基于雙頻電力載波的智能化節(jié)能照明管理系統(tǒng)

于建明 楊 帥 薛 嵐

(1.江蘇電子產(chǎn)品裝備制造工程技術研究開發(fā)中心，江蘇淮安 223003;2.淮安信息職業(yè)技術學院，江蘇淮安 223003)

1 引言

隨著全球經(jīng)濟的快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，用電量也在以每年10%以上的速率增長，經(jīng)濟的發(fā)展和供電總容量的不夠，使全球的電力短缺現(xiàn)象有越來越嚴重的趨勢。照明在一個國家中占有非常重要的地位，并且開銷巨大，在滿足社會需要的同時，大力開展節(jié)能工作已經(jīng)成為當前社會發(fā)展的緊迫問題。依靠科技創(chuàng)新打造節(jié)能降耗的照明系統(tǒng)，成為構建節(jié)約型社會的一項重要舉措。在滿足交通安全、城市亮化的同時，大力開展節(jié)能工作已經(jīng)成為當前社會發(fā)展的緊迫問題。本設計的智能化道路節(jié)能照明管理系統(tǒng)在沒有犧牲城市照明為代價的前提下，通過調光和合理開啟能夠實現(xiàn)節(jié)能30%，按每年實現(xiàn)對1000個250W的照明燈節(jié)能監(jiān)控，能源節(jié)省達20萬度。同時該系統(tǒng)利用電力載波在照明系統(tǒng)的220V電力線上傳遞信息，節(jié)省重新鋪設控制電纜的麻煩，大大節(jié)省工程施工量，維護費用可以節(jié)約50%。

2 系統(tǒng)技術原理與方案設計

2.1 核心技術原理——雙頻電力載波

本系統(tǒng)主要采用先進的雙載波頻率的數(shù)字信號處理手段，通過數(shù)字信號處理器完成數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，能夠根據(jù)電力線的噪聲動態(tài)調整靈敏度。啟動雙頻傳輸模式，當主頻率通信受阻時可自動切換備用頻率繼續(xù)通信，通信報文采用糾錯技術，根據(jù)糾錯碼恢復錯誤報文［1］。雙頻電力載波通信有A波段和C波段兩種，A波段在歐洲廣泛應用，我國采用C波段技術。當工作在C波段時，兩個載波頻率分別是:第一載波頻率為132kHz，第二載波頻率為115kHz。在每個載波頻率上使用6kHz的頻率帶寬。第一載波頻率具有更好的畸變糾正能力和更強大的數(shù)據(jù)包分辨能力和抗噪聲能力，第二載波頻率比第一載波頻率的誤差校正能力強。

2.2 系統(tǒng)的總體架構

系統(tǒng)主要由單燈控制器節(jié)點、區(qū)域 (集中)控制器節(jié)點和監(jiān)控中心構成。單燈控制器節(jié)點安裝在照明現(xiàn)場 (路燈或景觀照明燈具中)，主要負責單燈開關、照度調節(jié)、工作電流檢測、溫度檢測與故障診斷等功能;區(qū)域控制器安裝在照明區(qū)域控制柜中，主要負責節(jié)能優(yōu)化算法的執(zhí)行，包括燈具啟動、關閉和不同時段亮度調節(jié)的時間調度、電力參數(shù)的檢測、數(shù)據(jù)記錄、報警等功能。一個區(qū)域控制器可以管理200個單燈控制節(jié)點，它們之間依靠雙頻電力載波技術實現(xiàn)在220V供電電纜中傳遞通信信息;監(jiān)控中心提供良好了人機交互平臺，通過無線網(wǎng)絡可以實時監(jiān)控路燈的工作狀態(tài)，同時可將啟動、關閉、調光等控制命令下傳到照明現(xiàn)場，如圖1所示。

圖1 智能化道路節(jié)能照明管理系統(tǒng)原理圖Fig.1 Intelligent energy-saving road lighting management system diagram

