带远程监控的路灯照明 节电控制系统设计

0 引言
    照明是城市基础设施的组成部分，在城市的交通安全、社会治安、人民生活和市容风貌中居于举足轻重的地位，并发挥着不可替代的作用，也标志着城市实力和成熟的程度。现有的城市路灯70％以上使用的都是高压钠灯，其设计寿命为24 000小时(5年)。但是，由于电压波动大，许多地区的波动甚至超过额定电压的15％，特别是在后半夜，由于电负荷减少，使得电网电压有时接近245 V，高电压不但浪费了电能，还缩短了灯泡的使用寿命，事实上，现在城市路灯的实际使用寿命平均不到一年。
    目前，在供电电源端节能的方式主要有两种，一是采用半夜灯，二是采用调压方式。并夜灯是通过在下半夜关掉一部分照明灯的方法来达到节能，它具有简单易行的特点，缺点是道路照明不均匀，且无法解决下半夜电压高而影响光源寿命的问题，也不适用于商场、学校这些室内场所。而通过降低供电电压的方法不但可以节能，还可延长光源的寿命，是一种较好的节能方式。
    为此本文提供了一种基于C8051F310单片机的节电控制系统的设计方案，该系统能针对电网电压偏高和波动现象，并根据用户现场的实际需求，实时在线调控输出最佳照明工作电压，以将其稳定在允许的范围内，从而提高电力质量，节约照明用电，延长灯泡的使用寿命，十分适用于路灯、学校、商场等室内和室外的照明节电控制。

1 基本设计思路
    本文所设计的路灯控制器采用自耦变压器形式调整负载路灯的电压，自耦变压器的一、二次侧线圈不仅有磁的联系，还有电的联系，所以，在输出电压调节范围不大时，它的容量比较小，所以消耗的材料小，造价低，效率高，其最大的优点是克服了可控硅斩波型产品产生谐波的缺陷，实现了电压的正弦波输出，其结构和功能都很简单，可靠性也比较高。
    图1所示是一个路灯照明节电系统的基本框图。该路灯节电控制器要实现的基本设计思路是通过闭合在自耦变压器二次边不同变比的四个触点开关，使路灯两端电压在电网电压变化时(主要是夜间电网电压偏高时)能够自动稳定在一预设值。

    荧光灯是一种利用汞放电产生紫外辐射来激发荧光粉层而发光的低气压放电灯，是目前工厂、大厦、商场、机关、学校和家庭照明的一种主要电光源。表1给出了荧光灯的照度、寿命与电压的关系(令额定电压下的寿命为1)。

    由表1可知，若电网电压为额定电压220 V，采用90％额定电压供电时，灯具寿命可延长一倍，照度衰减7％。从人体视觉学可知，人的眼睛对光强度变化的感觉是按对数关系计算的，照度衰减7％，人的视觉能够感觉到光线变暗1．6％，此时节约电能19％，可以达到最佳能效比。如电网电压超过220 V，则节能率一般在20％以上。所以，90％额定电压为室内照明供电最优运行与节能电压。
1．1 触点开关设置方案
    由以上分析可知，90％的额定电压为路灯或室内照明最优运行与节能电压，即200伏。我国电网电压标准为220 V(-15％~+10％)，即电网电压的波动范围为187～242 V。假设电网电压在以上电压范围内波动，并设自耦变压器各路开关变比分别为a0、a1、a2、a3，那么，可以取电网波动的四个电压点来计算设定自耦变压器的变比，以使电网电压在这四个点的时候，变压器输出均为200V，这四个点为200V，210V，220V，230V。

  设旁路变比为1，即当电网电压为200 V时，其变比a0=1，则其他各路开关的变比为：a1=0．95，a2=0．90，a3=0．87。以这四个点为中心，我们可以把电压波动的范围分成4个段，如图2所示。设电网电压为X，输出电压为Y，变比为ax。

    由图2可知，其输出电压值的精度至少可达到94．3％。
    现以冬季为例需要为道路照明的时间为17：00至次日6：00。根据电压观测的结果，电网电压通常应稳定在220 V左右，但在半夜0：00至次日6：00，由于电网负荷小，电网电压会逐渐攀升至230 V。据此可以计算出节电率。其电压调整前的耗电量：
   
    通过计算可知，其节电率可达21％。
1．2 电压控制方案
    设输入电压为X，输出电压为Y；t时刻的电网输入电压为X(t)，触点开关跳变值为P，那么，可以先通过下式判断输入电压X处于上升阶段还是下降阶段：
   
