基于雙頻電力載波的智能化節能照明管理系統

于建明 楊 帥 薛 嵐

(1.江蘇電子產品裝備制造工程技術研究開發中心，江蘇淮安 223003;2.淮安信息職業技術學院，江蘇淮安 223003)

1 引言

隨著全球經濟的快速發展和人民生活水平的不斷提高，用電量也在以每年10%以上的速率增長，經濟的發展和供電總容量的不夠，使全球的電力短缺現象有越來越嚴重的趨勢。照明在一個國家中占有非常重要的地位，并且開銷巨大，在滿足社會需要的同時，大力開展節能工作已經成為當前社會發展的緊迫問題。依靠科技創新打造節能降耗的照明系統，成為構建節約型社會的一項重要舉措。在滿足交通安全、城市亮化的同時，大力開展節能工作已經成為當前社會發展的緊迫問題。本設計的智能化道路節能照明管理系統在沒有犧牲城市照明為代價的前提下，通過調光和合理開啟能夠實現節能30%，按每年實現對1000個250W的照明燈節能監控，能源節省達20萬度。同時該系統利用電力載波在照明系統的220V電力線上傳遞信息，節省重新鋪設控制電纜的麻煩，大大節省工程施工量，維護費用可以節約50%。

2 系統技術原理與方案設計

2.1 核心技術原理——雙頻電力載波

本系統主要采用先進的雙載波頻率的數字信號處理手段，通過數字信號處理器完成數據的接收和發送，能夠根據電力線的噪聲動態調整靈敏度。啟動雙頻傳輸模式，當主頻率通信受阻時可自動切換備用頻率繼續通信，通信報文采用糾錯技術，根據糾錯碼恢復錯誤報文［1］。雙頻電力載波通信有A波段和C波段兩種，A波段在歐洲廣泛應用，我國采用C波段技術。當工作在C波段時，兩個載波頻率分別是:第一載波頻率為132kHz，第二載波頻率為115kHz。在每個載波頻率上使用6kHz的頻率帶寬。第一載波頻率具有更好的畸變糾正能力和更強大的數據包分辨能力和抗噪聲能力，第二載波頻率比第一載波頻率的誤差校正能力強。

2.2 系統的總體架構

系統主要由單燈控制器節點、區域 (集中)控制器節點和監控中心構成。單燈控制器節點安裝在照明現場 (路燈或景觀照明燈具中)，主要負責單燈開關、照度調節、工作電流檢測、溫度檢測與故障診斷等功能;區域控制器安裝在照明區域控制柜中，主要負責節能優化算法的執行，包括燈具啟動、關閉和不同時段亮度調節的時間調度、電力參數的檢測、數據記錄、報警等功能。一個區域控制器可以管理200個單燈控制節點，它們之間依靠雙頻電力載波技術實現在220V供電電纜中傳遞通信信息;監控中心提供良好了人機交互平臺，通過無線網絡可以實時監控路燈的工作狀態，同時可將啟動、關閉、調光等控制命令下傳到照明現場，如圖1所示。

圖1 智能化道路節能照明管理系統原理圖Fig.1 Intelligent energy-saving road lighting management system diagram

2.3 節點的功能原理

單燈控制器和區域控制器都采用電力載波實現相互間的通信，采用PL3120電力載波芯片。PL3120由一個Neuron處理器核心和一個電力線收發器集成在一起。作為一個單芯片系統，PL3120包括一個高可靠性的窄帶電力線收發器、三個分別用于運行應用程序、管理網絡通信、介質訪問的8位神經元處理器核心、其價格能完全滿足對成本最敏感的消費類產品應用要求。節點控制器中以PL3120為核心的中央處理單元結構原理框圖如圖2所示，PL3120內部的A/D把從電力線耦合來的信號濾波并將模擬信號轉換為數字信號。DSP是PL3120的核心部分，它一方面將A/D處理后的數字信號進行解碼處理，并將處理后的數據與Neuron芯片進行交換;另一方面，它將需要發送的信號進行編碼處理。D/A將數字信號處理單元處理后的要發送的數字信號轉換為模擬信號，發送放大電路將D/A轉換后的信號進行功率放大并發送到耦合電路［2］。節點檢測內部的工作溫度狀況以便于發現節點是否超負荷工作或者出現了故障，采用溫度傳感器通過運放電路與AD轉換電路將信號輸入AT80C2051;利用電壓和電流檢測通道采集信號監測系統的消耗功率以及功率因數，并通過檢測節點供給負載燈泡的電流的大小，以判斷負載是否出現了故障;控制節點從上位機接收到的調光和開關命令通過PWM信號以及開關量信號控制照明燈的亮度狀態和開關狀態;智能化道路節能照明管理系統的節點之間的通信通過電力載波的形式實現，通過耦合電路實現PL3120與電力線的之間的數據交換。

