智能風(fēng)/光/儲LED路燈控制系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

周習(xí)祥

(益陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程系，湖南 益陽 413049)

絕大多數(shù)國家的能源結(jié)構(gòu)具有明顯的高碳性，日益嚴(yán)重的能源短缺和環(huán)境污染問題使得以可再生能源為主的分布式發(fā)電系統(tǒng)(DGS)成為全球研究的重點(diǎn).由于風(fēng)電和光電輸出功率隨時間、季節(jié)和氣候變化而變化，因此發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率存在不連續(xù)、不穩(wěn)定和低密度等問題，導(dǎo)致分布式發(fā)電系統(tǒng)難以對孤島內(nèi)負(fù)荷進(jìn)行持續(xù)、穩(wěn)定的供電.國內(nèi)外研究重點(diǎn)主要集中于含風(fēng)/儲微網(wǎng)的配電網(wǎng)可靠性模型建立，風(fēng)/儲互補(bǔ)微網(wǎng)運(yùn)行方式設(shè)計[1]，LED路燈驅(qū)動電路設(shè)計、混合儲能設(shè)計和供電模式設(shè)計[2-4]，路燈控制系統(tǒng)設(shè)計[5-11].而對于在微網(wǎng)發(fā)生故障時如何保障微網(wǎng)負(fù)載安全可靠地運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)側(cè)負(fù)荷不間斷供電，同時，如何快速準(zhǔn)確地獲取故障信息并排除故障等的研究并不多.鑒于此，筆者擬以風(fēng)機(jī)、LED光源、太陽能電池板和蓄電池為監(jiān)測與控制對象，以風(fēng)光互補(bǔ)智能控制器為中心，設(shè)計無線智能分布式風(fēng)/光/儲LED路燈智能控制系統(tǒng)，通過控制中心PC機(jī)實(shí)現(xiàn)對風(fēng)/光/儲負(fù)載的智能監(jiān)測與控制.

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計

無線智能分布式風(fēng)/光/儲LED路燈智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(圖1)主要包括計算機(jī)監(jiān)測終端或手機(jī)監(jiān)測終端、上位機(jī)、無線模塊子節(jié)點(diǎn)、風(fēng)光互補(bǔ)智能控制器及其外圍電路.網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?圖2)主要包括網(wǎng)關(guān)和無線模塊子節(jié)點(diǎn).

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 System Structure

圖2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?Fig. 2 Network Topology

風(fēng)光互補(bǔ)智能控制器采用美國ATMEL公司的8位單片機(jī)ATMEGA32A工業(yè)級芯片為核心的測控電路，其外圍電路主要包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)三相電源輸入、風(fēng)力發(fā)電機(jī)剎車控制信號、光伏電池輸入、上位機(jī)或無線傳輸模塊、LED光源電壓輸出、鋰電池充放電控制和LED狀態(tài)顯示電路.智能控制器將監(jiān)測到的所有數(shù)據(jù)以數(shù)字信號的模式通過無線模塊子節(jié)點(diǎn)相互傳輸，傳輸頻段采用2.4G全球通用頻段，最終將所有信號傳遞給上位機(jī).但上位機(jī)不能直接讀取所有無線模塊的子節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)信息，所有子節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)信息都需通過同側(cè)直線上的無線模塊中繼轉(zhuǎn)發(fā)[4-8].如果某個路燈出現(xiàn)故障，導(dǎo)致該節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)端所有信號均不能通過它進(jìn)行傳輸而導(dǎo)致信號中斷，那么網(wǎng)關(guān)就不能通過直線連接訪問該節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)端的節(jié)點(diǎn)，此時，網(wǎng)關(guān)可啟動AODVjr-PB路由算法，通過洪泛(Flooding)機(jī)制查找一條至該子節(jié)點(diǎn)的最短路由.例如，節(jié)點(diǎn)A3出現(xiàn)故障，則網(wǎng)關(guān)可訪問路徑可以是“網(wǎng)關(guān)→A2→B3→A4及其后續(xù)節(jié)點(diǎn)”.上位機(jī)內(nèi)安裝移動物聯(lián)網(wǎng)卡，以GPRS信號模式將信號傳遞給PC監(jiān)測終端或手機(jī)監(jiān)測終端.

2 控制系統(tǒng)硬件、軟件設(shè)計

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

硬件電路核心是ATMEGA32-AU，它是一塊低功耗8位AVR CMOS微控制器，具有先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)，有獨(dú)立鎖定位的可選Boot代碼區(qū)，可通過片上Boot程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程，同時配有1 024 byte的只讀E2PROM，2 kbyte的片內(nèi)SRAM，可以實(shí)現(xiàn)用戶程序的加密.控制器有32個可編程I/O接口，數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS/MHZ.

