變電站照明智能控制系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)

梁海生，王紫雷，劉 鑫，王夢(mèng)薇

(國(guó)網(wǎng)上海市電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,上海 200002)

0 引言

經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展背景下，工業(yè)用電量與生活用電量激增，變電站的工作壓力隨之攀升。根據(jù)歷年數(shù)據(jù)可知，截止到2016年年底，全社會(huì)用電量比上一年度增加了5%左右，已經(jīng)突破了59 000億千瓦時(shí)?？梢娊?jīng)濟(jì)繁榮的背后，能源消耗總量正在不斷攀升，影響著國(guó)家的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展[1]。為了進(jìn)一步改善全社會(huì)用電量較大這一問題，針對(duì)變電站而言，必須節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)變電站照明智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)依靠現(xiàn)有的先進(jìn)科技，設(shè)定控制系統(tǒng)硬件與軟件的工作程序，以此實(shí)現(xiàn)變電站的整體節(jié)能，為國(guó)家的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展貢獻(xiàn)一份力量。

1 變電站照明智能控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 替換DC-DC變換器

現(xiàn)有照明系統(tǒng)中的DC-DC變換器采用單向工作模式。變換器中的能量受功率傳輸二極管的影響只能單向流動(dòng)，限制了能量的反向流通，因此也限制了其在能量雙向流動(dòng)場(chǎng)合的使用。如果節(jié)能照明系統(tǒng)保留原有系統(tǒng)中的單向DC-DC變換器，通過反并聯(lián)的方式搭建單向DC-DC變換器A和變換器B，那么過多的器件會(huì)加重照明系統(tǒng)電路的復(fù)雜程度。其中，變換器A用于處理端口之間的能量流動(dòng)，變換器B用于處理能量反向流動(dòng)。因此，本次研究采用雙向DC-DC變換器替代2個(gè)單向的DC-DC變換器，實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)[2]。雙向DC-DC變換器功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 雙向DC-DC變換器功能結(jié)構(gòu)圖

圖1中：I1、I2為流動(dòng)電流；W1、W2為能量流動(dòng)端口。雙向DC-DC變換器能夠在不改變其高壓側(cè)以及低壓側(cè)極性的情況下，僅通過改變變換器電流流動(dòng)方向，就實(shí)現(xiàn)能量雙向傳輸，使電流傳輸方向的切換更加迅速。該方法提升了系統(tǒng)閉環(huán)動(dòng)態(tài)響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)用電數(shù)據(jù)的及時(shí)處理[3]。

1.2 設(shè)計(jì)串口通信模塊

為了保證雙向DC-DC變換器的工作流暢性，重新設(shè)計(jì)照明系統(tǒng)的串口通信模塊。該模塊是無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，計(jì)算機(jī)、協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)以及LED照明之間的通信橋梁。計(jì)算機(jī)通過串口發(fā)送照明控制命令，并發(fā)送給協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，同時(shí)讀取變電站照明系統(tǒng)的光照度、溫度、變換目標(biāo)以及LED狀態(tài)等數(shù)據(jù)。串口通信模塊電路如圖2所示。

圖2 串口通信模塊電路圖

根據(jù)圖2可知，RS-232串行通信接口為芯片CC2530的USART0和USART1。其中：USART0采用異步UART模式；USART1采用同步串行外設(shè)接口(serial peripheral interface,SPI)模式。但芯片CC2530使用晶體管-晶體管邏輯(transistor transistor logic,TTL)電平，而設(shè)計(jì)的串口通信模塊遵循RS-232電平，因此二者之間不能直接接通。此次設(shè)計(jì)利用MAX232CSE芯片轉(zhuǎn)換電平，然后建立模塊之間的雙向通信模式。需要注意的是，選擇的MAX232CSE芯片外圍電路需要4個(gè)0.1 μF的小尺寸電荷電容。其中：飛電容用C1、C2表示；儲(chǔ)能電容用C3、C4表示[4]。至此，在替換DC-DC變換器的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了串口通信模塊，完成了對(duì)變電站節(jié)能照明系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。