2.3 節(jié)點的功能原理

單燈控制器和區(qū)域控制器都采用電力載波實現(xiàn)相互間的通信，采用PL3120電力載波芯片。PL3120由一個Neuron處理器核心和一個電力線收發(fā)器集成在一起。作為一個單芯片系統(tǒng)，PL3120包括一個高可靠性的窄帶電力線收發(fā)器、三個分別用于運行應用程序、管理網(wǎng)絡通信、介質訪問的8位神經(jīng)元處理器核心、其價格能完全滿足對成本最敏感的消費類產(chǎn)品應用要求。節(jié)點控制器中以PL3120為核心的中央處理單元結構原理框圖如圖2所示，PL3120內(nèi)部的A/D把從電力線耦合來的信號濾波并將模擬信號轉換為數(shù)字信號。DSP是PL3120的核心部分，它一方面將A/D處理后的數(shù)字信號進行解碼處理，并將處理后的數(shù)據(jù)與Neuron芯片進行交換;另一方面，它將需要發(fā)送的信號進行編碼處理。D/A將數(shù)字信號處理單元處理后的要發(fā)送的數(shù)字信號轉換為模擬信號，發(fā)送放大電路將D/A轉換后的信號進行功率放大并發(fā)送到耦合電路［2］。節(jié)點檢測內(nèi)部的工作溫度狀況以便于發(fā)現(xiàn)節(jié)點是否超負荷工作或者出現(xiàn)了故障，采用溫度傳感器通過運放電路與AD轉換電路將信號輸入AT80C2051;利用電壓和電流檢測通道采集信號監(jiān)測系統(tǒng)的消耗功率以及功率因數(shù)，并通過檢測節(jié)點供給負載燈泡的電流的大小，以判斷負載是否出現(xiàn)了故障;控制節(jié)點從上位機接收到的調光和開關命令通過PWM信號以及開關量信號控制照明燈的亮度狀態(tài)和開關狀態(tài);智能化道路節(jié)能照明管理系統(tǒng)的節(jié)點之間的通信通過電力載波的形式實現(xiàn)，通過耦合電路實現(xiàn)PL3120與電力線的之間的數(shù)據(jù)交換。

圖2 節(jié)點控制器的中央處理單元結構原理圖Fig.2 CPU structure digram of regional controller

3 節(jié)點核心硬件設計

3.1 PL3120和AT89C2051接口

單燈控制器節(jié)點和區(qū)域控制器節(jié)點采用主從處理器相結合的模式，主處理器采用AT80C2051單片機芯片，完成底層的檢測與監(jiān)控任務，從處理器采用PL3120電力載波芯片，主要處理電力線上數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡通信。PL3120和AT89C2051采用SPI總線通信，接口電路如圖3所示，PL3120芯片的IO10引腳與AT89C2051的P1.0口連接，作為SPI總線中的SI輸入線;IO9引腳與P1.1口連接，作為SPI總線中的SO輸出線;IO8引腳與P3.5口連接，作為SPI總線中的CLK時鐘線;IO0引腳與P3.4口連接，作為 SPI總線中的 CS片選線，用來傳輸PL3120芯片向AT89C2051發(fā)送的片選信號。

圖3 PL3120與AT89C2051接口電路Fig.3 PL 3120 and AT89C2051 interface circuit

3.2 節(jié)點電力耦合與采集電路

節(jié)點采用窄帶與數(shù)字信號處理，前向糾錯算法和雙載波頻率克服了電力線歇性噪聲大、信號衰減快、信號失真等弊端，確保通信的可靠性。安裝網(wǎng)絡時，無須對現(xiàn)有布線進行任何調整，使用方便靈活。耦合電路采用變壓器隔離式，提高了控制器的抗干擾能力，有效防止電壓浪涌對設備的損害，如圖4所示。

3.3 節(jié)點調光電路

調光的實現(xiàn)方式就是在過零點后一段時間才觸發(fā)雙向可控硅開關導通，這段時間越長，可控硅導通的時間越短，燈的亮度就越低;反之，燈就越亮。這就要求要提取出交流電壓的過零點，并以此為基礎確定觸發(fā)信號的送出時間，達到調光的目的。50Hz的正弦交流電通過光耦取出其過零點的信號(同步信號)，將這個信號送至AT89C2051的外中斷，AT89C2051每接收到這個同步信號后啟動一個延時程序，延時的具體時間由系統(tǒng)來設置。當延時結束時，AT89C2051產(chǎn)生PWM觸發(fā)信號，通過它讓可控硅導通，電流經(jīng)過可控硅流過照明燈，使燈發(fā)光。延時越長，亮的時間就越短，燈的亮度越暗。交流電壓過零點信號提取電路如圖5(a)所示，交流電壓通過DF107整流后經(jīng)過過零點信號提取電路產(chǎn)生的同步信號SYN接到AT89C2051的外中斷，此信號的下降沿將使AT89C2051產(chǎn)生中斷，以此為延時時間的起點。圖5(b)是晶閘管調光電路，單片機AT89C2051輸出的PWM觸發(fā)信號通過光控可控硅MOC3022去驅動晶閘管T435，實現(xiàn)調光。