硬件電路主要包括多通道切換電路、高精度A/D轉(zhuǎn)換器、多通道采樣保持器AD7753、RS-485通訊控制邏輯電路、顯示電路、8路I/O輸入輸出電路、撥碼開關(guān)電路、鍵盤處理電路、手自動切換電路、時鐘電路、預(yù)案存儲電路、電源及其他電路等.硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖及控制關(guān)系如圖3所示.

圖3 硬件結(jié)構(gòu)框圖及控制關(guān)系Fig. 3 Hardware Structure Block Diagram and Control Relationship

2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(圖4)通過霍爾傳感器和電阻測試網(wǎng)絡(luò)采集光伏電池、風(fēng)機(jī)、鋰電池、負(fù)載的電流與電壓，并對數(shù)據(jù)采樣保持，由A/D轉(zhuǎn)換后輸送給單片機(jī)，單片機(jī)通過運(yùn)算處理后控制外部LED顯示器顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)，將數(shù)據(jù)通過通訊控制邏輯電路以GPRS發(fā)送給控制中心，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控.

圖4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)Fig.4 Data Acquisition System

2.3 通訊電路設(shè)計

系統(tǒng)通訊電路采用SIM300GSM/GPRS通訊模塊，能為語音、短信息和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等提供無線接口，它集成了完整的射頻電路和GSM基帶處理器.

2.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件流程包括智能控制器軟件流程(圖5)和控制中心PC機(jī)軟件流程(圖6).

圖5 智能控制器軟件流程Fig. 5 Software Flow Chart of Intelligent Controller

圖6 控制中心PC機(jī)軟件流程Fig. 6 Flow Chart of Control Center PC Software

3 系統(tǒng)安裝與測試

現(xiàn)場搭建無線智能風(fēng)/光/儲LED路燈控制系統(tǒng)(圖7).打開PC機(jī)控制界面，對路燈進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖8所示.由圖8可以看出，系統(tǒng)可以查看路燈(路燈基本信息和部件信息)和上位機(jī)(基本信息和調(diào)度歷史)等的詳情.

圖7 無線智能風(fēng)/光/儲LED路燈監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場安裝Fig. 7 Installation Intelligent Wireless of Wind/Light/Storage LED Street Lamp Monitoring System

圖8 路燈和上位機(jī)詳情Fig. 8 Street Lamp and PC Details

路燈工況詳細(xì)參數(shù)(圖9)通過智能控制器分析處理后，由上位機(jī)傳送給控制中心，控制中心PC機(jī)可遠(yuǎn)程實(shí)時讀取路燈的相關(guān)參數(shù)并遠(yuǎn)程控制.路燈工況的主要參數(shù)包括風(fēng)機(jī)參數(shù)(風(fēng)機(jī)瞬時轉(zhuǎn)速、風(fēng)機(jī)輸出電流、累計發(fā)電量、昨日發(fā)電量、高閥值、低閥值和狀態(tài)位)，太陽能板參數(shù)(輸出電壓、輸出電流、累計發(fā)電量、昨日發(fā)電量、弱光閥值、環(huán)境光狀態(tài)和充電狀態(tài))，蓄電池參數(shù)(電壓和虧電狀態(tài))，光源參數(shù)(亮燈時段、亮燈百分比、調(diào)光系數(shù)、亮燈參數(shù)、功率、累計用電量和狀態(tài)位)，異常情況顯示(光源、風(fēng)機(jī)、太陽能板和蓄電池).

圖9 路燈工況Fig. 9 Street Lamp Condition

4 結(jié)語

以風(fēng)/光/儲LED路燈為監(jiān)測與控制對象，以風(fēng)光互補(bǔ)智能控制器為監(jiān)測中心，利用無線模塊和上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過控制中心PC機(jī)實(shí)現(xiàn)對風(fēng)/光/儲負(fù)載的智能監(jiān)測與控制.但由于目前風(fēng)/光/儲LED路燈基本以獨(dú)立微網(wǎng)為主，當(dāng)遇到連續(xù)無風(fēng)、陰雨天氣時，會導(dǎo)致路燈無法正常工作，當(dāng)遇到大風(fēng)、晴天天氣時，又會造成能源浪費(fèi)；因此，如果微網(wǎng)采用并網(wǎng)模式，就既能充分利用微網(wǎng)能源，又能保證微網(wǎng)不間斷供電.這是路燈控制系統(tǒng)研究亟待解決的問題，也是下一步研究的重點(diǎn).