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        不間斷供電的LED路燈智能控制與管理系統(tǒng)

        2019-05-21 03:21:26曹永健董建宇楊雨龍陳程章
        照明工程學報 2019年2期
        關(guān)鍵詞:單燈調(diào)光路燈

        曹永健,董建宇,楊雨龍,陳程章

        (1.四川火石光電有限公司,四川 成都 610054;2.長春市路燈管理處,吉林 長春 130000;3.吉林油田設計院電氣室,吉林 松原 131200;4.吉林省照明學會,吉林 長春 130000)

        引言

        傳統(tǒng)的路燈控制方式主要包括“三遙”、“四遙”、“五遙”等[1],但是它們無法控制單燈,不能遠程快速診斷故障,從而影響了路燈維修效率和城市路燈亮燈率。隨著通信技術(shù)尤其是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,照明管理開始向智能化、智慧化的方向發(fā)展[2-6]。目前較為先進的路燈智能控制通信方式有 PLC(電力線通信)、ZigBee/SigFox/LoRa、2G(GPRS)和NB-IoT。2G(GPRS)通信比較穩(wěn)定,但已在退網(wǎng)中,不再成為路燈的主要的通信方式。PLC、ZigBee/SigFox/LoRa在高效、安全、可靠和開放方面均存在不足。NB-IoT只消耗大約180 kHz的帶寬,可直接部署于GSM網(wǎng)絡、UMTS網(wǎng)絡或LTE網(wǎng)絡,秉承2G的所有優(yōu)點,并在技術(shù)標準上可向5G平滑演進。NB-IoT在高效、可靠、安全和開放方面占有優(yōu)勢,是智能路燈“互聯(lián)”的極佳方案。NB-IoT路燈智能控制系統(tǒng)自組網(wǎng),不需要集中控制器、服務器等,即使某個單燈控制器通信模塊出現(xiàn)故障也不影響其他單燈控制器的通信,不影響整體的路燈智能控制與智能管理。NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)是目前路燈智能控制與管理系統(tǒng)的最佳通信方案。

        1 智能控制與管理系統(tǒng)的主要功能

        1)智能調(diào)光控制功能。為了路燈的節(jié)能,《城市道路照明設計標準》(CJJ 45—2015)規(guī)定[7]:采用雙光源燈具照明的道路,可通過深夜關(guān)閉一只光源的辦法降低路面照明水平。中小城市中的道路可采用關(guān)閉不超過半數(shù)燈具的方法來降低路面照明水平。關(guān)閉部分燈具將導致道路照明出現(xiàn)黑斑現(xiàn)象,均勻度極大地降低,從而影響交通安全。通過智能化控制與管理使每盞燈都亮,但是調(diào)低燈具功率來避免黑斑現(xiàn)象,從而實現(xiàn)智能化節(jié)能。智能控制與管理系統(tǒng)對外輸出的調(diào)光信號為幅值10 V的PWM波,并且正向調(diào)光,控制器通過控制驅(qū)動電源0~10 V(0~5 V)調(diào)光對LED路燈進行調(diào)光,即當脈寬為0%時,對應最低亮度或關(guān)燈(能否關(guān)燈取決于電源是否支持),脈寬為100%時,對應最大亮度。在實際的應用中,用戶可以定時地設置LED光源的調(diào)光范圍,也可以實時設置LED光源的調(diào)光范圍,從而實現(xiàn)更加人性化的節(jié)能。

        2)故障定位和診斷功能。路燈管理部門以往在管理路燈時,需要通過人查、車查等方式,必須到達現(xiàn)場才能了解具體的故障點,必須在現(xiàn)場應用工具和高空車輛才能診斷出故障原因;維修后,有時需要多次前往現(xiàn)場了解故障維修的具體情況。智能控制與管理系統(tǒng)可以讓路燈的管理更加科學和智能化,可以遠程(手機、電腦)了解故障定位,并能夠?qū)╇婋娎|、驅(qū)動電源、光源等部分的損壞或故障進行診斷,從而實現(xiàn)快速維修,確保路燈亮燈率。

        3)其他功能。隨著路燈管理的智能化的應用,路燈智能化控制與智能化管理系統(tǒng)可以拓展很多功能,如空氣質(zhì)量檢測、監(jiān)控、公共信息發(fā)布、流量檢測、資產(chǎn)管理等。

        以上功能中,智能調(diào)光是大部分智能控制系統(tǒng)均能實現(xiàn)的,因為它主要是單向通信,即控制中心發(fā)送調(diào)光指令給單燈控制器或者集中控制器實現(xiàn)調(diào)光,無需單燈控制器或者集中控制器回傳調(diào)光信號給控制中心。但是很多功能,尤其是故障診斷功能則需要單燈控制器把故障信號傳輸給控制中心,是雙向通信,即互聯(lián)互通。

