高速公路隧道照明智能节电系统研究

2020-03-04邹美强

光源与照明 2020年10期

邹美强

广东新粤交通投资有限公司（广东广州 510000）

0 引言

我国高速公路的发展速度飞快，与之相关的机电系统功能日益完善，并被大规模应用于各种高速公路隧道照明中。由于隧道照明耗费大量的电能，会进一步增加高速公路运营成本，因此要采取有效的节能节电技术，进一步完善高速公路隧道照明系统的节能节电功能，保证行车安全，提高高速公路的经济效益[1]。

1 系统整体方案设计

高速公路隧道照明智能节电设计要结合高速公路隧道照明的需求，合理应用智能节电技术，打造完善的智能监控系统[2]。为此，需要充分发挥计算机控制技术的作用，将GPRS和ZigBee无线通信网络相结合，确保电网输入电压得到有效控制，智能化调节隧道照明系统，以达到节能节电的效果。隧道照明智能化监控系统可及时、全面地采集回路和相关设备的参数，然后由微处理器分析和处理各项参数，处理好的数据经被传至控制系统，再由控制中心结合数据结果展开相应的控制[3]。为了达到自动调节电压的目的，要采用无线传输的方式，将各回路尾灯的电压上传至上位机，系统会对数据进行全面的分析，对节电柜的电压输出进行有效控制。每个回路尾灯电压用户在系统的支持下可自行设定节电目标值，不会影响照明灯具的正常运行。

2 系统功能与控制方法

2.1 系统功能

（1）采用远程单灯控制模式可对开关和高压钠灯进行远程控制。（2）根据实际情况开启多个照明回路，通过远程控制的方式确保输出电压得到有效调节，也可采用手动控制的方式。（3）及时采集在隧道回路中产生的输出电压和电流，并监控节电柜的运行状况，从而了解其运行状态。（4）对电压和电流信息进行全面分析，并制订相应的调节方案。（5）根据不同的时间段，制订相应的照明方案，结合实际需求选择相应的亮度，达到节能节电效果。（6）根据白天和夜晚的实际情况，合理调节灯具的工作电压。（7）对监控数据和历史记录等信息进行查询和打印[4]。（8）对节电柜运行情况进行实时监督和信息采集，通过远程抄录的方式展示节电柜的电子电表数据，并将数据传输至监控中心。（9）提前留出各种类型的接口，确保系统功能得到进一步拓展。

2.2 控制方法

为了避免隧道照明系统出现控制问题，可以采用PID控制算法，同时重视PID控制器参数的整定。为了提高系统的稳定性，消除控制误差，必须先明确PID控制器的结构，可采用PI调节器、PID调节器。当被控对象受到外部因素干扰后，会处于失衡状态，此时，需依靠系统强大的自我恢复及平衡能力。这种自我恢复能力会受到被控对象的限制。具有自平衡性能的被控对象中不包含P与PD控制器。在该系统中，为实现参数整定，宜采用扩充临界比例度法。该方法的主要依据是模拟PID控制器中所使用的临界比例度[5-8]。

3 关键设备选型与设计——节电柜

在进行节电柜设计时，宜采用补偿式无极调压稳压电路，确保照明系统得到智能化控制，提高灯具负载力和承载力，将输出电压控制在合理范围内，提高稳压精度[9-10]。当照明系统运行后，需将采集的输出电压通过基准电压与检测控制电路进行对比，以发挥输出控制信号的调压作用，达到稳压目的。数据采集器会对采集到的数据进行分析，然后有效调节和控制电压，确保输出电压值更加合理。高压钠灯在启动阶段需要较高的电压，宜采用比额定电压更高的输出模式迅速启动灯具。系统会根据采集数据的情况对工作模式进行自动化调节，一旦出现电压过高或过低的情况，节电柜就会自动切换到旁路状态[11-13]。

