CN1694595A

CN1694595A - 分布式路灯节能控制系统

Info

Publication number: CN1694595A
Application number: CN 200510034135
Authority: CN
Inventors: 刘华; 王晓刚; 高星辉
Original assignee: Guangzhou University
Current assignee: Guangzhou University
Priority date: 2005-04-19
Filing date: 2005-04-19
Publication date: 2005-11-09
Anticipated expiration: 2025-04-19
Also published as: CN100525569C

Abstract

本发明公开一种分布式路灯节能控制系统，该系统包括主机、工业控制计算机和从机，其特征是主机以单片机(CPU)为核心配以外围的存储单元、显示终端、输入终端、通信接口、电压过零点检测单元、电压相位角控制单元和电流检测单元构成；从机由单片机(CPU)和设在其中断口上的交流电相位角检测单元、电网电压检测单元和接于通讯口上的控制继电器构成。所述的主机通过控制从机交流电源的电压过零点后相位角的大小产生数据信号并发送至从机，从而实现对路灯各种工作状态的控制。本发明具有数据传输量小，传输距离远，抗干扰能力强，实现成本低等显著效果。

Description

分布式路灯节能控制系统

技术领域：

本发明涉及电照明技术领域，涉及用于一般电光源的电路控制系统，特别是城市路灯的节能控制系统。

背景技术：

我国城市路灯基本上还是使用普通开关控制，电能浪费十分严重。为了改变这种现状，个别城市试用计算机网络和通信技术对路灯进行集中控制监测与管理。目前所使用的系统结构基本上都是由中央控制室与分站组成，通讯方式则各异，可分为以下几种：1、无线专网；2、无线和电力载波；3、载波。无线专网就是由一台主机和若干台分机组成一个无线控制系统。无线和电力载波的混合方式，即中央控制室与分站之间采用无线专网(也有采用诺特网、GPRS/CDMA等)，分站与灯控器之间采用电力载波的通讯方式，使用者可以在中央控制室完成对整个系统的点控与线控。CN1152608C发明专利就属于这种通讯方式。载波通讯又分为专线和电力线载波，CN1048849C发明专利就是一种电力线载波的结构系统。上述第一种通讯方式只能控制到一条线路，不能控制到单杆或单灯，节能效果不显著；专线通讯由于投资太大、施工又特别麻烦而不受业界欢迎；使用电力线载波以及使用无线和电力载波混合通讯方式，尚存在下列不足：1、由于交流电源干扰严重，容易造成误动作，可靠性差；2、双向通讯，系统较复杂，投资偏大，具概算每公里投资约20万元。

发明内容：

本发明的目的是提供一种单向路灯控制系统，该系统具有投资省，可靠性高的优点。

本发明实现上述目的的技术解决方案是：

一种分布式路灯节能控制系统，包括主机、工业控制计算机和从机，其特征是

主机以单片机(CPU)为核心配以外围的存储单元、显示终端、输入终端、通信接口、电压过零点检测单元、电压相位角控制单元和电流检测单元构成，

由电压过零点检测单元将从机交流电源电压过零点信号送入单片机，单片机控制从机交流电源电压的相位角，根据交流电源电压过零点后相位角的大小产生数据信号，通过电源线发送至从机，以实现对路灯工作状态的控制、主从同步的调整、指令二次校验和无效指令取消的操作，

