自適應隧道節(jié)能專用系統(tǒng)的設計與實現

梁華

(廣東路達高速公路有限公司，廣東梅州514779，13922196813@139.com)

目前，我國高速公路隧道照明的節(jié)能技術主要有:采用高功率因數的照明燈具配高效電子鎮(zhèn)流器，隧道內兩側鋪反射率高的材料，盡量縮短供電電纜長度以減少線路損耗，合理配置配電房的位置，集中調光控制等方法［1］.傳統(tǒng)設計方式是使洞內各段照明的照度始終處于最大值狀態(tài)［2］，無法對整個隧道的照明進行自適應的方式調節(jié)，這種設計使大量電能被浪費.也有的采用新型節(jié)能燈具，如大功率白光LED燈［3］，但技術上還不成熟，電磁感應燈在工程上已有應用，但還沒有國家設計標準，成本也很高.

有些高速公路隧道處于比較偏僻的山區(qū)，供電質量比較差，供電電網經常會因為負荷波動較大而造成隧道供電電壓的巨大波動.為保證隧道照明不會因為電網故障而引發(fā)交通事故，隧道照明一般會采用應急照明［4］、UPS不間斷電源等.然而，電網電壓波動較大，對UPS及其他用電設備而言，會造成故障率升高，使用壽命下降等問題［5］.人工手動調節(jié)的方式則不夠及時，而且極大的增加了工作量.

本文通過對主變壓器和末端設備進行智能二級聯動穩(wěn)壓，并采用自適應的洞內光照調節(jié)技術、功率因數自動補償等，在滿足隧道照明設計規(guī)范的前提下，較好地解決山區(qū)高速公路隧道照明運營成本和隧道安全之間的矛盾，實現穩(wěn)壓和智能調控的節(jié)能目標.自適應隧道專用節(jié)能系統(tǒng)適用于各種規(guī)模的公路隧道照明控制，對緩解我國能源緊缺的現狀、降低高速公路運營成本和隧道段的交通事故率具有重要意義.

1 自適應隧道專用節(jié)能系統(tǒng)的設計

1.1 總體設計思路

制系統(tǒng)實現照明系統(tǒng)、通風機、車行橫洞卷閘門等相關設備的遠程監(jiān)控、實時采集、集成控制.

1.2 系統(tǒng)拓撲結構圖

根據遠程電網檢測技術，采用瞬變抑制元件有效濾除電網電路中的瞬變、浪涌，并用電磁平衡技術有效抑制電網電路中的諧波，減少其對電網和設備的影響及損害，優(yōu)化供電質量.采用光強檢測技術，車速、車流量檢測技術，實時采集各種電網參數、隧道洞口亮度、隧道內車速和車流量等時變參數，提供控制測量數據.研究開發(fā)的控制軟件將依據設定的控制策略，根據供電電網參數、隧道洞外亮度、隧道內車速、車流、負載等時變實測參數，自適應調整高壓、無功補償、終端電壓.通過自適應調整照明電壓以及照明分組，實現隧道內照明的近似無級調節(jié).通過CAN總線和隧道節(jié)能控

自適應隧道專用節(jié)能系統(tǒng)由遠方監(jiān)控系統(tǒng)、電壓無功調節(jié)裝置、TLS控制器、光照度采集模塊和節(jié)電控制裝置組成系統(tǒng)，如圖1所示.遠方監(jiān)控系統(tǒng)位于隧道管理中心，運行人員可以實時監(jiān)視主變電氣量和檔位、隧道內的光照度、電壓水平和節(jié)電控制器狀態(tài)［6］，并可通過遠方監(jiān)控系統(tǒng)對主變檔位和隧道照明進行手動調節(jié)，實現遠方操作.電壓無功控制裝置調節(jié)10 kV電壓，用來實現前端調節(jié);TLS控制器調節(jié)400 V電壓，實現后端調節(jié).當電網電壓偏離較大時，先進行前端調節(jié)，經一定延時穩(wěn)定后進行后端調節(jié).

