基于单片机的路灯节能远程控制文档格式.docx
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当发达国家在讨论什么是“恰到好处的照度水平”的今天,我们这种控制方法就太落后了。
九十年代以来,夜景照明建设成为城市市政设施建设的一个重要环节,各地也取得了相应的成绩,但是市政开支普遍紧张与增设夜景照明形成了很大的矛盾。
以沿海某开放城市为例,大批路灯在安装后迫于财政紧张的压力,支付不起沉重的照明电费开支,又不得不关掉近一半的灯,结果近年新装的部分路灯形同摆设,造成变相浪费。
近年来,我国的城市道路照明发展迅速,1999年全国安装300万盏路灯,目前已经达到约一亿盏,安装功率达到二点五千万千瓦,一年的耗电量约为590亿度,这个数字是比较庞大的,有相当大的节能潜力。
以某区现有路灯为例,2009年路灯系统电费就达到400万元。
面对能源与环境危机,各国都在努力实施“节能减排”工程,抓好城市照明用电的节约,成了节能工作不可忽视的一个环节。
从路灯照明的实际出发如何科学的节能成为路灯行业很重要的一个问题。
2、节能与环保
随着我国经济的快速增长,能源需求大幅增加,能源供需矛盾突出。
尤其是近两年,全国用电量及电负荷增长较快,去年以来已有三分之二的省(区、市)出现了不同程度的缺电甚至拉闸限电现象,严重影响经济社会发展和人民生活水平提高。
能源是人类社会赖以生存发展的重要资源。
全球人口增长和经济增长对能源的需求日益加大。
长期过量开采煤炭、石油、天然气这些常规能源,至使其储量减少。
据联合国等官方资料估计,地壳中剩下的石油还可开采35年、天然气40年、煤炭110年,人类面临何等的能源的压力!
同时,由于长期使用煤炭和石油等污染的能源,所导致的环境和生态问题,已严重威胁人类自身的生存。
节约电能对保护环境具有重要意义。
在火力发电的情况下,每生产1度电,对空气产生的污染物二氧化硫;
氮氧化物和二氧化碳的数量分别如下:
燃煤发电产生SO2:
9克,NOX:
4.4克,CO2:
1100克;
燃油发电:
产生SO2:
3.7克,NOX:
1.5克,CO2:
860克:
燃气发电:
5克,NOX:
2.4克,C02:
640克;
C02在大气中不断积累,吸收地面释放的红外辐射,形成大气的“温室效应”,导致地球变暖,造成冰山融化和海水热膨胀,引起海平面升高,改变生态系统,影响人类的生产和生活。
大气中的S02、NOX和酸雨使材料加速腐蚀,破坏土壤和水的质量,影响植物和水生物生长。
人们长期生活在一定浓度的SO2和NOX的空气中,会产生呼吸道和其它疾病。
另一方面我国用电效率低下,浪费严重,节约潜力很大。
大量节约电能,可以有效的保护环境,减少污染,提高人们的健康水平。
据调查,至2005年底,我国大中城市主城区共计安装路灯1200万盏,每年照明用电已超过500亿元人民币。
按照我国提出的“中国绿色照明工程”,照明节电已成为节能的重要方面。
目前的城市照明节能潜力很大,一般节能方案均能达到节约10%-20%,而路灯远程监控系统能够节能35%以上,全国节电能价值可观,可想而知节约用电在国民经济中该有多大的作用。
各地政府逐渐加大城市道路照明新改建的力度,根据中国市政工程协会城市道路照明专业委员会对718个城市路灯管理单位统计数据,自2004年底以来总投资约260亿元人民币,其中新改建路灯约投资100亿元左右,净增路灯500余万盏。
到2007年底718个城市照明设施已达1372万盏,比2004年统计数净增33.9%。
有45%以上城市道路装灯率达100%;
62%以上城市公共区域装灯率达95%;
100%城市亮灯率达97%以上的骄人成就,照亮了城市、美化了环境,得到了城市市民的好评。
根据路灯设施不完全调查统计,三年来路灯总盏数从920万盏增加到1372万盏,增长了33.9%。
而路灯总功率2004年为161.7万KW,2007年为197万KW,却只有增长18.26%,这说明路灯总盏数增长,总功率没有同比增长,照明总耗电量却在下降。
