王德銀,鄒 宇,蘇一峰,謝振俊,陳恒龍

（欽州供電局，廣西 欽州 535000）

隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，變電站規(guī)模持續(xù)增長(zhǎng)，變電站的運(yùn)行維護(hù)能耗也日益增加[1]。變電站電纜溝照明作為變電站能耗的主要組成部分之一，其能耗占變電站總能耗的比例較大。傳統(tǒng)的電纜溝照明系統(tǒng)缺乏智能化控制與調(diào)節(jié)，造成較大的浪費(fèi)。為解決這一問題，設(shè)計(jì)了基于智能照明技術(shù)的電纜溝照明系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)變電站照明能耗的優(yōu)化。通過集成傳感、自動(dòng)調(diào)節(jié)、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)等技術(shù)手段，在保證充足照度的前提下，減少不必要的能耗損耗。該智能照明解決方案的實(shí)施，將有效提高變電站的能效水平。

1 變電站電纜溝照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求和技術(shù)指標(biāo)

變電站電纜溝照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)旨在提供安全、經(jīng)濟(jì)、可靠的照明方案。系統(tǒng)需考慮電纜溝結(jié)構(gòu)尺寸、井蓋開口面積等局部因素，并針對(duì)不同電纜溝區(qū)域設(shè)置最小照度[2]。一般情況下，電纜溝底部最小照度要求為10 lx，電纜接頭兩側(cè)區(qū)域要求為50 lx，井蓋開口處照度需達(dá)100 lx以上。另外，照明設(shè)計(jì)還需兼顧防爆要求，選擇符合防爆規(guī)范的燈具與電源。技術(shù)指標(biāo)方面，智能照明系統(tǒng)采用LED光源，與傳統(tǒng)光源相比其發(fā)光效率高達(dá)90%以上，壽命超過5萬 h，顯著降低維護(hù)成本?？刂葡到y(tǒng)采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)，傳輸距離達(dá)100 m，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可擴(kuò)展至65 535，確保系統(tǒng)可靠性。通過設(shè)置光敏電阻、微控制器等，照明系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)檢測(cè)亮度變化，并根據(jù)預(yù)設(shè)程序自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出功率，實(shí)現(xiàn)智能化閉環(huán)控制，有效降低系統(tǒng)能耗。

2 基于智能照明系統(tǒng)的變電站電纜溝照明能耗優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 照明系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的照明硬件采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括LED光源模塊、控制電源模塊和通信模塊。LED光源模塊使用吸水率低于0.1%的防潮LED，光效高達(dá)120 lm/W，采用lotte LED驅(qū)動(dòng)器提供恒流電源，驅(qū)動(dòng)電流可控范圍為150～1 050 mA。控制電源模塊選用宇智微型單片機(jī)，內(nèi)置12位AD轉(zhuǎn)換器，采樣率達(dá)2 MSPS，通過PID控制算法輸出PWM信號(hào)對(duì)LED驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)行調(diào)制，實(shí)現(xiàn)亮度閉環(huán)控制，控制精度高達(dá)±2%。通信模塊采用EnOcean無線通信芯片，工作頻率908 MHz，發(fā)射功率達(dá)10 mW，網(wǎng)絡(luò)覆蓋半徑可達(dá)300 m，實(shí)現(xiàn)對(duì)光源的無線控制。系統(tǒng)還設(shè)置光敏電阻、溫濕度傳感器等模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境參數(shù)的智能感知。通過CAN總線連接各功能模塊，構(gòu)建控制網(wǎng)絡(luò)，提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性與可靠性[3]。該設(shè)計(jì)充分利用模塊化思想，便于現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試和后期維護(hù)。

