基于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的變電站智能照明控制系統(tǒng)

劉汝琛 許湧平 肖旭亮

(中國能源建設集團山西省電力勘測設計院有限公司，山西 太原 030001)

1 照明發(fā)展階段介紹

1.1 綠色照明

“綠色照明”是20世紀90年代初由美國國家環(huán)保局提出的概念。指根據(jù)照明、通信等相關領域的知識，采用性能穩(wěn)定、安全的照明燈具，同時應保證其具有能效高、使用壽命長的特點。從而可以顯著提高工作場所、學校和家庭的照明條件，提高人們的生活質量，由此可以賦予現(xiàn)代照明系統(tǒng)安全、高效、經(jīng)濟、舒適的特點，是對節(jié)約電能、保護環(huán)境的照明系統(tǒng)的形象說法。

1.2 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設下的智能照明

隨著照明系統(tǒng)應用場合的不斷轉變，同時伴隨著諸如通信技術、計算機技術、自動控制技術的迅速發(fā)展，各學科之間的交叉配合也達到了一個嶄新的高度，應用情況也向著復雜的方向發(fā)展，單單依靠傳統(tǒng)的開關已無法達成所需要的控制目的，此時照明系統(tǒng)的控制也應隨之變化，以滿足實際需求，智能照明系統(tǒng)應需而生。智能照明系統(tǒng)的中央處理器能借助各個控制設備對各個區(qū)域的照明設備進行控制。

物聯(lián)網(wǎng)具有人、電力電網(wǎng)基礎設施和周圍環(huán)境感知、識別、控制、互聯(lián)的網(wǎng)絡系統(tǒng)。本質是將各種傳感設備、信息設備與通信通道相結合，進而形成具有自我感知、自我標識并可智能處理的物理實體。物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)各實體之間可以互通信息、協(xié)同運作，從而使相關物體之間形成相互感知、通信通聯(lián)，并反饋互聯(lián)控制，形成物體之間可以聯(lián)動的更加智能的體系。

智能照明控制系統(tǒng)通過網(wǎng)絡把照明燈具做到互聯(lián)互通，通過計算機控制軟件系統(tǒng)(或平板電腦控制系統(tǒng)、手機APP)對燈具實現(xiàn)智能控制。由此看來，智能照明系統(tǒng)正是泛在物聯(lián)網(wǎng)建設的重要一環(huán)。

2 智能照明發(fā)展現(xiàn)狀

2011年，國家電網(wǎng)公司正式提出“智能化變電站”的概念，要求新建、改建的變電站需采用高效光源和高效率節(jié)能燈具，并逐漸開始實現(xiàn)通過遠程后臺總機操作開、關燈具的功能。近年來，伴隨著諸如通信技術、計算機技術、自動控制技術的迅速發(fā)展，各學科之間的交叉配合也達到了一個嶄新的高度，具備“多終端控制、多模式工作”特點的智能照明系統(tǒng)應運而生，其功能也得到不斷的完善和擴充。智能照明技術具備的照明控制智能化、改善工作環(huán)境、場景變換靈活、延長燈具壽命、降低維修工作量等優(yōu)勢，不僅可以達到控制燈具便捷的要求，同時還起到了節(jié)約能源的效果。智能照明系統(tǒng)主要有以下三種控制方式：PLC電力線載波、ZigBee無線技術和總線(RS485)協(xié)議。

3 技術經(jīng)濟比較

3.1 技術性與經(jīng)濟性比較

3.1.1電力線載波通信

電力線載波通信(Power Line Communication)是電力系統(tǒng)特有的通信方式。是指利用輸電線路線材，將模擬信號和數(shù)字信號實現(xiàn)通過載波的方式高速傳輸?shù)募夹g。作為傳輸載波信號介質的電力線路，多為穩(wěn)定可靠的鋼芯鋁絞線或電力電纜。因此電力線載波通信方式具有傳輸信號穩(wěn)定可靠、路由分配合理等特點，同時，也是本文提到的三種主流控制方式中唯一的一種不需要額外線材投資的通信方式[1]。

電力線載波通信的原理是將待傳輸數(shù)據(jù)調制成擴頻信號或載波信號，然后使用耦合器將調制后的信號耦合到電力線路或不帶電的雙絞線上。電力線載波通信方式，不僅是一種實用的通信手段，而且還具備使用現(xiàn)有物理線材作為通信介質、易維護、易推廣和低成本的優(yōu)點，具有巨大的市場潛力和良好的應用前景。

