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泛在电力物联网的变电站智能照明系统

摘要:随着变电站照明系统需求的变化,仅依靠传统开关、灯具无法满足需要。基于泛在电力物联网的智能照明系统应需而生,该系统可以根据不同条件自动采集照明系统的各种信息,并对所采集的信息进行相应的分析、判断、存储,实施相应的反馈控制,获得预期的控制效果。智能照明系统的中央处理器可根据环境亮度或预设场景,通过各控制设备对各区域的照明设备进行控制,达到人性化管理状态。

关键词:泛在电力物联网,变电站,智能,照明系统

1照明发展阶段介绍

1.1绿色照明

“绿色照明”是20世纪90年代初由美国国家环保局提出的概念。指根据照明、通信等相关领域的知识,采用性能稳定、安全的照明灯具,同时应保证其具有能效高、使用寿命长的特点。从而可以显著提高工作场所、学校和家庭的照明条件,提高人们的生活质量,由此可以赋予现代照明系统安全、高效、经济、舒适的特点,是对节约电能、保护环境的照明系统的形象说法。

1.2泛在电力物联网建设下的智能照明

随着照明系统应用场合的不断转变,同时伴随着诸如通信技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展,各学科之间的交叉配合也达到了一个崭新的高度,应用情况也向着复杂的方向发展,单单依靠传统的开关已无法达成所需要的控制目的,此时照明系统的控制也应随之变化,以满足实际需求,智能照明系统应需而生。智能照明系统的中央处理器能借助各个控制设备对各个区域的照明设备进行控制。物联网具有人、电力电网基础设施和周围环境感知、识别、控制、互联的网络系统。本质是将各种传感设备、信息设备与通信通道相结合,进而形成具有自我感知、自我标识并可智能处理的物理实体。物联网内各实体之间可以互通信息、协同运作,从而使相关物体之间形成相互感知、通信通联,并反馈互联控制,形成物体之间可以联动的更加智能的体系。智能照明控制系统通过网络把照明灯具做到互联互通,通过计算机控制软件系统(或平板电脑控制系统、手机APP)对灯具实现智能控制。由此看来,智能照明系统正是泛在物联网建设的重要一环。

2智能照明发展现状

2011年,国家电网公司正式提出“智能化变电站”的概念,要求新建、改建的变电站需采用高效光源和高效率节能灯具,并逐渐开始实现通过远程后台总机操作开、关灯具的功能。近年来,伴随着诸如通信技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展,各学科之间的交叉配合也达到了一个崭新的高度,具备“多终端控制、多模式工作”特点的智能照明系统应运而生,其功能也得到不断的完善和扩充。智能照明技术具备的照明控制智能化、改善工作环境、场景变换灵活、延长灯具寿命、降低维修工作量等优势,不仅可以达到控制灯具便捷的要求,同时还起到了节约能源的效果。智能照明系统主要有以下三种控制方式:PLC电力线载波、ZigBee无线技术和总线(RS485)协议。

3技术经济比较

3.1技术性与经济性比较

3.1.1电力线载波通信电力线载波通信(PowerLineCommunication)是电力系统特有的通信方式。是指利用输电线路线材,将模拟信号和数字信号实现通过载波的方式高速传输的技术。作为传输载波信号介质的电力线路,多为稳定可靠的钢芯铝绞线或电力电缆。因此电力线载波通信方式具有传输信号稳定可靠、路由分配合理等特点,同时,也是本文提到的三种主流控制方式中唯一的一种不需要额外线材投资的通信方式[1]。电力线载波通信的原理是将待传输数据调制成扩频信号或载波信号,然后使用耦合器将调制后的信号耦合到电力线路或不带电的双绞线上。电力线载波通信方式,不仅是一种实用的通信手段,而且还具备使用现有物理线材作为通信介质、易维护、易推广和低成本的优点,具有巨大的市场潜力和良好的应用前景。电力线载波通信的核心问题,在于如何确保通过电力传输线路进行可靠的长距离通信,通过电力传输线路进行通信有以下几种缺陷:由于配电变压器对载波信号的阻隔作用导致信号只能在一个配电变压器区域范围内传送;电力线间歇性噪声较大;由于交流电50Hz的频率,从而在每个交流周期中,会出现两次峰值,两次峰值会带来两次脉冲干扰;当电力线上的负荷很重时,线路阻抗可达1Ω以下,从而造成对载波信号的高削减,所以当电力线上负荷的波动会直接影响电力线载波通信的能力。这些缺陷使通过电力传输线路通信这一方式存在一定的困难。其关键在于,需要专用的、功能强大的信号载波电路。对于如何有效利用低压电力传输线路,开展基于电力线路的信息传输功能,目前已成为电气学科和通信学科攻关的重要领域之一[2]。一般地,通过电力线载波方式控制的智能照明系统主要包括:监控(控制)中心、照明系统集中控制器和单灯控制器。其中,监控(控制)中心与集中控制器间可以使用互联网通联,也可通过信号基站进行无线互联。系拓扑示意图如图1所示。