圖2 節點控制器的中央處理單元結構原理圖Fig.2 CPU structure digram of regional controller

3 節點核心硬件設計

3.1 PL3120和AT89C2051接口

單燈控制器節點和區域控制器節點采用主從處理器相結合的模式，主處理器采用AT80C2051單片機芯片，完成底層的檢測與監控任務，從處理器采用PL3120電力載波芯片，主要處理電力線上數據的網絡通信。PL3120和AT89C2051采用SPI總線通信，接口電路如圖3所示，PL3120芯片的IO10引腳與AT89C2051的P1.0口連接，作為SPI總線中的SI輸入線;IO9引腳與P1.1口連接，作為SPI總線中的SO輸出線;IO8引腳與P3.5口連接，作為SPI總線中的CLK時鐘線;IO0引腳與P3.4口連接，作為 SPI總線中的 CS片選線，用來傳輸PL3120芯片向AT89C2051發送的片選信號。

圖3 PL3120與AT89C2051接口電路Fig.3 PL 3120 and AT89C2051 interface circuit

3.2 節點電力耦合與采集電路

節點采用窄帶與數字信號處理，前向糾錯算法和雙載波頻率克服了電力線歇性噪聲大、信號衰減快、信號失真等弊端，確保通信的可靠性。安裝網絡時，無須對現有布線進行任何調整，使用方便靈活。耦合電路采用變壓器隔離式，提高了控制器的抗干擾能力，有效防止電壓浪涌對設備的損害，如圖4所示。

3.3 節點調光電路

調光的實現方式就是在過零點后一段時間才觸發雙向可控硅開關導通，這段時間越長，可控硅導通的時間越短，燈的亮度就越低;反之，燈就越亮。這就要求要提取出交流電壓的過零點，并以此為基礎確定觸發信號的送出時間，達到調光的目的。50Hz的正弦交流電通過光耦取出其過零點的信號(同步信號)，將這個信號送至AT89C2051的外中斷，AT89C2051每接收到這個同步信號后啟動一個延時程序，延時的具體時間由系統來設置。當延時結束時，AT89C2051產生PWM觸發信號，通過它讓可控硅導通，電流經過可控硅流過照明燈，使燈發光。延時越長，亮的時間就越短，燈的亮度越暗。交流電壓過零點信號提取電路如圖5(a)所示，交流電壓通過DF107整流后經過過零點信號提取電路產生的同步信號SYN接到AT89C2051的外中斷，此信號的下降沿將使AT89C2051產生中斷，以此為延時時間的起點。圖5(b)是晶閘管調光電路，單片機AT89C2051輸出的PWM觸發信號通過光控可控硅MOC3022去驅動晶閘管T435，實現調光。

圖4 電力線耦合電路Fig.4 Power line coupling circuit

圖5 節點調光電路Fig.5 Regional dimming circuit

4 節點數據通信設計

控制器利用AT89C2051實現數據采集等功能，構成現場級控制部分。利用PL3120芯片作為控制器與電力線網絡連接的中間橋梁，一方面完成與單片機控制系統的數據通信，另一方面，通過耦合電路與電力線相連接，方便地實現網絡通訊。對于不帶SPI串行總線接口的AT89C2051來說，可以使用軟件來模擬SPI的操作，采用C51語言編寫單片機程序。PL3120芯片應用程序采用Neuron C語言，它是專門為PL3120芯片設計的編程語言，具有多任務調度，多IO支持等特點。PL3120芯片利用SPI串行總線與單片機通信，要在其上聲明主控式Neurowire對象，格式為:

io-8 neurowire master|slave［select(pin)］io_object_name;

io-8——指定管腳io-8;

master——指定PL3120芯片在管腳io-8上提供時鐘，它被設置為輸出管腳;

slave——指定PL3120芯片檢測在管腳io-8上提供時鐘，它被設置為輸入管腳;

select(pin)——為Neurowire master對象指定片選管腳;

io_object_name——該io對象的名字;

在Neurowire對象中，PL3120芯片要利用io-in()和io-out()兩個函數完成與AT89C2051單片機的數據交換，由于Neurowire是雙向的，輸入和輸出同時發生，因此調用io-in()和io-out()是等價的，調用哪一個都將啟動一個雙向傳輸，數據一次傳輸8位，首先是最高有效位。AT89C2051利用外部邊沿觸發中斷與PL3120芯片進行數據交換［3］，在CLK時鐘信號的下降沿將單片機采集的數據發送到SO數據線上，與此同時，將SI數據線上的數據讀入到PL3120的數據緩沖區中，每次傳送8位，當一個字節傳送完畢后，置高CS，處理現場數據，傳送下一個字節。AT89C2051和PL3120芯片程序設計流程圖如圖6所示。

