市政路燈照明電氣系統(tǒng)補(bǔ)償技術(shù)

胡艷平

（沈陽(yáng)市裝備制造工程學(xué)校，遼寧 沈陽(yáng) 110026）

路燈照明系統(tǒng)不但為人們的生活提供了巨大的便利，同時(shí)有助于美化城市環(huán)境，為人們的夜間出行提供保障，減少安全事故發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。不同城市的發(fā)展水平各不相同，對(duì)路燈照明的要求也有所差異。人口規(guī)模較小的中小型城市，受經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平影響，市政路燈照明系統(tǒng)的發(fā)展水平有待提高。因此，應(yīng)結(jié)合實(shí)際，采取有效措施，解決節(jié)能問(wèn)題。電氣系統(tǒng)補(bǔ)償技術(shù)具有較強(qiáng)的降能耗作用，通過(guò)電子器件發(fā)揮功能，采用自動(dòng)無(wú)功補(bǔ)償裝置減少能耗，保證市政路燈電能供應(yīng)質(zhì)量。另外，該項(xiàng)技術(shù)具有明顯的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，低功率狀態(tài)下也可以保證路燈的穩(wěn)定運(yùn)行，有助于避免剩余功率輸出導(dǎo)致的資源浪費(fèi)問(wèn)題。同時(shí)，采取科學(xué)合理的節(jié)能設(shè)計(jì)方法，加強(qiáng)對(duì)電源的控制，實(shí)現(xiàn)輸出功率和應(yīng)用功率的平衡，提高市政路燈的節(jié)能性與實(shí)用性。

1 電氣系統(tǒng)補(bǔ)償技術(shù)概述

1.1 概念

電氣系統(tǒng)補(bǔ)償技術(shù)也被稱(chēng)作功率補(bǔ)償技術(shù)，屬于一種新型節(jié)能技術(shù)，在使用過(guò)程中，主要借助電容器等裝置，實(shí)現(xiàn)電能形式的轉(zhuǎn)化，在此基礎(chǔ)上改變電網(wǎng)運(yùn)行的負(fù)荷功率。電能轉(zhuǎn)化時(shí)并不會(huì)消耗額外電能，有助于改善電網(wǎng)的電壓質(zhì)量，減少能耗，提高電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行效益。目前，該項(xiàng)技術(shù)多用于電氣自動(dòng)化系統(tǒng)，主要目的在于提高設(shè)備的電能使用效率。

通過(guò)該項(xiàng)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)中相關(guān)參數(shù)的有效控制，如電壓、電流等，為電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。通常情況下，電網(wǎng)的電力負(fù)荷與線路損耗程度呈負(fù)相關(guān)。因此，為提高電力運(yùn)行效率和負(fù)荷程度，減少電路的損耗十分必要［1］。對(duì)自動(dòng)化用電設(shè)備而言，電源的安裝與轉(zhuǎn)化，有助于促進(jìn)電功率的流動(dòng)，不但能保證電壓質(zhì)量，同時(shí)能優(yōu)化供電環(huán)境。將補(bǔ)償技術(shù)用于系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行電壓的有效控制，通過(guò)控制器滿足各項(xiàng)指令的要求。這一相互補(bǔ)償?shù)氖侄斡兄诒苊庾詣?dòng)化運(yùn)行時(shí)發(fā)生沖突，為電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。

1.2 應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

將補(bǔ)償技術(shù)應(yīng)用于市政路燈照明系統(tǒng)中具有明顯優(yōu)勢(shì)，不但可以保證照明系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)有助于減少電能輸送過(guò)程中的損耗，且不同的補(bǔ)償技術(shù)，其優(yōu)勢(shì)、特點(diǎn)各不相同。目前小型補(bǔ)償箱在市政路燈照明系統(tǒng)中應(yīng)用頻率較高，具有安裝簡(jiǎn)單、操作便捷等優(yōu)勢(shì)，能與電氣系統(tǒng)直接連接，且補(bǔ)償距離較短，有助于減少電能的消耗［2］。除此之外，補(bǔ)償箱設(shè)備間的連接十分簡(jiǎn)單，為后期維護(hù)管理提供便利。補(bǔ)償技術(shù)具有極高的應(yīng)用價(jià)值和優(yōu)勢(shì)，目前在市政路燈照明系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用不但有助于保證電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，同時(shí)也能延長(zhǎng)電氣系統(tǒng)的使用壽命，最大程度減少電能輸送時(shí)產(chǎn)生的能耗，進(jìn)而提高市政路燈的節(jié)能性，推動(dòng)城市可持續(xù)發(fā)展。