到目前为止,除了应用新型材料、新型技术来达到节能,对路灯的远程监控则可以从另一个角度解决节能问题,而且还有利于城市统一化建设。
能源建设不断加强,能源效率仍然较低。
20世纪90年代以来,中国一次能源生产总量翻了一番多,2007年达到23.7亿TCE,已成为世界第二大能源生产国,电力工业实现了跨越式发展。
2007年底发电装机容量超过7亿kw,1GW超超临界火电机组、700MW水轮发电机组等先进装备实现了国产化,一批大型现代化煤矿建成投产,石油和天然气勘探开采有了新突破,节能降耗取得积极进展,20世纪最后20年,中国以能源消费翻了一番,支撑了经济总量翻了两番,能源消费弹性系数为0.43,但也要看到,中国能源了利用效率相对较低,能源生产和使用仍然粗放。
2003~2005,单位GDP能耗上升;
2006年以来加强了节能减排,单位GDP能耗有所下降,但要实现持续下降,还需要加大工作力度。
3、我国政府对电力行业节能减排监管
“十一五”期间,国家把化学需氧量和二氧化硫作为减排约束性指标,取得明显进展,对改善环境质量发挥了积极作用。
在“十二五”期间,仍需继续深入推进。
考虑到2020年全面建设小康社会对环境的要求、污染减排潜力和现阶段污染治理的经济技术可行性,本着实事求是、可达可控、基础条件具备、保障措施可行的原则,把化学需氧量和二氧化硫减排目标确定为在2010年基础上分别下降8%。
主要考虑有四个方面:
第一,从污染削减能力看,随着城镇污水处理厂、燃煤电厂脱硫等重点减排工程的建成投运,化学需氧量和二氧化硫工程减排的空间和潜力收窄。
“十一五”期间,全国累计建成运行5.32亿千瓦燃煤电厂脱硫设施,到“十一五”末,全国火电脱硫机组装机容量达到5.78亿千瓦,比例从2005年的12%提高到82.6%;
累计新增城市污水日处理能力超过6500万立方米,到“十一五”末,全国城市污水日处理能力达到1.25亿立方米,城市污水处理率由2005年的52%提高到77%。
钢铁烧结机烟气脱硫设施由零增加到170台。
“十二五”期间,通过新建治污工程的减排潜力变小,主要依靠进一步加大产业结构调整力度和加强管理提高设施运行效率及达标水平,充分发挥政策、管理和科技减排的效益。
第二,从减排进展情况看,“十一五”期间,得益于各地采取强力措施,加大工作力度,工程减排、结构减排和管理减排三大措施全面发挥效益,全国化学需氧量和二氧化硫排放总量分别下降12.45%和14.29%,均超额完成10%的减排任务。
“十二五”期间再分别减排8%,与2005年相比,两项污染物的减排比例均超过20%以上。
东部有的省份十年加起来化学需氧量减排比例接近40%,减排任务是相当艰巨的。
第三,从环境质量状况看,通过“十一五”的努力,全国地表水化学需氧量和大气环境中二氧化硫的浓度出现不同程度的下降,以化学需氧量为例,监测数据显示,2010年,全国七大水系国控断面好于Ⅲ类水质的比例由2005年的41%提高到59.6%。
但水体中氨氮和大气环境中氮氧化物浓度呈现上升趋势,成为影响环境质量的主要污染因子。
部分水体尤其是湖泊、水库等封闭性水域,富营养化问题突出,氨氮、总氮等成为首要污染物。
第四,从减排管理范畴看,“十二五”期间,首次把农业源和机动车等纳入约束性指标管理范围,在这些领域,我们的基础能力还比较弱,统计、监测和管理手段有待加强,机动车污染排放和农业源总量减排监管体系有待建立和完善。
第二章路灯远程监控系统
路灯远程监控系统可以实现对路灯、广场、码头等需要长时间照明的场合的灯具控制,远程控制灯具的开关、检测灯具的工作状态,从而实现高效率、低成本的管理。
以电力线载波通讯为核心的智能路灯控制系统,具有易实施、免布线等特点,不破坏设施现状和周围环境,不影响正常的工作和生活秩序,施工简捷、工期短。
可以节省大量的电费成本和管理成绩,是当今提倡的节约型社会一个很好的科学智能化管理设备。
1、路灯远程监控系统的功能
数据存储功能:
现场监控设备和服务器上的数据库中存储历史记录。
数据查询功能:
监控中心可以查询任意时间段每路路灯数据信息。