3.1.2ZigBee无线技术具有成本低、功耗低、距离短、传输率低特点的无线通信设备在无线通讯市场中已长期存在,然而基于各种协议和标准的无线技术产品的售价一直居高不下,也就导致无线智能照明控制系统一直无法得到广泛应用。直到2001年8月,ZigBee联盟成立,改变了无线技术在包括智能照明领域在内的多行业的普及情况。基于ZigBee技术的针对控制无线灯具的解决方案有以下特点:1)标准。基于ZigBee技术的控制无线灯具解决方案,定义了包括感测设备、调光器和灯具开关的一系列规范。从而实现了来自不同厂商的硬件可以混用、通用,甚至互换,保证了众多生产商的利益和用户的硬件投入成本。2)网络。ZigBee网络在全球范围内统一使用2.4GHz的无线信号进行通讯,基于此技术的系统布设网络、组网都非常灵活。系统中诸如感测设备、遥控设备、调光设备和灯具开关等硬件都可以作为系统网络中的协调器和路由器。同时采用多通道通信,抗干扰能力和中继能力相比早期的无线近场通信技术都有不同程度的增强。3)自由。用户可以在任何时候通过ZigBee的网络协调器非常方便地任意组合或调整系统内灯具和控制器之间的联系、添加或删除系统中的照明设备。4)延伸。采用ZigBee网络技术实现对灯具短距离无线网络控制,是目前的发展趋势,变电站场区内的安防、照明、采暖等电器控制都会用到ZigBee控制网络[3]。但无线通信技术还是不免会受到同频无线电干扰、建筑物遮挡及天气状况等影响通讯信号的强度,从而影响对灯具的有效控制。并且该控制方式需要将传统的单火开关改为零火开关,即在单火开关的基础上,增加布设零线才可使用。典型的ZigBee无线智能照明控制系统拓扑图见图2。

3.1.3总线协议总线(RS485)协议是美国电气工业联合会(EIA)指定的利用平衡双绞线做传输线的多点通讯标准,依靠网线传输控制信号,采用平衡发送和差分接收的工作模式,具有抑制共模干扰的能力。工作方式为半双工,即在任意时刻,有且仅有一个节点处于发送信息、信号的状态。所以,需通过信号对发送电路进行控制,这样使得多点互联通讯更加方便、高效。应用总线(RS485)可以联网构成分布式系统,最多允许并联32台设备。接收器最下灵敏度可达±200mV,最大传输速率可达2.5Mb/s。在理想环境下,理论通讯距离可以达到1200m,若距离更长,可通过加装中继器再生信号,实现远程通信[4]。相比于电力线载波通信控制方式,总线(RS485)控制方式中所有的控制模块及控制主机都安装在配电柜中,或安装在配电柜旁专用控制箱中,现场原设计的配电柜需要加大,或配置单独的智能控制柜,还需要在智能控制柜和配电柜之间通过管线来连接。而且若线路因老化、外部破坏等原因导致短路发生,故障位置排查十分困难。使用网线的总线(RS485)控制方式的智能照明系统拓扑图如图3所示。

