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行业新闻

网络化实时路灯监控系统的总体设计

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网络化实时路灯监控系统的总体设计:城市公共道路照明系统实现数字化、网络化、实时化、精确化和动态化是路灯系统发展的必然趋势,也是经济和技术发展的必然趋势和要求。本文在介绍了新型路灯监控系统一网络化实时路灯精确监控系统(MRL,real―:imenetworkingsystemforaccuratelyMonitoringRoadLamp)特点的基础上,论述了系统总体框架及有关核心技术,讨论了系统的基本功能。在此基础上,给出了一种路段控制器的具体实现方法。 1MRL系统特点与总体框架设计1.1路灯照明系统现状随着经济的发展,城市路灯照明己经开始出现路灯照明夜景化、照明规模化、系统复杂化、系统自动化和灯具新型化等特点。原有市政路灯系统的管理方式、运营方式和维护方式等方面己经根本无法满足人们对路灯照明质量、维护水平、节约能源、保护环境等方面的要求。410万盏,全国约有450万盏。随着对外开放的深入,美化城市夜景己经成为树立城市形象的重要手段。这不仅使各城市灯具数量在不断迅速长,新型灯具、新型线杆和新型变压器也在不断更新,更重要的是人们对城市路灯管理系统处理事故速度,及时准确掌握系统运行状态信息,合理调节城市照明负荷,节约能源等方面提出了新的更高的要求。尽管个别发达城市进行了一定程度的系统改造,例如,有的系统实现三遥“即:遥测、遥控、遥信)功能,有的系统通过光控和时控技术实现对接触器进行控制、检测每条路段的亮灯率,可有效控制全夜或半夜灯,可对供电变压器(电流或电压)线路短或开路等突发事件进行及时报警,有的系统实现了双灯单亮”还有一些系统应用了GPS和GIS技术,但是,这些系统从根本上没有实现数字化一镇流器数字化和网络化,无法实现任意时刻、任意盏灯具的远程监控。 种具有实用性、先进性和可靠性等特点的理论、技术和产品,在大量实践的基础上研发了此系统。它集中体现了关键技术的优越性,其系统主要特点表现在以下几点。 灯光照度可调与恒功率输出。镇流器采用基于微处理器的全数字化镇流器技术(有源功率因数校正技术,高频软开关技术和扫频技术等),不仅能根据需要控制灯光照度,而且在配电网电压幅值波动很大的环境下,保证灯具得到恒定功率,真正实现灯具的标称使用寿命。 任意灯的网络化控制。目前一般的路灯联网控制多是对整条路段的控制或双灯单亮“根本无法实现对任意单盏灯具及其组合的控制策略。MRL系统基于数字镇流器技术、电力载波通目技术和GSM(GlobalSystemforMobilecommunications)无线通f目技术,可以全天候、任意束略控制单盏灯、指定路段灯。 2D(平面地理信息)+D(路灯属性信息)的目息交互控制。通过GIS(GeographicInformationSystem)技术,市政路灯官理处可以准确了解全市各个路灯变压器和每个路灯位置信息及运行情况,形象化地掌握和处理城市路灯系统的各种相关属性信息,实现实时动态信息显示和控制。 精确电能计量与实时故障报警。通过采用数字电能计量芯片CS5451和数字镇流器,不仅能随时准确掌握线路通电质量和用电情况,而且可以了解每一盏路灯的用电信息。当灯具、通信线路故障时,路灯管理处可以得到及时的故障报警。 MRL系统的总体框架目前,我国传统的人工路灯照明控制、定时控制、人工路灯巡查等工作方式已经不能适应现代国民经济发展的需要,更无法满足数字化城市信息共享与利用的要求。利用计算机控制技术、各种网络通信技术、无线通信技术、GSM技术和GIS技术等,实现城市路灯远程精确动态管理已经成为现代数字城市市政路灯的基本要求,是城市绿色照明工程的重要内容。 为MRL网络化实时路灯精确监控系统的总体框架。