曲线报表功能:
可以生成电流、电压、电能、亮灯率、开关时间的分析曲线和报表。
远程维护功能:
监控设备中的采集和通信模块具备远程参数设置和维护功能。
拓展功能:
系统可自由增减监控设备的数量;
监控设备可以扩展其它功能。
主动问询功能:
监控中心可以主动问询每路路灯的开关状态、电流电压、电量等数据。
主动控制功能:
监控中心可以随意开关任何一路路灯或开关自定义群组的路灯。
自动控制功能:
现场按季节变化自动调节路灯开关时间。
报警功能:
通信中断、亮灯率过低、未按时开关等情况出现时,监控中心有报警显示。
显示功能:
电子地图上显示每路路灯的开关状态及其它重要信息。
如图1
图1
2、路灯远程监控系统的特点
(1)节省成本:
安装施工简易快捷,无需铺设专线;
每个箱变只需要一个GPRS收发器,节省了GPRS流量。
利用既有的电力线架设通讯控制网络,一方面节省了人力物力;
一方面有线通讯不受天气和地形的影响,也保证了通讯的可靠性。
(2)每天可进行自动通、断电操作;
可保证工作日、节假日按不同的时间自动通、断电;
可对用电设备进行分区、分线路管理。
(3)控制灯具的开/关和亮度,从而可以显著延长灯具的有效寿命,减少灯具更换次数,节约资源,减少有害气体污染环境。
可以远程设置节点控制参数,实现节点的灵活控制。
在后半夜车稀人少时,则控制路灯保持较低照度的照明。
这样做主要优点就是在调光的同时,也大幅降低了电耗,节约用电,同时还可以延长灯源寿命。
(4)根据天气情况和实际光的照度,自动控制灯具的开/关和灯具的亮度,如在不好的天气时及时打开路灯,对于安装在桥下或隧道的路灯,路据实测光强,来自动以最佳的亮度打开路灯,提高公众满意度,在灾害天气使路灯更人性化。
(5)通过微机、集中器设置,防止非授权人操作,确保断路器安全可靠。
依据用电情况,可判断无人值守的用电设备运行情况。
所有运行参数(自动通断电时间,区域划分)可在管理终端随时设置,随时启用,管理方便。
3、路灯远程监控系统的一般架构
介绍了3种方案,分别是人工遥控,传感器智能控制和集中控制器与传感器结合控制。
第一种技术较为落后,第二种方案过于复杂可靠性低,最终选择的第3种方案,同时还要结合第一种设置人工干预接口。
人工遥控框图如下:
方案如图2:
人工通过有线或无线方式遥控路灯系统的运行,灵活性高,但是增加了人力成本。
而且人工控制的准确性,可靠性不高。
传感器智能控制如图3
图3方案框图
通过传感器来判别时间亮度和电压,综合控制。
自动性能好,但过于复杂,遇到特殊情况需要人工参与完成。
现在城市中常见的路灯控制系统一般对光照变化对应的开关灯控制环节仍然使用人工控制,很大程度上是为了实现灵活的开关灯时间控制。
第三种路灯远程监控系统一般大体分为3个部分,分别是:
(1)单灯控制器
实现的主要功能有:
控制路灯开关、亮度调节、温度采集、湿度采集、亮度采集、计算电流电压功率以及功率因数等。
单灯控制器分为模块式(内置灯具中)和外挂式(可内置灯杆中),分别对应路灯企业和工程商的使用。
(2)集中控制器
主功能有:
路灯时序调整、数据记录、报警处理和发送。
它负责控制网络的运行,将监控中心的命令下达给单灯控制器,将控制器及线路信息反馈监控中心。
集中控制器处于监控中心和各单灯控制器的中间,向上通过以太网、电话网/GSM、GPRS、485总线、RS232等方式同监控中心通信,向下则是通过低压电力网,以电力线载波为通讯方式,同各个路灯单灯控制器通信。
(3)监控中心
监控中心主要实现通过监控软件对不同变压器下的集中控制器进行远程数据访问和控制,包括参数配置,控制命令发送、现场灯具状态收集等。
能够显示路灯状态(亮度、温度、湿度、电压、电流、功率和功率因数)信息,能够远程控制路灯的开关和调节路灯的亮度,可以实现时序调度事件、读取数据记录、监要视事件和报警应答等操作。
示意图如下:
图4,图5
图4
图5
集中控制器系统如图6
第三章路灯主要的节能方式(以LED路灯为例)
目前国内照明节能主要的途径有三种:
合理照度;
