路灯节电智能控制装置的研究与设计

黄书卫，李文才，孙 刚

（1.沧州市建筑设计研究院有限公司，沧州市浮阳南大道28号 061001；2.河北工程技术高等专科学校 电力工程系，沧州市浮阳南大道6号 061001；3.河北工程技术高等专科学校 基础部，沧州市浮阳南大道6号 061001）

随着我国城镇化建设步伐的加快和居民生活水平的提高，城市路灯、住宅小区照明和大型景观亮化工程等所消耗电能的比例不断增加，目前已达到工业及家庭用电中照明总耗电量的30%［1］。加强对照明灯具的有效控制和管理是节约电能的必要手段。我国城市路灯控制管理技术发展经历人工定时控制、感光模块控制、智能控制三个阶段［2］。人工定时控制造成人力资源浪费，且不能根据室外照度的变化实时控制路灯；感光模块控制易受环境影响产生误动作，巡检和维护不方便；智能控制是城市路灯控制技术发展的必然趋势。本文设计了基于照度的分时段路灯节电智能控制系统，室外的自然照度、灯具所加电压和人们的照度需求三者合理设计，达到亮着灯节电，实现电能最佳利用。

1 控制原理

1.1 道路照度标准

照度是光源照射在被照物体单位面积上的光通量［3，4］。CIE推荐照度等级为：20－30－50－75－100－150－200－300－500－750－1000－1500－2000－3000－5000 lx。正常照明条件下，辨识人脸特征所需最小水平面照度为20 lx［3］。

为满足城市道路和居民小区最基本的路面照度需求，文献［4］规定了我国城区交通道路的照明要求，快速路和主干路路面上水平照度维持值平均为20 l x；次干路路面上水平照度维持值平均为10 l x；支路路面上水平照度维持值平均为8 lx。

1.2 基于自然照度自动开关路灯

基于室外自然照度的智能控制系统完全遵循自然界变化规律和人们对光的感知需求实现对路灯自动实时关合控制，无须考虑季节交替、天气突变、日出与日落时间等。从人体视觉对光线的适应理论可知，光照降低10%，人的视觉仅降低1%，适当降低光照强度既可以节约电能又不影响人的视觉［5］。系统中主干路路面照度基准值取18 lx，次干路路面照度基准值取9 lx，支路路面照度基准值取7 lx。

照度传感器输出作为智能控制装置的输入信号，当检测到的自然照度小于或等于系统设定的各等级路面对照度需求基准值时启动控制装置，开启路灯；当检测到的自然照度大于各等级路面对照度需求基准值时，控制装置启动关掉路灯或控制装置不启动（白天）。

1.3 基于需求照度分段调压

根据文献［4］，道路照明通常使用气体放电灯具，这类灯具的工作电压为额定电压的93%（即205 V）时，路灯处在最优工作状态［6］。电力负荷变化曲线表明，每天22：00至次日8：00属于用电负荷的低峰期，低压长线配电线路电压升高，有时甚至升至240～260 V以上［7］，照明灯具亮度反而更强，造成大量电能被浪费掉。

每天22：00以后人们陆续进入休息状态，路上车辆和行人逐渐减少，对路面照度需求逐渐降低。因此，系统设计分时段有载调压，将傍晚至22：00照明灯具的工作电压设计为200～215 V，路灯处在最佳照明状态；将22：00至次日天亮照明灯具的工作电压设计为180～195 V。这样既能满足不同时间段人们对路面照度的需求，实现“亮着灯节电［6］”，又能延长了照明灯具的使用寿命。

2 装置结构设计

控制装置结构如图1所示，包括照度传感器、电压测量装置、智能控制器、变调压装置、路灯关合装置和电源系统六部分组成。电压测量通过常规互感器即可实现，RS485接口和电源系统都较简单常用，均不再介绍。

图1 控制装置结构

2.1 照度传感器

照度传感器用来测量路灯控制区域内某开阔地点的自然照度，并以此作为系统的输入信号。系统采用能慧牌NHZD10BU型照度传感器，该传感器采用进口专用照度传感芯片，用于室外环境自然照度的实时测量，量程为0～20 000 l x，工作电压为DC4.5～24 V，线性度为±2%，输出信号为DC 0～2 V，工作湿度为0～100%，工作温度－40～80℃。该照度传感器为光学材料窗口，具有结构坚固、密封性好、使用寿命长、测量精度高、稳定性好、传输距离长、抗外界干扰能力强等特点。

