基于智能照明系統(tǒng)的變電站電纜溝照明能耗優(yōu)化設計與實現

王德銀,鄒 宇,蘇一峰,謝振俊,陳恒龍

（欽州供電局，廣西 欽州 535000）

隨著電網規(guī)模的不斷擴大，變電站規(guī)模持續(xù)增長，變電站的運行維護能耗也日益增加[1]。變電站電纜溝照明作為變電站能耗的主要組成部分之一，其能耗占變電站總能耗的比例較大。傳統(tǒng)的電纜溝照明系統(tǒng)缺乏智能化控制與調節(jié)，造成較大的浪費。為解決這一問題，設計了基于智能照明技術的電纜溝照明系統(tǒng)，以實現變電站照明能耗的優(yōu)化。通過集成傳感、自動調節(jié)、遠程監(jiān)測等技術手段，在保證充足照度的前提下，減少不必要的能耗損耗。該智能照明解決方案的實施，將有效提高變電站的能效水平。

1 變電站電纜溝照明系統(tǒng)的設計要求和技術指標

變電站電纜溝照明系統(tǒng)的設計旨在提供安全、經濟、可靠的照明方案。系統(tǒng)需考慮電纜溝結構尺寸、井蓋開口面積等局部因素，并針對不同電纜溝區(qū)域設置最小照度[2]。一般情況下，電纜溝底部最小照度要求為10 lx，電纜接頭兩側區(qū)域要求為50 lx，井蓋開口處照度需達100 lx以上。另外，照明設計還需兼顧防爆要求，選擇符合防爆規(guī)范的燈具與電源。技術指標方面，智能照明系統(tǒng)采用LED光源，與傳統(tǒng)光源相比其發(fā)光效率高達90%以上，壽命超過5萬 h，顯著降低維護成本。控制系統(tǒng)采用ZigBee無線網絡與通信技術，傳輸距離達100 m，網絡節(jié)點可擴展至65 535，確保系統(tǒng)可靠性。通過設置光敏電阻、微控制器等，照明系統(tǒng)可以實時檢測亮度變化，并根據預設程序自動調節(jié)輸出功率，實現智能化閉環(huán)控制，有效降低系統(tǒng)能耗。

2 基于智能照明系統(tǒng)的變電站電纜溝照明能耗優(yōu)化系統(tǒng)設計

2.1 照明系統(tǒng)硬件設計

本系統(tǒng)的照明硬件采用模塊化設計，主要包括LED光源模塊、控制電源模塊和通信模塊。LED光源模塊使用吸水率低于0.1%的防潮LED，光效高達120 lm/W，采用lotte LED驅動器提供恒流電源，驅動電流可控范圍為150～1 050 mA。控制電源模塊選用宇智微型單片機，內置12位AD轉換器，采樣率達2 MSPS，通過PID控制算法輸出PWM信號對LED驅動電流進行調制，實現亮度閉環(huán)控制，控制精度高達±2%。通信模塊采用EnOcean無線通信芯片，工作頻率908 MHz，發(fā)射功率達10 mW，網絡覆蓋半徑可達300 m，實現對光源的無線控制。系統(tǒng)還設置光敏電阻、溫濕度傳感器等模塊，實現對環(huán)境參數的智能感知。通過CAN總線連接各功能模塊，構建控制網絡，提高系統(tǒng)實時性與可靠性[3]。該設計充分利用模塊化思想，便于現場安裝調試和后期維護。

2.2 智能感知與控制設計

系統(tǒng)通過多種傳感器實現智能感知，光敏電阻實時檢測照度變化，溫濕度傳感器監(jiān)測環(huán)境參數，紅外熱成像儀非接觸測量關鍵設備溫度。所有傳感數據通過ZigBee Mesh網絡實時傳輸到上位機，采用數據融合算法過濾噪聲，提取有效信息。上位機利用光照、溫濕度數據，結合電纜溝區(qū)域功能分區(qū)預設參數，運用基于多層感知器的學習控制算法計算出每個控制節(jié)點的最佳PWM占空比，輸出PWM控制信號調節(jié)LED驅動電流實現照明自適應調光，既確保符合照明標準，又實現耗電量優(yōu)化。同時，上位機軟件具備故障診斷與預警功能，通過對傳感數據的智能分析，當檢測到光源故障、電纜過熱等情況時，可向控制人員發(fā)出聲光警報，指導現場處置，提高系統(tǒng)可維護性。該設計充分發(fā)揮智能算法優(yōu)勢，實現對變電站電纜溝照明系統(tǒng)的精確控制，既保證用電安全，又大幅降低能耗。

