Системы автоматизированного управления наружным освещением

Гурьев А.В., Букварев Е.А.

Нижегородский государственный технический университет

Существующие системы управления наружным освещением можно подразделить на несколько классов. Во-первых, - это местное управление, - обеспечивающееся посредством установки коммутационных и управляющих аппаратов непосредственно в линиях, питающих осветительную аппаратуру (на щитах подстанций, магистральных щитах и т.д.). Однако такие системы применяются только в небольших обособленных осветительных сетях, имеющих один центр питания. В основном же, сети уличного освещения городов имеют сложную разветвленную структуру и множество центров питания. Поэтому, в таких системах предусматривается дистанционное управление освещением, - как правило, это достигается благодаря установке магнитных пускателей в линиях питающей и групповой сетей. Такая система включается с единого диспетчерского пункта. Причем, сигналом на включение линии, питающейся от подстанции, будет являться наличие напряжения на конце линии, питающейся от предыдущей подстанции. То есть, - в установках наружного освещения городов и населенных пунктов широко применяется каскадная схема дистанционного управления, при которой управление участками распределительных линий наружного освещения осуществляется путем подключения катушки магнитного пускателя второго участка в линию первого, катушки пускателя третьего участка в линию второго, и т.д. Возможна и телемеханическая схема, при которой включение и отключение магнитных пускателей производится из диспетчерского пункта с помощью телемеханических устройств.

Кроме этого, широко используются и автоматическое программное или фотоавтоматическое управление - с установкой магнитных пускателей в линиях освещения и программного реле, фотореле или фотоэлектрического автомата, включающих освещение в зависимости от уровня естественной освещенности или времени суток.

Для уличного освещения городов и населенных пунктов системы дистанционного управления освещением предусматривают два режима работы осветительных установок - вечерний и ночной. При вечернем режиме включены все осветительные приборы, при ночном, когда интенсивность движения падает, - часть осветительных приборов отключается (обычно отключают светильники, подключенные к какой-нибудь одной или двум фазам. Однако, при этом увеличивается до недопустимых пределов коэффициент неравномерности освещенности дорожного полотна:

(1)

где K_НЕР - коэффициент неравномерности освещенности, E_max - максимальная освещенность (Лк), E_min - минимальная.

Перечисленные выше системы управления нельзя назвать высокоэффективными c точки зрения энергосбережения из-за целого ряда причин. Во-первых, - ручные системы включения - отключения освещения, как показывает практика их эксплуатации, несут большой перерасход электроэнергии (часто связанный с человеческим фактором). Во-вторых, - как уже было отмечено, - низкоэффективное управление мощностью системы освещения (в вечерние и в ночные часы), приводящее к повышению коэффициента неравномерности освещения. В-третьих, - отсутствие оперативного контроля состояния осветительных сетей и за доступом в шкафы уличного освещения (ШУО) с целью хищения цветных металлов и оборудования (что особенно важно в последнее время).

Таким образом, можно сделать вывод о необходимости создания автоматизированных систем управления освещением (АСУО), позволяющих не только включать - отключать освещение улиц, но и регулировать энергопотребление системы, контролировать целостность оборудования и несанкционированный доступ, вовремя сигнализировать оперативному персоналу об аварийных ситуациях в сети.

Рис.1. ЦДП - центральный диспетчерский пункт, ГПУ - головной пункт управления, КПУ - конечный пункт управления.

Большинство современных АСУО строится по следующей схеме (рис.1).

Однако, такие системы управления при переключении освещения в ночной режим используют метод отключения одной - двух фаз. Но это повышает, как уже говорилось выше, неравномерность освещенности дорог.

Избежать этого позволяет использование в уличных светильниках электронных пускорегулирующих аппаратов (ЭПРА) вместо традиционных электромагнитных. Эти устройства позволяют управлять потребляемым током лампы и ее световым потоком. Таким образом, чтобы добиться снижения потребляемой мощности системы нет необходимости в полном отключении части осветительных приборов. А это значит, что световой поток всех светильников будет изменяться равномерно, не увеличивая неравномерность освещенности дорожного полотна. Схема управления будет выглядеть следующим образом (рис.2).