它主要包括数字镇流器模块、电力载波通信模块、GSM模块、路段控制器模块和基于GIS的计算机管理系统等5大部分。 数字镇流器模块。它是实现对单盏灯进行测控的硬件基础,采用现代电力电子技术的*新成果(有源功率因数校正技术,高频软开关技术和高频磁技术)和先进的集成控制芯片(功率因数控制器,功率器件自举驱动器),运用自适应技术设计的高压触发启动电路和扫频技术设计的声共振消除电路以及PID恒功率闭环控制电路,具有热灯启动、灯短路、灯开路和灯损坏等保护措施,能适应在户外全天候的恶劣环境和无人值守条件下长期稳定工作。 电力载波通信模块。尽管电力载波通信(PowerLineCommunication,PLC)在长距离通信中存在各种各样的问题,有些问题至今还难以解决,但是,对于路灯管理系统来说,由于每盏灯均需要220V电缆供电,拓扑结构相对简单,网络负载单一,且仅在路段控制器与路灯之间、路灯与路灯之间进行通信,因此,电力载波通信具有极大地方便性和可行性。本系统还采用了自组织理论,动态探测路灯节点逻辑拓扑关系,建立逻辑链路通信层,克服以往电力载波点对点通信效率低的缺点,确保系统末端路灯响应时间。 路段控制器模块。也称远程终端设备(RTU,RemoteTerminalUnit),它是整个系统日常运行控制中心,既可以在市政路灯管理中心控制计算机(以下简称上位机)的控制下工作,也可以脱离上位机独立工作。它不仅直接控制整条街道路灯的供电和具有运行监测功能,而且具有多种路灯照明控制策略,主要包括:①自动定时控制,可以根据路灯开关预设时间,定时控制路灯;②自动日照控制,可以根据实际测定的日光照度和照度控制准则,自动控制路灯;③基于定时的照度控制,在自动定时的基础上,根据实际照度的特殊变化,灵活控制路灯;④特殊节假日及特殊需求控制,路段控制器可以接收路灯管理中心发出的指令,任意控制变压器各相供电和每个路灯的工作。 此外,它还包括电能计量、工作环境监控、信息通信、故障状态报警和手动控制等功能。 GSM模块。一个城市有几十台到上百台路段控制器,它们如何可靠、方便、经济地与路灯管理中心计算机组成网络是路灯系统高效、稳定运行的关键。利用电话线对于实用系统来说是不现实的,它不仅需要为每一个路段控制器布电话线,而且运营成本昂贵;数传电台虽然安装使用方便,表面上无运营成本,但是,实际上城市空间布局变化快,要想建立象移动通信一样可靠的通信网络,不仅建设成本高,而且维护成本同样也非常可观。 利用无线局域网WLAN也存在同样类似的问题。GSM系统在路灯管理系统中很好地解决了上述问题。电质量和线路负载,必须保证能够可靠监测供电线路的短路和断路等故障。 必须保证系统可以测量日光照度,根据实际照度和定时开关灯控制要求,控制系统供电,保证阴雨天、沙尘暴等气候环境下改善照明效果,提高总体照明质量。 必须保证系统在一定温度和湿度范围内均能正常工作。因此,除了在器件选择和软件设计等方面要充分考虑可靠性外,必须有硬件检测温度/湿度的手段和调整温度/湿度的方法。 此外,为保证路段控制器运行的可靠性,还要同时考虑强电系统对弱电系统带来空间的及电网串扰等各种电磁干扰。5)基于GIS的计算机管理系统。GIS系统是2.2路段控制器硬件总体设计近年来数字城市发展中的重要技术,在很多领域得到了良好应用。在MRL系统,中央监控室的电脑上可实时地掌握全市路灯的实际情况,通过电子地图能够管理整个系统的工作,动态显示损坏路灯的位置及原因。这些基本功能是通过安装在路灯供电线路上的控制器完成的,控制器通过GSM接收来自控制中心的指令,执行后结果再回送到控制中心进行信息的集中处理。 2路段控制器的总体设计2.1功能要求对于一个网络化实时路灯监控系统来说,路段控制器是整个系统的神经中枢,每条路段的亮灯率、全夜或半夜灯控制、供电变压器(电流或电压)线路短或开路等突发事件报警都是在路段控制器直接指挥控制下完成的。因此,整个系统对路段控制器的要求十分严格。其主要要求有以下几点。 必须保证系统可以单相/两相/三相独立远程或本地控制。