2 變電站照明智能控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 變電站照明用電效用計(jì)算

變電站照明用電一般分為室內(nèi)照明用電與室外照明用電2個(gè)部分。因此，本文從靜態(tài)溫度效用與靜態(tài)時(shí)間效用函數(shù)入手，分析某個(gè)時(shí)間斷面上，變電站的找平溫度是否與電器工作狀態(tài)匹配。靜態(tài)溫度效用函數(shù)根據(jù)期望溫度與實(shí)際溫度之間的關(guān)系，量化變電站照明設(shè)備的工作溫度。其公式為：

(1)

當(dāng)Tt∈[T1,T2]時(shí)，效用值為1；當(dāng)TtT2時(shí)，在參數(shù)k的作用下，溫度效用值下降[5]。此時(shí)k∈(0,1)。參數(shù)k越小，則說明溫度效用值下降速度越快。再利用靜態(tài)時(shí)間效用函數(shù)，量化某一時(shí)刻下照明電器的運(yùn)行狀態(tài)，計(jì)算結(jié)果為：

(2)

靜態(tài)時(shí)間效用如圖3所示[6]。

圖3 靜態(tài)時(shí)間效用示意圖

根據(jù)上述計(jì)算，結(jié)合圖3中描述的靜態(tài)時(shí)間效用可知，[tmin,tmax]?[t1,t2]。當(dāng)用電設(shè)備關(guān)閉時(shí)，時(shí)間效用函數(shù)值為0；當(dāng)用電設(shè)備正常工作時(shí)，時(shí)間效用函數(shù)值為1。通過上述計(jì)算，確定變電站照明用電狀態(tài)。

2.2 構(gòu)建變電站節(jié)能照明模型

(3)

此時(shí)，若存在具有相同用電效果的電器，則需要進(jìn)行組合優(yōu)化。因此，根據(jù)上述設(shè)置的參數(shù)，在同一時(shí)刻區(qū)間內(nèi)，再次優(yōu)化上述目標(biāo)函數(shù)。

(4)

此時(shí)的變電站節(jié)能照明模型為：

(5)

式中：Bs()為在其時(shí)段內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)活動(dòng)狀態(tài)集合；t0～(t0+ta)為某個(gè)時(shí)段；db(t)為某時(shí)刻的運(yùn)行狀態(tài)；Db(t)為電站設(shè)備b在某時(shí)刻的運(yùn)行狀態(tài)；Cb,s(t)為某時(shí)刻、區(qū)域s內(nèi)，所有影響電路b用電效用的場(chǎng)景參數(shù)狀態(tài)集合；minHb(t0,t0+ta)為某時(shí)段內(nèi)最小電能消耗。

利用構(gòu)建的節(jié)能照明模型，控制變電站照明系統(tǒng)的工作狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)節(jié)約照明用電[8]。

2.3 基于智能控制的照明管控操作

基于智能控制技術(shù)，管控操作變電站照明模型。假設(shè)模型的管理公鑰為I，每個(gè)測(cè)控器的公鑰為K，照明設(shè)備的公鑰為G，模型的智能控制策略為φ，則存在：

(6)

式中:Iu為拓?fù)湫畔?；G(mi)為處于使用狀態(tài)的照明設(shè)備；I(ui)為管理中心；K(bi)為設(shè)備運(yùn)行信息；φ(hi)為權(quán)限；i=1,2,...,n,n為設(shè)備總數(shù)；←為映射。

要求：對(duì)于任意設(shè)備，有I←I∪Iu；如果u控制設(shè)備b，則K←K∪Kq，其中q表示測(cè)控器；刪除設(shè)備控制中心，如果設(shè)備b在u控制下，要求K←K∩Kn；獲取拓?fù)湫畔Iu,(Gm,K)]，(Gm,K)表示處于使用狀態(tài)的照明設(shè)備；添加訪問控制(Iu,Kb,s,φ)，如果設(shè)備b受u控制，則要求φ←φ∪φb1→bn；刪除管理中心I(un)，此時(shí)I←I∩Iu；刪除設(shè)備運(yùn)行信息，K←K∩Kb；撤銷權(quán)限，令φ←φ∩φb1→bn，若存在Iu∈I，則返回元組(u,b)；最后查詢權(quán)限并返回權(quán)限集合[9-10]。根據(jù)上述過程，利用公鑰控制模型的節(jié)能表示過程，并通過“添加訪問控制”操作，修改、阻止或者查詢照明系統(tǒng)的工作現(xiàn)狀。至此，在智能控制技術(shù)的應(yīng)用下，可實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站照明系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 仿真試驗(yàn)