Рис.2. МП - магнитный пускатель, ИЭ - исполнительный элемент.

Однако это существенно удорожает схему. Ведь кроме приемника - преобразователя управляющих сигналов в каждом ЭПРА необходимо будет проводить свою выделенную линию для управляющих сигналов к каждому светильнику.

Выходом из такой ситуации будет использование устройства, позволяющего передавать сигналы управления непосредственно по линиям осветительной сети.

Все системы передачи информации по сети 220 В можно разделить на две большие группы:

1. Системы, использующие в качестве информационного сигнала модуляцию тока низкой частоты 50 Гц,

2. Системы, формирующие в линии собственный сигнал на одной или нескольких несущих частотах, отличающихся от 50Гц.

Первая группа устройств отличается чрезвычайно высокой помехоустойчивостью при простых схемах приёмников, но обладает очень низкой скоростью передачи информации и требует применения в передатчиках тиристорных коммутаторов высокой мощности. Кроме того, для обеспечения выборочного управления освещением в отдельно взятой ветке, необходимо устанавливать коммутаторы ещё и в прилегающих к ней шкафах управления, что приведёт к необходимости глобальной реконструкции всей системы освещения.

Основные проблемы, встречающиеся разработчикам АСУО, выбравшим другой путь - существенно более низкая помехозащищенность и, как следствие, большая сложность устройств приёма и передачи информации. Так, например, вероятность ложного приёма бита при частотной манипуляции на несущей 90 Кгц и девиации 10 Кгц при скорости передачи 1 Кбод и напряжении в линии 0,75 В, составила 10-3...10-4 , в зависимости от линии и времени суток, что требует применения механизма помехозащищённого кодирования. Это доказывается разработками как отечественными (пример - микросхема КР1446ХК1 - коррекция одиночных и обнаружение двойных ошибок), так и импортными ( например, микросхема TDA5051).

С другой стороны, системы данного типа обладают следующими достоинствами:

1. Существенно большей скоростью передачи, точнее возможностью передавать большие пакеты информации между импульсными помехами в линии,

2. Возможностью использовать информационный канал не только для управления освещением, но и для связи (обмена информацией) между узлами системы, вплоть до формирования "интеллектуальных" светильников, т.е. светильников с возможностью передачи информации о текущем состоянии на центральный пульт,

3. Информационный сигнал может быть использован для проверки целостности линии электропередачи, а также оценки её состояния при отключенном электричестве, что немаловажно именно для систем наружного освещения,

4. Возможностью интеграции в существующие системы освещения без их структурных и аппаратных изменений или доработок.

С учетом вышеизложенного при проектировании данной системы АСУО выбор пал на устройства передачи и приёма информации (далее - модем) второго типа.

При выборе рабочего диапазона частот и выходной мощности модема учитывались следующие факторы:

1. Результаты проведенных измерений (спектральная плотность помех в линии, монотонность её фазочастотной характеристики и импеданса),

2. Требования стандарта ГОСТ на уровень электромагнитных помех в линиях электропередачи,

3. Рабочие частоты существующих систем управления и передачи информации (обеспечение совместимости и интеграции в готовые системы),

4. Особенности и характеристики существующих электронных пускорегулирующих аппаратов (ЭПРА).

ЭПРА сравнительно недавно появились на рынке. До сих пор каких-либо специфических стандартов на них не существует, по этому разработчики вправе варьировать множество параметров, жестко обеспечивая лишь электромагнитную совместимость. Как правило, ЭПРА вносят помехи высокого уровня (амплитуда отдельной гармоники достигает 0,5 В) в диапазоне частот 20...60 кГц, имеют в этом же диапазоне высокую неравномерность входного сопротивления (как правило, несколько пиков до 500 Ом и провалов до 0,1 Ом резонансного характера на разных частотах), поэтому реализация модемов относительно простыми средствами в диапазоне частот 20...60 кГц затруднена. По результатам измерений уровень помех можно приближенно аппроксимировать следующей диаграммой (рис.3).