2.2 智能感知與控制設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通過多種傳感器實(shí)現(xiàn)智能感知，光敏電阻實(shí)時(shí)檢測(cè)照度變化，溫濕度傳感器監(jiān)測(cè)環(huán)境參數(shù)，紅外熱成像儀非接觸測(cè)量關(guān)鍵設(shè)備溫度。所有傳感數(shù)據(jù)通過ZigBee Mesh網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，采用數(shù)據(jù)融合算法過濾噪聲，提取有效信息。上位機(jī)利用光照、溫濕度數(shù)據(jù)，結(jié)合電纜溝區(qū)域功能分區(qū)預(yù)設(shè)參數(shù)，運(yùn)用基于多層感知器的學(xué)習(xí)控制算法計(jì)算出每個(gè)控制節(jié)點(diǎn)的最佳PWM占空比，輸出PWM控制信號(hào)調(diào)節(jié)LED驅(qū)動(dòng)電流實(shí)現(xiàn)照明自適應(yīng)調(diào)光，既確保符合照明標(biāo)準(zhǔn)，又實(shí)現(xiàn)耗電量?jī)?yōu)化。同時(shí)，上位機(jī)軟件具備故障診斷與預(yù)警功能，通過對(duì)傳感數(shù)據(jù)的智能分析，當(dāng)檢測(cè)到光源故障、電纜過熱等情況時(shí)，可向控制人員發(fā)出聲光警報(bào)，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)處置，提高系統(tǒng)可維護(hù)性。該設(shè)計(jì)充分發(fā)揮智能算法優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站電纜溝照明系統(tǒng)的精確控制，既保證用電安全，又大幅降低能耗。

2.3 智能系統(tǒng)集成

系統(tǒng)采用分散控制、集中管理的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[4]?，F(xiàn)場(chǎng)控制層由照明控制節(jié)點(diǎn)組成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)對(duì)應(yīng)區(qū)域的照明控制，節(jié)點(diǎn)間通過RS-485總線連接，以CANbus協(xié)議進(jìn)行本地?cái)?shù)據(jù)交互。所有控制節(jié)點(diǎn)與光敏電阻、溫濕度傳感器等構(gòu)成自組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)光照、溫度等數(shù)據(jù)的智能采集?，F(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)通過工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)與監(jiān)控層連接，采用SNMP網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。監(jiān)控層由工控機(jī)、上位機(jī)組成，形成冗余備份，保證系統(tǒng)可靠性。上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)所有照明控制節(jié)點(diǎn)的集中監(jiān)控、參數(shù)配置、故障診斷等功能。同時(shí)，通過Modbus TCP與變電站主站連接，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳至主站，與其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析?？紤]到電纜溝環(huán)境惡劣，所有智能終端采用防塵防水、耐腐蝕的工業(yè)級(jí)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)提供防雷保護(hù)。該設(shè)計(jì)充分利用工業(yè)以太網(wǎng)、分散控制等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站電纜溝照明系統(tǒng)的精確智能化監(jiān)控，確保系統(tǒng)高可靠性、安全性及智能協(xié)同。

3 基于智能照明系統(tǒng)的變電站電纜溝照明能耗優(yōu)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)路徑

3.1 系統(tǒng)部署和集成

系統(tǒng)部署遵循由點(diǎn)到面、分步實(shí)施的原則。首先，選擇一個(gè)典型電纜溝區(qū)作為試點(diǎn)，完成硬件安裝、調(diào)試和功能驗(yàn)證。將裝配好的LED燈具、傳感器接入現(xiàn)場(chǎng)控制節(jié)點(diǎn)，控制節(jié)點(diǎn)再接入RS-485總線，構(gòu)成試點(diǎn)區(qū)自組網(wǎng)。調(diào)節(jié)控制參數(shù)，測(cè)試各傳感器數(shù)據(jù)采集精度、LED調(diào)光范圍及系統(tǒng)穩(wěn)定性。試點(diǎn)區(qū)系統(tǒng)調(diào)試完畢后，布置剩余電纜溝區(qū)域的節(jié)點(diǎn)與傳感器，并逐一完成調(diào)試，最終形成整個(gè)電纜溝區(qū)的自組網(wǎng)。隨后，通過以太網(wǎng)交換機(jī)連接各自組網(wǎng)至監(jiān)控系統(tǒng)，完成監(jiān)控層的部署。最后，根據(jù)變電站網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，配置數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)對(duì)主站的接口聯(lián)通。在整個(gè)部署過程中，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況設(shè)定傳感器分布密度、傳輸速率、控制精度等關(guān)鍵參數(shù)，完成系統(tǒng)集成調(diào)優(yōu)。此部署方案充分考慮現(xiàn)場(chǎng)施工簡(jiǎn)便性與系統(tǒng)可靠性，有助于提高工程實(shí)施質(zhì)量及系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)率，實(shí)現(xiàn)智能照明方案的順利推廣。

