CN105263240B - 一种基于软切换多档调压的单灯节能控制系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于软切换多档调压的单灯节能控制系统及控制方法，包括微处理器，所述微处理器与自耦降压模块通信，微处理器还通过电力载波通信模块与智能集中器通信，微处理器采集路灯的运行数据并传输至智能集中器，由智能集中器上传至主站服务器，微处理器通过自耦降压模块对自耦变压器的运行状态进行检测，微处理器接收智能集中器的控制指令对自耦变压器进行软切换实现开关灯控制和多档平稳调压控制，本发明采用软切换技术，可有效提高切换可靠性，保证电压的不间断输出，避免了电压瞬间跌落引起高压钠灯的熄灯现象。
Description
技术领域
本发明涉及单灯控制技术，具体涉及一种基于软切换多档调压的单灯节能控制系统及控制方法。
背景技术
随着社会城市化进程的发展，照明路灯的数量不断上升，其用电量随之增加。如何合理地使用道路照明日益受到人们的关注。路灯照明是为道路上行走的行人和行驶的车辆提供亮度，在后半夜，由于道路交通流量大量减少，照度的需求降低，而该时段又是用电的低谷期，供电电压比其他时段都有较大幅度的上升，导致电能消耗增加和灯具寿命的降低。因此固定结构的照明供电方式存在着大量的电能浪费，节电降耗逐渐被重视。
目前的单灯节能技术发展较快，已经有了不同的节能方式，但是目前的单灯节能技术存在如下不足：
1、单灯开关节能方式
初期的单灯节能方式均采用开关方式节能，通过“人行道灯关闭”、“隔一亮一”、“隔二亮一”等开关灯的不同组合，实现一定程度的节能效果。但是这类开关控制方式无法对灯具的供电电压进行调节，并且导致道路照度均匀度降低，光斑现象明显，以及在社会治安和交通安全等方面存在的缺点。
2、可控硅斩波等无级调压的方式
可控硅及功率MOS管等节能技术的应用，可以实现灯具供电电压的无级调节，从而实现很好的节能效果。但是这类节能控制方式的可控硅和功率MOS管均发热比较严重，从而导致控制器本身的功耗较高，光电转换的效率降低，一定程度上增加了电能的浪费。并且存在电子功率器件已损坏、稳定性差、电网谐波剧增等缺点，实际应用效果较差。
3、普通自耦降压的节能方式
目前也有部分厂家将自耦变压器降压方式应用于单灯节能控制，取得了较好的效果。但是不同的档位切换时均采用硬切换，直接从一个档位跳变到另一个档位，切换的瞬间会造成电压的跌落，熄灯的现象比较突出。并且缺乏对变压器运行状态的监测，因自耦变压器过载出现发热烧毁设备的现象时有发生，存在一定的安全隐患。
发明内容
为解决现有技术存在的不足，本发明公开了一种基于软切换多档调压的单灯节能控制系统及控制方法，能够采集路灯的电压、电流、功率因数、有功功率、有功电度等运行数据，并对灯具的运行异常进行分析和报警，通过电力载波通信与智能集中器联网，由智能集中器将路灯的运行数据和报警信息上传至主站服务器。同时接收智能集中器的节能控制指令，采用自耦变压器多抽头设计和软切换技术，可以根据节能需要进行开关灯和五档平稳调压，调压范围为160V-220V，在保证亮灯的情况下可以实现最高50％的路灯节能。
为实现上述目的，本发明的具体方案如下：
一种基于软切换多档调压的单灯节能控制系统，包括微处理器，所述微处理器与自耦降压模块通信，微处理器还通过电力载波通信模块与智能集中器通信，微处理器采集路灯的运行数据并传输至智能集中器，由智能集中器上传至主站服务器，微处理器对自耦降压模块中自耦变压器的运行状态进行检测，微处理器接收智能集中器的控制指令对自耦变压器进行软切换实现开关灯控制和多档平稳调压控制。
进一步的，所述微处理器还分别与电能计量模块、数据存储模块及实时时钟模块通信，微处理器由电源模块进行供电。
进一步的，所述电能计量模块采用高精度电能计量芯片及高精度传感器，能够根据路灯的电压、电流、功率因数、有功功率及有功电度，实现对灯具的运行提供全面的运行监控。
进一步的，所述电源模块包括宽电压AC/DC模块及与其相连的过压保护电路、电源滤波电路及线性稳压电路。
