CN210112346U - 多功能路灯电源系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多功能路灯电源系统，包括微控制器、电源电路、调光电路、路灯的LED灯组、零序电流互感器、漏电检测电路、电流互感器、电流检测电路、电压互感器、电压检测电路、倾斜传感器、反馈电路和继电器，漏电检测电路、电流检测电路、电压检测电路、倾斜传感器分别与微处理器的信号输入端连接，微处理器的输出端和反馈电路的输出端分别与调光电路的输入端连接，反馈电路的输入端和调光电路的输出端分别与LED灯组的输入端连接，微处理器通过继电器控制LED灯组电源的通断。本实用新型综合实现了路灯的智能运维、精准调光功能、路灯灯头故障检测、灯杆倾斜报警、灯头漏电报警、路灯电能计量等功能。

Description

多功能路灯电源系统

技术领域

本实用新型涉及一种路灯监控系统，尤其涉及一种多功能路灯电源系统，属于市政路灯和市政景观亮化工程电气控制领域。

背景技术

城市道路照明越来越成为一个城市的亮点，城市路灯在满足道路照明的基础上越来越成为智慧城市必不可少的一个重要组成环节，从而赋予了城市路灯更多的功能和需求，如：路灯的节能管控；路灯的状态判断；路灯的漏电；路灯单灯的计量；路灯灯杆的倾斜报警等诸多功能。

目前，路灯行业大多采用具备上述功能的单灯控制器外加传统的LED驱动电源的方式实现，对于整个产业的发展，属于过渡技术，存在功能单一的问题，不能完整地实现城市路灯所需的多种功能。

实用新型内容

本实用新型的目的就在于为了解决上述问题而提供一种多功能路灯电源系统。

本实用新型通过以下技术方案来实现上述目的：

一种多功能路灯电源系统，包括微控制器、电源电路、调光电路和路灯的 LED灯组，所述LED灯组的电源输入端与交流电源的火线和零线连接，所述多功能路灯电源系统还包括零序电流互感器、漏电检测电路、电流互感器、电流检测电路、电压互感器、电压检测电路、倾斜传感器、反馈电路和继电器，用于检测所述交流电源是否漏电的所述零序电流互感器的信号输出端与所述漏电检测电路的信号输入端连接，用于检测所述火线电流的电流互感器的信号输出端与所述电流检测电路的信号输入端连接，用于检测所述交流电源电压的所述电压互感器的信号输出端与所述电压检测电路的信号输入端连接，所述漏电检测电路的信号输出端、所述电流检测电路的信号输出端、所述电压检测电路的信号输出端、用于检测所述LED灯组所在灯杆是否倾斜的倾斜传感器的信号输出端分别与所述微控制器的信号输入端连接，所述微控制器的继电器控制输出端与所述继电器的电源输入端正极连接，所述继电器的电源输入端负极与所述电源电路的负极输出端连接，所述继电器的常开触点串联于所述LED灯组的电源输入端，所述反馈电路的输入端和所述调光电路的输出端分别与所述LED灯组的输入端连接，所述反馈电路的输出端和所述微控制器的LED灯组控制输出端分别与所述调光电路的输入端连接。

进一步，所述LED灯组的输入端位于所述继电器的常开触点之前的线路上由前至后依次串联连接有滤波电路、整流桥和PFC电路，所述PFC电路的两个电源输入端之间连接有第一电容，所述PFC电路的两个电源输出端之间连接有第二电容，所述LED灯组的输入端位于所述继电器的常开触点之后的线路上串联连接有直流转换电路，所述直流转换电路的正极输入端与高频变压器的正极输入端连接，所述直流转换电路的正极输出端与开关管的基极连接，所述高频变压器的负极输入端与所述开关管的集电极连接，所述直流转换电路的负极输出端与光耦隔离器的正极输入端连接，所述高频变压器的正极输出端与整流二极管的正极连接，所述整流二极管的负极分别与第三电容的正极和所述LED灯组正极输入端连接，所述第三电容的负极、所述开关管的发射极、所述高频变压器的负极输出端、所述光耦隔离器的负极输入端和所述LED灯组的负极输入端连接，所述光耦隔离器的输出端与所述反馈电路连接。

