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      智能風(fēng)/光/儲LED路燈控制系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

      2019-11-19 08:27:40周習(xí)祥
      關(guān)鍵詞:PC機(jī)微網(wǎng)路燈

      周習(xí)祥

      (益陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程系,湖南 益陽 413049)

      絕大多數(shù)國家的能源結(jié)構(gòu)具有明顯的高碳性,日益嚴(yán)重的能源短缺和環(huán)境污染問題使得以可再生能源為主的分布式發(fā)電系統(tǒng)(DGS)成為全球研究的重點(diǎn).由于風(fēng)電和光電輸出功率隨時間、季節(jié)和氣候變化而變化,因此發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率存在不連續(xù)、不穩(wěn)定和低密度等問題,導(dǎo)致分布式發(fā)電系統(tǒng)難以對孤島內(nèi)負(fù)荷進(jìn)行持續(xù)、穩(wěn)定的供電.國內(nèi)外研究重點(diǎn)主要集中于含風(fēng)/儲微網(wǎng)的配電網(wǎng)可靠性模型建立,風(fēng)/儲互補(bǔ)微網(wǎng)運(yùn)行方式設(shè)計[1],LED路燈驅(qū)動電路設(shè)計、混合儲能設(shè)計和供電模式設(shè)計[2-4],路燈控制系統(tǒng)設(shè)計[5-11].而對于在微網(wǎng)發(fā)生故障時如何保障微網(wǎng)負(fù)載安全可靠地運(yùn)行,以實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)側(cè)負(fù)荷不間斷供電,同時,如何快速準(zhǔn)確地獲取故障信息并排除故障等的研究并不多.鑒于此,筆者擬以風(fēng)機(jī)、LED光源、太陽能電池板和蓄電池為監(jiān)測與控制對象,以風(fēng)光互補(bǔ)智能控制器為中心,設(shè)計無線智能分布式風(fēng)/光/儲LED路燈智能控制系統(tǒng),通過控制中心PC機(jī)實(shí)現(xiàn)對風(fēng)/光/儲負(fù)載的智能監(jiān)測與控制.

      1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計

      無線智能分布式風(fēng)/光/儲LED路燈智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(圖1)主要包括計算機(jī)監(jiān)測終端或手機(jī)監(jiān)測終端、上位機(jī)、無線模塊子節(jié)點(diǎn)、風(fēng)光互補(bǔ)智能控制器及其外圍電路.網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?圖2)主要包括網(wǎng)關(guān)和無線模塊子節(jié)點(diǎn).

      圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 System Structure

      圖2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?Fig. 2 Network Topology

      風(fēng)光互補(bǔ)智能控制器采用美國ATMEL公司的8位單片機(jī)ATMEGA32A工業(yè)級芯片為核心的測控電路,其外圍電路主要包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)三相電源輸入、風(fēng)力發(fā)電機(jī)剎車控制信號、光伏電池輸入、上位機(jī)或無線傳輸模塊、LED光源電壓輸出、鋰電池充放電控制和LED狀態(tài)顯示電路.智能控制器將監(jiān)測到的所有數(shù)據(jù)以數(shù)字信號的模式通過無線模塊子節(jié)點(diǎn)相互傳輸,傳輸頻段采用2.4G全球通用頻段,最終將所有信號傳遞給上位機(jī).但上位機(jī)不能直接讀取所有無線模塊的子節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)信息,所有子節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)信息都需通過同側(cè)直線上的無線模塊中繼轉(zhuǎn)發(fā)[4-8].如果某個路燈出現(xiàn)故障,導(dǎo)致該節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)端所有信號均不能通過它進(jìn)行傳輸而導(dǎo)致信號中斷,那么網(wǎng)關(guān)就不能通過直線連接訪問該節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)端的節(jié)點(diǎn),此時,網(wǎng)關(guān)可啟動AODVjr-PB路由算法,通過洪泛(Flooding)機(jī)制查找一條至該子節(jié)點(diǎn)的最短路由.例如,節(jié)點(diǎn)A3出現(xiàn)故障,則網(wǎng)關(guān)可訪問路徑可以是“網(wǎng)關(guān)→A2→B3→A4及其后續(xù)節(jié)點(diǎn)”.上位機(jī)內(nèi)安裝移動物聯(lián)網(wǎng)卡,以GPRS信號模式將信號傳遞給PC監(jiān)測終端或手機(jī)監(jiān)測終端.

      2 控制系統(tǒng)硬件、軟件設(shè)計

      2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

      硬件電路核心是ATMEGA32-AU,它是一塊低功耗8位AVR CMOS微控制器,具有先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu),有獨(dú)立鎖定位的可選Boot代碼區(qū),可通過片上Boot程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程,同時配有1 024 byte的只讀E2PROM,2 kbyte的片內(nèi)SRAM,可以實(shí)現(xiàn)用戶程序的加密.控制器有32個可編程I/O接口,數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS/MHZ.

