基于節(jié)能降耗的變電站電氣三維照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：變電站的電氣三維照明系統(tǒng)節(jié)能效果較差，照明能耗較高，為此設(shè)計(jì)了基于節(jié)能降耗的變電站電氣三維照明系統(tǒng)。在系統(tǒng)硬件方面，對光感器、控制器和照明設(shè)備進(jìn)行選型與設(shè)計(jì)；在系統(tǒng)軟件方面，采用節(jié)能降耗技術(shù)進(jìn)行光照設(shè)計(jì)，自適應(yīng)調(diào)控照明設(shè)備光通量，并通過對光學(xué)擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的變電站電氣三維照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)。試驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)用設(shè)計(jì)系統(tǒng)后，能夠有效降低變電站電氣照明能耗，具有良好的節(jié)能效果。

關(guān)鍵詞：節(jié)能降耗；變電站；電氣；照明

中圖分類號：TV735 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）11-0217-04

Design of Electrical 3D Lighting System for Substation Based on Energy Conservation and Consumption Reduction

GUI Xiaochun

（Shanghai Dongjie Electric Power Design Co.， Ltd.， Shanghai 201203， China）

Abstract： The energy-saving effect of the electrical 3D lighting system in the substation is poor， and the lighting energy consumption is high. Therefore， a substation electrical 3D lighting system based on energy conservation and consumption reduction has been designed. In terms of system hardware， the selection and design of light sensors， controllers and lighting equipment are carried out; In terms of system software， energy-saving and consumption reducing technologies are adopted for lighting design， the light flux of lighting equipment is adjusted adaptively， and through optical expansion， energy conservation and consumption reduction reducing substation electrical 3D lighting system design is achieved. The experimental results show that the application of the design system can effectively reduce the energy consumption of electrical lighting in substations and has a good energy-saving effect.

Keywords： energy conservation and consumption reduction; substation; electrical; lighting

照明系統(tǒng)是變電站中能耗較大的部分之一。三維照明系統(tǒng)是一種用于創(chuàng)建三維立體視覺效果的照明技術(shù)。其使用多個光源和復(fù)雜的照明布局，模擬自然光在物體上產(chǎn)生的陰影、高光和反射等效果，從而創(chuàng)造出更加清晰的視覺體驗(yàn)。目前，三維照明系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于電力領(lǐng)域，成為變電站電氣系統(tǒng)中重要組成部分。變電站電氣三維照明系統(tǒng)主要采用傳統(tǒng)的光源和照明方式，如白熾燈、熒光燈等，不僅能耗高，而且壽命較短，維修成本較高。此外，傳統(tǒng)的照明方式常缺乏合理的布局和優(yōu)化的控制策略，導(dǎo)致照明效果不佳，且易造成光污染和能源浪費(fèi)。如何通過改進(jìn)照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)和控制方式來實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問題，為此設(shè)計(jì)基于節(jié)能降耗的變電站電氣三維照明系統(tǒng)。

1 基于節(jié)能降耗的變電站電氣三維照明系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于節(jié)能降耗的變電站電氣三維照明系統(tǒng)硬件主要由光感器、控制器及照明燈具組成，如圖1所示。

光感器在系統(tǒng)中主要作用是感知變電站電氣環(huán)境的光照情況；控制器在系統(tǒng)中主要作用是控制系統(tǒng)所有硬件執(zhí)行電氣三維照明指令，最終通過照明設(shè)備實(shí)現(xiàn)對變電站電氣三維照明。

1.1 光感器選型與設(shè)計(jì)

基于節(jié)能降耗的變電站電氣三維照明系統(tǒng)中的光感器是節(jié)能減排的關(guān)鍵設(shè)備，工作原理是檢測變電站中電氣設(shè)備，并在不同時刻對其進(jìn)行適當(dāng)?shù)墓庹誟1]。光感器由探測器和感應(yīng)器組成，探測器被安置在變電站的頂部，感應(yīng)器會設(shè)置一個特定的發(fā)光時間，當(dāng)燈光亮起的時候，感應(yīng)器會在2 s后再次感應(yīng)是否有電氣設(shè)備，如果有電氣設(shè)備，就保持燈光亮起，如果沒有電氣設(shè)備，就會立刻關(guān)閉燈光，從而節(jié)約變電站電氣照明能耗[2]。根據(jù)需求，系統(tǒng)采用型號為KHFA-A4F88光感器，將其臨界光亮度設(shè)置為75 cd/m3，有效時間設(shè)定為250 s，測感有效距離為150 m，通道數(shù)據(jù)為4個，為保證光感器數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，再設(shè)定

4個替補(bǔ)通道。光感器與系統(tǒng)間的通信協(xié)議采用傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際互聯(lián)協(xié)議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）協(xié)議。

1.2 控制器選型與設(shè)計(jì)

