帶遠程監控的路燈照明節電控制系統設計

0 引言

　　照明是城市基礎設施的組成部分，在城市的交通安全、社會(huì )治安、人民生活和市容風(fēng)貌中居于舉足輕重的地位，并發(fā)揮著(zhù)不可替代的作用，也標志著(zhù)城市實(shí)力和成熟的程度?，F有的城市路燈70％以上使用的都是高壓鈉燈，其設計壽命為24 000小時(shí)（5年）。但是，由于電壓波動(dòng)大，許多地區的波動(dòng)甚至超過(guò)額定電壓的15％，特別是在后半夜，由于電負荷減少，使得電網(wǎng)電壓有時(shí)接近245 V，高電壓不但浪費了電能，還縮短了燈泡的使用壽命，事實(shí)上，現在城市路燈的實(shí)際使用壽命平均不到一年。

　　目前，在供電電源端節能的方式主要有兩種，一是采用半夜燈，二是采用調壓方式。并夜燈是通過(guò)在下半夜關(guān)掉一部分照明燈的方法來(lái)達到節能，它具有簡(jiǎn)單易行的特點(diǎn)，缺點(diǎn)是道路照明不均勻，且無(wú)法解決下半夜電壓高而影響光源壽命的問(wèn)題，也不適用于商場(chǎng)、學(xué)校這些室內場(chǎng)所。而通過(guò)降低供電電壓的方法不但可以節能，還可延長(cháng)光源的壽命，是一種較好的節能方式。

　　為此本文提供了一種基于C8051F310單片機的節電控制系統的設計方案，該系統能針對電網(wǎng)電壓偏高和波動(dòng)現象，并根據用戶(hù)現場(chǎng)的實(shí)際需求，實(shí)時(shí)在線(xiàn)調控輸出最佳照明工作電壓，以將其穩定在允許的范圍內，從而提高電力質(zhì)量，節約照明用電，延長(cháng)燈泡的使用壽命，十分適用于路燈、學(xué)校、商場(chǎng)等室內和室外的照明節電控制。

　　1 基本設計思路

　　本文所設計的路燈控制器采用自耦變壓器形式調整負載路燈的電壓，自耦變壓器的一、二次側線(xiàn)圈不僅有磁的聯(lián)系，還有電的聯(lián)系，所以，在輸出電壓調節范圍不大時(shí)，它的容量比較小，所以消耗的材料小，造價(jià)低，效率高，其最大的優(yōu)點(diǎn)是克服了可控硅斬波型產(chǎn)品產(chǎn)生諧波的缺陷，實(shí)現了電壓的正弦波輸出，其結構和功能都很簡(jiǎn)單，可靠性也比較高。

　　圖1所示是一個(gè)路燈照明節電系統的基本框圖。該路燈節電控制器要實(shí)現的基本設計思路是通過(guò)閉合在自耦變壓器二次邊不同變比的四個(gè)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)，使路燈兩端電壓在電網(wǎng)電壓變化時(shí)（主要是夜間電網(wǎng)電壓偏高時(shí)）能夠自動(dòng)穩定在一預設值。

　　熒光燈是一種利用汞放電產(chǎn)生紫外輻射來(lái)激發(fā)熒光粉層而發(fā)光的低氣壓放電燈，是目前工廠(chǎng)、大廈、商場(chǎng)、機關(guān)、學(xué)校和家庭照明的一種主要電光源。表1給出了熒光燈的照度、壽命與電壓的關(guān)系（令額定電壓下的壽命為1）。

　　由表1可知，若電網(wǎng)電壓為額定電壓220 V，采用90％額定電壓供電時(shí)，燈具壽命可延長(cháng)一倍，照度衰減7％。從人體視覺(jué)學(xué)可知，人的眼睛對光強度變化的感覺(jué)是按對數關(guān)系計算的，照度衰減7％，人的視覺(jué)能夠感覺(jué)到光線(xiàn)變暗1．6％，此時(shí)節約電能19％，可以達到最佳能效比。如電網(wǎng)電壓超過(guò)220 V，則節能率一般在20％以上。所以，90％額定電壓為室內照明供電最優(yōu)運行與節能電壓。

　　1．1 觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)設置方案

　　由以上分析可知，90％的額定電壓為路燈或室內照明最優(yōu)運行與節能電壓，即200伏。我國電網(wǎng)電壓標準為220 V（-15％~+10％），即電網(wǎng)電壓的波動(dòng)范圍為187～242 V。假設電網(wǎng)電壓在以上電壓范圍內波動(dòng)，并設自耦變壓器各路開(kāi)關(guān)變比分別為a0、a1、a2、a3，那么，可以取電網(wǎng)波動(dòng)的四個(gè)電壓點(diǎn)來(lái)計算設定自耦變壓器的變比，以使電網(wǎng)電壓在這四個(gè)點(diǎn)的時(shí)候，變壓器輸出均為200V，這四個(gè)點(diǎn)為200V，210V，220V，230V。

