一種智能變壓路燈節(jié)能控制系統(tǒng)的研究

張 兵，白 雪

(江蘇財(cái)經(jīng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程系，江蘇淮安223002)

一種智能變壓路燈節(jié)能控制系統(tǒng)的研究

張 兵，白 雪

(江蘇財(cái)經(jīng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程系，江蘇淮安223002)

本文設(shè)計(jì)了一種智能變壓路燈節(jié)電控制系統(tǒng)，通過單片機(jī)控制單元變壓器抽頭的切換以控制負(fù)載上輸出電壓，達(dá)到節(jié)電控制要求，通過此方案可以做到節(jié)電30%左右，同時(shí)為了提高系統(tǒng)的使用壽命，設(shè)計(jì)了過壓或欠壓故障報(bào)警等模塊。

路燈照明;節(jié)能控制系統(tǒng);智能變壓

1 引言

國家統(tǒng)計(jì)局最新發(fā)布2010年全國相關(guān)統(tǒng)計(jì)報(bào)告顯示：2010年全年我國工業(yè)照明耗電量高達(dá)1748.2億度，相當(dāng)于三峽水利發(fā)電工程年發(fā)電量840億度的2.08倍多。

在市政開支極度緊張的今天，國內(nèi)絕大部分的城市和地區(qū)幾乎都采用了日本等國家在七十年代就已經(jīng)拋棄的路燈隔一盞關(guān)燈的省錢方法，不僅導(dǎo)致了路面照度分布不均，給治安及交通安全埋下了隱患，而且不能避免后半夜電網(wǎng)電壓的升高對路燈壽命的減損，因此不能稱作真正意義的節(jié)能，目前發(fā)達(dá)國家正在討論的是“恰到好處的照度水平”。

供電系統(tǒng)中，為避免送電過程中的線路損耗和用電高峰時(shí)造成末端電壓過低，供電部門均采用較高電壓進(jìn)行傳輸，因此路燈承受電壓多高于燈具的額定電壓。據(jù)調(diào)查我國小型城市晚上21：00后，大中城市00：00以后道路上幾乎空無一人，從而造成了“人少車稀燈更亮”的不合理情況［1］。

本文設(shè)計(jì)了一種智能變壓路燈節(jié)電控制系統(tǒng)，詳細(xì)闡述了該系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)，通過實(shí)際驗(yàn)證，該路燈節(jié)電控制系統(tǒng)可以做到節(jié)電30%左右，考慮到路燈供電系統(tǒng)的電壓不穩(wěn)定，還設(shè)計(jì)了過壓或欠壓故障報(bào)警等模塊。

2 路燈節(jié)電控制系統(tǒng)硬件組成

智能變壓路燈節(jié)電控制系統(tǒng)的硬件部分如圖1，其變壓器一次側(cè)分三個(gè)抽頭，一次側(cè)輸入AC220V，二次側(cè)輸出分別為 42.3V、25.9V、18.3V。一共分三級降壓，分別由接觸器KMl、KM2和KM3控制，可通過單片機(jī)控制特定的接觸器達(dá)到控制輸出電壓的目的。

圖1 智能變壓路燈節(jié)電控制系統(tǒng)電路圖

其中，QF為空氣開關(guān)，起過載和短路保護(hù)作用，K1為旁路開關(guān)，K2為節(jié)電開關(guān)，KMl、KM2和KM3為接觸器主觸頭;采用接觸器或固態(tài)繼電器來控制變壓器原邊抽頭調(diào)節(jié)負(fù)載電壓，能夠保證調(diào)壓時(shí)不停電：PTl和PT2分別為一次電壓檢測和負(fù)載電壓檢測傳感器，CTl為一次電流檢測傳感器，根據(jù)輸入電壓檢測結(jié)果調(diào)節(jié)電壓輸出，液晶顯示電壓、電流和功率狀態(tài)。面板上裝有節(jié)電和旁路的選擇開關(guān)，以及狀態(tài)指示燈，指示故障、旁路和節(jié)電等狀態(tài)。裝置設(shè)計(jì)有溫度檢測裝置，當(dāng)溫度達(dá)到一定時(shí)，啟動(dòng)風(fēng)扇，溫度再高，則Kl閉合，路燈裝置旁路工作［2］。