1.3 類(lèi)型

將補(bǔ)償技術(shù)用于市政路燈照明系統(tǒng)中，有助于降低能耗，提高照明效果，其主要方式包括單燈補(bǔ)償和集中補(bǔ)償。結(jié)合實(shí)際情況，如果三相或單相電源的燈具與實(shí)際不符，明顯低于正常范圍，應(yīng)采用專(zhuān)門(mén)的路燈變壓器，順利加載功率因數(shù)，同時(shí)在系統(tǒng)上進(jìn)行調(diào)節(jié)，利用三相或單相功率電容器進(jìn)行補(bǔ)償。

1）單燈補(bǔ)償技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)較為常用，主要指在路燈照明系統(tǒng)中配置專(zhuān)門(mén)的補(bǔ)償電容器，其系列型號(hào)較多，需結(jié)合應(yīng)用需求合理選擇。該項(xiàng)技術(shù)不但具備良好的照明效果，同時(shí)能顯著降低配電線路的電流，提高路燈照明系統(tǒng)的功率因數(shù)［3］。例如，采用400 W的高壓鈉燈，補(bǔ)償電容器和單燈連接前，功率因數(shù)和電流分別為0.42 A和4.5 A。與補(bǔ)償電容器連接后，功率因數(shù)與電流分別為0.92 A和2.20 A。通過(guò)單燈補(bǔ)償技術(shù)，電流較之前明顯降低，而功率因數(shù)顯著提高。另外，因?yàn)樵谡彰飨到y(tǒng)中設(shè)置電容器，配電柜、配電線路以及變壓器的性能也得到了明顯優(yōu)化，有效減少照明電路系統(tǒng)中的能源損耗。因此，單燈補(bǔ)償技術(shù)能滿足節(jié)約能耗的要求，且有助于提高相關(guān)電氣設(shè)備的使用效率，延長(zhǎng)使用壽命，為系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供了支持。雖然該項(xiàng)技術(shù)前期安裝及后期維護(hù)管理較為復(fù)雜，但對(duì)于提高系統(tǒng)照明效果及節(jié)能性具有重要作用。

2）集中補(bǔ)償技術(shù)。集中補(bǔ)償主要指在系統(tǒng)中安裝大功率無(wú)功補(bǔ)償?shù)娜嗟蛪弘娙萜鳌Ｔ擁?xiàng)技術(shù)不但操作便利，且后期維護(hù)管理簡(jiǎn)單，綜合成本較低，補(bǔ)償效果理想，有助于減少能源損耗。相較于單燈補(bǔ)償技術(shù)，集中補(bǔ)償技術(shù)更為便捷、高效，應(yīng)用頻率更高［4］。集中補(bǔ)償主要由平衡電網(wǎng)、并聯(lián)電容器等組成（見(jiàn)圖1），能顯著提高系統(tǒng)的功率因數(shù)。

圖1 集中補(bǔ)償電路

雖然集中補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)已得到廣泛認(rèn)可，但應(yīng)考慮多方面因素的影響，針對(duì)部分城市而言，單燈補(bǔ)償技術(shù)更能滿足照明系統(tǒng)的要求。以上兩種技術(shù)可應(yīng)用于路燈照明系統(tǒng)中，且對(duì)于提高線路利用率及減少能耗均具有明顯作用。通常情況下，針對(duì)已完成施工建設(shè)的市政路燈照明系統(tǒng)，采用集中補(bǔ)償技術(shù)的效果更為理想，且后期維護(hù)成本較低。當(dāng)系統(tǒng)使用對(duì)稱(chēng)三相負(fù)載，則需要采用三相補(bǔ)償設(shè)施進(jìn)行集中補(bǔ)償；如果為非對(duì)稱(chēng)三相復(fù)雜，多采用混合補(bǔ)償設(shè)施進(jìn)行補(bǔ)償，以提高應(yīng)用效果。針對(duì)新建市政路燈照明系統(tǒng)，單燈補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用效果較好，這一條件下操作便捷，能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)償，保證應(yīng)用效果［5］。