为了便于与云平台远程通信，所述多功能路灯电源系统还包括与所述微控制器连接的通信电路。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型通过零序电流互感器和漏电检测电路检测路灯回路是否漏电，通过电流互感器和电流检测电路检测路灯回路是否过流和短路，通过电压互感器和电压检测电路检测路灯回路是否欠压和超压，通过倾斜传感器检测路灯灯杆是否倾斜，并由微控制器控制继电器以此控制LED灯组的电源通断，实现及时故障报警功能；通过反馈电路将LED灯组的输入电源的电流、电压等实时信息反馈给调光电路，调光电路实时控制LED灯组的亮度，实现对LED灯组实时状态的精确管控，既满足了照明需求，又节约了电能；通过通信电路可以与云平台通信，实现远程监控和大数据分析；本实用新型综合实现了路灯的智能运维、精准调光功能、路灯灯头故障检测、灯杆倾斜报警、灯头漏电报警、路灯电能计量等功能。

附图说明

图1是本实用新型所述多功能路灯电源系统的系统框图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明：

如图1所示，本实用新型所述多功能路灯电源系统包括微控制器MCU、电源电路、调光电路、路灯的LED灯组、零序电流互感器CT2、漏电检测电路、电流互感器CT1、电流检测电路、电压互感器VT1、电压检测电路、倾斜传感器、反馈电路、继电器K1和通信电路，LED灯组的电源输入端与交流电源的火线L和零线N连接，用于检测所述交流电源是否漏电的零序电流互感器CT2的信号输出端与所述漏电检测电路的信号输入端连接，用于检测所述火线L电流的电流互感器CT1的信号输出端与所述电流检测电路的信号输入端连接，用于检测所述交流电源电压的电压互感器VT1的信号输出端与所述电压检测电路的信号输入端连接，所述漏电检测电路的信号输出端、所述电流检测电路的信号输出端、所述电压检测电路的信号输出端、用于检测LED灯组所在灯杆是否倾斜的倾斜传感器的信号输出端分别与微控制器MCU的信号输入端连接，所述通信电路的本地通信端与微控制器MCU的远程通信端连接，微控制器MCU的继电器控制输出端与继电器K1的电源输入端正极连接，继电器K1的电源输入端负极与所述电源电路的负极输出端连接，继电器K1的常开触点K1-1串联于LED 灯组的电源输入端，所述反馈电路的输入端和所述调光电路的输出端分别与 LEDLED灯组的电源输入端连接，所述反馈电路的输出端和微控制器MCU的 LED灯组控制输出端分别与所述调光电路的输入端连接；LED灯组的电源输入端位于所述继电器K1的常开触点K1-1之前的线路上由前至后依次串联连接有滤波电路、整流桥和PFC电路，所述PFC电路的两个电源输入端之间连接有第一电容C1，所述PFC电路的两个电源输出端之间连接有第二电容C2，LED灯组的输入端位于继电器K1的常开触点K1-1之后的线路上串联连接有直流转换电路，所述直流转换电路的正极输入端与高频变压器T1的正极输入端连接，所述直流转换电路的正极输出端与开关管Q1的基极连接，高频变压器T1的负极输入端与开关管Q1的集电极连接，所述直流转换电路的负极输出端与光耦隔离器OP1的正极输入端连接，高频变压器T1的正极输出端与整流二极管D1的正极连接，整流二极管D1的负极分别与第三电容C3的正极和LED灯组的正极输入端连接，第三电容C3的负极、开关管Q1的发射极、高频变压器T1的负极输出端、光耦隔离器OP1的负极输入端和LED灯组的负极输入端连接，光耦隔离器OP1的输出端与所述反馈电路连接。

上述结构各元件的具体功能和参数选择如下：

微控制器MCU：控制和数据处理单元，将设备其他的数据经过内部算法处理后按逻辑关系执行；MCU芯片型号：HT5019，该芯片内置电压、电流采集功能为一体的计量MCU芯片。