仿真測(cè)試不能完全驗(yàn)證所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可行性和合理性，因此搭建一個(gè)小功率試驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行一次仿真試驗(yàn)。受基本測(cè)試條件限制，完全按照220 kV變電站直流照明系統(tǒng)參數(shù)搭設(shè)試驗(yàn)環(huán)境是較為困難的。因此，以合理的方式縮小電容容量和負(fù)載功率，通過小功率試驗(yàn)驗(yàn)證此次設(shè)計(jì)系統(tǒng)的節(jié)能效果。

3.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

選擇SPS公司生產(chǎn)的電容模組。該硬件額定電壓為220 V。電容模組基本參數(shù)如表1所示。

表1 電容模組基本參數(shù)

電容模組選擇完畢后，選擇照明負(fù)載。此次研究的照明系統(tǒng)以實(shí)驗(yàn)室燈箱為負(fù)載，要求該燈箱可以接入220 V的額定電壓，同時(shí)還可以接入不同功率的燈泡。通過改變燈泡接入情況，調(diào)節(jié)負(fù)載大小。結(jié)合此次研究目的，選擇穩(wěn)壓電容和電感，要求穩(wěn)壓電容的電容量為2 200 μF、最高工作電壓為450 V。電感則選擇5 mH的繞線電感，最大工作電流為5 A。然后，綜合考慮額定電壓、額定電流、開關(guān)頻率以及驅(qū)動(dòng)電壓等因素，選擇絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor,IGBT) SKM200GB124D作為開關(guān)元件。該開關(guān)可承受的最大電壓為1 200 V，最大電流為100 A，工作溫度范圍為40～115 ℃，具有低損耗和高耐壓值的特點(diǎn)。最后，選擇IGBT驅(qū)動(dòng)板，利用該板放大數(shù)字信號(hào)處理器(digital signal processor,DSP)脈沖輸出功率，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)IGBT的目的。

3.2 占空比測(cè)試

當(dāng)電容兩端電壓與設(shè)定的參考電壓近似時(shí)，系統(tǒng)輸出-9～+15V的低占空比波形。當(dāng)電容兩端電壓與設(shè)定的參考電壓之間的差值增大時(shí)，輸出的波形占空比也會(huì)隨之增大，從而實(shí)現(xiàn)升壓這一控制目的。不同升壓需求的占空比測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同升壓需求的占空比測(cè)試結(jié)果

根據(jù)圖4所示的測(cè)試結(jié)果可知，實(shí)際的低占空比波形和高占空比波形與預(yù)期占空比波形高度近似。因此，此次節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)的照明智能控制系統(tǒng)達(dá)到了效果預(yù)期。

3.3 負(fù)載電壓測(cè)試

為了進(jìn)一步驗(yàn)證此次研究系統(tǒng)的節(jié)能效果，通過改變燈箱接入電燈的方式來改變負(fù)載功率。因此，在系統(tǒng)中分別接入了50 W、100 W和150 W的燈泡作為負(fù)載。在仿真測(cè)試平臺(tái)模擬照明供電試驗(yàn)中，分析電容兩端電壓波形、負(fù)載兩端電壓波形，驗(yàn)證智能控制下的節(jié)能效果。不同負(fù)載下的電壓波形測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

根據(jù)圖5所示的三組測(cè)試結(jié)果可知，在智能控制下照明系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)壓輸出。對(duì)于不同的負(fù)載，在節(jié)能控制要求下，將穩(wěn)壓放電時(shí)間控制在605 s、264 s以及186 s之后，此時(shí)的占空比達(dá)到了極限值?？梢姶舜窝芯吭O(shè)計(jì)的照明智能控制系統(tǒng)具有節(jié)能輸出功能。

圖5 不同負(fù)載下的電壓波形測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)以傳統(tǒng)照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案為依據(jù)，通過改變系統(tǒng)硬件連接與軟件性能，強(qiáng)化了系統(tǒng)的節(jié)能效果。該設(shè)計(jì)還存在不足之處：照明應(yīng)用環(huán)境的變化可能影響試驗(yàn)效果。照明智能控制系統(tǒng)還可以進(jìn)一步優(yōu)化，提高其節(jié)能智能控制功能。