由单片机控制电流检测单元对从机工作电流进行逐一检测，判断路灯当前的工作状态；

从机由单片机(CPU)和设在其中断口上的电压相位角检测单元、电网电压检测单元和和接于通讯口上的控制继电器构成，

所述的电压相位角检测单元检测到主机传来的数据送入单片机进行解码，并根据主机发出的控制信号实现相应的控制，

所述的电网电压检测单元将检测到的电网电压信号送入单片机处理，单片机通过控制继电器调整路灯的工作状态。

上述技术方案中的一个具体实施方式是所述的电压相位角控制单元是在单片机的通讯口与晶闸管触发极之间设一触发器构成的，该触发器为光电隔离器。

上述技术方案中的另一个具体实施方式是所述的电流检测单元是在单片机的通讯口上依次连接比较电路、电平转换电路和电流互感器组成。

上述分布式路灯节能控制系统的工作步骤如下：

(a)通讯数据的产生

先设定完整的数据信号的起始位、数据位、校验位及停止位所对应的相位角，然后利用晶闸管变流相控技术，由主机控制从机交流电源电压过零点后的输出波形。当输出波形为一个完整半波时，相位角小于设定角度作为数字位的“0”，大于设定角度作为数字位的“1”。主机对交流电波形的控制，并按照预定的编码方式输出，从机在接受主机电源能量的同时，对主机输出的电压波形进行检测，并按照预定的编码形式在从机中产生相应的数据。

(b)主从同步调整

主机发出预先说定的标准相控波形，从机检测到的该相控波形后，即作为从机的时标，从机以此时标为标准时标。

(c)指令二次校验

从机接对所收到的指令进行二次校验，在确定无误时，执行相应的指令。

(d)无效指令

主机检测到干扰后，发出无效指令，控制从机取消干扰产生的指令操作。

由于本发明充分利用交流电源中含有丰富的数据资源，通过控制从机交流电源电压过零点后相位角的大小来产生数据信号，同时采用单向传输数据信号，因此具有数据传输量小，传输距离远，抗干扰能力强，实现成本低(只有现有技术的50％)等显著效果。

附图说明：

图1为本发明的总体拓朴结构框图；

图2为主机电路结构框图；

图3为从机电路结构框图；

图4为变压器补偿调压电原理图；

图5为相位角检测单元电原理框图；

图6为相位角控制单元和电流检测单元电原理框图；

图7为路灯启动流程图；；

图8为路灯节能控制流程图；

图9为系统抗电网干扰流程图；

图10为命令校验流程图；

图11为路灯照明管理与维修流程图。

具体实施方式：

如图1所示，本发明由主机1、工业控制计算机2、从机3以及管理软件组成。系统电源输入主机1，通过计算机管理软件，实现对主机的管理和控制，当需要照明控制时，工业控制计算机2发出命令，主机1输出电源至各从机3，由于主机1没有发出照明控制命令，从机3处于断开状态，路灯照明不亮。当主机1发出照明控制命令(命令经照明线路发出)，各路从机3接收到控制命令，各从机3按照控制命令要求接通电源开关，实现照明控制。主机发出命令时，主机首先通过设在主机电路中的电压比较器检测照明电源的过零点，然后根据命令要求控制晶闸管SCR10(参见图2)的导通与关断，产生相应的控制命令经路灯线路输出；从机3在接受路灯线路电源的同时检测电源电压波形(采用电压比较器)，当检测到主机1发出命令后，从机3对检测的命令进行解码，并根据命令要求执行相应的控制。

在夜深人静时，城市照明要求降低，为了节能，工业控制计算机2发出控制命令，经主机1输出节能控制命令，各路从机3自动降低输出电压，达到节能目的。天亮时，工业控制计算机2发出关闭照明命令，经主机1输出到各从机3，从机3自动关闭路灯。整个控制过程采用计算机管理，如果需要修改照明控制参数，只需在计算机上做修改，不要对其他控制环节做任何改动。

