路灯与PLC自动控制系统

高压钠灯广泛应用于公共照明系统(high pressure sodium lamp)或金属卤化物灯(metallic halide lamp)，电感镇流器常用于传统照明系统，统一开关控制照明灯具。 随着数字技术和网络技术的发展，公共照明数字化和网络化已成为必然趋势。节能、保证灯具寿命、提高照明管理水平、美化城市夜间数量、保障城市夜间出行安全已成为公共照明系统的基本要求。本文将介绍基于镇流器的全数字公共照明系统。该系统首次实现了远程单个路灯节点的任意监控，重点介绍了系统的核心设备组控制器的功能、组成、工作原理和主要软件结构框图。路灯管理是城市管理中技术含量高、难度大的工作，体现了城市的经济实力、人文特色和现代文化水平。随着社会文明的不断发展和城市规模的快速扩大，城市照明不再局限于街道照明、社会照明率、开关灯的准确性、故障检测的实时性和维护的及时性以及路灯的节能要求，集现代计算机技术、无线电通信、测控技术、路灯电力节能于一体的城市照明节能、自动监控管理系统应运而生。多年来，我国路灯的管理和控制主要采用以下手段：开关灯采用时间控制；故障检查依靠人工检查。随着城市的扩张和路灯数量的快速增长，这种控制方法越来越不适合城市在实时故障监控、按需控制和节能方面的发展。因此，对路灯采取的智能控制和节能措施具有重要意义。 以深圳为例。四区(罗湖、福田、南山、盐田)光源安装总功率为10294KW，镇流器损耗按光源安装总功率18%计算，照明线路损耗按5%计算，路灯每年亮灯4000小时，路灯系统电气安装总容量为10294X(0.18 0.05)=12661千瓦。路灯系统每年耗电1261X4000X10-4=5064.4万度。年耗电5064.4万度的概念是什么？大亚湾核电站年发电能力约140亿度，5064.4万度占其0.36%。从上面可以看出，路灯系统相当可观。正因为如此，道路照明节电已成为日益重要的话题。近年来，许多地区日益严重的电荒使许多部门认识到这一当务之急。从技术角度看，本文从路灯布置、配电系统、灯具配件等方面阐述了如何科学合理地实现道路照明系统节能的个人经验。

第一章 数字路灯照明系统

1.1路灯监控系统现状

路灯测控系统广泛应用于我国城市建设，在节能、美化城市、便于管理等方面具有重要意义。目前，数传电台广泛应用于我国路灯测控系统BB机器、电话线、载波等传输方式。采用传统的数字传输电台通信模式，不仅需要建造发射塔，而且覆盖范围非常有限。地位固定，不能移动，投资成本高，覆盖范围越广，施工成本越高。随着城市建设的不断发展，建筑越高，会阻碍发射塔和终端的通信。此外，路灯监控系统在恶劣天气、其他干扰和检查困难的影响下存在许多缺点。随着传呼通户越来越少，BB传呼台解散等问题也面临着机器控制模式。电话控制也存在铺设线路困难、运行成本高等问题。大多数城市很难实现载波通信需要路灯供电专用线路。

1.2数字路灯照明系统

图1显示了数字路灯系统的系统组成原理图。在该系统中，每个路灯节点采用全数字电子镇流器，可实现0%、50%、80%、100%的功率输出，随时发送路灯的电流和电压信息，具有开路、断路和路灯老化报警功能。每个路灯节点包含一个电力载波通信(PLC)利用电力载波模块实现路灯节点与路灯节点与组群控制器之间的信息通信。双组群控制器CPU负责日常系统的正常运行控制，并能随时响应上级管理计算机发出的指令。通过组群控制器和照明管理计算机GSM/GPRS短信方式实现正常情况下的通信。当组群控制器出现故障时，照明管理计算机可以通过GSM/GPRS直接控制路灯线路开关，实现系统安全双重保险。照明管理计算机采用地理信息系统(GIS)实现图形动态实时监控管理的技术。

1.系统的主要性能特性

1)通过电磁平衡效应，抑制电网突变和开关瞬时电流的冲击，平衡三相电压，过滤三、五谐波，利用气体放电灯的特殊物理属性，抑制能耗，提高功耗效率，延缓灯的老化损坏。

2)任意设置和修改节电等级、转换时间和自动节电段的时间

3)、顺序电压、电流上下限调节模式，既保证了设备的安全可靠，又达到了最佳的节电效果。

4)切换无火花控制。

5)自动稳压控制

6)自诊断关灯保护控制电压和电流超限。

7)任何原因引起的动作故障都可以自动旁路运行保护控制。

8)过流、过压、过热、风扇故障旁路运行保护控制

9)检测显示输出电压和(输出电流)。

10)，友好的人机操作界面，中文显示

2、技术参数

1)输入电压:三相380V+15%(单相:220V＋15％)

2)、输出电压：三相380V-15%(单相:220V－15％)，

三相380V－20％(单相220V－20％)

3)自动稳压精度：<5V

4)额定电流 30A～400A。规格分级可选

5)过载能力:电流: 120％，60秒

6)极限电流： 150％，5秒

7)相数:标准三相(特殊相数订单)