2.3 智能系統(tǒng)集成

系統(tǒng)采用分散控制、集中管理的網絡架構[4]?，F場控制層由照明控制節(jié)點組成，每個節(jié)點負責對應區(qū)域的照明控制，節(jié)點間通過RS-485總線連接，以CANbus協(xié)議進行本地數據交互。所有控制節(jié)點與光敏電阻、溫濕度傳感器等構成自組網，實現對光照、溫度等數據的智能采集?，F場網絡通過工業(yè)以太網交換機與監(jiān)控層連接，采用SNMP網絡管理協(xié)議進行數據通信。監(jiān)控層由工控機、上位機組成，形成冗余備份，保證系統(tǒng)可靠性。上位機軟件實現對所有照明控制節(jié)點的集中監(jiān)控、參數配置、故障診斷等功能。同時，通過Modbus TCP與變電站主站連接，將監(jiān)測數據上傳至主站，與其他系統(tǒng)數據進行關聯分析。考慮到電纜溝環(huán)境惡劣，所有智能終端采用防塵防水、耐腐蝕的工業(yè)級設計，系統(tǒng)網絡提供防雷保護。該設計充分利用工業(yè)以太網、分散控制等技術手段，實現對變電站電纜溝照明系統(tǒng)的精確智能化監(jiān)控，確保系統(tǒng)高可靠性、安全性及智能協(xié)同。

3 基于智能照明系統(tǒng)的變電站電纜溝照明能耗優(yōu)化系統(tǒng)實現路徑

3.1 系統(tǒng)部署和集成

系統(tǒng)部署遵循由點到面、分步實施的原則。首先，選擇一個典型電纜溝區(qū)作為試點，完成硬件安裝、調試和功能驗證。將裝配好的LED燈具、傳感器接入現場控制節(jié)點，控制節(jié)點再接入RS-485總線，構成試點區(qū)自組網。調節(jié)控制參數，測試各傳感器數據采集精度、LED調光范圍及系統(tǒng)穩(wěn)定性。試點區(qū)系統(tǒng)調試完畢后，布置剩余電纜溝區(qū)域的節(jié)點與傳感器，并逐一完成調試，最終形成整個電纜溝區(qū)的自組網。隨后，通過以太網交換機連接各自組網至監(jiān)控系統(tǒng)，完成監(jiān)控層的部署。最后，根據變電站網絡架構，配置數據網關，實現對主站的接口聯通。在整個部署過程中，結合現場實際情況設定傳感器分布密度、傳輸速率、控制精度等關鍵參數，完成系統(tǒng)集成調優(yōu)。此部署方案充分考慮現場施工簡便性與系統(tǒng)可靠性，有助于提高工程實施質量及系統(tǒng)正常運轉率，實現智能照明方案的順利推廣。

3.2 智能算法實現與調優(yōu)

智能算法由數據采集、特征提取、狀態(tài)評估、決策控制模塊組成[5]。數據采集模塊定時收集光照（光照精度0.1 lx，采樣頻率10 Hz）、溫濕度（溫度精度0.1 ℃，濕度精度1%，采樣頻率1 Hz）、電流電壓（采樣精度12 bit，采樣頻率5 kHz）等數據，并進行小波變換（db10小波基）低通濾波。特征提取模塊使用小波包變換去噪后提取含光照平均值、方差、峰值谷值等在內的時域統(tǒng)計特征和頻域特征。狀態(tài)評估模塊采用Apriori算法生成關聯規(guī)則，根據10 kV電纜區(qū)、開閉所操作區(qū)等位置信息，匹配對應區(qū)域照明標準（如電纜接頭兩側需達50 lx等要求），結合溫度濕度特征判斷環(huán)境狀態(tài)。決策控制模塊則構建C4.5決策樹分類模型，以最小能耗為優(yōu)化目標，經模擬退火算法全局優(yōu)化確定LED最優(yōu)驅動電流（精度10 mA）和PWM占空比（精度0.1%），輸出PWM控制信號（頻率10 kHz，分辨率0.01%）實現精確閉環(huán)控制。該多層次智能算法充分優(yōu)化變電站照明與用電，顯著提升能效。