进一步的，所述电力载波通信模块利用已有的电力线作为通信信道，采用电力线数字扩频技术或正交频分多路复用技术实现数据传输，实现与智能集中器及其他单灯节能控制系统的通信与组网。
进一步的，所述自耦降压模块包含自耦降压变压器及其检测电路，如图1所示，自耦降压变压器的输入端接市电电源，输出端串联档位切换单元后与需要调压的负载灯具相连，实现160V-220V电压的调整。同时，检测电路对自耦降压变压器的温升、输出电压、输出电流、输出功率进行实时检测，对过热、过流的运行异常及时进行报警。
进一步的，微处理器对自耦变压器进行软切换实现开关灯控制和多档平稳调压控制，在切换过程中，电压输出与原档位和新档位都保持电气连接，只有当输出线路与新的档位建立稳定连接后，才断开与原档位的连接。
进一步的，自耦变压器在软切换中，在输出端额外增加一个继电器串联电阻回路，该电阻回路与档位切换单元并联，转换的过程为状态1->状态2->状态3->状态4->状态5，自耦变压器接收到调压控制命令后，由状态1切换到状态2，主回路保持档位1连接，电阻回路接入档位2，两个档位同时接入输出端；状态2切换到状态3，主回路断开档位1，电阻回路保持连接档位2，此时只有电阻回路连接，输出电压略降；状态3切换到状态4，主回路连接档位2，电阻回路保持连接档位2，此时电阻回路被短接，输出电压切换到期望电压；状态4切换到状态5，主回路连接档位2，电阻回路断开档位2，此时电阻回路不再起作用，主回路完成从档位1到档位2的切换。其余档位之间的切换类似。
进一步的，所述电阻回路中电阻选用金属壳功率电阻，阻值的大小根据单灯节能控制系统和受控灯具的功率来选定，范围在5-20欧姆。
进一步的，所述单灯节能控制系统应用于道路照明光源广泛采用的高压钠灯及金卤灯的控制。
一种基于软切换多档调压的单灯节能控制方法，包括：
智能集中器采集路灯的运行数据并传输至微处理器，微处理器通过自耦降压模块对自耦变压器的运行状态进行检测，微处理器对自耦变压器进行软切换实现开关灯控制和多档平稳调压控制；
微处理器对自耦变压器进行软切换实现开关灯控制和多档平稳调压控制，在切换过程中，电压输出与原档位和新档位都保持电气连接，只有当输出线路与新的档位建立稳定连接后，才断开与原档位的连接。
本发明的有益效果：
1、自耦降压模块为调压单元，其主要部分为自耦变压器，与普通变压器相比，不但尺寸小，而且效率高、损耗小、造价低。与电子调压相比，因为调压部分为纯机械结构，稳定性和可靠性比较高，整个控制器的使用寿命比较长，故障率较低。
2、多档切换采用软切换技术，在切换过程中，电压输出与原档位和新档位都保持电气连接，只有当输出线路与新的档位建立稳定连接后，才断开与原档位的连接，可有效提高切换可靠性，保证电压的不间断输出，避免了电压瞬间跌落引起高压钠灯的熄灯现象。
3、自耦降压模块对自耦变压器的运行状态进行全面的检测，包括输出的电压、电流、功率和器身温度等，根据采集到的参数对运行状态进行分析和实时报警，对可能产生的灯具熄灭现象自动全压重启，并对变压器过载和器身温度过高进行输出保护及报警。
4、采用电力线数字扩频(SST)技术或正交频分多路复用(OFDM)技术实现电力载波通信数据传输，实现与智能集中器及其他单灯节能控制器的通信与组网,提高了通信的稳定性和可靠性。采用高精度时钟管理芯片和大容量存储芯片，可以保存最多8个常规控制策略和16个节假日例外控制策略，实现单灯节能控制器的脱网运行和自主控制。
附图说明
图1自耦变压器原理图；
图2单灯节能控制系统示意图；
图3软切换状态转换图；
图4单灯节能控制系统调压控制流程图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明进行详细说明：
如图1所示，多档调压自耦变压器原理：
自耦变压器是输出和输入共用一组线圈的特殊变压器，电压调节用不同的抽头来实现，当作为降压变压器使用时，从绕组中抽出一部分线匝作为二次绕组。通常把同时属于一次和二次的那部分绕组称为公共绕组，其余部分称为串联绕组，同容量的自藕变压器与普通变压器相比，不但尺寸小，而且效率高、损耗小、造价低，并且变压器容量越大，这个优点就越加突出。在自耦变压器绕制时根据调压的需求在二次绕组分配多个抽头，在输入电压一定的情况下，不同的抽头对应不同的输出电压，来实现多档调压和节能控制输出。