电源电路：电源供给模块，其作用就是将继电器K1前端的火线L和零线N 的电源变为本设备需要的直流电压，供各个模块使用，是一个AC-DC的电源模块，是常规电路。

调光电路：将微控制器MCU输出的PWM调光信号转换为直流电平，完成 LED灯组驱动的调光输出，是一个数模转换电路，是常规电路。

零序电流互感器CT2：火线L和零线N均穿过零序电流互感器CT2，在出现火线L的流入电流值和零线N的回流电流值不等时，能感应其电流值，以此作为漏电判断依据；型号为：ZMCT103C。

漏电检测电路：主要将零序电流互感器CT2的电流信号转换为电压信号，供微控制器MCU使用，是常规电路。

电流互感器CT1：感应火线L上流过的电流值,型号为：ZMCT103C。

电流检测电路：主要将电流互感器CT1的电流信号转换为电压信号，供微控制器MCU使用，是常规电路。

电压互感器VT1：检测火线L和零线N的交流电压值，型号为：ZMPT107。

电压检测电路：主要将电压互感器VT1的电压信号经过处理和滤波后，将电压信号供微控制器MCU使用，是常规电路。

继电器K1：受微控制器MCU控制其电源通断，从而利用其常开触点控制 LED灯组的电源通断，采用双触点直流继电器，型号为：SM-S-112D1，作用：当后级直流转换电路即DC-DC电路故障时，微控制器MCU通过继电器K1切断后级供电，避免故障扩大。

通信电路：负责接收和发送本机MCU和外部云平台服务器的指令，起数据通讯作用，本系统优选电力载波通信方式，是常规电路。

LED灯组：受控终端，采用LED模组，50W/块。

倾斜传感器：用于检测灯杆倾斜，安装在LED灯组所在灯杆上，初始安装时水平，倾斜10度后报警。

反馈电路：将LED灯组的输入电源的实时电流、电压信号采集并反馈给调光电路，用作调光电路的参考因素之一，是常规电路。

滤波电路：滤波作用，消除后级电路产生的干扰通过线路进入电网，干扰其他的设备，是常规电路。

整流桥：型号GBU1510，作用：将交流电整流成为脉动直流电。

PFC电路：即功率因数校正电路，PFC的英文全称为“Power Factor Correction”，意思是“功率因数校正”，功率因数指的是有效功率与总耗电量(视在功率)之间的关系，也就是有效功率除以总耗电量(视在功率)的比值，基本上功率因数可以衡量电力被有效利用的程度，当功率因数值越大，代表其电力利用率越高，是常规电路。

第一电容C1：无极性电容，型号：CBB21 1uF630V，用于对整流桥输出的脉动直流进行滤波。

第二电容C2：电解电容，型号：220uF450V，作用：将PFC电路输出的脉动直流变成平滑的400V高压直流。

直流转换电路：为一个准谐振的反激励恒流恒压转换电路，与变压器T1、开关管Q1和光耦隔离器OP1组成完整的回路实现后级LED灯组的恒流驱动和调光功能，是常规电路。

高频变压器T1：型号为PQ3535,作用为能量转换。

开关管Q1：型号为：SSF80R240S。

光耦隔离器OP1：亦称光隔离器，简称光耦，是以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转换器件，它以光作为媒介把输入端的电信号转换为光信号，耦合到输出端再转换为电信号，因此称为光耦合器，型号：PC817B。

整流二极管D1：输出整流二极管管，型号：SFF2006，作用：整流输出。

第三电容C3：电解电容，型号：560uF100V，作用：将整流二极管D1整流后的脉动直流滤为平滑直流电。

本实用新型所述多功能路灯电源系统的工作原理如下：

1、调光节能功能的实现：

步骤1：本设备上电初始化完成后，微控制器MCU初始化完成，通信电路完成和云平台服务器的链接，注册上线；

步骤2：微控制器MCU自检外部的倾斜传感器、漏电检测电路，电流检测电路、电压检测电路的状态，状态全部正常时，转步骤3，执行开灯指令。

步骤3：微控制器MCU接受云平台服务器指令，执行开灯命令，继电器 K1吸合，LED灯组得电，进入全亮工作模式；

步骤4：云平台服务器下发按设定运行方案，运行到调光节能时间段，下发调光指令，本设备通过通信电路接收到调光指令，微控制器MCU执行调光执行，如调光输出30％PWM信号，经过调光电路的数模转换，直流转换电路进入调光模式，按30％功率输出，LED灯组的亮度降低，实现调光节能。