采用高效的节能型光源,也就是使用发光效率高的灯泡或灯管;
在现有照明系统上加装节能控制设备。
从实际应用的角度来看,第二种方案适用于新设计的照明回路。
对于已有的照明系统,因需更换所有灯具,初期投入资金和人力比较大,在不能分批分次更新灯具的照明场所,这样做一次性投入太大。
对现有照明系统的节能改造,一般采用加装节能设备,较为经济和实用,目前国内销售的照明节能设备很多,其中照明控制调控装置所占比例最大。
从工作原理上大致分为三大类。
1、传统照明技术简介
在19世纪爱迪生发明电灯之前,人类实现照明的方式非常简单,那就是直接借助各种火源的直射光,例如蜡烛、油灯等等。
这些发光设备虽然在人类的历史长河中点燃了漫漫岁月,却因为极低的发光效率和发光质量,只能尘封在历史的博物馆中,进入20世纪后,随着人类新工业革命的爆发,以爱迪生发明的新式白炽灯为代表的照明设备,正式成为人类生产生活中的主流发光设备。
人类社会的电力照明设备大致有这几个重要的发展成果:
①白炽灯,主要以钨丝作灯丝因为钨有高熔点及低蒸发率。
白炽灯的大部分辐射光是红外线,所以120V白炽灯的照明效率在2400K时约为8lm/W,一般100W白炽灯只有7%的电功率转变为可见光。
②钨丝卤素灯,为减少钨丝蒸发率以增加其寿命及工作温度,在灯泡中添加卤素气体作成的钨丝卤素灯也较为流行。
一般钨丝卤素灯均在高温工作,灯泡也较小,用的是比较坚硬的玻璃壳,其寿命比钨丝白炽灯要高两倍。
③日光灯,一般日光灯用低压放电可以产生11000-13000K的高温,目前日光灯可以用的材料有汞即水银和钠,汞灯释放紫外线故多用于一般日光灯,灯管涂上荧光分以产生白光。
④低压钠灯,用钠代替汞可以得到含有589nm及589.6nm的黄光但是钠熔点比汞熔点高,也比汞活泼,要用抗钠玻璃。
大部分应用在街道级公路上。
⑤高压汞灯,高压汞灯的一般功率变成热,所以效率不高,但是温度稳定性极佳,大部分应用在街道照明及商用建筑的照明。
⑥高压钠灯,可以产生50-1000W功率,演色性差不适合用于室内照明。
⑦金属卤化物灯,是在高压汞灯中加入了其它金属,这样可以改进发光效率及演色性
2、LED的发展史
LED即LightEmittingDiode(发光二极管)的缩写。
即:
光线激发二极管,属于一种半导体元器件。
发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片,在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层,称为p-n结。
在某些半导体材料的PN结中,注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来,从而把电能直接转换为光能。
PN结加反向电压,少数载流子难以注入,故不发光。
这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管,通称LED。
现在照明光源已逐渐由白炽灯发展为日光灯,而以后的希望,就将是白光LED。
LED技术可以应用在普通照明、背光照明、道路交通、招牌和显示屏、农业、渔业、医学以及通信等领域。
应用半导体PN结发光源原理制成LED问世于20世纪60年代初,1964年首先出现红色发光二极管,之后出现黄色LED。
直到1994年蓝色、绿色LED才研制成功。
1996年成功开发出白色LED。
LED以其固有的特点,广泛应用于指示灯、信号灯、显示屏、景观照明等领域,在我们的日常生活中处处可见,家用电器、电话机、仪表板照明、汽车防雾灯、交通信号灯等。
但由于其亮度差、价格昂贵等条件的限制,无法作为通用光源大面积推广。
近几年来,随着人们对半导体发光材料研究的不断深入,LED制造工艺的不断进步和新材料(氮化物晶体和荧光粉)的开发和应用,各种颜色的超高亮度LED取得了突破性进展,其发光效率提高了近1000倍,色度方面已实现了可见光波段的所有颜色,其中最重要的是超高亮度白光LED的出现,使LED应用领域跨越至高效率照明光源市场成为可能。