从机3接收命令的方式分两种形式：一种为群控形式，一种为个控形式(点对点控制)。

群控形式：群控命令+供电形式+起动方式；

个控形式：个控命令+灯控器地址+起动方式；

群控命令主要是用于照明控制，而个控命令主要用于突发事件的应急处理和路灯照明状态检查(如路灯好坏)和路灯巡检。

所述的主机1结构框图如图2所示，由单片机(主CPU4)、显示单元5、键盘单元6、随机存储器7、只读存储器8、分别控制3相的微处理器9、晶闸管10以及通信接口和电压过零点检测单元组成。主CPU4可以脱离工业控制计算机独立工作，即嵌入了一个小型的操作系统，完成路灯的各种控制和管理功能，为了实现系统在线可编程(ISP)，选用Flash单片机；对于3相系统，为了减轻主CPU4的负担和提高系统抗干扰能力，分别用3个单片机来控制，这时主CPU 4只负责发出命令，具体的算法、校验等工作交给3个电压相位角控制单元中(MPU9)的单片机来完成；ROM8用于保存路灯的地址和状态信息；RAM7用于保存程序的运行过程中的中间结果；显示单元5和键盘单元6可实现各种操作和监控功能，如发出命令等；主机1测量3相电源电压并输入到主CPU4或分别输入到3相MPU9中的单片机，通过光电隔离器控制电力电子器件(晶闸管10)产生一定的延迟时间(参见图6)；主机1中设有电流检测单元，该单元是在单片机的通讯口上依次连接比较电路、电平转换电路和电流互感器组成的(见图6)，在照明的空闲时，逐一对各从机3供电巡检，根据电流的大小判断该从机及从机所控路灯的工作状况；另外，若将主机1和本地工业控制计算机2相连接，则可利用计算机实现更强大的控制和管理功能，比如图形化的操作界面、更强大的路灯数据管理等，主CPU4通过RS-232方式与工控机2进行串行通信，此时对工控机的操作可替代显示单元5和键盘单元6的全部工作；除了和本地工控机通信外，主机1还应和远程的主控中心内的计算机进行远距离的通信，这时采用modem进行拨号连接。

从机3的结构框图如图3、4和5所示，由从CPU11、电压相位角检测单元12、电网电压检测单元13、多抽头补偿变压器14、磁保持继电器15组成。从CPU11与主机1进行通讯，并最终发出控制信号控制磁保持继电器15。供电方式采用变压器补偿调压方式，具体实现方法是：在每个从机3内部设有一个多抽头补偿变压器14，主绕组接电源电压，其有效值为U_S，有五个副绕组，匝数比为1∶2∶4∶8∶16，输出电压有效值可用U_m、2U_m、4U_m、8U_m、16U_m表示，当从CPU11接收到控制主机1的命令后，通过解码，确定路灯供电电压，从CPU11发出信号控制各磁保持继电器15的触点闭合或断开，从而调节输出电压的有效值U_O，对路灯供电，U_O的调节范围是U_S±31U_m。变压器补偿调压方式与传统变压器调压方式相比，具有变压器体积小，成本低，供电电压等级精度高，调压范围广(±20％左右)，变压器空载损耗小等特点。

图3中的路灯电压检测采用电压比较器实现，交流电源通过串电阻降压后直接与电压比价器的输入端连接，为了防止交流电压波动造成电压比较器输入电压过高，在电压比较器的输入端反并联两个二极管。

本发明的另一个作用是改变了启动方式。路灯照明的起动方式一般是很少考虑的，但实际应用中，如果考虑其起动方式，可以达到很好的效果。原因有以下两点：

(1)灯丝在冷态下电阻较低，一般在起动时，其冲击电流大，对于路灯这样的照明设备，由于数量多，其对应的冲击电流大，需要容量大，造成设备投资增大。

(2)大冲击电流对灯丝寿命影响大，如果采用科学的起动方式，可以大大延长灯具的使用寿命。

所以采用的启动方式是：在路灯启动时，从机3输出较低的电压，待灯丝预热之后，慢慢提高供电电压(电压按一定的斜率提升)，这样可以大大降低冲击电流对灯具的影响，延长灯具使用寿命，整个执行过程由从机3自动执行。

附图5为电压相位角检测单元电原理图，其工作过程是：电压比较器直接与待测交流电源连接，用于检测主机输出交流电源输出的相控波形。当主机未发出控制信号时，相位角检测输出的是奇对称的方波；当主机未发出控制信号时，相位角检测出相控波形的延迟时间，此波形被送到单片机，单片机根据波形的延迟时间确定主机发出信号的逻辑并记录在单片机内部，待主机发出信号完毕后，单片机对被测信号进行解码，并按被解码的指令去执行相应的控制。