3.2 智能算法實(shí)現(xiàn)與調(diào)優(yōu)

智能算法由數(shù)據(jù)采集、特征提取、狀態(tài)評(píng)估、決策控制模塊組成[5]。數(shù)據(jù)采集模塊定時(shí)收集光照（光照精度0.1 lx，采樣頻率10 Hz）、溫濕度（溫度精度0.1 ℃，濕度精度1%，采樣頻率1 Hz）、電流電壓（采樣精度12 bit，采樣頻率5 kHz）等數(shù)據(jù)，并進(jìn)行小波變換（db10小波基）低通濾波。特征提取模塊使用小波包變換去噪后提取含光照平均值、方差、峰值谷值等在內(nèi)的時(shí)域統(tǒng)計(jì)特征和頻域特征。狀態(tài)評(píng)估模塊采用Apriori算法生成關(guān)聯(lián)規(guī)則，根據(jù)10 kV電纜區(qū)、開閉所操作區(qū)等位置信息，匹配對(duì)應(yīng)區(qū)域照明標(biāo)準(zhǔn)（如電纜接頭兩側(cè)需達(dá)50 lx等要求），結(jié)合溫度濕度特征判斷環(huán)境狀態(tài)。決策控制模塊則構(gòu)建C4.5決策樹分類模型，以最小能耗為優(yōu)化目標(biāo)，經(jīng)模擬退火算法全局優(yōu)化確定LED最優(yōu)驅(qū)動(dòng)電流（精度10 mA）和PWM占空比（精度0.1%），輸出PWM控制信號(hào)（頻率10 kHz，分辨率0.01%）實(shí)現(xiàn)精確閉環(huán)控制。該多層次智能算法充分優(yōu)化變電站照明與用電，顯著提升能效。

3.3 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與管理系統(tǒng)搭建

遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與管理系統(tǒng)基于C/S架構(gòu)，通過安全的虛擬專用網(wǎng)絡(luò)連接變電站與遠(yuǎn)程控制中心。現(xiàn)場(chǎng)以太網(wǎng)通過光纖數(shù)字信道與控制中心網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，確保高速穩(wěn)定連接?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控主機(jī)以100 ms采樣頻率實(shí)時(shí)采集光照、溫濕度、供電參數(shù)等數(shù)據(jù)，經(jīng)AES加密后以TCP/IP協(xié)議發(fā)送至控制中心服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)?？刂浦行膽?yīng)用服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)庫信息進(jìn)行解密和解析，然后顯示到HMIs界面，生成歷史曲線和報(bào)表。若檢測(cè)到故障或超限報(bào)警，HMIs將通過短信、郵件彈窗進(jìn)行通知。通過控制面板，遠(yuǎn)程值班人員可以修改照明模式、在線診斷及控制參數(shù)優(yōu)化，值班人員管理權(quán)限嚴(yán)格區(qū)分，系統(tǒng)訪問和操作行為都將保存日志。該方案充分利用信息化手段實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)端照明系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與智能化精細(xì)管理，大幅提升變電站的能源管理水平。