8)绝缘电压:机箱与带电部件之间大于2KV

9)对电网的污染:MEI＝0，RFI=0。正弦波畸变=0

转换效率：98~99%

11)节能等级:0~4级任意设置和0~5级任意设置

12)节电率:根据灯具的不同结构和照明要求，16~40%不同

13)每日可设定的时间段数:1~6段

14)每天可设定的开关灯次数:1~6次

15)工作温度:+40o～＋80o，，环境温度-20~+455o

16)散热条件:自然风冷或风扇强制冷却(大功率)

17、设计寿命：20年。

3.防护等级验证

室内风格：满足设备保护等级GB4208-1993 IP20要求。

户外：满足设备保护等级GB4208-1993 IP33规定的要求。

4.设备的工作环境如下:

温度范围：-15℃～ 75℃

海拔高度：2000米

湿度环境：80%

第二章 组组控制器最初与系统一起工作

2.1 工作原理

在路灯测控系统中，街区路灯控制装置分为控点，与路灯管理处主控室形成两级分布式计算机测控系统。分控点由高性能单片机、传感器和接口组成。对于实时在线控制器，对路灯进行开关控制，检测路灯各支线的电流、电压和线路状态参数，并在无线通信模式下进行信号中继。主控室是由高性能微机、通信接口及设备、显示器、模拟屏、打印机等组成的系统，一般称为上位机。上位机位于主控室，完成整个系统的数据集中处理和各分控点的统一命令。

2．2 由组群控制器系统组成

图2给出了组群控制器设计方案。它包括CPU模块、线路状态检测模块、交流接触器驱动模块、备用电源模块、时钟模块、控制策略模块、电能计量模块、温湿度检测模块、GSM通信模块和电力载波通信模块。CPU模块采用CPU结构。主微控制器性能高，8位，40引脚，8位KBFlash、多路8位A/D的RISC单片机PIC16F877，负责与GSM通信模块和电力载波模块通信，通信接触器驱动控制，实时钟读取校准，根据照明控制策略发送控制指令。从微控制器采用与主微控制器位、28引脚和多路8位A/D、具有4KB Flash的RISC单片机PIC16F873。控制器负责管理电能计量模块、备用电源和监测模块、温湿度监测模块和线路状态检测模块。

系统组成：路灯监控系统主要由主站、一级终端、二级终端三部分组成。

1) 主站:计算机、服务器、大屏幕投影显示设备、专用通信终端SIM由卡、路灯智能测控系统软件、打印机组成。

2) 一级终端：工控机、电能测量单片机、多路控制板、监控板GPRS与路灯控制监控柜监控端相连的通信模块(如果要控制到每个需要扩展的电力载波模块)。

3) 二级终端(可选):单片机和电力载波模块(EPCW)和输入输出接口板组成，它安装在每盏灯里。实现单盏灯开/关操作。实时监控每盏路灯的亮灭情况、电能负荷状态、灯杆损坏报警，漏电报警等功能。

2.3 双CPU通信方法与RS-485通信

虽然PIC16F87x系列单片机外围通信接口丰富，但整个系统通信复杂，接口资源依然紧张。CPU可靠通信是组群控制器可靠工作的关键之一。

根据资源分配，主微控制器PIC16F877和从微控制器PIC16F873采用SPI接口，主从通信。根据系统端口配置的需要，PIC16F873采用硬件SPI接口方式，PIC16F877采用普通I/O口RB1～RB3来模拟硬件SPI口，即软件SPI接口。PIC16F877的SPI分配硬件资源E2PROM 24C64使用。PIC16F873的SPI接口在模式下工作，PIC16F877需要选择一个普通的I/O口(这里是RB4)与PIC16F873的SPI通信控制端RA4/SS相连，控制SI通信的发起与结束，如图3所示。每次通信都是由PIC16F877发起，PIC16F873响应。

电能计量模块是一个单独的模块，可以测量供电线路的电压、电流、功率、功率因数等参数，并具有标准RS-485接口。为此，PIC16F873利用硬串口RC6/TX和RC7/RX，通过RS485接口变换，电能计量模块JP1相连。这里MAX485芯片用作485总线接口转换芯片RC2作为RS-485总线通信输入/输出控制端，控制信号读入和输出。

2．4 保持交流接触器控制和状态

通过固体继电器，组群控制器的一项重要任务SSR与交流接触器实现照明线路的供电控制。固体继电器为DC3～24V输入，AC220V输出，其输入由NPN9013型三极管驱动。由于系统实际运行过程中存在各种干扰，如果相关引脚可能跳转信号或三态，导致交流接触器误动作。因此，锁定复位前的状态对保证系统的可靠性非常重要。由1个D触发器、1个光耦、3个电阻和3个电阻组成I/O取样/保持电路由引脚组成，如图4所示。D触发器复位端R和位置端S分别接地D接CPU的数据控制端RE0，时钟端CLK通过光耦TIP521接CPU的时钟产生控制端RE1和RE2。保持电路的关键在于RE0、RE1、RE2单个引脚误动作无法产生有效时钟和控制指令。即使CPU发生复位，由RC0脚读回固态继电器当前工作状态，并将RE0输出(D触发器输入)置成该状态，进而保证SSR不产生误动作。电阻R32为上拉电阻，保证RE2出现三态时光耦不产生误导通。电阻R33起限流作用。实际证明该电路是有效的。