变电站智能照明控制系统的设计和应用

2024-01-11李辛

灯与照明 2023年4期

李辛

(国网长春供电公司城西输变电运检中心,长春 136100)

电力变电站作为电力系统中的关键组成部分，负责将高压电能转换为低压电能，以供各类电力设备和终端用户使用[1]。在变电站内部，照明系统是维持运行安全和人员工作效率的基本设施之一。然而，传统照明系统在能源消耗、管理效率和安全性方面存在一系列挑战，迫切需要创新性解决方案。随着信息技术的飞速发展，智能照明控制系统应运而生，为解决传统照明系统存在的问题提供了全新可能性。

1 长春市政路灯工程概述

长春市政变电站工程代表着现代变电站发展趋势，其设计中融入了大量智能化、自动化的管理元素，旨在实现更高运行效率和更佳能源利用率。智能照明控制系统在此工程中扮演着关键角色，该系统基于多感应器数据融合技术，配备了自适应调光能力LED灯具，并集成了智能控制单元，用于精确调控照明强度，完全符合变电站内部环境的实际需求[2]。

2 长春市政路灯工程变电站智能照明控制系统的设计要点

2.1 控制系统硬件配置

在智能照明控制系统的硬件配置层面，长春市政变电站工程综合考量了稳定性、效能和未来技术升级空间。首先，中央控制单元（CCU）的核心是一款工业级微处理器，其主要特点包括但不限于多核处理能力、高速缓存以及高速IO接口，确保了系统快速响应和处理大量传感器数据的能力[3]。此外，CCU具备模块化设计，可以根据实际需求扩展各种功能模块。同时该项目还配备了可编程逻辑控制器（PLC），用于处理更为复杂的控制任务和逻辑运算。控制单元通过冗余设计，包含了双CPU配置，确保在主CPU出现故障时备用CPU能立即接管，从而实现了99.999%的高可用性。为应对可能出现的电网不稳定情况，系统还集成了UPS（不间断电源），可以在主电源中断时提供至少30 min的电源支持，保障控制系统不受影响继续运行。

在照明器具上，该项目采用高效能LED灯具，其不仅具有长寿命和高光效，而且支持无极调光，可以在0～100%范围内任意调整亮度，完全满足变电站照明需要。每盏灯具均配备了独立智能模块，使其可以实现单灯控制和监测，极大提升系统灵活性和故障定位的便捷性。在传感器配置方面，项目根据实际应用场景选择了光敏传感器、红外移动传感器、温湿度传感器等一系列高精度传感器，可以准确地感应环境变化和人员移动，其传感器通过数字信号处理器（DSP）进行信号预处理，以确保数据的准确性和传输的实时性。整个照明控制系统的硬件组件通过工业以太网互联，使用了冗余双网络设计，能够保证网络通讯稳定和可靠，表1为智能照明控制系统硬件配置的具体数据。

表1 系统硬件配置

2.2 电气连接与布线设计

在长春市政变电站工程智能照明控制系统中，电气连接与布线设计是确保系统整体稳定运行的关键。首先，在布线结构设计上，本工程采取了星型拓扑结构。该结构优势在于，当任一终端出现问题时，不会影响其他分支，从而有效减少系统故障对整体照明的影响，同时也便于快速准确地定位和隔离问题所在。每条线路均能够单独断开，不会因单点故障而影响整体系统。电缆选择上，采用耐高温阻燃材料，以符合最严格的国家安全标准[4]。电缆的敷设均遵守电气工程布线规范，例如：在穿过墙体和地板时采用金属管道或阻燃管道保护，即便在火灾等极端条件下布线系统也能保持完整，尽最大努力避免火灾扩散。供电方式上，实施了双回路供电系统，关键区域和设备均被纳入至少两条供电路径之中，当一条供电路径出现故障时，另一条能够立即接管，确保照明不中断。照明控制线路独立于主供电线路，可以通过控制器界面或远程控制系统进行操作，不仅保证维护或测试时的安全性，还增加了操作灵活性。当照明系统需要升级或维护时，通过控制系统可以迅速将相关电路切换至维护模式，从而不影响主供电系统正常工作。另外，为提升系统的智能响应能力，布线设计中还嵌入了传感网络，使各类传感器信号可以快速传输到中央控制单元。传感器电源和信号线同样进行了独立布线，既保证了信号准确和稳定传输，又避免了与主电力线路产生干扰。

