LED光源路燈的全直流照明系統(tǒng)檢測(cè)研究

邢長(zhǎng)海

鎮(zhèn)江市建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)中心有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212004

0 引言

當(dāng)前，路燈照明設(shè)施中，LED光源的應(yīng)用逐漸廣泛。與傳統(tǒng)的白熾燈相比，其能量消耗僅為白熾燈的1/10，與普通節(jié)能燈相比，也僅為其1/4左右，運(yùn)行能耗較低。同時(shí)，與環(huán)保號(hào)召相契合，LED光源內(nèi)不含有任何重金屬材料，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的無(wú)污染[1]。受自然環(huán)境影響，普通光源在長(zhǎng)期運(yùn)行狀態(tài)下會(huì)出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象，在夏季極易引起飛蟲(chóng)聚集，影響道路行人及車(chē)輛的安全行駛，而LED光源有效解決了這一問(wèn)題，其發(fā)出的光屬于“冷光源”，既可以避免飛蟲(chóng)掉落引起的不安全因素，也可以減少由于飛蟲(chóng)排泄物引起的燈源表面被遮擋，光源照明功能下降的問(wèn)題[2]。

在此基礎(chǔ)上，以LED光源路燈為基礎(chǔ)的直流照明系統(tǒng)開(kāi)始被關(guān)注，對(duì)于其的研究也不斷深入，并取得了一定的成績(jī)，在實(shí)際中得到了良好的運(yùn)用。但隨之而來(lái)的，一個(gè)新的問(wèn)題擺在了人們面前，那就是對(duì)于照明系統(tǒng)的檢測(cè)工作[3]。通常情況下，照明系統(tǒng)存在控制范圍廣、控制光源個(gè)體多的特點(diǎn)，因此對(duì)于照明系統(tǒng)的檢測(cè)也存在一定難度，如何準(zhǔn)確地檢測(cè)出其存在的故障信息，對(duì)于照明系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。

1 直流照明系統(tǒng)各區(qū)域故障特征

當(dāng)直流照明系統(tǒng)的輸電線路與母線均無(wú)故障時(shí)，系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)，母線電壓與線路電壓的次諧波幅值均為零，在這種條件下，高頻量可忽略不計(jì)，因此文章以直流輸電線路與母線為基礎(chǔ)，對(duì)系統(tǒng)故障時(shí)的特征進(jìn)行分析。

1.1 線路發(fā)生雙極短路故障特征

當(dāng)線路中距發(fā)生雙極短路故障時(shí)，根據(jù)基爾霍夫定律，通過(guò)FFT對(duì)線路與母線電壓分別進(jìn)行分析，當(dāng)短路時(shí)間與電流傳輸間隔時(shí)間相等時(shí)，系統(tǒng)電壓回路可表示為

式中：Uc為母線的等效電壓；Ud為線路的等效電壓；Lc為母線兩端的限流電抗器；ic為限流電抗器數(shù)量；ΔU為故障時(shí)的電壓突變量。

當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，Uc=Ud，此時(shí)，系統(tǒng)電壓回路可表示為

當(dāng)故障初始行波到達(dá)橋臂時(shí)，限流電抗器和橋臂電抗器將感應(yīng)出與電壓突變量數(shù)值相等、大小相反的感應(yīng)電壓，線路電壓和直流電壓均會(huì)迅速下降，并在下降過(guò)程中出現(xiàn)振蕩。通過(guò)式（1）和式（2）可知，線路電壓下降幅值較大，并有較多高頻分量；母線電壓雖然有迅速下降趨勢(shì)，但幅度較線路電壓小，且由于設(shè)有限流電抗器，高頻分量較線路電壓少。

1.2 母線發(fā)生雙極短路故障特征

當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)線路的母線發(fā)生雙極短路故障時(shí)，故障經(jīng)線路電抗器到達(dá)橋臂，母線電壓與線路電壓均迅速下降。此時(shí)，通過(guò)FFT頻譜分析，系統(tǒng)電壓為

從式（3）可以看出，母線電壓的下降趨勢(shì)呈現(xiàn)出階躍式，而線路電壓下降趨勢(shì)為非階躍式，其幅度小于母線電壓，并且母線電壓高頻分量相對(duì)較多，線路電壓低頻分量相對(duì)較多。

2 離散小波變換能量

在上述故障特征分析的基礎(chǔ)上，文章采用離散小波變換的方式，對(duì)系統(tǒng)故障時(shí)的能量情況進(jìn)行分析。文章在處理實(shí)際數(shù)值計(jì)算時(shí)，使用離散小波變換（DWT）對(duì)故障的特征量進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