單片機(jī)選用AT89S52，其內(nèi)含256個(gè)字節(jié)的RAM、32條I/O線、3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，且自帶8K的電擦除EEPROM用以保存控制程序，用ADC0809作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)對電流電壓由模擬量向數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，時(shí)鐘是單片機(jī)的ALE經(jīng)D觸發(fā)器控制口，由P2.7WR/RD和或非門組成的標(biāo)準(zhǔn)控制電路，結(jié)果輸出采用延時(shí)方式延時(shí)大約為180us。單片機(jī)的P0口與ADC0809的輸出端口連接，讀取A/D轉(zhuǎn)換后的結(jié)果。

AT89系列單片機(jī)是美國ATMEL半導(dǎo)體公司在二十世紀(jì)八十年代將Flash與80C51核相結(jié)合開發(fā)出來的，該系列單片機(jī)和MCS-51在內(nèi)部功能、引腳以及指令系統(tǒng)方面完全兼容。由于AT89系列單片機(jī)繼承了MCS-51的原有功能，內(nèi)部含有大容量的Flash存儲器，又增加了新的功能，如看門狗定時(shí)器WDT、ISP(可在線編程)及SPI串行接口技術(shù)等，AT89S52是在AT89C51、AT89C52基礎(chǔ)上改進(jìn)的。

AT89S52的工作電源為4.0 ～5.5V，單一 +5V電源供電，最高工作頻率為33MHz。AT89S52單片機(jī)在路燈線路中采集進(jìn)來的高電壓/電流，經(jīng)過二次霍爾傳感器降為較低的電壓/電流信號，將其都轉(zhuǎn)化為電壓信號0～5v，之后經(jīng)過帶通濾波器和二級低通濾波器，讓工頻50赫茲左右的信號通過并濾除10次以上的諧波和高頻干擾，然后對信號進(jìn)行放大，將信號變?yōu)锳T89S52所能處理的5V之內(nèi)，這些由外圍電路實(shí)現(xiàn)［3］。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)各元器件之間能夠合理傳輸信息，并對信息進(jìn)行處理，還需要對硬件電路進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。當(dāng)空氣開關(guān)QF合上，經(jīng)緯定時(shí)開關(guān)啟動(dòng)閉合，路燈節(jié)電裝置開始檢測電壓。

如果輸入電壓U大于260V或小于180V，裝置斷電保護(hù)，報(bào)警過壓或欠壓故障，否則裝置立即合上接觸器K1，系統(tǒng)置于旁路狀態(tài)。15分鐘后，繼續(xù)檢測電壓，如果電壓在大于180V，而小于200V，則繼續(xù)旁路工作;如果電壓處于200V～260V正常范圍，合上接觸器K2，然后斷開Kl;根據(jù)節(jié)電控制策略，通過單片機(jī)控制單元變壓器抽頭的切換以控制負(fù)載上輸出電壓，達(dá)到節(jié)電控制要求;如果電壓處于200V～220V，則合上控制變壓器抽頭的接觸器KMl;如果電壓處于 220V～240V，則打開 KMl，然后合上接觸器KM2;如果電壓處于240V～260V，則打開KMl或KM2，然后臺上接觸器KM3。

如果CTl輸出電流大于100%，則發(fā)出過載報(bào)警提示，同時(shí)啟動(dòng)風(fēng)扇對變壓器進(jìn)行冷卻。電流仍在空氣開關(guān)OF的整定值范圍內(nèi)，裝置仍可供電，一般過載不超過120%［4］。

變壓器溫度檢測，如果溫度超過規(guī)定值，則直接合上K1，打開K2，旁路工作。路燈節(jié)電控制流程如圖2。

圖2 路燈節(jié)電控制流程

4 系統(tǒng)調(diào)試

4.1 硬件調(diào)試

硬件調(diào)試主要是對單片機(jī)控制回路及外圍電路進(jìn)行調(diào)試，單片機(jī)控制回路的調(diào)試主要涉及AT89S52芯片的測試、JMl2864液晶顯示功能測試、外圍電路的調(diào)試、固態(tài)繼電器及接觸器控制回路的檢測。內(nèi)容較多，調(diào)試方法是在電路輸入端加上標(biāo)準(zhǔn)電壓，然后通過萬用表觀測電路中特定點(diǎn)處的電壓值是否正確［5］。