3.2小结及适用范围

使用电力线载波的控制方式,可以利用现有的电力线路网络进行系统搭建,建设过程中线材的投入成本很低,可有效地节约资源,缩减建设单位的资金投入。适用于拥有较完备的电力线网络且仅传输小码流的控制命令的各类项目。使用ZigBee无线通讯技术组建的无线照明智能控制系统网络,搭建方便、组网灵活,功耗低,现场施工量小、施工成本低,可按照客户环境决定采用局部或全部的无线通讯方式传输控制信号。并且可以实现远程控制,特别地,若使用了移动蜂窝数据则可以实现对灯具全国范围甚至全球范围内的超远距离的控制。适用于小区域、无过多遮挡的各类项目。总线(RS485)协议适用于对各类照明灯具控制稳定性要求高、对系统架设采购、施工成本不敏感的项目[5]。

4典型应用案例

一个新建的220kV变电站,可以根据功能区域划分为户外配电装置区域、主变区域、无功补偿区域和主控楼区域。不同的区域有各自不同的照明需求,故智能照明系统应考虑足够的灵活性和适应性,对光源科学选型、合理设置光源位置、分区及控制模式,利用智能照明控制系统,有效节约能源,延长灯具使用寿命,提高工作人员的工作效率和管理人员的控制效率。该站采用RS485总线通信方式对整站各处所的照明灯具进行控制和监控,通过多种控制方式合理有机组合,实现全站照明系统在泛在电力物联网下的智能照明控制。总线(RS485)控制方式中所有的控制模块及控制主机安装在各区域的配电柜或配电箱中,并通过屏蔽双绞线将控制中心设置在主控楼计算机台与各控制模块(控制主机)联系起来。1)主控楼中的走廊及楼梯间内的灯具采用就地开关控制+传感器控制+智能调光的模式。传感器不仅可以智能感应外界光线强度,同时可以通过红外线感应工作人员是否在照明区域内,从而可实现白天光线充足无论是否有人经过,灯具均不工作;当夜间或光线昏暗时,人进入照明区域灯具正常工作,人离开后一段时间(时间可在控制器中设置整定)灯具调暗或熄灭。这样,光照强度不充足及夜间,该区域灯具全时刻保持低功率运行,当有工作人员经过时将灯具调整为全功率工作状态,在节约能耗、延长灯具寿命的同时为工作人员提供便利。2)全站户外照明灯具及二次设备室、35kV配电室均采用经纬度控制+时间表控制+开关控制+分组控制的模式。运行管理人员可预先根据本站所处的经纬度将全年该地区日出日落时间、巡检人员夜间巡检时间表分别输入到主控楼控制中心电脑中,从而实现:日落后30min至22点,灯具全功率工作。22点至次日凌晨4点,非巡检时间段,灯具根据不同分组自动进入关闭状态或50%功率运行状态;巡检时间段,所有灯具全功率工作。次日凌晨4点至次日日出前30min,非巡检时间段,灯具根据不同分组自动进入关闭状态或10%功率运行状态;巡检时间段,所有灯具全功率工作。某220kV变电站分区照明示意图见图4。

5结语

基于泛在电力物联网的变电站智能照明系统通过将多种控制模式有机组合,实现灯具可在远程操作或就地操作下多工况工作,不仅可以有效节能减排,延长灯具使用寿命并方便后期维护,便于运行管理人员对站内灯具进行统一监控、管理,而且有助于提高全站的照明质量,为现场操作人员提供一个安全、舒适的工作照明环境。

参考文献:

[1]黄凯丰.基于电力线载波的智能照明控制系统研究与设计[D].上海:同济大学,2008:1-3.

[2]孙宗智.基于无线及电力载波技术的分布式智能灯光控制系统[D].济南:山东建筑大学,2010:1-3.

[3]刘骞.用ZigBee芯片CC2430设计涉县PLER灯控制网络[D].上海:同济大学,2008:1-3.

[4]杨燕,江国栋.基于485总线的LED照明系统的设计[J].电源技术研究与设计,2011,35(11):1421-1422.

[5]张岳军,吴明光.基于X-10协议的智能照明系统的研究与开发[J].照明工程学报,2004,15(1):23-26.

作者:刘汝琛 许湧平 肖旭亮 单位:中国能源建设集团山西省电力勘测设计院有限公司

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