节电柜可根据照明回路末端电压的实际情况，合理调节末端的灯具电压。在使用节电柜的过程中，可采用无线技术，确保末端电压的采集设备与系统之间的数据得到顺利传输。支持智能照明节电设备功效发挥的计算机技术可对数据进行实时采集和处理，并自动跟踪照明回路的电压变化情况，自动调节电压，保证电压稳定。节电柜的远程监控功能有助于相关人员了解系统的运行状态，通过远程自动化控制或手动控制的方式调节输出电压，对节电设备的输出电压等技术参数进行远程查看和抄表。采用智能节电设备后，就能手动控制本地输出电压，可自行选择输出电压的档级。通常，需采用无级调压稳压技术对智能节电设备进行调节。采用智能节电设备进行调压和稳压时，输出电压的变化十分稳定，并能保证每个时段的电压得到合理调节，避免灯具的照度发生变化。

4 系统数据采集与传输功能的实现

高速公路隧道照明智能化节电与监控系统在运行中必须加强数据的采集和传输。第一，加强对照明回路电压数据的采集，对隧道内和隧道外的亮度进行采集，这样才能实现对白天和晚上的智能化判断，并根据天气变化情况进行智能化调节。第二，对监控数据进行有效的传输。要将每个隧道的系统管理数据传输至监控中心之中。

4.1 数据采集

进行数据采集时，可根据实际情况选择相应的通信方式。有线通信方式需耗费较多的资金，施工人员需仔细布线，还要定期对其进行维护；载波通信会受到外界因素的干扰，需购置昂贵的设备；采用无线通信方式时，可选择免费试用的公共频率通信，通信协议较多，常见的工业通信技术是ZigBee技术。ZigBee技术不会耗费大量能源，且速率低、时间间隔短、应用成本低、容量大，在许多领域中得到广泛应用。在该系统中，应用ZigBee技术构建无线通信网络，能提高系统的通信质量[14-16]。

ZigBee网络中有三种拓扑结构。第一种结构是星形结构。该结构主要以协调器为核心，终端需通过协调器实现通信，各终端之间不能直接通信。若需进行终端之间的通信，就要由某一终端先将信息传输给网络协调器，再由其传输至另一个终端。星形结构成本较低，在系统中可应用该拓扑结构，确保节点的开关操作得到有效控制。星形结构的通信范围与设备和协调器的距离有关。第二种是树形结构。树形结构主要包括协调器、终端设备节点、路由节点等部分，协调器与路由器各自有其子节点。在该结构中，各个节点可以实现通信，若某两个终端的节点需要通信，首先要将数据传至上一个节点，再由公共节点将数据传至下一个节点。树形结构的通信覆盖面积比较大，但受限于某一节点的故障，即整个网络的通信均会因一个节点的问题而被打断。第三种是网络结构。网络结构主要是以点对点的方式实现通信功能稳定，即使某一点失效，也不会影响另一点的通信功能。网络结构具有一定的灵活性和多样性，但在使用该结构的过程中会造成通信延时，还会增加运营成本。

在此次设计中，主要采用GPRS技术进行通信，可有效降低成本和费用，满足系统的监控需求，保证数据得到有效传输。

4.2 数据传输

进行无线网络传输时，需考虑通信功能。从智能节电角度出发，要分别保证其与监控中心上位机、单灯控制器控制回路之间的通信功能更加完善。采用GPRS技术可确保节电柜与上位机之间的数据得到有效传输，控制中心上位机的控制指令会由交换机发出，再由光收发接收器获取，控制信号会经过串口服务器的处理，从而被节电柜网络接收。采用ZigBee技术可确保节电柜与单灯控制器之间的数据得到有效传输。无线ZigBee技术可在距离较短的范围内对数据进行传输。在无须布置线路的情况下，采用ZigBee技术能进一步发挥通信系统的功能，确保系统稳定。即使某一回路的照明出现问题，也不会影响另一回路照明系统的功能。该系统主要采用网状网络结构，确保各控制器之间的数据通过无线传输的方式达到通信的目的[17-18]。