步骤5：微控制器MCU将当前采集到的倾斜传感器的信号、漏电检测电路的信号，电流检测电路的信号、电压检测电路的信号通过数据处理，通过通信电路上传至云平台服务器；

步骤6：云平台服务器收到终端设备的反馈信号，完成整个调光指令的闭环操作，从而实现了调光节能。

2、智能运维的实现：

步骤1：设备正常上电，各个系统初始化完成后，微控制器MCU依据云平台服务器的指令运行。如全亮状态时，通过连续对电流检测电路、电压检测电路的参数进行持续追踪，标记为100％全亮时的正常电流和电压参数，存储于微控制器MCU的内部存储器，作为设备初始化的参数标准。

步骤2：当设备运行过程中，LED灯组100％全亮且倾斜传感器工作状态正常时，电流检测电路的电流高于正常值的1.1倍时，微控制器MCU进入过载检测状态，内部时钟计时器开始计时；

步骤3：当设备电流持续增大到1.5倍正常值时，微控制器MCU通过计时器计时时间长度高于5S时，判断为后级负载过载，切断继电器K1。

步骤4：当继电器K1断开后，微控制器MCU再次读取电流值，如电流值减小，则再次闭合继电器K1；

步骤5：当继电器K1第一次吸合后，微控制器MCU读取电流值，如电流值恢复正常，则继电器K1持续吸合，微控制器MCU取消过载标记，正常运行；

步骤6：当继电器K1第一次吸合后，微控制器MCU读取电流值仍然超过标准电流值1.5倍，则再次断开继电器K1，并通过微控制器MCU向通信电路发送过载故障标志，告知云平台服务器，标记为设备过载。

同理，对于设备电压过压、欠压、电流短路等异常情况，均可按此流程进行判断，在此不对这些情况一一叙述。

3、LED灯组灯头故障检测的实现：

步骤1：初始化过程后，微控制器MCU依据云平台服务器的指令运行。如全亮状态时，通过连续对电流检测电路、电压检测电路的参数进行持续追踪，标记为100％全亮时的正常电流和电压参数，存储于微控制器MCU的内部存储器，作为设备初始化的参数标准；当设备的电流持续减小且连续2天运行后，电流都基本一致低于系统初始化标记的正常电流时，可以判断为输出LED灯组有灯珠损坏，导致整体的输入电流降低，从而实现对灯头故障的检测；

步骤2：当设备的电流持续低于初始化的正常电流值，可以判断LED灯组有灯珠损坏；当设备的电流持续低于初始化电流值的10％时，可以判断LED灯组的灯珠完全损坏，该电流值会依据实际电流进行调整；

步骤3：当上述的状态出现后，电流值小于正常电流值的80％时，微控制器 MCU通过通信电路向云平台服务器发出LED灯组部分损坏、请更换的标记；当电流值小于正常电流值的10％时，微控制器MCU通过通信电路向云平台服务器发出LED灯组损坏的标记，同时通过云平台服务器告知客户提醒客户运维更换处理，实现灯头故障检测再到智能运维的有机结合。

4、灯杆倾斜报警的实现：

步骤1：设备正常上电，各个系统初始化完成，微控制器MCU依据云平台服务器的指令运行，倾斜传感器的具体实现电路如下：

当灯杆在水平方向小于10°的范围内倾斜传感器输出高电平，微控制器 MCU标记为正常。

步骤2：当灯杆往水平方向倾斜≥10°时，倾斜传感器输出低电平，微控制器MCU启动定时间开始对倾斜状态进行计时操作，当该状态持续时间连续5S 以上，微控制器MCU标记为灯杆倾斜报警；否则自动清除该报警标志。

步骤3：微控制器MCU通过通信电路向云平台服务器发出灯杆倾斜报警；从而实现灯杆倾斜报警。

5、灯头漏电报警的实现：

步骤1：设备正常上电，各个系统初始化完成，微控制器MCU依据云平台服务器的指令运行。

步骤2：当微控制器MCU检测到漏电检测电路的漏电信号值，对该漏电值进行标记，当漏电电流小于20MA时，微控制器MCU只对漏电电流进行标记，且通过通信电路向云平台服务器上报本设备漏电电流值；