圖1 自適應隧道專用節(jié)能系統(tǒng)拓撲圖

1.3 系統(tǒng)各功能模塊設計

1.3.1 上位機監(jiān)控系統(tǒng)

上位機監(jiān)控系統(tǒng)置于隧道所，可以實時監(jiān)視主變有載調壓檔位和10 kV電壓幅值，實現主變有載調壓人工遙控升、降、停操作以及高壓電容器的投切，也可設置為遠方自動調節(jié)［7］.還可以實時監(jiān)視兩段低壓母線電壓和現場光照數據，并可遠方控制400 V母線的電壓調節(jié)，也可由遠方自動控制.

1.3.2 電壓穩(wěn)定及無功補償部分

電壓是衡量電能質量的一個重要指標.電壓偏移額定值過大，不僅對用戶的各種用電設備產生不利影響，縮短用電設備的使用壽命，影響用電設備的工作性能，甚至危及電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，使電網損耗增大［8］.

隧道變電所在長期運行維護過程中積累了大量數據，可以從歷史數據中總結經驗公式，并實時檢測，使系統(tǒng)可自適應地進行高壓穩(wěn)壓，電壓初步調整，將電壓穩(wěn)定于一個比較合適的波動范圍內.

1.3.3 其他用電設備的控制

其他用電設備有風機、UPS等.風機在系統(tǒng)檢測到能見度降低時開啟，也屬于感性負荷，需要就地進行無功補償.風機的運轉也需要在一個合適的電壓范圍內，過低過高都有可能被燒毀;UPS用于隧道內的應急電源，也需要一個相對穩(wěn)定的工作電壓范圍.

1.3.4 系統(tǒng)硬件及通訊模塊

本系統(tǒng)所用到的硬件部分(包括DMP366電壓無功調節(jié)裝置和TLS光照調節(jié)裝置以及通訊管理機)由電源模件、交流模件、CPU模件、開入開出板模件或操作板模件、背板模件、液晶顯示模件構成.

1)電源模件:提供各種工作電源，直流或交流220 V電壓輸入，經抗干擾濾波回路后，利用逆變原理輸出±5 V，±12 V，+24 V.三組電壓均不共地，且采用浮地方式，同外殼不相連.電源具有過壓保護和過流保護功能.+5 V用于CPU及外圍芯片，±12 V用于模擬量采集回路，+24 V用于驅動繼電器.

2)模擬量采集模件:將交流電壓、電流轉變?yōu)槿蹼娦盘枺员隳缔D換.保護CT與測量CT分開，保證保護抗飽和特性與測量精度.模擬量采集模件還可采集4～20 mA，0～5 V信號等模擬量.

3)CPU模件:CPU模件是整個裝置的核心部分，完成模擬量、開關量的采集、處理，各種保護判據的運算、判斷，然后產生相應的控制出口，發(fā)信號及通訊傳輸等.CPU模件還集成了RS485和CAN通訊功能.本產品擬采用 Intel公司的MCS296SA，它最高運行頻率50 MHz、片內尋址空間16 MB、片內RAM容量為2 KB、流水線式結構、集成數字信號處理DSP技術.

4)操作板模件:完成開關的遠方/就地操作切換，就地操作，開關防跳，保護出口，遙控出口，開關量采集的光電隔離功能.

5)開入開出模件:完成開關量的光電隔離與繼電器的出口功能.

6)背板模件:各模件之間通過接插件與背板相連接，相互傳遞數據.

7)液晶顯示模件:人機接口模件裝有大屏幕液晶顯示器及鍵盤，實時顯示電流、電壓、無功、有功、功率因數、保護信息等，完成人機之間的對話，人機界面友好.同時，考慮到保護運行的特點，裝置還配有燈光指示，使裝置的運行信息更為直觀.

鑒于隧道的環(huán)境條件，本項目下層通訊采用CAN(控制器局域網)通訊方式.它最初由德國BOSCH公司為汽車的檢測、控制系統(tǒng)設計，具有良好現場抗干擾能力和極高的可靠性.通過CAN總線還可把通風機、車行橫洞卷簾門等相關設備的控制集成在一起.上層通訊需要從變電站到高速公路控制室，距離較遠，可采用光纖通訊方式.