設(shè)函數(shù)y(t)在空間內(nèi)可積，則函數(shù)的母小波函數(shù)滿足

式中：ξ( )為ξ?( )的共軛函數(shù)；γ為尺度因子；κ為時(shí)間中心，用于確定函數(shù)分析的時(shí)間位置。

對(duì)應(yīng)的DWT母小波函數(shù)表達(dá)式為

離散化的信號(hào)經(jīng)n層小波變換后，原信號(hào)被分解成低頻與高頻兩種信號(hào)，保留高頻信號(hào)，再將低頻信號(hào)進(jìn)行二次分解，以此往復(fù)。文章使用db4小波對(duì)信號(hào)進(jìn)行5層分解，提取分解信號(hào)中的高頻分量作為特征量，得到高頻總能量：

3 直流照明系統(tǒng)檢測(cè)

在通過(guò)DWT，將故障特征轉(zhuǎn)化為能量信息后，定義最高頻信號(hào)能量占總高頻信號(hào)能量比值為A，信號(hào)高頻總能量與低頻總能量比值為B，B越大說(shuō)明信號(hào)中高頻分量越多。采用線路與母線電壓的故障A、B作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，以實(shí)際A、B所對(duì)應(yīng)的故障類(lèi)型作為神經(jīng)元的輸出對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練。文章采用PNN實(shí)現(xiàn)故障數(shù)據(jù)的識(shí)別。

在PNN的輸出層，采用競(jìng)爭(zhēng)輸出的方式，為各輸入提供競(jìng)爭(zhēng)機(jī)會(huì)，將保留到最后的神經(jīng)元作為輸出結(jié)果，其徑向基傳遞函數(shù)為

文章采用線路與母線電壓瞬時(shí)故障能量特征參數(shù)組合成向量（A1，B1，A2，B2），作為PNN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入；采用母線單極故障、母線雙極故障、區(qū)內(nèi)線路單極故障、區(qū)內(nèi)線路雙極故障、區(qū)外故障這5個(gè)故障的A、B值作為輸出結(jié)果。首先用小波變換進(jìn)行故障特征量計(jì)算，生成PNN的輸入數(shù)據(jù)，然后通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最后得到系統(tǒng)的輸出結(jié)果。

4 試驗(yàn)測(cè)試

為了對(duì)所提方法的檢測(cè)性能進(jìn)行驗(yàn)證，文章進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試。同時(shí)，為了使試驗(yàn)結(jié)果具有更高的可靠性，分別采用秦嶺等[3]和黃英瓊[4]提出的方法作為對(duì)照組進(jìn)行試驗(yàn)（以下分別簡(jiǎn)稱為“A方法”和“B方法”），對(duì)比3種方法的試驗(yàn)結(jié)果。

4.1 試驗(yàn)環(huán)境

文章以某路段的直流照明系統(tǒng)作為試驗(yàn)對(duì)象，系統(tǒng)控制的照明線路總長(zhǎng)度為11.26 km，其中涉及LED光源路燈共計(jì)562個(gè)，系統(tǒng)采用的是半橋型子模塊換流器，換流器的4個(gè)端口均為MMC-HVDC。直流輸電線路兩側(cè)安裝0.25 H的限流電抗器；線路兩側(cè)分別安裝有混合式高壓直流斷路器，調(diào)制方式均為最近電平調(diào)制；換流變壓器均采用接地方式連接，架空輸電線路均采用相域頻變連接方式。在系統(tǒng)中分別輸入不同的故障信號(hào)，采用不同方法進(jìn)行檢測(cè)，并分析其檢測(cè)結(jié)果，以此判斷其有效性。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

在上述試驗(yàn)環(huán)境的基礎(chǔ)上，分別采用3種方法對(duì)系統(tǒng)故障的信號(hào)能量占比進(jìn)行檢測(cè)，具體檢測(cè)結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，在3種檢測(cè)方法下，A方法和B方法對(duì)于故障的檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際故障信息之間存在的差異較大，而通過(guò)觀察文章提出方法的檢測(cè)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，其與實(shí)際故障信息的差異始終穩(wěn)定在0.04%以下，具有較高的檢測(cè)精度和準(zhǔn)確度。這主要是因?yàn)樗岱椒ㄔ趯?duì)系統(tǒng)故障特征進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，將對(duì)故障的識(shí)別轉(zhuǎn)化為對(duì)能量的分析，以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)輸出結(jié)果進(jìn)行處理，提高了結(jié)果的可靠性。

表1 不同方法檢測(cè)的系統(tǒng)故障信號(hào)識(shí)別結(jié)果對(duì)比表

5 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)以及科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，路燈設(shè)施建設(shè)的先進(jìn)化程度不斷加深，通過(guò)現(xiàn)代化的技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈的控制成為一種主流趨勢(shì)。在此環(huán)境下，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)大范圍內(nèi)道路照明系統(tǒng)的準(zhǔn)確檢測(cè)，是提高照明系統(tǒng)應(yīng)用價(jià)值的重要問(wèn)題，對(duì)于快速有效地解決系統(tǒng)存在的故障具有重要意義。文章提出了LED光源路燈的直流照明系統(tǒng)檢測(cè)方法，為實(shí)際的照明系統(tǒng)檢測(cè)工作提供了一定的參考。