為提高市政路燈照明系統(tǒng)的補(bǔ)償效果，應(yīng)積極引進(jìn)前沿、先進(jìn)技術(shù)，注重技術(shù)創(chuàng)新。例如，可將自換相變流電路應(yīng)用于系統(tǒng)中，并采用靜止發(fā)生器，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)連續(xù)動(dòng)態(tài)化補(bǔ)償?shù)挠行Э刂疲?］。同時(shí)，還可以采用觸發(fā)晶閘管進(jìn)一步提高系統(tǒng)的補(bǔ)償效果，保證其具有良好的可控性，為系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供保障，減少故障發(fā)生概率。

2 無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)主要由一系列元件、設(shè)備構(gòu)成，具體包括開(kāi)關(guān)、雙向晶閘管、熔斷器、三相電容器等，如圖2所示。

圖2 無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為進(jìn)一步明確系統(tǒng)所需的無(wú)功功率，首先應(yīng)采樣供電系統(tǒng)中的相關(guān)參數(shù)，如三相電源電流值、電壓值，收集的信號(hào)及時(shí)遷移至控制器?；趯?duì)無(wú)功功率的準(zhǔn)確結(jié)算，控制器根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步確定電容器的實(shí)際投入量，將其作為主要指令，遷移至晶閘管并執(zhí)行指令。

2.2 控制電路設(shè)計(jì)

人機(jī)交互模塊是控制電路設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，主要設(shè)備為液晶顯示器，其型號(hào)為1602，能充分、直觀顯示系統(tǒng)檢測(cè)到的相關(guān)參數(shù)信息，如電流值、電壓值和功率因數(shù)等。該模塊與可調(diào)電位器連接，能對(duì)字體灰度進(jìn)行合理調(diào)節(jié)。

投切控制電路的設(shè)計(jì)?？刂破魇钦麄€(gè)系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的裝置，其作用為分析處理采樣信息，計(jì)算無(wú)功功率，之后明確投切電容器的數(shù)量，在此基礎(chǔ)上發(fā)送相應(yīng)指令［7］。在投切時(shí)如何使電容器避免電流沖擊是系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)關(guān)注的要素。為避免出現(xiàn)故障，應(yīng)確保晶閘管觸發(fā)電路互為獨(dú)立，避免其互相干擾，雖然存在切斷等情況，也能避免電流沖擊。路燈照明系統(tǒng)為人們的生活提供了巨大的便利，有助于美化城市環(huán)境，為人們夜間出行提供安全保障，減少安全事故發(fā)生。各地區(qū)城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平有所差異，且對(duì)路燈照明的要求各不相同。例如，中小城市的人口規(guī)模較小，且經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較低，需要加強(qiáng)市政路燈照明系統(tǒng)的建設(shè)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，應(yīng)充分結(jié)合城市發(fā)展實(shí)際，制定科學(xué)合理的設(shè)計(jì)方案，提高系統(tǒng)的節(jié)能性。對(duì)路燈照明系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，能耗補(bǔ)償設(shè)計(jì)是應(yīng)用頻率較高且有效的設(shè)計(jì)手段，運(yùn)用補(bǔ)償技術(shù)有助于降低能耗。而相應(yīng)的電子器件、設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)電路補(bǔ)償，例如，采用自動(dòng)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備可有效降低能耗，進(jìn)一步提高路燈的供應(yīng)水平，在額定功率下滿足其運(yùn)行要求。無(wú)功率損耗補(bǔ)償能保持路燈的低功率穩(wěn)定運(yùn)行，有助于避免能耗較大的問(wèn)題［8］。除此之外，還需要積極采用節(jié)能設(shè)計(jì)手段，加強(qiáng)對(duì)路燈電源的控制，保證輸出功率與應(yīng)用功率處于平衡狀態(tài)，避免發(fā)生燈具損壞等問(wèn)題。實(shí)際設(shè)計(jì)階段，應(yīng)做好投切控制電路芯片的選型工作，目前多采用MOC3061型號(hào)芯片，具有零觸發(fā)的特點(diǎn)，屬于一種光耦合芯片。通過(guò)傳輸脈沖信號(hào)，控制器能有效控制觸發(fā)晶閘管，這一過(guò)程中產(chǎn)生的信號(hào)通過(guò)芯片遷移至晶閘管模塊，之后由投切控制電路執(zhí)行相應(yīng)的指令。圖3為具體原理圖，電阻R1具有限制觸發(fā)器電流的作用，主要由系統(tǒng)電壓峰值和觸發(fā)器終端的重復(fù)沖擊電流峰值決定。R2為晶閘管的門(mén)極電阻，能強(qiáng)化抗干擾性能。R3和電容構(gòu)成浪涌吸收電路，能避免涌流電壓對(duì)晶閘管造成損壞。