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的變電站電纜溝照明能耗優(yōu)化系統(tǒng)的效果，選取某變電站一個(gè)典型的10 kV電纜溝區(qū)域進(jìn)行實(shí)際案例研究。該試驗(yàn)區(qū)域包括兩條主干電纜區(qū)段，電纜接頭分布密集，照明功率約20 kW。系統(tǒng)布置了分布式光敏電阻采集節(jié)點(diǎn)、溫濕度傳感器，通過ZigBee自組網(wǎng)連接至10個(gè)LED照明控制節(jié)點(diǎn)，分區(qū)實(shí)現(xiàn)智能化調(diào)光。監(jiān)控中心則在站內(nèi)局域網(wǎng)部署，通過光纖環(huán)網(wǎng)連接現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)。首先，調(diào)研記錄了試驗(yàn)區(qū)手動(dòng)控制時(shí)的電纜溝區(qū)域照度分布情況和耗電量數(shù)據(jù)。然后，在現(xiàn)場(chǎng)逐步部署智能照明系統(tǒng)，并設(shè)置不同的照明控制模式，進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)一個(gè)月的運(yùn)行試驗(yàn)，同時(shí)收集各種運(yùn)行參數(shù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)，并測(cè)量能耗。最后，對(duì)采集的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，評(píng)估系統(tǒng)在保證照度的前提下實(shí)現(xiàn)的節(jié)能效果及運(yùn)維情況，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的智能照明方案的科學(xué)性與效果。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

通過多次試驗(yàn)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，智能照明控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)電纜溝區(qū)域照度的精確控制和優(yōu)化。詳細(xì)照度數(shù)據(jù)如表1所示，不同區(qū)域照度水平實(shí)時(shí)保持在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)，日間開關(guān)站操作區(qū)照度為100～120 lx，夜間電纜接頭區(qū)域照度不低于50 lx，與手動(dòng)控制相比，調(diào)光更為平滑和合理。這主要得益于分布式光敏電阻的采集與PID閉環(huán)控制算法的應(yīng)用，不同節(jié)點(diǎn)可以依據(jù)實(shí)時(shí)照度數(shù)據(jù)科學(xué)供電。

與此同時(shí)，新系統(tǒng)大幅提升了能源利用效率。表2中能耗對(duì)比數(shù)據(jù)表明，在保證相近照度水平的情況下，智能系統(tǒng)使總能耗降低了30.7%。這是由于智能決策系統(tǒng)可以根據(jù)電纜負(fù)載、外界亮度等綜合判斷區(qū)域所需照度，從而最優(yōu)化供給電力，避免了手動(dòng)控制中常見的供電過剩現(xiàn)象。此外，利用深度學(xué)習(xí)算法持續(xù)優(yōu)化使系統(tǒng)節(jié)能效果持續(xù)提升?？傮w來說，該智能照明節(jié)能技術(shù)經(jīng)多場(chǎng)景驗(yàn)證，取得了顯著效果，值得在變電站中推廣。

表2 照明能耗對(duì)比表

5 結(jié)論

針對(duì)變電站電纜溝照明系統(tǒng)的高能耗問題，設(shè)計(jì)了基于智能照明技術(shù)的節(jié)能優(yōu)化方案。通過在電纜溝區(qū)域設(shè)置分散的智能控制節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)LED照明的精確控制，并結(jié)合光照、溫濕度等參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，既確保用電安全，又可實(shí)現(xiàn)智能化節(jié)能。該系統(tǒng)充分利用了LED、無線網(wǎng)絡(luò)、以太網(wǎng)、單片機(jī)等現(xiàn)代技術(shù)，開展了模塊化設(shè)計(jì)與集成。文中重點(diǎn)闡述了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，包含硬件、軟件等部分。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，新方案取得了顯著的節(jié)能效果，有效降低了變電站的用電量。隨著智能電網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，基于信息化手段提升變電設(shè)施能源效率的研究非常必要，也極具應(yīng)用前景。未來可繼續(xù)優(yōu)化控制策略，并推廣應(yīng)用該智能照明系統(tǒng)，為建設(shè)綠色變電站提供支持。