步骤3：当微控制器MCU检测到漏电检测电路的漏电信号值超过20MA且持续5S以上时间，则微控制器MCU先断开继电器K1，再对漏电信号进行检测，如漏电电流值依然存在且依然大于20MA，则微控制器MCU通过通信电路向云平台服务器上报本设备漏电的报警，实现漏电报警功能；当继电器K1断开后，漏电信号消失或者减少，则微控制器MCU通过通信电路向云平台服务器上报本设备漏电且为灯头漏电报警，精确定位故障点，有利于运维人员快速处理问题。

6、LED灯组电能计量的实现：

步骤1：设备正常上电，各个系统初始化完成，微控制器MCU依据云平台服务器的指令正常运行；

步骤2：微控制器MCU对电流检测电路、电压检测电路进行实时采集，通过内部的设定程序完成对设备的计量。因电流互感器CT1、电压互感器VT1的连接方式为整个设备的输入线最前端，故微控制器MCU的功率计量是对整个设备的计量，有利于对设备的消耗功率进行精确的计量，为云平台服务器制定更加精细化的节能控制方案提供了硬件支持。

步骤3：微控制器MCU将实时读取到的功率值存储到微控制器MCU的内部存储器，按程序设定的时间上报云平台服务器同时也接收云平台服务器的实时功率查询，从而实现对本设备的功率计量功能。

上述实施例只是本实用新型的较佳实施例，并不是对本实用新型技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本实用新型专利的权利保护范围内。

Claims (3)

1.一种多功能路灯电源系统，包括微控制器、电源电路、调光电路和路灯的LED灯组，所述LED灯组的电源输入端与交流电源的火线和零线连接，其特征在于：所述多功能路灯电源系统还包括零序电流互感器、漏电检测电路、电流互感器、电流检测电路、电压互感器、电压检测电路、倾斜传感器、反馈电路和继电器，用于检测所述交流电源是否漏电的所述零序电流互感器的信号输出端与所述漏电检测电路的信号输入端连接，用于检测所述火线电流的电流互感器的信号输出端与所述电流检测电路的信号输入端连接，用于检测所述交流电源电压的所述电压互感器的信号输出端与所述电压检测电路的信号输入端连接，所述漏电检测电路的信号输出端、所述电流检测电路的信号输出端、所述电压检测电路的信号输出端、用于检测所述LED灯组所在灯杆是否倾斜的倾斜传感器的信号输出端分别与所述微控制器的信号输入端连接，所述微控制器的继电器控制输出端与所述继电器的电源输入端正极连接，所述继电器的电源输入端负极与所述电源电路的负极输出端连接，所述继电器的常开触点串联于所述LED灯组的电源输入端，所述反馈电路的输入端和所述调光电路的输出端分别与所述LED灯组的输入端连接，所述反馈电路的输出端和所述微控制器的控制输出端分别与所述调光电路的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的多功能路灯电源系统，其特征在于：所述LED灯组的输入端位于所述继电器的常开触点之前的线路上由前至后依次串联连接有滤波电路、整流桥和PFC电路，所述PFC电路的两个电源输入端之间连接有第一电容，所述PFC电路的两个电源输出端之间连接有第二电容，所述LED灯组的输入端位于所述继电器的常开触点之后的线路上串联连接有直流转换电路，所述直流转换电路的正极输入端与高频变压器的正极输入端连接，所述直流转换电路的正极输出端与开关管的基极连接，所述高频变压器的负极输入端与所述开关管的集电极连接，所述直流转换电路的负极输出端与光耦隔离器的正极输入端连接，所述高频变压器的正极输出端与整流二极管的正极连接，所述整流二极管的负极分别与第三电容的正极和所述LED灯组正极输入端连接，所述第三电容的负极、所述开关管的发射极、所述高频变压器的负极输出端、所述光耦隔离器的负极输入端和所述LED灯组的负极输入端连接，所述光耦隔离器的输出端与所述反馈电路连接。

3.根据权利要求1或2所述的多功能路灯电源系统，其特征在于：所述多功能路灯电源系统还包括与所述微控制器连接的通信电路。

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