圖4 電力線耦合電路Fig.4 Power line coupling circuit

圖5 節(jié)點調光電路Fig.5 Regional dimming circuit

4 節(jié)點數(shù)據(jù)通信設計

控制器利用AT89C2051實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集等功能，構成現(xiàn)場級控制部分。利用PL3120芯片作為控制器與電力線網(wǎng)絡連接的中間橋梁，一方面完成與單片機控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信，另一方面，通過耦合電路與電力線相連接，方便地實現(xiàn)網(wǎng)絡通訊。對于不帶SPI串行總線接口的AT89C2051來說，可以使用軟件來模擬SPI的操作，采用C51語言編寫單片機程序。PL3120芯片應用程序采用Neuron C語言，它是專門為PL3120芯片設計的編程語言，具有多任務調度，多IO支持等特點。PL3120芯片利用SPI串行總線與單片機通信，要在其上聲明主控式Neurowire對象，格式為:

io-8 neurowire master|slave［select(pin)］io_object_name;

io-8——指定管腳io-8;

master——指定PL3120芯片在管腳io-8上提供時鐘，它被設置為輸出管腳;

slave——指定PL3120芯片檢測在管腳io-8上提供時鐘，它被設置為輸入管腳;

select(pin)——為Neurowire master對象指定片選管腳;

io_object_name——該io對象的名字;

在Neurowire對象中，PL3120芯片要利用io-in()和io-out()兩個函數(shù)完成與AT89C2051單片機的數(shù)據(jù)交換，由于Neurowire是雙向的，輸入和輸出同時發(fā)生，因此調用io-in()和io-out()是等價的，調用哪一個都將啟動一個雙向傳輸，數(shù)據(jù)一次傳輸8位，首先是最高有效位。AT89C2051利用外部邊沿觸發(fā)中斷與PL3120芯片進行數(shù)據(jù)交換［3］，在CLK時鐘信號的下降沿將單片機采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到SO數(shù)據(jù)線上，與此同時，將SI數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)讀入到PL3120的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中，每次傳送8位，當一個字節(jié)傳送完畢后，置高CS，處理現(xiàn)場數(shù)據(jù)，傳送下一個字節(jié)。AT89C2051和PL3120芯片程序設計流程圖如圖6所示。

圖6 照明控制節(jié)點數(shù)據(jù)通信流程圖Fig.6 Lighting control regional data communication diagram

5 監(jiān)控中心的設計

使用Microsoft Visual Studio對基于監(jiān)控中心提供的SOAPXML接口進行軟件開發(fā)，實現(xiàn)監(jiān)控中心軟件對區(qū)域控制器的遠程數(shù)據(jù)訪問和配置。每個監(jiān)控中心都包含兩個WSDL文件:iLon100.wsdl和iLon100_System.wsdl。iLon100.wsdl包含了開發(fā)管理中心軟件時所需SOAPXML接口的所有信息;iLon100_System.wsdl包含了用來配置區(qū)域控制器設置的所有系統(tǒng)服務方法。開發(fā)軟件將這兩個WSDL文件加載后，即可通過接口接收和發(fā)送每一條報文。開發(fā)的管理中心軟件內(nèi)容主要包括調度策略制定并下傳配置;讀取數(shù)據(jù)記錄并生成報表;報警應答及處理報表，實現(xiàn)對單燈控制器進行手動地遠程監(jiān)控，實現(xiàn)路燈的開關和調節(jié)路燈的節(jié)電率，采集并顯示路燈狀態(tài) (節(jié)電率、溫度、電壓、電流)信息等。中心實現(xiàn)用戶對所管理路燈的監(jiān)測和控制，根據(jù)設定的時序實現(xiàn)對路燈的開、關和亮度調節(jié)控制，可以在任何時間、任何地點實現(xiàn)監(jiān)控。監(jiān)控中心界面實現(xiàn)單個路燈故障顯示，報警信息顯示，顯示所有的路燈歷史數(shù)據(jù)，進行實時監(jiān)控，分析能量消耗數(shù)據(jù)和所實現(xiàn)的節(jié)能數(shù)據(jù)，察看燈具使用壽命以及更多的其他功能。路燈管理軟件自動定期收集各個路燈的工作數(shù)據(jù)，記錄各個路燈的實際工作時間，據(jù)此根據(jù)燈的種類，制定預防性維護/替換計劃，這樣可以節(jié)省電話服務中心和巡視人員、巡視車輛的成本開支，同時延長燈泡的壽命，減低更換燈泡的成本支出。同時燈泡的實際壽命數(shù)據(jù)的累積，及修理記錄，還可以決定產(chǎn)品供應商的選擇和產(chǎn)品確認;詳細的品質數(shù)據(jù)可以用來評估第三方的服務，可以依據(jù)實際的數(shù)據(jù)來進行價格談判。通過記錄工作燈泡的實際工作時間耗能，跟蹤實際的問題維護處理時間，平均故障修復時間等統(tǒng)計數(shù)據(jù)，減少公眾對于燈光照明情況的抱怨。

