大中型水电厂基于区域编码智能判断的节能照明系统研究与应用

陈绍勇，王 波，彭俊先

（贵州乌江水电开发有限责任公司东风发电厂，贵州省清镇市 551408）

0 引言

地下厂房照明系统主要是为生产人员服务，随着现场生产人员不断精简，导致原24h值守模式的厂房变成无人值守，“长亮灯”模式的照明系统就显得太浪费，无法达到智能化（数字化）电厂建设的基本要求。因此，照明系统的改变将显得至关重要，而实时监测与统计区域人流、车流出入数据，精准控制照明系统则是实现这一目标重要的技术手段。节能减排一直都是每个企业的大问题，为此，在现有水电厂照明系统的基础上，针对区域人流、车流出入数据的研究与分析，设计一套结构简单、操作方便，能够根据照明区域内的实际情况智能控制照明设备的开关的控制系统，以及使用该控制系统来对照明区域进行智能照明控制的方法，在电厂无人值班模式下节能、智能化建设等方面有着非常重大的意义。

1 基于区域编码智能判断的节能照明系统的总体思路

目前国外最出名的智能照明专家有飞利浦照明、iisfree等公司，它们都是全球照明引领企业，业务涵盖整个全球，但是它们的照明系统昂贵、复杂且不经济实用。国内外大多数照明系统，照明时间均是24h“长亮灯”模式设置，部分企业只是在灯具、照明亮度、控制方式、情景模式等方面做了智能控制，个别单位“依据热释电探测原理，采用主动、被动探测器相结合的探测方式，以人体信息和自然光作为照明灯亮灭的依据，由单片机统一采光、采样、分区和延时，对移动和静止的人体红外信号进行探测”［1］，实现照明系统计算机监控的网络化。贵州马马崖发电厂的智能照明系统，只是从灯具、集中控制方式方面进行控制，主要“通过基于Web平台的各类应用开发，让全体员工可以通过手机、电脑等各类客户端，向系统反馈照明控制、节能效果，并且反馈意见将被切实纳入到系统控制策略的调整中”，但照明模式依旧是24h“长亮灯”模式；还有贵州大力矿物公司采用思路也是从灯具方面实现智能，未能实现集中管理等。为此，东风发电厂通过以下几个方面进行智能照明系统的研究。

（1）结合“远程集控，少人值守”生产模式，利用现代科技技术，创建基于区域编码智能判断的节能照明系统理念及构架，其中包括系统体系结构、硬件及软件平台、智能元件选择及安装方式等问题的研究与确定。

（2）通过系统实现区域编码的设计、移动物体进出智能判断、“归零”原理、容错机制、闯入智能防控、多出入口同时进出智能判断及精准的电量计算等功能的设计实现。

（3）通过该系统改变照明模式，节约电量，实现“人走灯灭，节能减耗”的目的。

前两个方面是本项目研究的主要问题，后者是项目要实现的目标，他们相辅相成，共同构成了基于区域编码智能判断的节能照明系统整体框架。

2 智能照明控制系统及智能照明控制方法的研究

智能照明控制系统包括处理器、照明区域的照明设备、用于驱动照明设备开关且与处理器电性连接的驱动电路以及用于采集进出照明区域人数且与处理器电性连接的信息采集器。在国内外无明显相同参照系统的背景下，本文将通过区域编码设计、进出智能判断容错机制建立、“归零”原理及联动报警研发，形成一套基于区域编码智能判断的节能照明系统，控制原理图如图1所示。

2.1 区域编码设计

进行科学区域编码设计，让系统能智能识别及区分每个区域，确保数据的正确性。如图2所示，编码A、B、C、D分别是区域的四个进出口。编码01、02、03、04、11、12、13、14分别是A、B、C、D进出口处的监测元件代码。

图1 控制原理设计图Figure 1 Control principle design drawing

区域编码流程图设计（以A、C进出口为例）：通过图3所示的流程图可知，每个进出口数据存储至独立单元，相互不受影响，并且进用+1表示，出用-1代表，而数据单元存储进出综合数据。