        2 不間斷供電的智能控制與管理系統(tǒng)

        若采用PLC、ZigBee/SigFox/LoRa、2G(GPRS)通信方式的智能控制系統(tǒng),集中控制器或者單燈控制器需要有外部供電的情況下方可工作,外部電源為市電電纜或者驅(qū)動電源。如此它們便無法真正地進行故障診斷,如市電無法供電或者驅(qū)動電源無法供電,單燈控制器或者集中控制器就將無法工作,這時只能做故障定位,而無法實現(xiàn)故障診斷。因此,供電方式某種程度上決定了控制系統(tǒng)是否能夠進行故障診斷。不間斷供電的智能控制與管理系統(tǒng)可以在市電或者驅(qū)動電源無法供電的情況下,正常進行故障診斷和信號傳輸。

        1)技術(shù)背景和方案。不間斷供電系統(tǒng)由四個模塊組成,框架如圖1所示。不間斷供電技術(shù)即不間斷電源,一般是指當市電斷開后,為所需供電的系統(tǒng)繼續(xù)供電的裝置。不間斷供電的路燈單燈控制器,比一般的單燈控制器增加了蓄電模塊以及對應的控制模塊。對于蓄電模塊,其輸入端與取電電路的第三輸出端電性連接,其輸出端與路燈控制系統(tǒng)的第二輸入端電性連接,其充電與放電均由內(nèi)部的控制模塊實現(xiàn)。其控制方式為:當接入市電時,控制模塊控制取電電路對蓄電模塊進行充電,且控制蓄電模塊不輸出電能,這時由市電直接給單燈控制器供電;當市電沒有接入或發(fā)生故障時,控制模塊控制蓄電模塊對單燈控制器進行供電。蓄電模塊包括鋰電池。

        圖1 不間斷供電框架圖Fig.1 Uninterrupted power supply frame diagram

        2)取電電路。取電電路(圖2)由延時啟動電路、降壓穩(wěn)壓電路和鋰電池充電電路組成,且延時啟動電路、降壓穩(wěn)壓電路和鋰電池充電電路之間電性連接。延時啟動電路由依次電性連接的Q1、R13、R14、R15和C15組成,降壓穩(wěn)壓電路包括U7,鋰電池充電電路包括U8。延時啟動電路判斷路燈電源模塊是否正常啟動,當路燈電源模塊正常輸出電壓后,通過三極管轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換為控制模塊的啟動信號。降壓穩(wěn)壓電路用于將路燈電源模塊輸出端的電源穩(wěn)壓為5 V電源,并為鋰電池充電電路供電,U7通過DC/DC芯片的5號腳控制U7是否啟動。鋰電池充電電路負責鋰電池充電控制和放電控制,通過控制模塊進行自動控制。市電包括220 V交流電。DC/DC芯片型號為TL2575。

        圖2 取電電路原理圖Fig.2 Power circuit schematic

        與現(xiàn)有技術(shù)相比,本文提出的控制系統(tǒng)的優(yōu)點是:當路燈市電關(guān)閉后,為路燈監(jiān)控系統(tǒng)提供持續(xù)的電源,以便路燈監(jiān)控系統(tǒng)24 h不間斷地監(jiān)控路燈狀態(tài),為智能路燈監(jiān)控系統(tǒng)提供技術(shù)支撐。

        3)故障診斷技術(shù)方案。通過對供電時段、交流電壓、交流電流、直流電壓、直流電流的信息來診斷市電電纜故障、驅(qū)動電源故障、LED光源故障,從而實現(xiàn)路燈故障的三級診斷。故障診斷根據(jù)表1診斷,其中1代表有值,0代表無值(小于額定輸入),×代表忽略。

        表1 路燈故障的三級診斷表Table 1 Level 3 diagnostic table for street lamp failure

        3 結(jié)束語

        本文給出了基于NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)通信方案的不間斷供電的LED路燈智能控制與管理系統(tǒng),并給出了通過該系統(tǒng)進行路燈故障診斷的技術(shù)方案。綜合而言,我們提出的不間斷供電的LED路燈智能控制與智能管理系統(tǒng)具有如下優(yōu)點:①采用NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)通信方案,自建網(wǎng),網(wǎng)絡穩(wěn)定,單燈故障不影響其他燈具組網(wǎng);②成本低,系統(tǒng)不需要集中控制器、服務器等,投入成本低;③不間斷供電,確保24 h供電,即使市電線纜沒有供電也能正常工作;④實現(xiàn)單燈遠程功率調(diào)節(jié),實現(xiàn)更人性化的節(jié)能;⑤實現(xiàn)故障三級診斷,能夠診斷單燈不亮時的故障原因,如線纜故障、驅(qū)動電源故障、光源故障等。

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