通过对变压器输出的电压、电流、功率的检测来判断变压器的运行状态，发生过载和过热情况下退出调压节能模式，将自耦变压器旁路，保护自耦变压器和单灯节能控制设备，并发出实时报警。如果在调压过程中监测到输出功率突然变小，结合电流、功率因数等综合判断出现熄灯现象，自动进行全压重启，灯具启动后稳定一段时间再执行调压节能控制。如反复出现熄灯现象，则退出调压节能模式。
单灯节能控制系统的原理：
如上图2所示，MCU采用基于ARM Cortex-M3内核的高性能、低成本、低功耗的嵌入式处理器，提供单灯节能控制器的数据运算及各个功能模块数据处理功能；电能计量模块采用高精度电能计量芯片及高精度传感器，能够采集路灯的电压、电流、功率因数、有功功率、有功电度等运行数据，对灯具的运行提供全面的运行监控和数据分析；数据存储单元采用大容量E2PROM掉电后数据不丢失存储芯片，保存用来存放硬件设置数据；电源模块包括宽电压AC/DC模块及其过压保护、电源滤波、线性稳压等相关电路，为单灯节能控制器各功能模块提供稳定有效的电源供应；实时时钟模块包括高精度带温度补偿功能的时钟管理芯片，为单灯节能控制器的定时控制提供精准的时钟依据；电力载波通信模块利用已有的电力线作为通信信道，采用电力线数字扩频(SST)技术或正交频分多路复用(OFDM)技术实现数据传输，实现与智能集中器及其他单灯节能控制器的通信与组网；自耦降压模块包含自耦降压变压器及其检测电路，实现160V-220V电压调整的同时，对变压器的温升、电压、电流、功率进行实时检测，对过热、过流等运行异常及时进行报警和自我保护。
软切换技术原理：软切换(Soft Hand-off)是指在的自耦调压器在不同档位之间变换时的电路切换。在切换过程中，电压输出与原档位和新档位都保持电气连接，只有当输出线路与新的档位建立稳定连接后，才断开与原档位的连接。自耦变压器调压系统独有的切换功能，可有效提高切换可靠性，保证电压的不间断输出。
如上图3所示，在调压时不同电压的输出通过不同的档位需要完成，硬切换是从状态1直接跳变到状态5，中间有一瞬间电压跌落，会导致燃烧灯具的温度降低，极易出现灯具熄灭。并且高压钠灯的镇流器电感在电流断开的瞬间会产生较大的反向电动势，对继电器的触点产生电弧，严重时会导致触点黏连。
软切换是再额外增加一个电阻回路，转换的过程为状态1->状态2->状态3->状态4->状态5。接收到调压控制命令后，由状态1切换到状态2，主回路保持档位1连接，电阻回路接入档位2，两个档位同时接入输出端；状态2切换到状态3，主回路断开档位1，电阻回路保持连接档位2，此时只有电阻回路连接，输出电压略降；状态3切换到状态4，主回路连接档位2，电阻回路保持连接档位2，此时电阻回路被短接，输出电压切换到期望电压；状态4切换到状态5，主回路连接档位2，电阻回路断开档位2，此时电阻回路不再起作用，主回路完成从档位1到档位2的切换，软切换过程完成。
电阻选用金属壳功率电阻，阻值的大小根据单灯节能控制器的型号和受控灯具的功率来选定，一般在5-20欧姆。阻值太小会导致电阻电流较大，发热量大；阻值太大则电阻分压较大，电压过渡不平稳。
如图4所示，单灯节能控制系统调压控制流程图，微控制器开始调压，进行软切换，电参数的检测并将电参数传输至微控制器，微控制器判断该灯具对应的电流及功率是否超过设定值，如果是，则报警并退出调压，否则，继续判断功率是否过小导致灯具熄灭，如果是，则报警并退出调压，否则，继续对灯具温度进行检测，判断温度是否超限，如果是，则报警并退出调压，如果是否，则继续进行电参数的检测。
该单灯节能控制器应用于道路照明光源广泛采用的高压钠灯、金卤灯，通过降低灯具供电电压的方式实现节电控制。降压节电控制的方案采用多档软切换降压，每档节能率在10％左右，满足不同区域、不同时段对轻度节电、中度节电、深度节电等不同节电量要求。在后半夜电网电压较高时，在保证照明所需光照度和均匀度的同时，取得了显著的节电效果。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (9)