圖6 照明控制節點數據通信流程圖Fig.6 Lighting control regional data communication diagram

5 監控中心的設計

使用Microsoft Visual Studio對基于監控中心提供的SOAPXML接口進行軟件開發，實現監控中心軟件對區域控制器的遠程數據訪問和配置。每個監控中心都包含兩個WSDL文件:iLon100.wsdl和iLon100_System.wsdl。iLon100.wsdl包含了開發管理中心軟件時所需SOAPXML接口的所有信息;iLon100_System.wsdl包含了用來配置區域控制器設置的所有系統服務方法。開發軟件將這兩個WSDL文件加載后，即可通過接口接收和發送每一條報文。開發的管理中心軟件內容主要包括調度策略制定并下傳配置;讀取數據記錄并生成報表;報警應答及處理報表，實現對單燈控制器進行手動地遠程監控，實現路燈的開關和調節路燈的節電率，采集并顯示路燈狀態 (節電率、溫度、電壓、電流)信息等。中心實現用戶對所管理路燈的監測和控制，根據設定的時序實現對路燈的開、關和亮度調節控制，可以在任何時間、任何地點實現監控。監控中心界面實現單個路燈故障顯示，報警信息顯示，顯示所有的路燈歷史數據，進行實時監控，分析能量消耗數據和所實現的節能數據，察看燈具使用壽命以及更多的其他功能。路燈管理軟件自動定期收集各個路燈的工作數據，記錄各個路燈的實際工作時間，據此根據燈的種類，制定預防性維護/替換計劃，這樣可以節省電話服務中心和巡視人員、巡視車輛的成本開支，同時延長燈泡的壽命，減低更換燈泡的成本支出。同時燈泡的實際壽命數據的累積，及修理記錄，還可以決定產品供應商的選擇和產品確認;詳細的品質數據可以用來評估第三方的服務，可以依據實際的數據來進行價格談判。通過記錄工作燈泡的實際工作時間耗能，跟蹤實際的問題維護處理時間，平均故障修復時間等統計數據，減少公眾對于燈光照明情況的抱怨。

6 自動中繼

由于照明系統用于通訊的電力線信道具有高衰減、高噪聲的特點，為確保數據報文的可靠傳輸，需采用增強的LonTalk代理協議，在區域控制器中實現自學習報文路由功能;在單燈節點的Neuron固件中實現報文轉發機制［4］。實現上述自動中繼功能后，當區域控制器無法和某個單燈節點直接通訊時，可以借助中繼節點來實現數據交互。自動中繼示意圖如圖7所示。

圖7 自動中繼路由示意圖Fig.7 Automatic relay routing diagram

為了在設備中實現自動中繼功能，需在編寫設備程序時添加相應的功能代碼。

首先，需要激活增強的LonTalk代理協議，即添加:

#pragma feature E31E2DF7_28CD_4735_AC2D_69E25B74BC6E這一條預編譯。

其次，由于自動中繼過程中需要中繼設備接收、發送報文，這就增加了設備對數據緩沖區的開銷，需要對其進行合理的設置。為了有足夠的余量來處理來自任何設備的報文，每個緩沖區需增加至少26個字節，最低配置如下:

#pragma app_buf_in_count 2

#pragma app_buf_in_size 82

#pragma app_buf_out_priority_count 0

#pragma app_buf_out_size 82

#pragma net_buf_in_size 82

#pragma net_buf_out_count 1

#pragma net_buf_out_priority_count 0

#pragma net_buf_out_size 82

再次，需要激活響應緩沖區，添加:

extern system far void enable_response_buffering(boolean)代碼后，再在reset任務中激活它:enable_response_buffering(TRUE)。

最后，需使用顯式報文發送機制，即添加代碼如下:

when(msg_arrives)

{#pragma warnings_off msg_in.duplicate;#pragma warnings_on}

7 實驗測試與結論

利用電網質量儀FLUKE43B對照明系統工作在功率為250W的照明燈下進行試驗測試，將照明燈的功率設定在56%的功率，分別在帶補償電容和不帶補償電容兩種情況下進行測試，系統電流諧波頻譜圖如圖8所示。

圖8 系統電流諧波頻譜圖Fig.8 Frequency spectrum of system current harmonic wave

通過對照明燈的進行帶電容和不帶電容運行的對比測試，得到如下結論:去除電容后，電燈產生少量的諧波，接上電容后，電流諧波被電容器放大，造成嚴重的諧波干擾，因此會增加輸電線路的額外有功損耗，造成功率因素較低。所以本研究下一步的工作是需要嚴格控制諧波量的指標，克服與補償電容并網工作時產生的諧波放大現象，將諧波的影響降低到最低。

［1］成建生.基于電力線通信模式的LON控制器的設計［J］.電測與儀表，2011，48(4):86～89.

［2］楊帥，薛嵐.采用LonWorks電力載波技術的控制器［J］.低壓電器，2011，(13):41～44.

［3］楊帥，薛嵐.基于中斷方式LON節點處理器SPI接口設計 ［J］.自動化與儀表，2008，23(11):19～22.

［4］姜亞南，楊帥，魏天勇等.基于電力線通信技術的城市路燈節能監控系統［J］.水電能源科學，2011，29(9):161～163.