市政路灯照明电气系统补偿技术研究

2022-03-19李正

城市道桥与防洪 2022年2期

李正

（菏泽城建建筑设计研究院有限公司，山东菏泽 274000）

0 引言

城市道路照明系统可以提高人们生活的便利性，同时可以增强城市美观度，辅助人们在夜间更加安全的出行，避免发生安全事故。因为各城市的经济发展情况是不同的，而各城市对于路灯照明提出了不同的要求。一些中小城市人口数量比较少，再加上经济发展水平相对较低，导致城市道路照明系统发展水平需要进一步提高。因此在城市道路照明电气设计阶段，需要结合城市发展情况，提出科学的应对措施，根据城市道路照明系统发展现状，解决城市道路照明系统电气节能问题。

城市路灯照明系统中可加入能耗补偿设计，通过补偿技术来降低能耗。电路补偿技术是运用电子器件来实现，通过使用自动无功补偿装置降低能耗，可以提高城市路灯电能供应效率和质量，从而在定功率下可以更好地满足路灯工作要求。无功率损耗补偿可以维护路灯照明系统在低功率状态下的运行，从而可以显著减少剩余功率输出造成的能源浪费。而且运用电路节能设计方式，可以在路灯电源上进行控制，使输出功率与使用功率相吻合，避免供电线路发热以及损坏路灯灯具等，是重要的路灯照明节能及安全措施。

1 无功补偿系统总体结构设计

无功补偿系统总体结构包括控空气开关、避雷针、双向晶闸管、三相电容器、熔断器、可控开关、触发装置和串联电抗器等，见图1。

图1 无功补偿系统总体结构

为了确定系统需要的无功功率大小，首先对供电系统的三相电源电流值和电压值进行采样，然后将采集信号输送至控制器中，控制器对信号进行处理分析，从而计算出无功功率。控制器根据计算结果来确定电容器投入数量，将投入数量指令发送至触发晶闸管来执行。

2 控制电路设计

2.1 人机交换模块

本文设计的人机交换模块的显示电路见图2，其中液晶显示器采用1602 型，显示器主要可以显示系统检测到的电压、电流及功率因数等参数。

图2 1602 液晶初始化显示

1602 与点偏激的连接见图3。

图3 显示的电路图中，其中LCDRS 端是表示数据/命令选择端，LCDEN 是表示原始信号。接脚3 是与可调电位器连接，主要是实现显示器字体灰度调节。接脚5 接地。

图3 1062 液晶接线原理图

图4 显示的是键盘电路图。

图4 键盘电路接线原理图

2.2 通信电路设计

本论文中采用美信公司的MAX232 芯片以及9芯RS-232 插座，其原理图见图5 。

图5 RS-232 串口通信接线原理图

2.3 投切控制电路

控制器是整个无功补偿系统的核心装置，主要是实现对采样信息进行分析处理，计算出无功功率，然后确定投切电容器数量，同时发出投切指令。最终指令执行装置为触发晶闸管，如何确保电容器在投切时不会受到电流冲击是TSC 型无功补偿系统设计的关键问题。为了解决上述问题，采用的晶闸管触发电路是相互独立的，这样导通或切断时，互不干扰，有效地解决了电流冲击问题。城市道路照明系统可以提高人们生活的便利性，同时可以增强城市美观度，辅助人们在夜间更加安全的出行，避免发生安全事故。因为各城市的经济发展情况是不同的，而各城市对于路灯照明提出了不同的要求。一些中小城市人口数量比较少，再加上经济发展水平相对较低，导致城市道路照明系统发展水平需要进一步提高。因此在城市道路照明电气设计阶段，需要结合城市发展情况，提出科学的应对措施，根据城市道路照明系统发展现状，解决城市道路照明系统电气节能问题。城市路灯照明系统中可加入能耗补偿设计，通过补偿技术来降低能耗。电路补偿技术是运用电子器件来实现，通过使用自动无功补偿装置降低能耗，可以提高城市路灯电能供应效率和质量，从而在定功率下可以更好地满足路灯工作要求。无功率损耗补偿可以维护路灯照明系统在低功率状态下的运行，从而可以显著减少剩余功率输出造成的能源浪费。而且运用电路节能设计方式，可以在路灯电源上进行控制，使输出功率与使用功率相吻合，避免供电线路发热以及损坏路灯灯具等，是重要的路灯照明节能及安全措施。

本设计投切控制电路中采用MOC3061 型芯片，该芯片是一款过零触发的光耦合芯片，其输出输出额定电压为600V，重复涌流电流不大于1A。

其内部结构见图6。

图6 MOC3061 内部结构

触发晶闸管的控制是通过控制器发出的脉冲信号实现，控制器产生的脉冲信号由MOC3061 芯片输出至晶闸管模块，然后投切控制电路执行电容器投切指令，具体投切控制电路见图7。

图7 中输入电阻Rin是限制发光管的电流大小，其值为：

图7 双向晶闸管控制电路原理图

式中：VF为红外线发光二极管的正向电压，一般取1.2～1.4V；IF为红外发光二极管触发电流，15 mA。

电阻R1用来限制通过触发器的电流大小，其由系统电压峰值和除法器输出端允许的重复冲击电流峰值来决定。电阻R2是晶闸管的门极电阻，可以提高抗干扰能力。电阻R3和电容CS 组成的浪涌吸收电路防止涌流电压损坏晶闸管。

3 无功功率补偿的软件设计

3.1 有效值采样程序设计

首先系统会对分别对电源的A 相、B 相、C 相电流和电压信号进行采集，然后采用互感器将采集信号转换成小信号，再经过滤波处理后，采用信号转换成对应有效值的直流信号，经A/D 转换电路，采集信号将会输入至控制器中进行处理分析，具体程序见图8。

图8 有效值采样程序流程图

3.2 功率因数采样程序设计

本文选择的单片机晶振频率是fc=11.0592 MHZ，因此运行周期是12/fc，也即运行周期为0.02 ms。单片机通过定时器和中断系统即可检测出正弦波信号的脉宽差τ，从而可以计算得到电流和电压值，最终得到检测功率因数φ，其计算公式为：

电路信号采集过程中，会存在一些噪声，会对结果造成较大的影响。为了使得检测更过更加准确，需要对采样信号进行滤波处理。算术平均滤波法只能减小噪声的影响，而无法将其消除。为了提升采样检测结果准确性，本文选择去极平均滤波法，其是将采集的6 组脉宽计数值信号中最大值和最小值去除，然后将剩下4 组进行平均化处理。由此可以看出，此滤波方法可以将较为明显的噪声去除，使采集获得的信号值更加接近真实值。图9 为功率因数的采样程序图。

图9 功率因数的采样程序图

3.3 电容器投切程序设计

设Q 为无功功率，若系统欠补偿，则Q 为正；若过补偿，Q 为负。检测到的无功为Qm，I 为电容器的组合数，Qi为对应组合的投切容量。如果此时没有电容器投入运行，则搜索电容器容量组合，找出满足Qm-Qi≥0 差值最小的组合，并投入对应的电容器；若此时已经有电容器投入运行，其电容容量为Qt，此时系统值缺的总无功功率为Qz=Qt+Qm，搜索电容器组容量组合，找出满足Qm-Qi≥0 时差值最小组合。

TSC 投切原则为：首先计算需要投切的电容器数量，如果需要投入的电容器组合已投入运行，则正常运行即可；而无需投入的电容器组合则退出运行。在电容器投切过程中，著需要根据上述过程选择相应的电容器组合进行投切即可。图10 为电容器投切程序流程图。