6 自動中繼

由于照明系統(tǒng)用于通訊的電力線信道具有高衰減、高噪聲的特點，為確保數(shù)據(jù)報文的可靠傳輸，需采用增強的LonTalk代理協(xié)議，在區(qū)域控制器中實現(xiàn)自學習報文路由功能;在單燈節(jié)點的Neuron固件中實現(xiàn)報文轉發(fā)機制［4］。實現(xiàn)上述自動中繼功能后，當區(qū)域控制器無法和某個單燈節(jié)點直接通訊時，可以借助中繼節(jié)點來實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。自動中繼示意圖如圖7所示。

圖7 自動中繼路由示意圖Fig.7 Automatic relay routing diagram

為了在設備中實現(xiàn)自動中繼功能，需在編寫設備程序時添加相應的功能代碼。

首先，需要激活增強的LonTalk代理協(xié)議，即添加:

#pragma feature E31E2DF7_28CD_4735_AC2D_69E25B74BC6E這一條預編譯。

其次，由于自動中繼過程中需要中繼設備接收、發(fā)送報文，這就增加了設備對數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的開銷，需要對其進行合理的設置。為了有足夠的余量來處理來自任何設備的報文，每個緩沖區(qū)需增加至少26個字節(jié)，最低配置如下:

#pragma app_buf_in_count 2

#pragma app_buf_in_size 82

#pragma app_buf_out_priority_count 0

#pragma app_buf_out_size 82

#pragma net_buf_in_size 82

#pragma net_buf_out_count 1

#pragma net_buf_out_priority_count 0

#pragma net_buf_out_size 82

再次，需要激活響應緩沖區(qū)，添加:

extern system far void enable_response_buffering(boolean)代碼后，再在reset任務中激活它:enable_response_buffering(TRUE)。

最后，需使用顯式報文發(fā)送機制，即添加代碼如下:

when(msg_arrives)

{#pragma warnings_off msg_in.duplicate;#pragma warnings_on}

7 實驗測試與結論

利用電網(wǎng)質量儀FLUKE43B對照明系統(tǒng)工作在功率為250W的照明燈下進行試驗測試，將照明燈的功率設定在56%的功率，分別在帶補償電容和不帶補償電容兩種情況下進行測試，系統(tǒng)電流諧波頻譜圖如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)電流諧波頻譜圖Fig.8 Frequency spectrum of system current harmonic wave

通過對照明燈的進行帶電容和不帶電容運行的對比測試，得到如下結論:去除電容后，電燈產(chǎn)生少量的諧波，接上電容后，電流諧波被電容器放大，造成嚴重的諧波干擾，因此會增加輸電線路的額外有功損耗，造成功率因素較低。所以本研究下一步的工作是需要嚴格控制諧波量的指標，克服與補償電容并網(wǎng)工作時產(chǎn)生的諧波放大現(xiàn)象，將諧波的影響降低到最低。

［1］成建生.基于電力線通信模式的LON控制器的設計［J］.電測與儀表，2011，48(4):86～89.

［2］楊帥，薛嵐.采用LonWorks電力載波技術的控制器［J］.低壓電器，2011，(13):41～44.

［3］楊帥，薛嵐.基于中斷方式LON節(jié)點處理器SPI接口設計 ［J］.自動化與儀表，2008，23(11):19～22.

［4］姜亞南，楊帥，魏天勇等.基于電力線通信技術的城市路燈節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)［J］.水電能源科學，2011，29(9):161～163.