，碘鎢等、鹵素燈等。

⑶ 一切電子鎮流器節能燈和電子鎮流器 HID 燈。

⑷ 帶功率因數補償電容的電感鎮流器燈具，帶集中或分散電容補償的照明線路。

⑸ 以上照明負載的混合負載線路。

⑹ 允許少量動力負載（降壓節能不顯著），辦公自動化設備（內部開關電源自動穩壓，外部降壓不能節電），內含功率因數校正（ PFC 實現內部穩壓）的電子鎮流器光源。

1. 恆定調節輸出電壓，對較高電網電壓（通常在 230V 以上，電極過渡損傷，高溫），可實現燈具的保護，延長燈具壽命，同時也有較大節電空間。

2. 對照明現場的照度調節，以滿足環保和綠色照明指標，同時節能。

3.根據場所的情景變化，“以人為本”， “按需調亮”，“實時調亮”。

· 基本電氣功能

① 能適應阻性、容性、感性及一切電力負載：照明負載的複雜性和混合性。

② 對電網無污染，不增加電流諧波：對電網的環保要求。

③ 實現實時動態電壓調節：調壓調光，以人為本。

④ 電壓調節步進值小於 2 伏： HID 燈電壓突變 3 伏以上，容易導致燈滅。

⑤ 電壓調節時，不能出現電流切斷現象： HID 燈斷流，引起燈電弧熄滅。

⑥ 電壓調節範圍為 140V 至輸入電壓：正常點亮的 HID 電感鎮流器燈，降壓在 140V 以下時容易熄滅。

⑦ 通電時，要有預熱功能：保障 HID 燈的充分點燃。

⑧ 有用戶可編程按時段調節電壓功能：根據照明環境需要，個性化保護節能方案。

· 保護功能

① 欠壓、過壓設備保護功能。

② 過流設備保護功能。

③ 過熱設備保護功能。

④ 溫度感測器，電腦外部設備自檢保護功能。

⑤ 主變壓設備檢測與故障保護功能。 ⑥ 主變壓輔助設備檢測與故障保護功能。

⑦ 防水、防破壞檢測，異常狀態檢測，安全檢測報警。

· 通訊介面及 RTU 功能

① 硬體上有 RS232 口， USB 口或 SPI 口等資源，以便連接 GPRS/GMS/ 電台等，實現 RTU 。

② 軟體上有通訊介面。

③ 電腦主板能採集輸入輸出電壓，輸出電流，功率因數，設備溫度，等基本設備狀態參數，以及設備安全，照明情況等相關參數，並上傳上位機。

④ 電腦主板能接受上位機的數據傳輸以及執行各種實時命令。

⑤ 制定行業標準的通訊協議並公開。

· 無條件保障照明功能 照明可靠性，事關重大，寧可不節能，也要首先保障照明。

① 有機械旁路功能。

② 檢測到設備出現可恢復性故障時，保障本次照明，不節能，下次照明，故障恢復正常進入節能。

③ 檢測到設備出現不可恢復性故障，如器件損壞等，強制機械旁路。

④ 當電源、電腦控制板出現故障，設備旁路保障照明不節能。

Mni 智能電感技術：

⑴ 採用電力電子技術，將工頻自藕變壓器高頻化，實現超大功率的高效率小體積化。

⑵ 利用電力電子器件，實現電壓調節的無觸點化。

⑶ 採用 10 位數字電位器，實現電壓電壓調節步進值 0.25 伏。

⑷ 電磁兼容，輸出純正弦波，電壓平滑連續調節。

⑸ 在調壓過程中，能量四象限流通，因此適應阻性、容性、感性等一切負載。

⑹ 採用 ARM 7TDMI 32 位工業嵌入控制，移植其它晶元也容易。

⑺ 具有全方位的智能電感保護功能。

⑻ 可製作功率不限，目前加工條件可製作 3X 6000A 。

⑼ 採用 C/C++ 開發，移植方便。

⑽ 具有 RTU 軟硬體介面。

⑾ 具有無條件保障照明功能。

採用 Mni 智能電感技術，由於電壓的高度平滑調節，大大降低“半老化 HID 燈”的熄火電壓，燈內電弧更穩定，降壓調亮節能空間更大，節電率更高，更能極大保護燈具和延長燈具的使用壽命，實現“按需調亮” ， “實時調亮” ， “鈉燈、金鹵燈寬範圍調亮” ， “一切燈光負載調亮” 。