1.一种基于软切换多档调压的单灯节能控制系统，其特征是，包括微处理器，所述微处理器与自耦降压模块通信，微处理器还通过电力载波通信模块与智能集中器通信，微处理器采集路灯的运行数据并传输至智能集中器，由智能集中器上传至主站服务器，微处理器对自耦降压模块中自耦变压器的运行状态进行检测，微处理器接收智能集中器的控制指令对自耦变压器进行软切换实现开关灯控制和多档平稳调压控制；所述单灯节能控制系统应用于高压钠灯或金卤灯的控制；
微处理器对自耦变压器进行软切换实现开关灯控制和多档平稳调压控制，在切换过程中，电压输出与原档位和新档位都保持电气连接，只有当输出线路与新的档位建立稳定连接后，才断开与原档位的连接；
微控制器开始调压，进行软切换，电参数的检测并将电参数传输至微控制器，微控制器判断灯具对应的电流及功率是否超过设定值，如果是，则报警并退出调压，否则，继续判断功率是否过小导致灯具熄灭，如果是，则报警并退出调压，否则，继续对灯具温度进行检测，判断温度是否超限，如果是，则报警并退出调压，如果是否，则继续进行电参数的检测。
2.如权利要求1所述的一种基于软切换多档调压的单灯节能控制系统，其特征是，所述微处理器还分别与电能计量模块、数据存储模块及实时时钟模块通信，微处理器由电源模块进行供电。
3.如权利要求2所述的一种基于软切换多档调压的单灯节能控制系统，其特征是，所述电能计量模块采用高精度电能计量芯片及高精度传感器，能够根据路灯的电压、电流、功率因数、有功功率及有功电度，实现对灯具的运行提供全面的运行监控。
4.如权利要求2所述的一种基于软切换多档调压的单灯节能控制系统，其特征是，所述电源模块包括宽电压AC/DC模块及与其相连的过压保护电路、电源滤波电路及线性稳压电路。
5.如权利要求1所述的一种基于软切换多档调压的单灯节能控制系统，其特征是，所述电力载波通信模块利用已有的电力线作为通信信道，采用电力线数字扩频技术或正交频分多路复用技术实现数据传输，实现与智能集中器及其他单灯节能控制系统的通信与组网。
6.如权利要求1所述的一种基于软切换多档调压的单灯节能控制系统，其特征是，所述自耦降压模块包含自耦降压变压器及其检测电路，自耦降压变压器的输入端接市电电源，输出端串联档位切换单元后与需要调压的负载灯具相连，实现160V-220V电压的调整，同时，检测电路对自耦降压变压器的温升、输出电压、输出电流、输出功率进行实时检测，对过热、过流的运行异常及时进行报警。
7.如权利要求1所述的一种基于软切换多档调压的单灯节能控制系统，其特征是，自耦变压器在软切换中，在输出端额外增加一个继电器串联电阻回路，该电阻回路与档位切换单元并联，转换的过程为状态1->状态2->状态3->状态4->状态5，自耦变压器接收到调压控制命令后，由状态1切换到状态2，主回路保持档位1连接，电阻回路接入档位2，两个档位同时接入输出端；状态2切换到状态3，主回路断开档位1，电阻回路保持连接档位2，此时只有电阻回路连接，输出电压略降；状态3切换到状态4，主回路连接档位2，电阻回路保持连接档位2，此时电阻回路被短接，输出电压切换到期望电压；状态4切换到状态5，主回路连接档位2，电阻回路断开档位2，此时电阻回路不再起作用，主回路完成从档位1到档位2的切换。
8.如权利要求7所述的一种基于软切换多档调压的单灯节能控制系统，其特征是，所述电阻回路中电阻选用金属壳功率电阻，阻值的大小根据单灯节能控制系统和受控灯具的功率来选定，范围在5-20欧姆。
9.采用权利要求1-8任一所述的一种基于软切换多档调压的单灯节能控制系统的控制方法，其特征是，包括：
微处理器采集路灯的运行数据并传输至智能集中器，由智能集中器上传至主站服务器，微处理器通过自耦降压模块对自耦变压器的运行状态进行检测，微处理器接收智能集中器的控制指令对自耦变压器进行软切换实现开关灯控制和多档平稳调压控制；
微处理器对自耦变压器进行软切换实现开关灯控制和多档平稳调压控制，在切换过程中，电压输出与原档位和新档位都保持电气连接，只有当输出线路与新的档位建立稳定连接后，才断开与原档位的连接。
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