高亮度LED将是人类继爱迪生发明白炽灯泡后,最伟大的发明之一。
LED照明的变革将扩展人们的照明观念,更加体现节能化、健康化、艺术化和人性化的发展趋势
90年代中期,出现了超亮度的氮化镓LED,随即又制造出能产生高强度的绿光和蓝光铟氮镓Led。
超亮度蓝光蕊片是白光LED的核心,在这个发光蕊片上抹上荧光磷,然后荧光磷通过吸收来自蕊片上的蓝色光源再转化为白光。
就是利用这种技术制造出任何可见颜色的光。
今天在LED市场上就能看到生产出来的新奇颜色,如浅绿色和粉红色。
有科学思想的读者到现在可能会意识到LED的发展经历了一个漫长而曲折的历史过程。
事实上,最近开发的LED不仅能发射出纯紫外光而且能发射出真实的"
黑色"
紫外光。
那么LED发展史到低能走多远,不得而知。
也许某天就能开发出能发X射线的LED。
然而,LED的发展不单纯是它的颜色还有它的亮度,像计算机一样,遵守摩尔定律的发展。
每隔18个月它的亮度就会增加一倍。
早期的LED只能应用于指示灯、早期的计算器显示屏和数码手表。
而现在开始出现在超亮度的领域。
将会在接下的一段时间继续下去。
例如,到2005年美国所有的交通信号指示灯将被LED所取代;
美国汽车产业也会于十年内停止使用白炽灯而采用LED灯,包括汽车前灯。
大多数的大型户外显示屏也采用成千上万个LED以便产生高质量视频效果。
不久,LED将会照亮我们的家、办公室甚至街道。
高效节能的LED意味着太阳能充电电池能够通过太阳光为其冲电。
从而能够把光源带到第三世界及其他没有电能的地方。
曾经暗淡的发光二极管现在真正预示着LED新时代的来临。
3、路灯主要的节能方式
3.1、可控硅斩波型照明节能装置
原理:
采用可控硅斩波原理,通过控制晶闸管(可控硅)的导通角,将电网输入的正弦波电压斩掉一部分,从而降低了输出电压的平均值,达到控压节电的目的。
这类节能调控设备对照明系统的电压调节速度快,精度高,可分时段实时调整,有稳压作用,因为主要是电子原件,相对来说体积小、设备轻、成本低。
但该调压方式存在一致命缺陷,由于是相控调压,使电压无法实现正弦波输出,还会出现大量谐波,形成对电网系统谐波污染。
3.2、自耦降压式调控装置
现在市场上最多照明节电产品就是此类产品。
它的原理是,通过一个自耦变压器机芯,根据输入电压高低情况,接连不同的变压器抽头,将电网电压降低5,10,15,20V等几个档,从而达到降压节电的目的。
这类产品最大的优点是克服了晶闸管相控型产品产生谐波的缺陷,实现了电压的正弦波输出,结构和功能都很简单,当然可靠性也比较高。
但是不能用来控制照明调控装置进行频繁切换,一般做不到实时稳定电压、多时段调控等功能。
3.3、智能照明节电器
.智能照明节电器,即智能光源降压—稳压—调光技术。
智能照明调控装置工作原理,采用微电脑控制系统,实时采集输出、输入电压信号与最佳照明电压比较,通过计算进行自动调节,从而保证输出最佳的照明系统工作电压。
4、LED路灯的优点及特点
4.1、LED的优点
(1)发光效率高。
LED经过几十年的技术改良,其发光效率有了较大的提升。
目前,世界各国均加紧提高LED光效方面的研究,在不远的将来其发光效率将有更大的提高。
(2)耗电量少,LED单管功率0.03-0.06瓦,采用直流驱动,单管驱动电压1.5-3.5伏,电流15-18毫安,反应速度快,可在高频操作。
(3)使用寿命长,采用电子光场辐射发光,灯丝发光易烧、热沉积、光衰减等缺点。
而采用LED灯体积小、重量轻,环氧树脂封装,可承受高强度机械冲击和震动,不易破碎。
平均寿命达10万小时。
(4)安全可靠性强,发热量低,无热辐射,冷光源,可以安全抵摸:
能精确控制光型及发光角度,光色柔和,无眩光;
不含汞、钠元素等可能危害健康的物质。
(5)有利于环保,LED为全固体发光体,耐震、耐冲击不易破碎,废弃物可回收,没有污染。
光源体积小,
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