    若某路在t时刻的输入电压大于(t-1)时刻的输入电压，则输入电压处于上升阶段。设定电压跳变值为P，即电压上升到P+2时。触点开关跳变。反之，若某路t时刻的输入电压小于(t-1)时刻的输入电压，则输入电压处于下降阶段，若设定电压跳变值为P，即电压下降到(P-2)时，触点开关跳变。
    其中，可以设定4 V的回差，以使电压在上升和下降两个阶段有两个不同的阈值。设置该回差是为了保证触点开关在输入电压波动频繁时不会随之出现频繁跳变。
1．3 采样方案
    针对该系统的电网电压幅值变化不是很快的特点，该路灯控制器的采样速度和采样精度的要求都不需要很高。而微控制器C8051F310自带的10位AD转换器本身的精度就能满足系统要求。信号经过AD转换之后，再由微处理器计算相应电压的有效值，并进一步进行判断即可。该设计结构简单、成本低，且足够满足采样速度和采样精度的要求。
    A/D转换器的转换精度，是由其参考电压和输出字段长度共同决定的。所谓转换精度是指一个A/D转换器可以对最小电压变化的监测能力。实际上，转换精度就是A／D转换器的最小步进电压，只需将MD转换器的参考电压与该转换器转换值的数量相除，就可以得到该电压值。
    由于C8051F330采用3．3 V作为基准电压，故其转换精度为3．3／1024，即3．22 mV，完全可以满足本系统的精度要求。
1．4 远程通讯控制方案
    远程通信是指多台路灯控制器与PC机之间的通信，便于用户对分布在各处的路灯控制器的状态进行监控，本系统通过C8051F310自带的UART口和PC机的串口进行通信，以将检测到的各种状态信息传给上位机(如电网的电压，A、B、C各相的电流，以及路灯控制器所处的各个状态等等)，而用户则可根据上位机的软件来选择要监控的路灯控制器，然后根据其状态来发出各种控制命令，如旁路或者选择节能所处的档位。
    鉴于采用的是一台PC机对多台路灯控制器的方式，故可采用侦听方式来规定其通信协议，即给每一台控制器分配一个通信地址。通信开始之前，主机先发送通信地址，每一台控制器都接收这个地址，然后与自身的地址相比较，地址匹配的路灯控制器开始与主机通信，其它的保持侦听状态。这样，用户就可方便地对任何一台控制器进行监控。
    综合考虑总线的传输距离和抗干扰能力等因素，本设计在控制板上采用RS-485接口，并采用差分方式传输信号，故其抗共模干扰的能力很强。

2 硬件设计
    本节电控制系统的硬件部分主要包括微处理机、电压检测电路、电流检测电路、触点开关驱动电路、时钟及通讯接口电路等。当电网电压经整流滤波电路被采集到微控制器后，微控制器将通过自带的AD转换电路进行AD转换，然后通过运算来确定此时需闭合的变压器副边开关位置，同时发出命令使相应继电器驱动与其对应的触点开关闭合，从而实现其基本功能。KEY电路包含外部的一些手动逻辑控制。图3所示是本系统的硬件电路框图。

2．1 电压检测电路
    本系统中的电压检测电路框图如图4所示。该电路中包括有各种信号调理电路。其电网电压经220 V／7．5 V变压器之后，再通过运放组成的比例放大器调整其幅值，然后通过全波整流电路将其变成直流，再经过RC滤波电路之后进入微控制器进行AD采样。

    电流检测电路的结构与电压检测电路基本相同，只不过电流是通过电流互感器之后，再转换成电压信号，其信号调理过程基本一致。

2．2 触点开关驱动电路
    图5所示是触点开关驱动电路的示意图。在图5中，微控制器的输出可通过驱动电路接到三极管，以控制其通和断，并由此来控制继电器线圈的通和断，再通过继电器控制自耦变压器触点开关的通和断。

2．3 通信接口电路
    本节电器和PC机的通信采取串口通信，使用的是微控制器的UART口，其中RX0为微控制器接收信号，Txo为微控制器发送信号。UART口通过专用的RS485芯片将信号发送到总线或从总线上接收信号。其电路图如图6所示。

    图中的光耦起到了隔离作用，用于防止微控制器被其它信号干扰，防雷一般采用的是瞬态二极管。

3 软件设计
    图7所示是本系统的软件结构流程图。当系统开机之后，微控制器首先初始化，然后启动内部定时器进行电流和电压采样。如果电流过流，控制器将使整个系统旁路，以免烧毁元器件，之后，微控制器再对采集到的电网电压进行分析，以判断自耦变压器应该处在什么档位。并结合PC机传给控制器的命令来综合分析应该采取的动作。

    通信程序应保障计算机与单片机之间的联系畅通并能实现多机通信。当开机之后，连接在总线上的每一台设备都将分配一个通信地址。计算机要与哪一台设备通信，可以通过控制界面进行选择，从而监控每台设备的信息，并可通过远程发送控制命令。此时，总线上的每台设备都接收到计算机发出的信息，而只有通信地址与信息中包含的地址相匹配的设备才可以做出相关的动作，同时获得向计算机发送自身状态信息的权利。

4 结束语
    实验表明，该节电装置实现起来简单方便，可靠性较好，通过在重庆机务段的广场照明实验，其节电率可达20％以上，基本符合理论计算的结果，可以满足节电照明的商业化要求，能实现长期安全可靠的运行。