在變電站內(nèi)，精確識別與執(zhí)行光感器和照明設(shè)備發(fā)出的照明命令十分關(guān)鍵。為此，系統(tǒng)通過控制器來控制變電站內(nèi)的電氣三維照明。為獲得較好的控制效果，選擇由總線、控制閥、各種元件以及對角線組成的電氣安裝總線（Electrical Installation Bus，EIB）控制器[3]。總線使用二進(jìn)制媒質(zhì)，靈敏度高，可以識別并控制任何強(qiáng)度的信號。該控制器采用串并聯(lián)的方式將控制器接入系統(tǒng)電源總線，控制器供電電源為24 V，工作功率為2.5 W，將其控制頻率設(shè)置為每秒750次。

1.3 照明設(shè)備選型與設(shè)計(jì)

基于節(jié)能降耗的變電站電氣三維照明系統(tǒng)照明設(shè)備采用型號為IHFA-A5F98投影方棒照明設(shè)備，其主要由光源和方棒組成。光源采用直流高壓汞燈，方棒的功能是均衡設(shè)備發(fā)出的光源，使光源發(fā)出的光斑變?yōu)榫鶆虻娜S光斑。光源發(fā)出的光線需要分時進(jìn)入方棒，采用OUFASU-A7F8合色棱鏡將來自不同方向的光線導(dǎo)入方棒，合色棱鏡要求入射光是在一定的小角度光線或者平行光，如果采用一個大孔徑的透鏡將光源發(fā)出的光線轉(zhuǎn)換為小角度光線或者平行光較為困難[4]，因此系統(tǒng)采用混合聚光方式，使用透鏡將小角度光線折射轉(zhuǎn)換為平行光線，將大角度光線使用反射轉(zhuǎn)換為平行光線。在每個照明設(shè)備的光源上安裝一個準(zhǔn)直鏡，將照明設(shè)備發(fā)射的光線初步收集和準(zhǔn)直，再利用聚焦透鏡將準(zhǔn)直的光線導(dǎo)入方棒，最終發(fā)射出均勻的光斑。

2 基于節(jié)能降耗的變電站電氣三維照明系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 節(jié)能降耗的光照設(shè)計(jì)

基于節(jié)能降耗的變電站電氣三維照明系統(tǒng)軟件方面采用節(jié)能降耗技術(shù)，根據(jù)變電站電氣照明需求，自適應(yīng)控制電氣照明的光通量，以此降低變電站電氣照明的能源消耗，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。為有效地減少系統(tǒng)的能耗，需要合理布設(shè)變壓器的位置，縮短變壓器與照明設(shè)備之間的距離。此外，積極探索可再生能源的利用，通過一定的技術(shù)轉(zhuǎn)換，將這些清潔能源融入照明系統(tǒng)，以進(jìn)一步提升系統(tǒng)的能效和環(huán)保性。

設(shè)計(jì)系統(tǒng)節(jié)能降耗的關(guān)鍵在于光照的設(shè)計(jì)，合理確定變電站電氣三維照明的光通量[5]。變電站電氣空間受內(nèi)部格局的空間影響，照明量有所差異，因此要根據(jù)每一個電器裝置所需的照度，控制每一個燈具的照明亮度，從而獲得最好的照明效果，并實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗[6]。假設(shè)變電站電氣設(shè)備在一個三維坐標(biāo)系中，將變電站內(nèi)電氣設(shè)備的具體屬性按照一定的規(guī)則進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以此統(tǒng)一數(shù)據(jù)形式，根據(jù)電氣設(shè)備距離照明設(shè)備的距離等確定照明強(qiáng)度，其計(jì)算公式為

（1）

式中：g為變電站電氣照明光通量；F為變電站空間內(nèi)高度與照明設(shè)備高度的比值；G為變電站電氣設(shè)備與照明設(shè)備光源的距離；s為變電站面積[7]。通常情況下，只有照明設(shè)備發(fā)出的光線與折射的光線呈直角時，空間內(nèi)的照明效率達(dá)到最高，因此確定光通量后，為最優(yōu)化變電站空間內(nèi)三維照明效率，需約束光照角度，其用公式表示為

α=e cosα（2）

式中：α為三維照明設(shè)備散發(fā)出的光線與折射光線的角度；e為變電站空間內(nèi)各個電氣設(shè)備的位置點(diǎn)。將式（1）與式（2）作為控制器輸入向量，以此自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)照明設(shè)備的光通量，以及約束光線與折射光線角度，降低系統(tǒng)能耗。