2.3 软件与控制逻辑编程

首先，软件设计基于高实时性RTOS，利用了模块化设计理念，以保证各功能组件独立性和易于维护性。系统软件采用了事件驱动架构，允许系统在传感器输入发生变化时迅速响应，从而实现高效控制逻辑。通过实施模糊逻辑与比例-积分-微分（PID）控制算法的混合策略，软件能在各种环境光线条件下提供稳定而准确的照明调节。例如，系统会根据光敏传感器反馈的实时光照强度来调整LED灯具的亮度，以维持设定照明水平[5]。此外，软件编程中还特别注意了人体活动动态响应，利用红外移动传感器监测数据，侦测到人员活动并自动开启或关闭相应区域的照明，从而实现能源有效利用。对于系统运行时间策略，编程中设定了多个时间段，配合定时器使用，可以在夜间或非高峰时段降低照明强度，进一步优化能耗。同时，编程逻辑中嵌入了自我诊断算法，能够定期自检，及时发现灯具、传感器或通信接口的异常，并通过中央监控界面向操作维护人员报告。一旦检测到故障，自动切换到备用方案或启动紧急照明模式，确保变电站连续运行。在实施过程中，系统软件的各个功能模块和控制逻辑均经过了严格测试和优化，以保证其在实际应用场景中的性能和稳定性。软件界面设计直观易用，确保操作和维护人员能轻松进行系统配置和状态监控。

3 长春市政路灯工程变电站智能照明控制系统的集成与应用

3.1 系统集成与调试

变电站智能照明控制系统的系统集成与调试环节，是将多个子系统和组件融合成为一个完整功能体的关键步骤。这一过程中，技术人员需要精确协调软硬件之间的互动，保证各部分兼容性和整体的协同工作。集成过程首先从硬件开始，涉及控制器、传感器、照明装置等多个层面。各硬件组件需要被精确地安装于其服务位置，并进行物理连接。这一阶段挑战在于确保所有电气连接的正确性和安全性，尤其是在接线和电缆布局方面，必须严格遵守行业标准和规范。电缆选择和布局应充分考虑抗干扰能力和长期耐久性，以保障信号传输的稳定和系统长期运行的可靠性。在软件层面，需要加载和配置控制算法，其算法决定了照明控制逻辑，根据传感器反馈的数据做出调光决策。此外，还需配置通信协议，以实现智能照明系统与变电站其他管理系统之间的数据交互。调试过程中，程序稳定性、响应时间、异常处理能力是重点测试和优化对象。调试环节需要对系统进行全面的功能验证，确保每个控制指令都能准确执行，包括对时序控制检验，验证是否所有照明设备按照预定计划响应；对故障检测机制的测试，保证在出现故障时系统能及时报警并采取应对措施；对系统自动化程度的确认，确保系统根据环境变化自动调整照明条件，减少人为干预。此外，调试过程中还应验证系统可扩展性和升级维护便利性，为系统未来更新和维护打下基础。

3.2 环境适应性测试

首先，环境适应性测试包括温度和湿度变化测试，考虑到变电站可能位于高温或低温的环境，智能照明系统必须在这些极端条件下保持正常运行。温度适应性测试确保控制器、传感器、照明设备的物理材料和电路设计能承受预期的温度范围，同时保证热管理系统能有效散热或保温，防止设备因过热或过冷而失效。湿度测试则是为了验证系统组件在高湿环境中的抗腐蚀能力和绝缘性，防止湿度引发的短路或腐蚀问题。除了温湿度，环境适应性测试还需要模拟风速、尘埃、盐雾、震动等物理和化学因素的影响，确保系统机械和化学稳定性。

此外，在环境适应性测试中，还应特别考虑光线强度的变化对系统的影响。虽然夜间照明不受日照直接影响，但系统的光感传感器需要在不同光照条件下准确工作，以确保在夜间或光线不足的环境中自动调整照明强度，系统设计时仍须考虑到日间环境光变化。因此，系统需进行模拟日照变化的测试，旨在验证光感传感器在白天不同光照水平下的响应性和准确性。即使在日间的强光或暮色中，系统也能准确判断环境光线条件，并在夜间或光照不足时，自动调节照明强度，以保持恒定和适宜的照明水平。通过此种方式，智能照明控制系统不仅能够应对极端气候条件，而且还能适应日夜及季节性光照变化，确保照明效果的连续性和一致性。

3.3 性能监测与数据记录

在变电站智能照明控制系统的实施中，性能监测与数据记录是确保系统长期稳定运行的关键。此环节主要通过系统内建监测工具，持续跟踪和记录照明系统的性能参数，以及不同环境和操作条件下的具体表现。性能监测覆盖了从能源消耗、光照强度到系统响应时间等多个维度[6]。系统内的传感器可以实时监测光线强度、人员活动和能耗等数据，确保照明系统可以根据预设的控制逻辑自动调节照明强度，及时响应环境变化。数据记录则涉及收集和存储这些监测数据，不仅为系统维护提供依据，同时也为后续的系统优化和升级提供了宝贵的信息。性能监测与数据记录过程如表2所示。