圖3 雙向晶閘管控制電路原理

2.3 軟件設(shè)計(jì)

首先，有效值的采樣程序設(shè)計(jì)。系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)收集各相的信號(hào)，如電流、電壓信號(hào)，在互感器的作用下，將完成收集的信號(hào)進(jìn)一步轉(zhuǎn)換，之后經(jīng)濾波處理，將其轉(zhuǎn)化為有效值的直流信號(hào)，通過(guò)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)電路的轉(zhuǎn)換，將采集信號(hào)輸入至控制器分析處理［9］。

其次，功率因數(shù)采樣程序的設(shè)計(jì)。采樣單片機(jī)晶振，其頻率約11 MHz，運(yùn)行周期為0.02 ms。經(jīng)過(guò)定時(shí)器與中斷系統(tǒng)后，單片機(jī)可以有效檢出相關(guān)參數(shù)間的差異性，進(jìn)而對(duì)電流值、電壓值等進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)算，得到準(zhǔn)確的功率因數(shù)。采集電路信號(hào)的過(guò)程中，噪聲問(wèn)題十分常見(jiàn)，極易影響檢測(cè)結(jié)果。為進(jìn)一步提高檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，應(yīng)對(duì)獲取的信號(hào)實(shí)施濾波處理。目前應(yīng)用較為廣泛的方法為算術(shù)平均濾波法，但僅能在一定程度上減少噪聲的影響，無(wú)法根本解決問(wèn)題。為進(jìn)一步提高采樣的準(zhǔn)確性，以平均濾波法對(duì)其進(jìn)行分析，將脈寬計(jì)數(shù)值信號(hào)的最大值與最小值去除，對(duì)剩余數(shù)值進(jìn)行平均處理［10］。該方法有助于去除相對(duì)明顯的噪聲，使采樣值更為接近真實(shí)值。

最后，電容器投切程序的設(shè)計(jì)。對(duì)無(wú)功功率而言，如果系統(tǒng)存在欠補(bǔ)償情況，則無(wú)功功率為正，如果存在過(guò)償情況，無(wú)功功率為負(fù)。檢測(cè)獲得的無(wú)功功率為Qm，Qi為對(duì)應(yīng)組合的投切量。如果電容器未投入運(yùn)行，需要對(duì)其容量組合進(jìn)行檢測(cè)，明確差值合理的組合，將其應(yīng)用于設(shè)備中。如果該過(guò)程中電容器已處于應(yīng)用狀態(tài)，電容容量為Qt，系統(tǒng)值缺的總無(wú)功功率為Qz，對(duì)電容器組容量進(jìn)行搜索，尋找滿足差值最小的組合。

系統(tǒng)投切方法為：對(duì)應(yīng)投切的電容器數(shù)量進(jìn)行計(jì)算，如果需要投入的電容器已經(jīng)運(yùn)行，使其保持穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)便可；而無(wú)需投入的組合，應(yīng)及時(shí)退出運(yùn)行。實(shí)際工作時(shí)，應(yīng)根據(jù)上述流程合理選擇電容器組合。

3 結(jié)論

綜上所述，市政照明路燈系統(tǒng)為人們的日常生活提供了巨大的便利，在城市道路等基礎(chǔ)設(shè)施中普遍存在，因其數(shù)量繁多，能耗問(wèn)題十分嚴(yán)重。在節(jié)約型社會(huì)發(fā)展背景下，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)路燈照明系統(tǒng)能耗問(wèn)題的關(guān)注，積極引進(jìn)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)解決這一問(wèn)題。在電網(wǎng)功率因數(shù)與補(bǔ)償深度等方面，應(yīng)進(jìn)一步加大補(bǔ)償技術(shù)的推廣力度和研發(fā)力度，注重技術(shù)創(chuàng)新，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的節(jié)能性。