4.2 軟件調(diào)試

本次軟件設(shè)計(jì)采用了專門用于開發(fā)單片機(jī)和微處理器系統(tǒng)軟件及應(yīng)用軟件的高級語言Keil-C語言軟件。調(diào)試主要涉及對用Keil-C語言編寫的源程序，所進(jìn)行的編譯工作編譯，通過軟件調(diào)試成功。

4.3 現(xiàn)場調(diào)試

硬件調(diào)試和軟件調(diào)試成功之后，可按要求將己與控制系統(tǒng)相連的外圍電路與路燈組連接起來，進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試。現(xiàn)場調(diào)試主要是檢測控制器能否對路燈實(shí)際運(yùn)行和節(jié)電狀態(tài)進(jìn)行有效控制。調(diào)試實(shí)驗(yàn)表明：該節(jié)電系統(tǒng)的平均節(jié)電效率為30%左右。該系統(tǒng)不僅具有節(jié)電、延長燈泡壽命的功能，而且能使路燈在電壓波動(dòng)較大范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行［6］。

智能變壓路燈節(jié)電控制系統(tǒng)經(jīng)調(diào)試后滿足下列主要技術(shù)指標(biāo)要求：

(1)輸入電壓范圍：單相220V土15%三相380V土15%;

(2)輸出電壓：單相190～220V，三相330～380V;

(3)電源頻率：50～60Hz;

(4)開關(guān)時(shí)間：由經(jīng)緯度時(shí)控器所設(shè)定開關(guān)時(shí)間控制;

(5)節(jié)電率：16～35%;

(6)保護(hù)功能：過壓、欠壓、過載、短路;

(7)散熱方式：自然風(fēng)冷或強(qiáng)迫風(fēng)冷;

(8)自動(dòng)旁路功能當(dāng)在異常情況發(fā)生時(shí)，會自動(dòng)設(shè)置為旁路，以保護(hù)系統(tǒng)與變壓器，防止停電事故，可保證路燈正常運(yùn)行。

5 結(jié)束語

該系統(tǒng)采用了單片機(jī)控制，所以具有高的性價(jià)比，同時(shí)可以根據(jù)實(shí)際情況變更和擴(kuò)展提高了靈活性和適應(yīng)性，有利于應(yīng)用推廣。路燈控制系統(tǒng)投入使用后，工作壽命達(dá)到15年以上，能持續(xù)提供30%以上的節(jié)電效率，為節(jié)能事業(yè)填上濃墨重彩的一筆。

［1］于軍，邢永中.模擬路燈節(jié)能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.照明工程學(xué)報(bào)，2010(4).

［2］林方鍵.基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的路燈節(jié)能控制系統(tǒng)［D］.控制工程，2009(5).

［3］蔡可健.道路照明節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電力電子技術(shù)，2006(3).［4］吳玲.發(fā)展中國照明［M］.上海漢語大辭典出版社，2005(9).

［5］照明科學(xué)與技術(shù)學(xué)科發(fā)展報(bào)告(2010-2011)［M］.中國科學(xué)技術(shù)出版社，2011：5.

［6］Hiranvarodom.Street Lamp Control System Based on Power Carrier Wave［C］，Intelligent Information Technology Application Workshops，2008(1).

Research of Energy-saving Control System of an Intelligent Variable Pressure Street Lamp

ZHANG Bing，BAIXue
(Jiangsu Vocational and Technical College of Finance ＆ Economics，Huaian 223003 Jiangsu)

The paper designed an energy-saving control system of a kind of intelligent variable pressure street lamp，controlling the unit a transformer tap switch through the MCU to control the load on the output voltage，in order to control the energy-saving requirments.This program can save about30%energy，while in order to improve the life of the system，the over voltage or under voltage fault alarm modules also were designed.

Street Lamp Illuminates;Energy-saving Control System;The Intelligent Variable Pressure

TM401+.2

B

1672-1047(2011)04-0089-03

10.3969/j.issn.1672-1047.2011.04.22

2011-07-05

張 兵，男，江蘇沭陽人，教師。研究方向：電力電子控制系統(tǒng)。

［責(zé)任編輯：曾 鑫］