1 系統硬體電路的設計

1．1 智能路燈控制系統

該智能路燈節能系統主要由電量檢測電路、實時時鐘、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季節段來對路燈進行控制，使其在不同的季節有不同的開關燈時間。而從開燈到關燈根據當地交通又可大致分為三個階段(高峰、正常、低谷)來對路燈進行控制。從實時時鐘晶元中將當前的路燈工作狀況進行相應的歸類，由單片機輸出控制接觸器的線圈的斷合，而其觸點的輸出分別控制自耦變壓器的三個觸頭，對應著四個檔位，每個檔位對應著相應的路燈電壓。由於電力傳輸中有諧波干擾造成電力不穩，要時刻檢測路燈的電量，以電量晶元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，單片機同時與鐵電存儲器的信息相比較，如果發現電流或者電壓過高或者過低，單片機馬上做出調整，適當地降低或者升高電壓，以實現對路燈過載、過壓等各種功能進行控制，用電力載波通信技術將現場情況傳送至監控室。原理框圖如圖1所示。

1．2 電量檢測電路的設計

電量採集模塊主要完成路燈電流和電壓的數據採集。將採集到的信號轉換為ADC電路可採集處理的模擬信號，通過電量晶元轉換為數字信號送到單片機中，檢測電壓和電流是否超載，依據此來控制電路負載的電壓。設計中採用三相電能專用計量晶元ATT7028A，適用於三相三線和三相四線應用，能夠測量各相以及合相的有功功率、有功能量，同時還能測量各相電流、電壓有效值、功率因數、相角、頻率等參數，充分滿足三相復功率多功能電能表的需求。同時將電量信號存入到鐵電存儲器AT24C24里，該存儲器數據不易丟失，以便有功電能歷史記錄的查詢。ATT7028A提供一個SPI介面，方便與外部單片機之間進行計量參數以及校表參數的傳遞。設計中應用ATT7028A測量電流和電壓有效值，採用軟體校表，通過SPI介面與外部單片機之間進行計量參數的傳遞，以此來檢測路燈電壓電流的有效值。另外對檢測到的過載、過壓等故障進行報警。

1．3 路燈控制電路

路燈控制電路由解碼電路、開關電路與變壓器控制電路組成。為了使路燈分時控制取得優良的節能效果，除了要根據時間段來開啟不同檔位電壓外，還需要實際考慮到電網電壓在不同時段的電壓波動情況。故將單片機檢測到的電量信號與處理的實時時鐘晶元DS1302信號作為74LS155二-四解碼器解碼地址輸入端，解碼器的四個端輸出經三極體放大後分別驅動四個接觸器的線圈，而其四個觸點分別對應自藕變壓器的三個觸頭，亦即路燈四種檔：全壓(220 V)、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%)。從而達到既兼顧路燈亮度又達到節能的效果。KM4接在母線上還能關閉路燈，原理如圖2所示。

1．4 電力載波通信

為了實現控制室能夠方便及時了解現場路燈運行情況，採用電力線載波通信技術將現場路燈檢測運行的狀況傳送至控制室。以LM1893集成晶元實現電力載波通信，LM1893是美國國家半導體公司生產的FSK制式的調製解調晶元。能夠實現可靠的串列數據的半雙工電力線通信，具有發送和接收數據兩種工作模式，能夠與51單片機相兼容。LM1893調製解調數據輸入端DATAIN與AT89C51單片機的串列輸出口TXD相連，輸出端DATAOUT與AT89C51的串列輸入口RXD相連。LM1893的TX/RX發送接收控制端由單片機的P1．O端控制，高電平為發送狀態，低電平為接收狀態。路燈控制器接收到外部數據信息后，先要對所收數據的報文頭和地址進行判斷。當報文頭正確，地址為本機地址時，它才執行相應的燈控命令，執行完後進入發送狀態。