附图6为电压相位角控制单元和电流检测单元电原理框图，其中路灯主机控制三个工作状态：

(1)禁止工作状态：单片机输出为低电平，光电隔离输出为低电平，对应的电力电子器件为关断状态，路灯线路无供电电压输出；

(2)工作状态：单片机输出为高电平，光电隔离输出为高电平，对应的电力电子器件为导通状态，路灯线路有供电电压输出，正常照明；

(3)控制指令输出状态：单片机输出按照指令要求输出高、低电平，对应的电力电子器件按照单片机输出改变其工作状态，从机在接受主机输出电源功率的同时对其信号进行检测；

附图6中的电流检测单元主要用于路灯管理和过流保护，其中路灯管理采用点对点的通信方式，具体为：

路灯管理：当主机1控制在控制指令输出状态结束后，从机3将按主机1指令要求改变路灯工作状态(路灯导通、关断)，这必将引起路灯供电线路中的电流的变化，变化的电流经电平转换变为直流信号，该直流信号经电压比较产生一个电压跳变，跳变的信号被送入单片机，单片机通过检测电流的变化，可以知道路灯的工作状态；如果路灯因某种原因，不能正常工作，在主机发出指令后，路灯电流不发生变化，则判断该路灯发生故障，单片机将记录该从机的地址码。

过流保护：路灯正常工作时，路灯工作电流在其保护范围内；当路灯由于某种原因，出现过电流后，路灯电流检测单元检测到这过流信号(过流信号检测过程与路灯管理过程相同，只是数值整定不同)，此信号被送入单片机，单片机将进入禁止工作状态，以防止过电流造成电力电子器件、线路和灯具的损坏，达到保护控制系统的目的。

附图7是路灯启动控制流程图。工作前，整个系统没有供电(供电方式可以是三相或单相)，工作时，主机1接通路灯照明系统供电电源，但路灯并不亮，因为路灯是靠从机3来控制照明的。待系统供电稳定后(主机1延时1分钟左右)，主机1通过电力线向从机3发出路灯启动指令，从机3在接到指令后，按照指令要求分段、以软启动的方式点亮路灯。采用这样的方式，主要是防止从机3内部补偿变压器14启动浪涌电流和路灯启动浪涌电流一起对系统造成冲击。从机3以软启动方式先将路灯供电电压调到189V，经过一段时间对灯丝预热后，再将路灯照明电压按一斜率从189V升到220V，系统启动完毕。

附图8是路灯节能控制流程图。路灯照明控制分多种方式，它们是：节日照明、正常照明、调光照明、低照度照明及事故照明，其中节日照明是指在节日期间，通过增加城市照明亮度来衬托节日的气氛，方法是在照明灯具上设置一些节日照明灯具，平时，这些灯具平时不工作。在节日期间，主机1发出节日照明命令，从机3在接收到命令后，启动节日照明灯具；正常照明是指在路灯启动完毕，照明电压升为220V时对应的照明状态，它是路灯照明的主要工作状态；调光照明是指在交通流量和人流相对减少后，路灯照明所对应的状态，此时灯具供电电压由用户通过主机1发出指令，从机3在接收到指令后，将电压降低，其电压一般低于220V高于189V；低照度照明交通流量和人流相对稀少后，为了保证城市照度而设置的一种节能手段，工作时，主机1发出低照度照明指令，从机3在接收到指令后，自动将电压降到189V；事故照明是指在出现事故的现场，如果系统刚好处在低照度照明状态，可以通过一些手段(如现场控制开关或电话通知)，改变事故现场的照度。所有照明方式并不是唯一的，它通过主机1发出的指令来控制，从机3在接收到主机1的指令后，按照指令要求控制路灯照明方式。

以上所指电压是针对某一种灯具，不同的灯具其对应的工作电压是不同的，具体参照表1

表1：各种灯具的理想节能电压和节电率

光源类型	节能工作电压	正常电压节电率	过压10％节电率
光源类型	节能工作电压	正常电压节电率	过压10％节电率	低压钠灯	180V	33％	48％
高压钠灯	190V	28％	47％	低压钠灯	180V	33％	48％
高压钠灯	190V	28％	47％	高压汞灯	190V	28％	47％
金属卤素灯	180V	33％	48％	高压汞灯	190V	28％	47％
金属卤素灯	180V	33％	48％	荧光灯	190V	28％	47％
混合型光源	190V	28％	47％	荧光灯	190V	28％	47％