1.4 系統(tǒng)控制軟件的控制策略

1.4.1 系統(tǒng)電壓的調節(jié)

在系統(tǒng)電壓出現大的擾動時，由電壓無功調節(jié)裝置進行調節(jié)，將系統(tǒng)供電電壓(高壓部分)穩(wěn)定在合適(9.8～10.8 kV)的范圍內.例如當系統(tǒng)檢測到高壓低于9.8 kV時，動作延遲1 min，如果1 min后仍低于9.8 kV則系統(tǒng)將輸出電壓上調2.5%，如還不能滿足要求則繼續(xù)上調;反之，當系統(tǒng)電壓高于10.8 kV時，動作延遲1 min，如果1 min后仍高于10.8 kV，則系統(tǒng)將輸出電壓下調2.5%，如仍不滿足要求則繼續(xù)下調.根據歷年電壓數據的記錄分析，無功調節(jié)裝置基本都能在電網電壓波動時將其調整到要求的范圍內.

1.4.2 照明亮度的調節(jié)

根據洞外亮度的變化相應調整洞內的照明亮度以達到節(jié)能的目的.按照《公路隧道通風照明設計規(guī)范》，入口段亮度公式為Lth=k·L20(S).式中:Lth為入口段亮度(cd/m2);k為入口段亮度折減系數，可按表1取值;L20(S)為洞外亮度(cd/m2).

表1 入口段亮度折減系數

k值的選取與車流量、車速有關，以汕梅高速蓮花山隧道為例，設計行車速度為80 km/h，單向車流量為3 000輛/h［9］.但根據現場的調查，單向車流量小于1 000輛/h，且在夜晚9:00點鐘以后，車流量比白天下降60%以上，平均單向車流量小于700輛/h，且路上車輛大多為負重的大貨車，行車速度一般不會超過50 km/h，按原來設計k的取值為0.035，而實際k的取值只要0.015左右則可，即洞內亮度為原來設計亮度的1/3就能達到要求.

本系統(tǒng)的特色是通過二級調壓實現電壓的細調，從而實現光照強度的細調，在滿足隧道設計規(guī)范的前提下，為高速公路隧道的節(jié)能和安全提供技術保障.它可以自動適應供電電網電壓、光照強度以及負載變化進行照明控制達到系統(tǒng)性節(jié)能的目的，同時采用CAN協議的隧道節(jié)能控制系統(tǒng)，實現照明系統(tǒng)、通風機、車型橫洞卷簾門等相關設備的集成控制.

2 系統(tǒng)實施效果

本系統(tǒng)實施后隧道內亮度變化曲線如圖2所示.實施該系統(tǒng)后控制模式由5種增加到20種，提高了控制精度，使洞外光照度的變化更能迅速準確反映在洞內光照度的變化上［10］.

例如上午10:00點以后，當洞外光照亮度超過3 600 cd/m2，達到3 700 cd/m2左右時［11］，系統(tǒng)未投入前洞內光照亮度沒有變化，而使用自適應隧道節(jié)能系統(tǒng)之后，洞內光照亮度能夠按照預定的控制策略實現快速調節(jié)，達到自適應洞外光照亮度的目的.

圖2 實施前后隧道內亮度比較圖

因鈉燈的最佳工作電壓為198 V，標準工作電壓為220 V，系統(tǒng)實際運行的工作電壓為195～220 V，通過計算可知純照明用電的最大節(jié)電率約為22%.經實際計量，應用本系統(tǒng)后，隧道負荷整體能耗降低了約10%，照明部分能耗降低約20%.實際運行效果證明，應用本系統(tǒng)后，可延長燈具的使用壽命30%，如果按更換一套燈具所需費用(含材料費、人工費等)為260元.系統(tǒng)投運以來已經為本公司節(jié)省了大量的運營成本，創(chuàng)造了良好的經濟效益和社會效益.

3 結論

自適應隧道專用節(jié)能系統(tǒng)是一個全局的系統(tǒng)解決方案，它有效地解決了營運過程中節(jié)能與行車安全之間的矛盾，實現智能調控穩(wěn)壓的節(jié)能目標.本文采用的技術與國外的技術相比實現起來較簡單，不需要大規(guī)模更換現有設備，成本相對較低，節(jié)能效果顯著，能適應山區(qū)較差的電網環(huán)境，可以實現近似的無級光照調節(jié)，并且實現了電網的遠程控制和節(jié)能的自動控制，更適合我國國情，具有良好的推廣應用價值.

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