基于雙頻電力載波的智能化節(jié)能照明管理系統(tǒng)

張麗娟 潘岑誠 秦燕

摘 要：主要研究基于雙頻電力載波智能化節(jié)能照明管理系統(tǒng)，分析了智能化節(jié)能照明管理系統(tǒng)中雙頻電力載波技術的應用思路，并給出了一種硬件設計方法。

關鍵詞：雙頻電力載波；智能化；照明管理

國家經(jīng)濟發(fā)展迅速，工業(yè)生產(chǎn)和國民消費消耗了大量的電能，我國的電力中絕大部分都來自火力發(fā)電，造成了大量的碳排放和環(huán)境污染，并且煤炭屬于一種不可再生資源，為了減輕環(huán)境壓力，節(jié)省能源，有必要大力開展節(jié)能工作，發(fā)展雙頻電力載波智能化節(jié)能照明系統(tǒng)，對節(jié)省城市照明電力消耗有著重要意義。

一、設計思路

介紹了雙頻電力載波的基本原理并對基于雙頻電力載波的智能化照明管理系統(tǒng)結構進行了分析。

（一）雙頻電力載波

雙頻電力載波數(shù)字信號處理借助數(shù)字信號處理器完成數(shù)據(jù)通信，并能夠根據(jù)電力線上干擾情況自動調整其靈敏度，采用雙頻數(shù)據(jù)通信方式，主頻通信受到嚴重干擾，可以迅速切換到備用頻率上保持正常通信，通信報文還能夠實現(xiàn)自動糾錯，可以根據(jù)報文中的糾錯碼識別并消除報文錯誤。雙頻電力載波通信有A和C兩個波段，歐洲地區(qū)A波段比較常用，我國主要使用C波段。C波段雙頻載波主載波頻率132kHz，副載波頻率115kHz，主載波頻率的畸變糾正能力、抗造能力以及數(shù)據(jù)包分辨能力都優(yōu)于副頻率。

（二）系統(tǒng)結構

如圖1，雙頻電力載波智能化節(jié)能照明系統(tǒng)有單燈控制器、區(qū)域控制器和中央控制器三層系統(tǒng)結構。單燈控制器顧名思義，是某一個燈的控制器，一般安裝在照明現(xiàn)場，主要功能有開關、亮度控制、工作電流檢測、故障診斷和溫度監(jiān)測等。區(qū)域控制器一般都安裝在照明區(qū)域集線柜中，主要有功能有節(jié)能優(yōu)化算法執(zhí)行、燈具啟停、下達亮度調節(jié)指令、檢測電力參數(shù)、記錄數(shù)據(jù)等，一個區(qū)域控制器能夠負責200個燈的管理工作，借助雙頻控制技術和單燈控制器進行數(shù)據(jù)通信。中央監(jiān)控中心提供了友好的人機界面，能夠使用無線網(wǎng)絡進行路燈工作狀態(tài)的實時監(jiān)控，并將啟動、關閉以及亮度調整指令傳達給區(qū)域控制和照明現(xiàn)場。

二、硬件設計

雙頻電力載波智能化節(jié)能照明管理系統(tǒng)硬件設計主要包括單燈節(jié)點、調光電路、節(jié)點通信、監(jiān)控中心等幾方面內(nèi)容。

（一）單燈節(jié)點

單燈控制器與區(qū)域控制器之間的數(shù)據(jù)通信借助雙頻電力載波實現(xiàn)。PL3120電力載波芯片上的Neuron處理器核心和一個電力線收發(fā)器滿足了控制和通信功能需求，其價格也能夠滿足消費類產(chǎn)品的成本要求。電力載波芯片上的A/D濾波，將模擬信號轉變?yōu)閿?shù)字信號，DSP進行數(shù)字信號解碼，數(shù)據(jù)處理后和Neuron芯片交換，同時對將要發(fā)送的信號進行編碼，D/A將數(shù)字信號轉變?yōu)槟M信號之后，經(jīng)功率放大器發(fā)送回耦合電路。

單燈控制節(jié)點還能夠監(jiān)控燈的工作溫度，溫度傳感器將溫度信號通過運放電路與A/D轉換電路輸入單燈控制器，電壓和電流的檢測則依據(jù)信號檢測系統(tǒng)的功率消耗以及功率因素監(jiān)測值來計算，檢測節(jié)點和燈泡之間電流的大小還可以判斷燈泡是否存在故障。

（二）調光電路

窄帶數(shù)字信號處理技術和前向糾錯算法能夠有效解決電力線干擾、噪聲以及信號衰減等問題，保證了數(shù)據(jù)通信的準確性和可靠性，并且安裝中無需額外增加通信網(wǎng)絡線路，工程量小。并且變壓器隔離式耦合電路的抗干擾能力更強，可以有效防止浪涌電壓造成的設備擊穿。

調光的思路是，過零點后的一段時間，雙向可控硅開關導通觸發(fā)，觸發(fā)響應時間延長，可控硅導通時間將變短，燈的亮度就隨之下降。因此需要提取交流電壓過零點，基于此判斷信號觸發(fā)的時間，從而控制亮度。50Hz正弦交流電光耦取得過零點同步信號，將其發(fā)送到雙頻載波芯片，可控硅開關導通，根據(jù)系統(tǒng)時間設置延時，延時時間越長，燈亮度越小。

（三）節(jié)點間數(shù)據(jù)通信

控制器的數(shù)據(jù)通信與采集功能通過AT89C2051實現(xiàn)，形成照明現(xiàn)場區(qū)域控制，以PL3120芯片聯(lián)通控制器和電力線網(wǎng)絡，一方面連接單燈控制單片機，一方面接入耦合電路連接電力線。如果AT89C2051沒有SPI串行總線接口，可編程模擬SPI操作，寫成C51單片機程序。

（四）監(jiān)控中心

Microsoft Visual Studio為監(jiān)控中心提供了SOAP/XML軟件開發(fā)接口，通過簡單調用就能夠進行監(jiān)控中心軟件區(qū)域控制器上數(shù)據(jù)的遠程訪問配置。開發(fā)軟件加載接口信息文件和區(qū)域配置設置文件之后，能夠通過通信接口收發(fā)報文。管理中心軟件主要有制定調度策略、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)記錄、報警、數(shù)據(jù)報表等功能，實現(xiàn)對遠程單燈控制器的自動/手動控制，包括亮度調節(jié)、開關、故障診斷、狀態(tài)監(jiān)測等多種行為。

三、結語

城市照明系統(tǒng)電力線通信信道衰減大，噪聲強，為了進一步提高報文傳輸?shù)挠行?，基于雙頻電力載波通信技術，選擇增強型Lon Talk代理協(xié)議，使用了區(qū)域控制器自學習報文路由功能，報文轉發(fā)機制固化在單燈節(jié)點Neuron固件上，獲得了理想的通信可靠性，顯著提升了城市照明系統(tǒng)的節(jié)能性能。

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