2.2 智能控制器

智能控制器用来启停路灯关合装置，实现对多个回路的路灯同时启停。系统智能控制器由ATmega16微处理器及其外围电路组成，ATmega16微处理器是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器［8］。智能控制器负责对自然照度、市电电压进行检测和电源开关、调压器档位的状态进行判断，依据自然照度启动控制装置关合照明灯具，根据所处时间段和所测电压自动自动控制调压器档位，对照明灯具所加电压的调整，满足信号采集中不同精度［9］和控制装置的要求，实现亮着灯节能的目的。

2.3 自动调压器

自动调压器原理如图2所示，参数如表1所示。调压器一次侧匝数不变，通过改变二次侧匝数调节灯具所加电压，来满足不同时段和白天极端天气下人们对不同路面照度的需求。调压器默认状态为工作在X1档位。

图2 调压器原理图

2.4 关合装置

智能控制系统中关合装置原理如图3所示，通过智能控制器的开关量输出电路驱动继电器，再由继电器的辅助触点接通关合闸回路或调压器分接开关控制回路，实现路灯的亮与灭或调压器的有载调压。为提高装置可靠性和抗干扰能力，输出电路中采用光电隔离技术。

图3 关合装置原理图

表1 调压器参数表

3 系统软件设计

系统软件流程框图如图4所示。根据照度传感器采集的自然照度判断路灯亮或不亮，控制装置启动合上路灯控制开关，依据所处时间段和所测市电电压控制调压器的档位，使路灯工作在基于不同时间段照度需求的最佳状态，实现亮着灯节电。系统以主干路路面照度基准值为例，设计软件流程，对于其它类道路只需改变路面照度基准值即可实现。

图4 系统软件流程框图

4 应用

沧州某大型住宅小区有10路室外公共照明灯具，设计每一回路安装15盏，合计240盏，每盏灯具24 W，采用集中定时器控制，照明灯具工作时间设定为18：00至次日6：30，计12.5 h。为验证本系统的节能效果，选择其中的5路作为验证对象，安装一套基于自然照度的智能控制装置，另外5路仍然采用定时器控制。应用系统结构如图5所示。

电能计量装置显示结果表明：定时器控制方式下12月份5个回路照明灯具合计消耗的电能分675 k Wh，智能控制器控制方式下12月份5个回路照明灯具合计消耗电能为595 k Wh，少消耗了80 k Wh，节约电能11.9%，节省电费67.2元（按一般商业电价计算）。

5 结束语

图5 应用系统结构图

路灯节电智能控制系统充分利用ATmega128芯片的功能，依据照度传感器采集的自然照度关合照明灯具开关，依据不同时段人们对路面照度的需求自动控制调压器档位，调整照明灯具所加电压，实现既满足人们不同时段对路面照度的需求，又节约电能的目的。现场运行结果表明，系统设计合理，运行可靠，结构简单，节电明显，具有较高的推广价值。

［1］ 金钧，赵宏勋，周帅.基于无触点调压技术的路灯节能控制器［J］.大连交通大学学报，2011（10）：85－88.

［2］ 章君达.城市路灯智能控制的实现［J］.大众用电，2012（5）：24－25.

［3］ 孙建民.电气照明技术［M］.北京：中国建筑工业出版社，1998：45－54

［4］ 中国建筑科学研究院.CJJ 45－2006城市道路照明设计标准［S］.北京：中国建筑工业出版社，2006.

［5］ 高卜，田雨波，王建华.FPGA控制的智能化节能设备［J］.微计算机信息，2009（2）：201－202＋210.

［6］ 于书敏，贾存良.路灯节能智能控制器的设计［J］.照明工程学报，2009（12）：78－82＋92.

［7］ 林成武，宋同富，程利民，等.基于ATmega8的路灯节能控制系统设计［J］.电气技术，2007（8）：82－84.

［8］ 田国栋，李强.基于ATmega16单片机的实时温度采集与分析系统［J］.电子设计工程，2012，20（7）：151－153.

［9］ 吉庆昌，刘日韦，刘欣彤.基于DSP的多方式数据采集系统研究［J］.河北工程技术高等专科学校学报，2011，（2）：69－71＋84.