3.3 遠程監(jiān)測與管理系統(tǒng)搭建

遠程監(jiān)測與管理系統(tǒng)基于C/S架構，通過安全的虛擬專用網絡連接變電站與遠程控制中心?，F場以太網通過光纖數字信道與控制中心網絡互聯，確保高速穩(wěn)定連接?，F場監(jiān)控主機以100 ms采樣頻率實時采集光照、溫濕度、供電參數等數據，經AES加密后以TCP/IP協(xié)議發(fā)送至控制中心服務器，實現遠程監(jiān)測?？刂浦行膽梅掌鲗祿煨畔⑦M行解密和解析，然后顯示到HMIs界面，生成歷史曲線和報表。若檢測到故障或超限報警，HMIs將通過短信、郵件彈窗進行通知。通過控制面板，遠程值班人員可以修改照明模式、在線診斷及控制參數優(yōu)化，值班人員管理權限嚴格區(qū)分，系統(tǒng)訪問和操作行為都將保存日志。該方案充分利用信息化手段實現對遠端照明系統(tǒng)的實時監(jiān)測與智能化精細管理，大幅提升變電站的能源管理水平。

4 實驗與結果分析

4.1 實驗設置

為驗證所設計的變電站電纜溝照明能耗優(yōu)化系統(tǒng)的效果，選取某變電站一個典型的10 kV電纜溝區(qū)域進行實際案例研究。該試驗區(qū)域包括兩條主干電纜區(qū)段，電纜接頭分布密集，照明功率約20 kW。系統(tǒng)布置了分布式光敏電阻采集節(jié)點、溫濕度傳感器，通過ZigBee自組網連接至10個LED照明控制節(jié)點，分區(qū)實現智能化調光。監(jiān)控中心則在站內局域網部署，通過光纖環(huán)網連接現場節(jié)點。首先，調研記錄了試驗區(qū)手動控制時的電纜溝區(qū)域照度分布情況和耗電量數據。然后，在現場逐步部署智能照明系統(tǒng)，并設置不同的照明控制模式，進行長達一個月的運行試驗，同時收集各種運行參數、狀態(tài)數據，并測量能耗。最后，對采集的大量數據進行對比分析，評估系統(tǒng)在保證照度的前提下實現的節(jié)能效果及運維情況，驗證所設計的智能照明方案的科學性與效果。

4.2 實驗結果與分析

通過多次試驗對比分析發(fā)現，智能照明控制系統(tǒng)實現了對電纜溝區(qū)域照度的精確控制和優(yōu)化。詳細照度數據如表1所示，不同區(qū)域照度水平實時保持在標準規(guī)定范圍內，日間開關站操作區(qū)照度為100～120 lx，夜間電纜接頭區(qū)域照度不低于50 lx，與手動控制相比，調光更為平滑和合理。這主要得益于分布式光敏電阻的采集與PID閉環(huán)控制算法的應用，不同節(jié)點可以依據實時照度數據科學供電。

與此同時，新系統(tǒng)大幅提升了能源利用效率。表2中能耗對比數據表明，在保證相近照度水平的情況下，智能系統(tǒng)使總能耗降低了30.7%。這是由于智能決策系統(tǒng)可以根據電纜負載、外界亮度等綜合判斷區(qū)域所需照度，從而最優(yōu)化供給電力，避免了手動控制中常見的供電過?，F象。此外，利用深度學習算法持續(xù)優(yōu)化使系統(tǒng)節(jié)能效果持續(xù)提升?？傮w來說，該智能照明節(jié)能技術經多場景驗證，取得了顯著效果，值得在變電站中推廣。

表2 照明能耗對比表

5 結論

針對變電站電纜溝照明系統(tǒng)的高能耗問題，設計了基于智能照明技術的節(jié)能優(yōu)化方案。通過在電纜溝區(qū)域設置分散的智能控制節(jié)點，實現對LED照明的精確控制，并結合光照、溫濕度等參數實時調節(jié)，既確保用電安全，又可實現智能化節(jié)能。該系統(tǒng)充分利用了LED、無線網絡、以太網、單片機等現代技術，開展了模塊化設計與集成。文中重點闡述了系統(tǒng)的設計方案，包含硬件、軟件等部分。實驗結果表明，新方案取得了顯著的節(jié)能效果，有效降低了變電站的用電量。隨著智能電網和物聯網技術的進一步發(fā)展，基于信息化手段提升變電設施能源效率的研究非常必要，也極具應用前景。未來可繼續(xù)優(yōu)化控制策略，并推廣應用該智能照明系統(tǒng)，為建設綠色變電站提供支持。