      硬件電路主要包括多通道切換電路、高精度A/D轉(zhuǎn)換器、多通道采樣保持器AD7753、RS-485通訊控制邏輯電路、顯示電路、8路I/O輸入輸出電路、撥碼開關(guān)電路、鍵盤處理電路、手自動切換電路、時鐘電路、預(yù)案存儲電路、電源及其他電路等.硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖及控制關(guān)系如圖3所示.

      圖3 硬件結(jié)構(gòu)框圖及控制關(guān)系Fig. 3 Hardware Structure Block Diagram and Control Relationship

      2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

      數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(圖4)通過霍爾傳感器和電阻測試網(wǎng)絡(luò)采集光伏電池、風(fēng)機(jī)、鋰電池、負(fù)載的電流與電壓,并對數(shù)據(jù)采樣保持,由A/D轉(zhuǎn)換后輸送給單片機(jī),單片機(jī)通過運(yùn)算處理后控制外部LED顯示器顯示系統(tǒng)工作狀態(tài),將數(shù)據(jù)通過通訊控制邏輯電路以GPRS發(fā)送給控制中心,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控.

      圖4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)Fig.4 Data Acquisition System

      2.3 通訊電路設(shè)計

      系統(tǒng)通訊電路采用SIM300GSM/GPRS通訊模塊,能為語音、短信息和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等提供無線接口,它集成了完整的射頻電路和GSM基帶處理器.

      2.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

      系統(tǒng)軟件流程包括智能控制器軟件流程(圖5)和控制中心PC機(jī)軟件流程(圖6).

      圖5 智能控制器軟件流程Fig. 5 Software Flow Chart of Intelligent Controller

      圖6 控制中心PC機(jī)軟件流程Fig. 6 Flow Chart of Control Center PC Software

      3 系統(tǒng)安裝與測試

      現(xiàn)場搭建無線智能風(fēng)/光/儲LED路燈控制系統(tǒng)(圖7).打開PC機(jī)控制界面,對路燈進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)測,監(jiān)測結(jié)果如圖8所示.由圖8可以看出,系統(tǒng)可以查看路燈(路燈基本信息和部件信息)和上位機(jī)(基本信息和調(diào)度歷史)等的詳情.

      圖7 無線智能風(fēng)/光/儲LED路燈監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場安裝Fig. 7 Installation Intelligent Wireless of Wind/Light/Storage LED Street Lamp Monitoring System

      圖8 路燈和上位機(jī)詳情Fig. 8 Street Lamp and PC Details

      路燈工況詳細(xì)參數(shù)(圖9)通過智能控制器分析處理后,由上位機(jī)傳送給控制中心,控制中心PC機(jī)可遠(yuǎn)程實(shí)時讀取路燈的相關(guān)參數(shù)并遠(yuǎn)程控制.路燈工況的主要參數(shù)包括風(fēng)機(jī)參數(shù)(風(fēng)機(jī)瞬時轉(zhuǎn)速、風(fēng)機(jī)輸出電流、累計發(fā)電量、昨日發(fā)電量、高閥值、低閥值和狀態(tài)位),太陽能板參數(shù)(輸出電壓、輸出電流、累計發(fā)電量、昨日發(fā)電量、弱光閥值、環(huán)境光狀態(tài)和充電狀態(tài)),蓄電池參數(shù)(電壓和虧電狀態(tài)),光源參數(shù)(亮燈時段、亮燈百分比、調(diào)光系數(shù)、亮燈參數(shù)、功率、累計用電量和狀態(tài)位),異常情況顯示(光源、風(fēng)機(jī)、太陽能板和蓄電池).

      圖9 路燈工況Fig. 9 Street Lamp Condition

      4 結(jié)語

      以風(fēng)/光/儲LED路燈為監(jiān)測與控制對象,以風(fēng)光互補(bǔ)智能控制器為監(jiān)測中心,利用無線模塊和上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,通過控制中心PC機(jī)實(shí)現(xiàn)對風(fēng)/光/儲負(fù)載的智能監(jiān)測與控制.但由于目前風(fēng)/光/儲LED路燈基本以獨(dú)立微網(wǎng)為主,當(dāng)遇到連續(xù)無風(fēng)、陰雨天氣時,會導(dǎo)致路燈無法正常工作,當(dāng)遇到大風(fēng)、晴天天氣時,又會造成能源浪費(fèi);因此,如果微網(wǎng)采用并網(wǎng)模式,就既能充分利用微網(wǎng)能源,又能保證微網(wǎng)不間斷供電.這是路燈控制系統(tǒng)研究亟待解決的問題,也是下一步研究的重點(diǎn).

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