電力線載波通信的核心問題，在于如何確保通過電力傳輸線路進行可靠的長距離通信，通過電力傳輸線路進行通信有以下幾種缺陷：由于配電變壓器對載波信號的阻隔作用導致信號只能在一個配電變壓器區(qū)域范圍內(nèi)傳送；電力線間歇性噪聲較大；由于交流電50 Hz的頻率，從而在每個交流周期中，會出現(xiàn)兩次峰值，兩次峰值會帶來兩次脈沖干擾；當電力線上的負荷很重時，線路阻抗可達1 Ω以下，從而造成對載波信號的高削減，所以當電力線上負荷的波動會直接影響電力線載波通信的能力。這些缺陷使通過電力傳輸線路通信這一方式存在一定的困難。其關鍵在于，需要專用的、功能強大的信號載波電路。對于如何有效利用低壓電力傳輸線路，開展基于電力線路的信息傳輸功能，目前已成為電氣學科和通信學科攻關的重要領域之一[2]。

一般地，通過電力線載波方式控制的智能照明系統(tǒng)主要包括：監(jiān)控(控制)中心、照明系統(tǒng)集中控制器和單燈控制器。其中，監(jiān)控(控制)中心與集中控制器間可以使用互聯(lián)網(wǎng)通聯(lián)，也可通過信號基站進行無線互聯(lián)。系統(tǒng)拓撲示意圖如圖1所示。

3.1.2ZigBee無線技術

具有成本低、功耗低、距離短、傳輸率低特點的無線通信設備在無線通訊市場中已長期存在，然而基于各種協(xié)議和標準的無線技術產(chǎn)品的售價一直居高不下，也就導致無線智能照明控制系統(tǒng)一直無法得到廣泛應用。直到2001年8月，ZigBee聯(lián)盟成立，改變了無線技術在包括智能照明領域在內(nèi)的多行業(yè)的普及情況。

基于ZigBee技術的針對控制無線燈具的解決方案有以下特點：

1)標準?；赯igBee技術的控制無線燈具解決方案，定義了包括感測設備、調光器和燈具開關的一系列規(guī)范。從而實現(xiàn)了來自不同廠商的硬件可以混用、通用，甚至互換，保證了眾多生產(chǎn)商的利益和用戶的硬件投入成本。

2)網(wǎng)絡。ZigBee網(wǎng)絡在全球范圍內(nèi)統(tǒng)一使用2.4 GHz的無線信號進行通訊，基于此技術的系統(tǒng)布設網(wǎng)絡、組網(wǎng)都非常靈活。系統(tǒng)中諸如感測設備、遙控設備、調光設備和燈具開關等硬件都可以作為系統(tǒng)網(wǎng)絡中的協(xié)調器和路由器。同時采用多通道通信，抗干擾能力和中繼能力相比早期的無線近場通信技術都有不同程度的增強。

3)自由。用戶可以在任何時候通過ZigBee的網(wǎng)絡協(xié)調器非常方便地任意組合或調整系統(tǒng)內(nèi)燈具和控制器之間的聯(lián)系、添加或刪除系統(tǒng)中的照明設備。

4)延伸。采用ZigBee網(wǎng)絡技術實現(xiàn)對燈具短距離無線網(wǎng)絡控制，是目前的發(fā)展趨勢，變電站場區(qū)內(nèi)的安防、照明、采暖等電器控制都會用到ZigBee控制網(wǎng)絡[3]。

但無線通信技術還是不免會受到同頻無線電干擾、建筑物遮擋及天氣狀況等影響通訊信號的強度，從而影響對燈具的有效控制。并且該控制方式需要將傳統(tǒng)的單火開關改為零火開關，即在單火開關的基礎上，增加布設零線才可使用。

典型的ZigBee無線智能照明控制系統(tǒng)拓撲圖見圖2。

3.1.3總線協(xié)議

總線(RS485)協(xié)議是美國電氣工業(yè)聯(lián)合會(EIA)指定的利用平衡雙絞線做傳輸線的多點通訊標準，依靠網(wǎng)線傳輸控制信號，采用平衡發(fā)送和差分接收的工作模式，具有抑制共模干擾的能力。工作方式為半雙工，即在任意時刻，有且僅有一個節(jié)點處于發(fā)送信息、信號的狀態(tài)。所以，需通過信號對發(fā)送電路進行控制，這樣使得多點互聯(lián)通訊更加方便、高效。應用總線(RS485)可以聯(lián)網(wǎng)構成分布式系統(tǒng)，最多允許并聯(lián)32臺設備。接收器最下靈敏度可達±200 mV，最大傳輸速率可達2.5 Mb/s。在理想環(huán)境下，理論通訊距離可以達到1 200 m，若距離更長，可通過加裝中繼器再生信號，實現(xiàn)遠程通信[4]。