2.2 光學(xué)擴(kuò)展的三維照明

照明設(shè)備發(fā)出的光為二維平面光線，而設(shè)計(jì)系統(tǒng)為三維照明設(shè)備，需要通過對照明設(shè)備發(fā)出的光線進(jìn)行光學(xué)擴(kuò)展，將二維轉(zhuǎn)換為三維，從而實(shí)現(xiàn)變電站電氣的三維照明。在理想光學(xué)系統(tǒng)的光線傳輸過程中，遵循能量守恒定量，并且當(dāng)光學(xué)元件的能量大于光束能量時，此時光束全部通過光學(xué)系統(tǒng)，能量利用率達(dá)到最高[8]。因此，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的照明光源的能量利用率主要受光學(xué)擴(kuò)展影響。在本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中引入光學(xué)擴(kuò)展量，根據(jù)已有的照明光學(xué)擴(kuò)展量大小，設(shè)計(jì)光學(xué)聚焦參數(shù)，將二維光線轉(zhuǎn)換為三維。系統(tǒng)的光調(diào)制器決定了光線排列方式，光調(diào)制器的光學(xué)擴(kuò)展量計(jì)算公式為

DDMD=gπAsinβ（3）

式中：DDMD為光調(diào)制器的光學(xué)擴(kuò)展量；A為光調(diào)制面積；β為光線的偏轉(zhuǎn)角。光線輸入光調(diào)制器后通過轉(zhuǎn)換其排列方式，再輸入方棒，由方棒將轉(zhuǎn)換后的光線均勻輸出。光調(diào)制器的光學(xué)擴(kuò)展量與方棒的光學(xué)擴(kuò)展量的關(guān)系為

（4）

式中：RRGT為方棒光學(xué)擴(kuò)展量；為方棒端面的長度；h為方棒端面的寬度；ε為方棒出射端光線被光調(diào)制器利用的最大出射角。方棒端面的寬度和長度已知，只有調(diào)整方棒出射端光線被光調(diào)制器利用的最大出射角，才能使方棒光學(xué)擴(kuò)展量與光調(diào)制器光學(xué)擴(kuò)展量相同，根據(jù)式（4）可以得到方棒出射端光線的最大出射角，以此在Zemax軟件上三維模擬照明設(shè)備光路，將其轉(zhuǎn)換為理想的三維光學(xué)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)基于節(jié)能降耗的變電站電氣三維照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

3 試驗(yàn)論證

3.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備與設(shè)計(jì)

以某變電站為試驗(yàn)對象，該變電站共計(jì)16臺電氣設(shè)備，利用基于節(jié)能降耗的變電站電氣三維照明系統(tǒng)對該變電站電氣三維照明。為驗(yàn)證設(shè)計(jì)系統(tǒng)的功能性是否具有現(xiàn)實(shí)意義，進(jìn)行對比試驗(yàn)驗(yàn)證，選擇人防項(xiàng)目中的電氣照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)（現(xiàn)行系統(tǒng)1）、智能照明控制系統(tǒng)在電氣照明節(jié)能設(shè)計(jì)中的應(yīng)用（現(xiàn)行系統(tǒng)2）

與設(shè)計(jì)系統(tǒng)對比。在試驗(yàn)中采集變電站內(nèi)影響照明的相關(guān)數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)分析，確定電氣三維照明參數(shù)，系統(tǒng)應(yīng)用時間為70 d。試驗(yàn)準(zhǔn)備了光感器和控制器各1臺，照明設(shè)備10臺，將其安裝到相應(yīng)的位置上，組裝好系統(tǒng)軟硬件后，開展系統(tǒng)應(yīng)用測試試驗(yàn)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

試驗(yàn)以變電站電氣照明能源損耗為系統(tǒng)節(jié)能性評價指標(biāo)，使用表格統(tǒng)計(jì)70 d內(nèi)3種系統(tǒng)能源損耗，具體如表1所示。

如表1所示，該變電站電氣照明應(yīng)用70 d設(shè)計(jì)系統(tǒng)的能耗為1 025.46 kJ，應(yīng)用70 d現(xiàn)行系統(tǒng)1的能耗為1 465.27 kJ，應(yīng)用70 d現(xiàn)行系統(tǒng)2的能耗為1 502.34 kJ，設(shè)計(jì)文方法能耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于兩種現(xiàn)行系統(tǒng)。由此說明，設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有良好的節(jié)能效果，在變電站電氣照明方面具有絕對的優(yōu)勢。

4 結(jié)論

為解決能源消耗，將節(jié)能降耗技術(shù)應(yīng)用在變電站電氣三維照明中，設(shè)計(jì)基于節(jié)能降耗的變電站電氣三維照明系統(tǒng)。結(jié)合智能控制系統(tǒng)和動態(tài)調(diào)整優(yōu)化等技術(shù)手段，進(jìn)一步提升了三維照明系統(tǒng)的節(jié)能效果和適應(yīng)性。然而，在實(shí)際應(yīng)用過程中仍需注意一些問題，如設(shè)備選型、安裝調(diào)試、運(yùn)行維護(hù)等方面的細(xì)節(jié)問題需謹(jǐn)慎處理，以保障系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。未來，變電站照明系統(tǒng)會更加智能化，以更好地滿足能源效率、環(huán)境友好、安全可靠等需求，為變電站的可持續(xù)運(yùn)行提供更優(yōu)質(zhì)的支持。

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