除此之外，本控制系统还可以实现“给定”照度照明方式，所谓给定照度照明，实际上是给定路灯照明电压来实现的，这个过程的实现只要对主机1或对主机1实现控制的计算机程序进行修改即可，不需要修改从机3的程序。

附图9为系统抗电网干扰流程图。主机1检测到干扰后，发出无效指令，从机3在接收到无效指令后，取消干扰产生的伪指令操作。

附图10为命令校验流程图。从机3需要对主机1发出指令进行二次校验，在确定无误时，执行相应的指令。

附图11为路灯照明管理与维修流程图。路灯照明管理与维修是现代路灯照明的一个重要组成部分，它是指通过一些技术手段，掌握路灯现场的设备运行状况，如灯泡损坏情况等，由于系统采用的新型电力线通讯技术是单向通讯方式，因此需要采用一些技术手段，本系统的从机3采用单片机11控制，它们有对应的地址码，在照明空闲时，按地址码点亮对应灯具，对应的电流将发生变化，当采集到电流的变化，说明路灯照明状况好，否则，说明路灯灯具出现2种情况：

(1)控制器(从机3)没有接收到命令，

(2)路灯灯泡损坏。

对于情况(1)系统可以再发命令，重新检测电流变化。对于情况(2)需更换灯泡，在路灯维修时，经常看到白天路灯点亮，这主要是检查路灯维修的状况，采用此系统，在路灯照明管理时已知路灯损坏情况，维修时只需要检查对应灯具，不需要点亮所有的路灯，在维修后，检测维修状况，可以通过设置在现场的事故照明紧急开关，就可以检查维修状况。

上述技术方案较现有技术具有下列优点：

(1)采用新颖的路灯控制技术，实现路灯照明节能控制，达到节能30％以上，在电网波动10％时，可以节能50％以上；

(2)采用分布式控制技术，既可以克服线路压降造成灯具供电电压不均的现象，又可以大大地降低系统安装成本及工程造价，系统安装简单，特别适用于已安装好的路灯设备改造。这是其它专利技术不具备的功能；

(3)控制从机交流电源电压过零点后相位角的大小产生数据信号发送至从机，其信号传输距离远、系统的实时性好、抗干扰性强。尽管它是一种单向通讯技术，但通过采用激励—响应方式，可以实现对路灯照明的管理；相对于采用电力载波通信路灯照明技术来说，它具有实时性好，电力载波通信由于受供电质量限制，其实时性差；

(4)电压控制采用变压器补偿技术，既可以保证每盏路灯供电电压的一致性，又可以大大地降低变压器容量及空载损耗；而其它路灯控制设备一般采用变压器集中供电(受系统成本影响)，由于受线路压降的影响，不能真正保证路灯供电电压的一致性。而其它专利技术没有采用该功能；

(5)路灯起动采用软起动方式，可以大大降低起动浪涌电流对灯具、供电设备及线路的冲击，提高灯具及线路的使用寿命(保守地估计提高使用寿命3~4倍)，降低设备的容量。而其它专利技术没有采用该功能；

(6)直接采用供电线路实现控制，使工程施工及改造过程中的工程量大大降低，并可以节约大量的控制线材和有色金属材料；

(7)系统引入了节日灯光控制，可以在不增加设备投入的前提下改变路灯照明的照度；

(8)系统设置了路灯照明管理功能，可以大大地降低路灯维护工作量和维护费用；

(9)系统设置紧急事故处理按钮，当路灯处于低照度照明状态下，可以通过设置在现场的紧急按扭实现事故照明。此外，事故照明按扭还可以做维修检测。

Claims

1、一种分布式路灯节能控制系统，包括主机、工业控制计算机和从机，其特征是

2、根据权利要求1所述的一种分布式路灯节能控制系统，其特征是所述的电压相位角控制单元是在单片机的通讯口与晶闸管触发极之间设一触发器构成的。

3、根据权利要求1或2所述的一种分布式路灯节能控制系统，其特征是所述的电流检测单元是在单片机的通讯口上依次连接比较电路、电平转换电路和电流互感器组成。

4、根据权利要求3所述的一种分布式路灯节能控制系统，其特征是所述的触发器为光电隔器。