LED光源路灯的全直流照明系统检测研究

邢长海

镇江市建设工程质量检测中心有限公司，江苏 镇江 212004

0 引言

当前，路灯照明设施中，LED光源的应用逐渐广泛。与传统的白炽灯相比，其能量消耗仅为白炽灯的1/10，与普通节能灯相比，也仅为其1/4左右，运行能耗较低。同时，与环保号召相契合，LED光源内不含有任何重金属材料，实现了真正意义上的无污染[1]。受自然环境影响，普通光源在长期运行状态下会出现发热现象，在夏季极易引起飞虫聚集，影响道路行人及车辆的安全行驶，而LED光源有效解决了这一问题，其发出的光属于“冷光源”，既可以避免飞虫掉落引起的不安全因素，也可以减少由于飞虫排泄物引起的灯源表面被遮挡，光源照明功能下降的问题[2]。

在此基础上，以LED光源路灯为基础的直流照明系统开始被关注，对于其的研究也不断深入，并取得了一定的成绩，在实际中得到了良好的运用。但随之而来的，一个新的问题摆在了人们面前，那就是对于照明系统的检测工作[3]。通常情况下，照明系统存在控制范围广、控制光源个体多的特点，因此对于照明系统的检测也存在一定难度，如何准确地检测出其存在的故障信息，对于照明系统的实际应用具有重要意义。

1 直流照明系统各区域故障特征

当直流照明系统的输电线路与母线均无故障时，系统处于稳态，母线电压与线路电压的次谐波幅值均为零，在这种条件下，高频量可忽略不计，因此文章以直流输电线路与母线为基础，对系统故障时的特征进行分析。

1.1 线路发生双极短路故障特征

当线路中距发生双极短路故障时，根据基尔霍夫定律，通过FFT对线路与母线电压分别进行分析，当短路时间与电流传输间隔时间相等时，系统电压回路可表示为

式中：Uc为母线的等效电压；Ud为线路的等效电压；Lc为母线两端的限流电抗器；ic为限流电抗器数量；ΔU为故障时的电压突变量。

当系统处于稳态运行时，Uc=Ud，此时，系统电压回路可表示为

当故障初始行波到达桥臂时，限流电抗器和桥臂电抗器将感应出与电压突变量数值相等、大小相反的感应电压，线路电压和直流电压均会迅速下降，并在下降过程中出现振荡。通过式（1）和式（2）可知，线路电压下降幅值较大，并有较多高频分量；母线电压虽然有迅速下降趋势，但幅度较线路电压小，且由于设有限流电抗器，高频分量较线路电压少。

1.2 母线发生双极短路故障特征

当系统内线路的母线发生双极短路故障时，故障经线路电抗器到达桥臂，母线电压与线路电压均迅速下降。此时，通过FFT频谱分析，系统电压为

从式（3）可以看出，母线电压的下降趋势呈现出阶跃式，而线路电压下降趋势为非阶跃式，其幅度小于母线电压，并且母线电压高频分量相对较多，线路电压低频分量相对较多。

2 离散小波变换能量

在上述故障特征分析的基础上，文章采用离散小波变换的方式，对系统故障时的能量情况进行分析。文章在处理实际数值计算时，使用离散小波变换（DWT）对故障的特征量进行转换。

设函数y(t)在空间内可积，则函数的母小波函数满足

式中：ξ( )为ξ∗( )的共轭函数；γ为尺度因子；κ为时间中心，用于确定函数分析的时间位置。

对应的DWT母小波函数表达式为

离散化的信号经n层小波变换后，原信号被分解成低频与高频两种信号，保留高频信号，再将低频信号进行二次分解，以此往复。文章使用db4小波对信号进行5层分解，提取分解信号中的高频分量作为特征量，得到高频总能量：

3 直流照明系统检测

在通过DWT，将故障特征转化为能量信息后，定义最高频信号能量占总高频信号能量比值为A，信号高频总能量与低频总能量比值为B，B越大说明信号中高频分量越多。采用线路与母线电压的故障A、B作为神经网络的输入，以实际A、B所对应的故障类型作为神经元的输出对网络进行训练。文章采用PNN实现故障数据的识别。

在PNN的输出层，采用竞争输出的方式，为各输入提供竞争机会，将保留到最后的神经元作为输出结果，其径向基传递函数为

文章采用线路与母线电压瞬时故障能量特征参数组合成向量（A1，B1，A2，B2），作为PNN神经网络的输入；采用母线单极故障、母线双极故障、区内线路单极故障、区内线路双极故障、区外故障这5个故障的A、B值作为输出结果。首先用小波变换进行故障特征量计算，生成PNN的输入数据，然后通过神经网络对输入的数据进行处理，最后得到系统的输出结果。

4 试验测试

为了对所提方法的检测性能进行验证，文章进行了试验测试。同时，为了使试验结果具有更高的可靠性，分别采用秦岭等[3]和黄英琼[4]提出的方法作为对照组进行试验（以下分别简称为“A方法”和“B方法”），对比3种方法的试验结果。

4.1 试验环境

文章以某路段的直流照明系统作为试验对象，系统控制的照明线路总长度为11.26 km，其中涉及LED光源路灯共计562个，系统采用的是半桥型子模块换流器，换流器的4个端口均为MMC-HVDC。直流输电线路两侧安装0.25 H的限流电抗器；线路两侧分别安装有混合式高压直流断路器，调制方式均为最近电平调制；换流变压器均采用接地方式连接，架空输电线路均采用相域频变连接方式。在系统中分别输入不同的故障信号，采用不同方法进行检测，并分析其检测结果，以此判断其有效性。

4.2 试验结果

在上述试验环境的基础上，分别采用3种方法对系统故障的信号能量占比进行检测，具体检测结果如表1所示。从表1可以看出，在3种检测方法下，A方法和B方法对于故障的检测结果与实际故障信息之间存在的差异较大，而通过观察文章提出方法的检测结果可以发现，其与实际故障信息的差异始终稳定在0.04%以下，具有较高的检测精度和准确度。这主要是因为所提方法在对系统故障特征进行分析的基础上，将对故障的识别转化为对能量的分析，以神经网络对输出结果进行处理，提高了结果的可靠性。

表1 不同方法检测的系统故障信号识别结果对比表

5 结束语

近年来，随着经济以及科学技术的不断发展，路灯设施建设的先进化程度不断加深，通过现代化的技术实现对路灯的控制成为一种主流趋势。在此环境下，如何实现对大范围内道路照明系统的准确检测，是提高照明系统应用价值的重要问题，对于快速有效地解决系统存在的故障具有重要意义。文章提出了LED光源路灯的直流照明系统检测方法，为实际的照明系统检测工作提供了一定的参考。