軟體主要完成：根據比較所得的結果控制硬體切換檔位以達到路燈定時工作的要求；檢測實時電網電壓以控制是否要改變檔位以達到電網實時監控的目的；最後則是配合主控室完成多機通信。整個智能路燈節能控制系統被分為了分時分段模塊(主要通過時鐘晶元DS1302和鐵電存儲晶元AT24C02配合完成)、電壓監控調檔模塊(由電工參數測量晶元ATT7028加以軟體判斷來實現)、遠程通信模塊(由LM1893完成)以及實時顯示模塊組成。

將一年大致分為三個季節段來對路燈進行控制，每個季節段有著不同的開關燈時間。從開燈到關燈根據當地交通又可大致分為三個階段來對路燈進行控制，分別為交通高峰期、交通正常期和交通低谷期。這三個階段加上避免電網電壓過低的全壓運行檔，就構成了全壓、高峰、正常、低谷四個工作時間段，根據本地區的實際情況進行劃分。系統通過對日曆時鐘晶元DS1302

讀出來的當前與鐵電存儲器晶元AT24C02中存儲的開、關燈時間進行比較，在各檔開啟的時刻就切換至相應檔位，在關閉的時段關閉，其餘時段進行監控。在交通高峰時段，保證路燈有足夠的照明度。於是正常情況下，路燈應投入第1檔運行。此時，當電網電壓過低(低於208 V)，則路燈應全壓運行；如果電網電壓過高(高於236 V)，路燈可以跳過第1檔，直接投入第2檔運行。在交通正常階段，要兼顧照度和節電效果，正常情況下，路燈應該投入第2檔運行。在電網電壓低手205 V時，返回第1檔運行；在電網電壓高於242 V時，則投入第3檔運行。在交通低谷階段，重點考慮節電效果。正常情況下投入第3檔運行，只有當電網電壓過低(低於195 V)時，路燈才會返回第2檔運行。但是由於電網的波動或干擾，可能會出現電壓偶爾的不正常，若一旦檢測到電壓超限就切換檔位，很容易造成誤操作，從而導致頻繁的切換。設計中採用了以下方法來避免檔位的頻繁切換：當路燈運行於1～2檔時刻之間，需使電壓維持在208～236 V之間，這裡採用COUNT，COUNT_H，COUNT_L三個計數器來監測電壓。COUNT從0開始，每分鐘加1，加到5，即5 min后清零。COUNT_H從0開始，每min比較當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COUNT H值等於5，則認為連續5 min電壓超出上限運行，相應地將路燈運行檔位切換至低一檔運行；若COUNT_H值小於5，則認為是電網的波動，不進行切換。電壓下限監測同理。每5 min將三個計數器同時清零。

從SPI匯流排上獲取ATT7028檢測的電工參數的計量結果，再對檢測值進行校表，即可對校表寄存器賦值來進行軟體校表。

顯示模塊主要是在控制室內顯示當前時間及檢測到的路燈的運行情況。

主程序與各個子模塊之間採用定時中斷聯繫，每隔1 min中斷一次，在每次中斷時均要完成四大任務，即讀出實時時間發送至主控室，決定是否換檔，根據電網波動實際情況控制決定是否改變檔位，以及將原邊電網電壓根據實際情況發送至監控室。軟體流程圖如圖3所示。

以1kw路燈為例，設當路燈電壓為205V時，單位時間耗電量為0.87kWh；當路燈電壓為193V時，耗電為O.77 kWh；在滿足行人車輛運行需要的情況下，適當降低路燈的端電壓，可節能20%左右。在深夜行人稀少時，可將路燈的端電壓降至170～180 V，路燈1 h內耗電O.55 kWh左右，除去其他損耗，可節約電能近40 %。

該智能路燈節能裝置採用分時換擋方法，在保證照明的情況下兼顧到了用電低谷期節能效果。實驗表明該智能路燈節能控制系統可明顯地提高路燈的用電效率，延長路燈使用壽命。在節約能源、電力資源合理利用的前提下，該裝置有著十分廣闊的社會和商業前景。