相比于電力線載波通信控制方式，總線(RS485)控制方式中所有的控制模塊及控制主機都安裝在配電柜中，或安裝在配電柜旁專用控制箱中，現(xiàn)場原設計的配電柜需要加大，或配置單獨的智能控制柜，還需要在智能控制柜和配電柜之間通過管線來連接。而且若線路因老化、外部破壞等原因導致短路發(fā)生，故障位置排查十分困難。

使用網(wǎng)線的總線(RS485)控制方式的智能照明系統(tǒng)拓撲圖如圖3所示。

3.2 小結及適用范圍

使用電力線載波的控制方式，可以利用現(xiàn)有的電力線路網(wǎng)絡進行系統(tǒng)搭建，建設過程中線材的投入成本很低，可有效地節(jié)約資源，縮減建設單位的資金投入。適用于擁有較完備的電力線網(wǎng)絡且僅傳輸小碼流的控制命令的各類項目。

使用ZigBee無線通訊技術組建的無線照明智能控制系統(tǒng)網(wǎng)絡，搭建方便、組網(wǎng)靈活，功耗低，現(xiàn)場施工量小、施工成本低，可按照客戶環(huán)境決定采用局部或全部的無線通訊方式傳輸控制信號。并且可以實現(xiàn)遠程控制，特別地，若使用了移動蜂窩數(shù)據(jù)則可以實現(xiàn)對燈具全國范圍甚至全球范圍內(nèi)的超遠距離的控制。適用于小區(qū)域、無過多遮擋的各類項目。

總線(RS485)協(xié)議適用于對各類照明燈具控制穩(wěn)定性要求高、對系統(tǒng)架設采購、施工成本不敏感的項目[5]。

4 典型應用案例

一個新建的220 kV變電站，可以根據(jù)功能區(qū)域劃分為戶外配電裝置區(qū)域、主變區(qū)域、無功補償區(qū)域和主控樓區(qū)域。不同的區(qū)域有各自不同的照明需求，故智能照明系統(tǒng)應考慮足夠的靈活性和適應性，對光源科學選型、合理設置光源位置、分區(qū)及控制模式，利用智能照明控制系統(tǒng)，有效節(jié)約能源，延長燈具使用壽命，提高工作人員的工作效率和管理人員的控制效率。

該站采用RS485總線通信方式對整站各處所的照明燈具進行控制和監(jiān)控，通過多種控制方式合理有機組合，實現(xiàn)全站照明系統(tǒng)在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)下的智能照明控制。總線(RS485)控制方式中所有的控制模塊及控制主機安裝在各區(qū)域的配電柜或配電箱中，并通過屏蔽雙絞線將控制中心設置在主控樓計算機臺與各控制模塊(控制主機)聯(lián)系起來。

1)主控樓中的走廊及樓梯間內(nèi)的燈具采用就地開關控制+傳感器控制+智能調光的模式。傳感器不僅可以智能感應外界光線強度，同時可以通過紅外線感應工作人員是否在照明區(qū)域內(nèi)，從而可實現(xiàn)白天光線充足無論是否有人經(jīng)過，燈具均不工作；當夜間或光線昏暗時，人進入照明區(qū)域燈具正常工作，人離開后一段時間(時間可在控制器中設置整定)燈具調暗或熄滅。這樣，光照強度不充足及夜間，該區(qū)域燈具全時刻保持低功率運行，當有工作人員經(jīng)過時將燈具調整為全功率工作狀態(tài)，在節(jié)約能耗、延長燈具壽命的同時為工作人員提供便利。

2)全站戶外照明燈具及二次設備室、35 kV配電室均采用經(jīng)緯度控制+時間表控制+開關控制+分組控制的模式。運行管理人員可預先根據(jù)本站所處的經(jīng)緯度將全年該地區(qū)日出日落時間、巡檢人員夜間巡檢時間表分別輸入到主控樓控制中心電腦中，從而實現(xiàn)：

日落后30 min至22點，燈具全功率工作。

22點至次日凌晨4點，非巡檢時間段，燈具根據(jù)不同分組自動進入關閉狀態(tài)或50%功率運行狀態(tài)；巡檢時間段，所有燈具全功率工作。

次日凌晨4點至次日日出前30 min，非巡檢時間段，燈具根據(jù)不同分組自動進入關閉狀態(tài)或10%功率運行狀態(tài)；巡檢時間段，所有燈具全功率工作。某220 kV變電站分區(qū)照明示意圖見圖4。

5 結語

基于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的變電站智能照明系統(tǒng)通過將多種控制模式有機組合，實現(xiàn)燈具可在遠程操作或就地操作下多工況工作，不僅可以有效節(jié)能減排，延長燈具使用壽命并方便后期維護，便于運行管理人員對站內(nèi)燈具進行統(tǒng)一監(jiān)控、管理，而且有助于提高全站的照明質量，為現(xiàn)場操作人員提供一個安全、舒適的工作照明環(huán)境。