　　設旁路變比為1，即當電網(wǎng)電壓為200 V時(shí)，其變比a0=1，則其他各路開(kāi)關(guān)的變比為：a1=0．95，a2=0．90，a3=0．87。以這四個(gè)點(diǎn)為中心，我們可以把電壓波動(dòng)的范圍分成4個(gè)段，如圖2所示。設電網(wǎng)電壓為X，輸出電壓為Y，變比為ax。

　　由圖2可知，其輸出電壓值的精度至少可達到94．3％。

　　現以冬季為例需要為道路照明的時(shí)間為17：00至次日6：00。根據電壓觀(guān)測的結果，電網(wǎng)電壓通常應穩定在220 V左右，但在半夜0：00至次日6：00，由于電網(wǎng)負荷小，電網(wǎng)電壓會(huì )逐漸攀升至230 V。據此可以計算出節電率。其電壓調整前的耗電量：

　　通過(guò)計算可知，其節電率可達21％。

　　1．2 電壓控制方案

　　設輸入電壓為X，輸出電壓為Y；t時(shí)刻的電網(wǎng)輸入電壓為X（t），觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)跳變值為P，那么，可以先通過(guò)下式判斷輸入電壓X處于上升階段還是下降階段：

　　若某路在t時(shí)刻的輸入電壓大于（t-1）時(shí)刻的輸入電壓，則輸入電壓處于上升階段。設定電壓跳變值為P，即電壓上升到P+2時(shí)。觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)跳變。反之，若某路t時(shí)刻的輸入電壓小于（t-1）時(shí)刻的輸入電壓，則輸入電壓處于下降階段，若設定電壓跳變值為P，即電壓下降到（P-2）時(shí)，觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)跳變。

　　其中，可以設定4 V的回差，以使電壓在上升和下降兩個(gè)階段有兩個(gè)不同的閾值。設置該回差是為了保證觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)在輸入電壓波動(dòng)頻繁時(shí)不會(huì )隨之出現頻繁跳變。

　　1．3 采樣方案

　　針對該系統的電網(wǎng)電壓幅值變化不是很快的特點(diǎn)，該路燈控制器的采樣速度和采樣精度的要求都不需要很高。而微控制器C8051F310自帶的10位AD轉換器本身的精度就能滿(mǎn)足系統要求。信號經(jīng)過(guò)AD轉換之后，再由微處理器計算相應電壓的有效值，并進(jìn)一步進(jìn)行判斷即可。該設計結構簡(jiǎn)單、成本低，且足夠滿(mǎn)足采樣速度和采樣精度的要求。

　　A/D轉換器的轉換精度，是由其參考電壓和輸出字段長(cháng)度共同決定的。所謂轉換精度是指一個(gè)A/D轉換器可以對最小電壓變化的監測能力。實(shí)際上，轉換精度就是A／D轉換器的最小步進(jìn)電壓，只需將MD轉換器的參考電壓與該轉換器轉換值的數量相除，就可以得到該電壓值。

　　由于C8051F330采用3．3 V作為基準電壓，故其轉換精度為3．3／1024，即3．22 mV，完全可以滿(mǎn)足本系統的精度要求。

　　1．4 遠程通訊控制方案

　　遠程通信是指多臺路燈控制器與PC機之間的通信，便于用戶(hù)對分布在各處的路燈控制器的狀態(tài)進(jìn)行監控，本系統通過(guò)C8051F310自帶的UART口和PC機的串口進(jìn)行通信，以將檢測到的各種狀態(tài)信息傳給上位機（如電網(wǎng)的電壓，A、B、C各相的電流，以及路燈控制器所處的各個(gè)狀態(tài)等等），而用戶(hù)則可根據上位機的軟件來(lái)選擇要監控的路燈控制器，然后根據其狀態(tài)來(lái)發(fā)出各種控制命令，如旁路或者選擇節能所處的檔位。

　　鑒于采用的是一臺PC機對多臺路燈控制器的方式，故可采用偵聽(tīng)方式來(lái)規定其通信協(xié)議，即給每一臺控制器分配一個(gè)通信地址。通信開(kāi)始之前，主機先發(fā)送通信地址，每一臺控制器都接收這個(gè)地址，然后與自身的地址相比較，地址匹配的路燈控制器開(kāi)始與主機通信，其它的保持偵聽(tīng)狀態(tài)。這樣，用戶(hù)就可方便地對任何一臺控制器進(jìn)行監控。

　　綜合考慮總線(xiàn)的傳輸距離和抗干擾能力等因素，本設計在控制板上采用RS-485接口，并采用差分方式傳輸信號，故其抗共模干擾的能力很強。