路灯管理系统既可以在市政路灯管理处办公室内任意控制变压器工作状态,也可以在本地微处理器的控制下根据控制策略任意控制变压器和路灯节点的工作。 必须保证在任何时候系统上电复位后都能正确进入正确的工作状态。这就要求路段控制器不仅要有时钟系统,还要有多级备电系统,保证断路掉电时系统路段控制器与上位机正常通信,长时间掉电时保证时钟正常运行;同时,不仅要求系统时刻记录运行信息和照明控制策略,而且还能在*坏的情况下,实现本地手动控制系统。 必须保证系统能够准确测量供电变压器供路段控制器总体结构如所示。它主要包括5大模块:强电控制与检测模块、电能计量模块、控制策略与时钟监控模块、电力载波通信接口模块和GSM通信模块。 1)强电控制与检测模块。路段控制器在采用自动空气开关的基础上,对供电线路控制采用固体继电器和交流接触器两级控制方式;电压互感器和电流互感器在作为计量传感器的同时,也充当短路和断路检测传感器。此外,该模块实现了系统强弱电有效隔离。 2)电能计量模块。路段控制器采用CRYSTAL公司*新推出的带有串行接口的三相功率/电能计量集成电路芯片CS5451.该芯片比目前比较流行的电子电度表芯片如AD7750、AD7755更容易实现与微处理器的连接。 参数;时钟模块采用DS1302芯片,用一个3.3V锂电池作时钟后备电源,保证长时间掉电时钟信息不丢失;采用I2C总线式的64Kbit电可擦除存储器EEPROM,可以长期存储大约1300个镇流器记录信息。此外,电源及充电模块将提供给该系统一个后备电源,在路段控制器掉电情况下,上位机仍能够及时了解路段控制器状态。 电力载波通信接口模块如所示。该模块采用基于CEBus标准的扩频通信技术,能够符合现有的行业标准。核心芯片采用Intellon的扩频电力线通信收发器SSCP300,其标准与CEBus标准兼谷,CEBus中的Chirp在现有的电力线通信扩频带宽为300kHz,在通信速率为2400b/s时,获得*大的扩频增益。 GSM通信模块。路段控制器采用GSM短消息方式与管理中心计算机通信。GSM具有随时在线(AlwaysOnline)、不需拨号、价格便宜、覆盖范围广等特点,特别适合于传送小流量数据的应用,克服了一般技术存在的通讯范围有限、费用高、每次通讯需先拨号等缺点。该模块支持900/ 1800MHz双频,灵敏度达-0. 102dB,频率误差小于0.1,接通率高,信号质量更好,工业级设计,确保畅通无阻接收。 2.3路段控制器软件框架路段控制器采用Microchip公司生产的高性能、高可靠性、具有8kbytesFlash、8通道10位A/D、内含看门狗的8位单片机PIC16F877.单片机软件强壮是整个路段控制器可靠性的重要保证之一。软件系统总的流程图如所示。其通信协议主要体现在通信帧格式定义与相关命令解析上。上位机向路段控制器发送帧格式有:镇流器节点开通分配命令帧;统一开关命令帧;单独开关命令帧;镇流器状态查询帧;确认帧;出错帧。路段控制器向上位机发送的数据帧格式有:镇流器节点开通请求帧;状态帧;确认帧;出错帧。路段控制器向电力载波通信(PLC)发送的帧格式有:统一开关命令;单独开关命令;镇流器状态查询帧;确认帧头有效长度目标地址源地址控制字状态信息/y验和有效数据K―般帧格式3结束语实现网络化实时路灯精确监控是数字化技术发展的必然结果,是城市路灯管理系统发展的必然方向。网络化实时路灯精确监控系统涉及到电力电子技术、电力载波技术、计算机控制技术、网络通信技术和智能控制理论与算法等多个领域的*新科研与技术研宄成果,是城市现代化程度的重要标志。该系统的采用与推广,不仅提高了路灯管理水平和服务质量,而且在节约能源、保护环境、保证社会安全等方面也将产生巨大的经济效益和社会效益。 1王卫,张伟强,高国安。电子镇流器谐振型负载电路的研宄。

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