2.2 移动物体进出智能判断研究

系统通过在每个照明区域进出口各安装两对光栅传感器判断移动物体进出方向。系统在每个照明区域进出口各安装两对光栅传感器，通过采集其动作顺序先后判断移动物体进出方向，实现移动物体流向智能识别，从而统计进出物体数量，为“归零”原理提供精确数据。

图3 区域编码流程图Figure 3 Area coding flow chart

2.2.1 移动物体进出区移动物体进出智能判断技术流程设计

假设Ai为第i次进出区域A进出口存储单元，Bj为第j次进出区域进出口区域存储单元，Ck为第k次进出区域C进出口区域存储单元，Dl则为第l次进出区域D进出口区域存储单元。那么就会如下判断：

程序判断第i次当02至01，则Ai=+1，A进入口为进入区域。相反，01至02，则Ai=-1，A进入口为离开区域。

程序判断第j次当04至03，则Bj=+1，B进入口为进入区域。相反，03至04，则Bj=-1，B进入口为离开区域。

程序判断第k次当12至11，则Ck=+1，C进入口为进入区域。相反，11至12，则Ck=-1，C进入口为离开区域。

程序判断第l次当14至13，则Dl=+1，D进入口为进入区域。相反，13至14，则Dl=-1，D进入口为离开区域。

2.2.2 两个传感器安装距离的确定

如图2区域平面所示，要实现移动物体进出智能判断，必须在每个进出口安装两个传感器，通过判断先后动作顺序智能实现移动物体进出方向确认。但是两个传感器安装距离没有任何国家、行业标准和制度可查，因此在同一个出入口分别安装距离5、8、10、12、15m共5对传感器进行测试，产生容错条件和误报次数为依据进行研究分析。

通过表1、图4可知，安装距离为10m的传感器计算更精确，容错条件和误报次数最少。

表1 安装距离误报统计表Table 1 Installation distance error report statistical table

图4 安装距离误报统计图Figure 4 Installation distance error statistics chart

2.2.3 多出入口同时进出智能判断

每个区域都有一个或更多出入口特性，一旦发生多个出入口同时进入或离开，一般系统就会出现判断错误或失灵状况，但是这套系统的控制中心会通过识别出入口区域编码信息，利用进/出区域数据统计单元进行计算统计，相互之间不受影响。

2.3 “归零”原理

系统PLC控制中心利用编码技术对区域多出入口同时进出智能计数与识别，将相应信号存入各自独立数据单元，对进、出区域的数据统计单元进行实时数据比较，并采用容错方法对无法进行准确判断进出的异常信号及时清除，确保数据的可靠性，若两个数据单元数据不一致，则开启照明，若相等则作“归零”处理，同时清除数据单元数据，关闭相关区域照明。

“归零”原理的设计，即当进区域数据统计单元与出区域数据统计单元数据相等，那么结论单元就归零，通过该逻辑原理，有效地实现照明系统的控制输出。

具体控制流程图如图5所示。

图5 归零原理流程图Figure 5 The principle of “zero” flow chart

2.4 容错机制技术流程设计

容错机制将无法进行准确判断进出的异常信号及时清除，保证正常进出区域物体计数的精确性。系统实时监测与计算进出口存储单元数据，当两者数据不一致累计时间达到10min且未监测到任何进出口有传感器动作信号时，系统会进行一次“归零”处理，清除所有的存储单元，关闭照明系统，大大降低了照明电量。

容错机制技术流程设计。本方案中设计当区域进出口两对光栅红外线传感器只有其中一对动作时，判断物体未进出该区域，延时5s后清除此动作信号，防止物体正常进出区域计数错误。同时系统实时监测与计算进出口存储单元数据，当两者数据不一致累计时间达到10min且未监测到任何进出口有传感器动作信号时，系统会进行一次“归零”处理，清除所有的存储单元，关闭照明系统，大大降低了照明电量。通过流程图6可知，容错机制条件可以无限地在运行过程中，通过出现问题进行不断完善，若系统满足容错机制条件，则清除数据单元数据，并且关闭照明。