 

Рис.3.

Из неё видно, что для передачи информации возможно применить два основных частотных диапазона - от 4 до 18 кГц (нижний) и от 70 до 130 кГц (верхний). Диапазон 70-130 кГц выгоден меньшим уровнем помех и потенциально большей скоростью передачи. Он активно используется в зарубежных системах "автоматизации жилища" (Home automation systems), и наших АСУО. Большинство таких систем не учитывают возможность использования ЭПРА, кроме того, сформировать сигнал со спектром удовлетворяющим требованиям электромагнитной совместимости без применения специализированных ИМС представляется достаточно трудоёмкой задачей, и в таком случае, речи о простом передатчике быть не может. Кроме того, учитывая ёмкостный характер осветительной сети, выигрыш по помехозащищенности при одинаковой выходной мощности передатчика относительно нижнего диапазона невелик.

В результате, выбор был остановлен на системе частотной манипуляции в диапазоне частот 12...10 кГц и мощностью передатчика 30 Вт. При данной мощности, в зависимости от длины и ёмкости линии такой передатчик развивает до 7,5 В (типовое - около 1 В). При этом гарантированная вероятность ошибки на бит - не менее 10-3. Для повышения помехозащищённости используется модуляция шумоподобным сигналом с базой равной 15 на бит информации, и минимизацией вероятности ложного срабатывания. Для дополнительной надежности со стороны центрального пульта возможно периодическое (например, каждый час) повторение команды переключения режима освещения.

 

Рис.4. Структурная схема приёмника. СУ - согласующее устройство, ШОУ - широкополосный усилитель - ограничитель - узкополосный фильтр на 15 Кгц с нулями в областях 20...25 Кгц и 8...10 Кгц, компаратор и вычислительное устройство, которые обеспечивают селекцию и декодирование принятых сигналов.

Благодаря наличию на рынке современных RISC -микроконтроллеров, со встроенными средствами защиты, компаратором и имеющих производительность 8-12 MIPS при потребляемом токе 2...5 мА, а также счетверенных операционных усилителей, приёмник удалось реализовать всего на двух интегральных схемах в виде отдельного блока и стоимостью, не более 20% от стоимости ЭПРА, при хороших энергетических параметрах. При интеграции устройства в саму ЭПРА возможно ожидать ещё большей эффективности.

Передатчик отличается от приёмника тем, что в схему добавлен ключевой усилитель мощности - модулятор и согласующее устройство - фильтр. При этом сигнал передачи формируется целиком с помощью микроконтроллера, что дополнительно упрощает схему.

Так как ГОСТ нормирует уровень ВЧ помех только на частотах выше 150 Кгц, подавление высших гармоник передаваемого сигнала обеспечивается фильтром L.C. совместно с ёмкостью линий, которая, как правило, составляет 5 мкФ или более. По затратам передатчик отличается от приёмника добавлением в схему 5 транзисторов, нескольких пассивных элементов и незначительном изменении источника питания, что естественно вызывает незначительное удорожание модуля.

В большинстве случаев потенциальные возможности и дополнительные функции расширяются с увеличением сложности устройств и данная разработка - не исключение. Помимо перспектив и особенностей, определяемых непосредственно принципом и частотным диапазоном передачи сигналом (они были отмечены выше) существует и специфические перспективы связанные с выбранной элементной базой и схемотехникой устройств приёмника и передатчика. Основные из них такие:

1. Возможность использования накопителя энергии для передатчика, в виду кратковременного характера передачи сигналов, что позволит использовать для питания модема, встроенного в ЭПРА

   бестрансформаторный источник - минимальные затраты для создания "интеллектуального" светильника,

2. Возможность упрощения самого ЭПРА за счет большего запаса вычислительной мощности микроконтроллера вплоть до прямого управления силовыми ключами преобразователя или стабилизирующего корректора мощности.

Таким образом, предлагаемая структура АСУО с передачей информации по проводам сети оказывается не только экономически выгодной, но и перспективной системой.

Источник: http://electro.nizhny.ru/papers/

Электротехника