2.5 非法闯入智能报警实现

非法闯入智能报警功能的实现及联动方式。非法闯入智能报警，是结合门禁系统信息联动判断机制，在区域判断有物体进出照明区域，而门禁系统未接收到开门请求相关信息，判断此物体为非法闯入该区域，即联动报警系统，启动非法闯入智能报警。流程图如图7所示。

图7 联动非法报警流程图Figure 7 Linkage illegal alarm flow chart

2.6 基于区域智能照明控制研究与设计

通过投资、技术要求、人员能力等多方面考虑，选用了以红外传感器为检测元件、PLC控制核心的智能系统，智能照明系统控制电路如图8所示。

2.7 精准的电量计算

照明系统控制中心在软件里通过设计的计算方法，一旦区域发生照明开启现象，那么通过测量的该区域的电流值与时间，计算出该区域在照明时段发生的电量多少，并将其存取单次计量单元内，然后将其存储在日计量单元内，日计量单元再累加送至月计量单元，月计量单元累加送至年计量单元……通过如此累加计算，那么就可以精确计算出每个区域，每刻、每日、每月、每年发生电量多少，通过与往年的比较，就能计算出具体节省的电量。计算公式如式（1）所示［2］：

式中Wd——日电量；

U——额定电压；

I——线路实测电流；

Ti—— 发生的照明时间的时段统计，对其进求合，可以得到每日产生的电量，以此类推：

月电量见式（2）：

年电量见式（3）：

图8 智能照明系统控制电路图Figure 8 Intelligent lighting system control circuit diagram

将这些计算公式应用与程序设计中，即可实现精确的电量统计。

3 应用推广前景

基于区域编码智能判断的节能照明系统首先应用于东风发电厂生产现场辅交通洞，现已在东风发电厂生产现场其他照明区域进行推广应用，此照明系统从根本上很明显地降低了东风发电厂、乌江公司以及集团公司的资金成本，实现了“节能减耗”的目的。

东风发电厂原地下厂房照明系统有大约7000盏灯，每盏灯按100W计算，在“长亮灯”工作模式情况下，发生的日电量为1.68万kW·h、年电量为613.2万kW·h，项目实施后，结合该厂的“远程集控，少人维护”值班模式，每盏灯每天亮的平均时间按1h统计，按照这个值进行计算，发生的日电量为700kW·h、年电量为25.6万kW·h，相比之下每年可节约电量587.6万kW·h，转为化经济效益即每年节约293.8万元（每kW·h电按0.5元计算）［4］，产生的经济效益的有关说明及各栏目的计算依据见式（4）、式（5）［3］：

式中W——总电量；

P——单个灯具额定功率；

t——照明时间；

N——灯具数量。

式中M——总电量钱；

J——每kW·h电单价。

按此计算，如果将该项目在公司内部水电厂推广，乌江公司水电厂总共有9个水电厂，都按保守的灯总数进行计算，那么就是293.8×9=2644.2万元，以此类推整个集团公司，就会发生更加客观的经济效益。

除此之外，原照明系统灯具工作时间长、易坏、更换频率高，该技术应用后将大大降低了灯具工作时间，提高了其寿命，降低了维护成本。

4 结束语

为了实现“人走灯灭，节能减耗”的绿色环保照明理念，提出了“基于照明区域编码设计的节能照明系统”“基于光栅传感器判断移动物体进出方向的照明系统”设计方法和移动智能识别、区域数据“归零”及异常信号容错等技术。经实际应用，节能效果明显，同时降低了维修、维护成本，为水电厂照明系统模式开辟出一条崭新的研究道路，可供其他电厂借鉴和参考，对类似多出入口区域照明系统应用具有推广意义。