大中型水電廠基于區域編碼智能判斷的節能照明系統研究與應用

陳紹勇，王 波，彭俊先

（貴州烏江水電開發有限責任公司東風發電廠，貴州省清鎮市 551408）

0 引言

地下廠房照明系統主要是為生產人員服務，隨著現場生產人員不斷精簡，導致原24h值守模式的廠房變成無人值守，“長亮燈”模式的照明系統就顯得太浪費，無法達到智能化（數字化）電廠建設的基本要求。因此，照明系統的改變將顯得至關重要，而實時監測與統計區域人流、車流出入數據，精準控制照明系統則是實現這一目標重要的技術手段。節能減排一直都是每個企業的大問題，為此，在現有水電廠照明系統的基礎上，針對區域人流、車流出入數據的研究與分析，設計一套結構簡單、操作方便，能夠根據照明區域內的實際情況智能控制照明設備的開關的控制系統，以及使用該控制系統來對照明區域進行智能照明控制的方法，在電廠無人值班模式下節能、智能化建設等方面有著非常重大的意義。

1 基于區域編碼智能判斷的節能照明系統的總體思路

目前國外最出名的智能照明專家有飛利浦照明、iisfree等公司，它們都是全球照明引領企業，業務涵蓋整個全球，但是它們的照明系統昂貴、復雜且不經濟實用。國內外大多數照明系統，照明時間均是24h“長亮燈”模式設置，部分企業只是在燈具、照明亮度、控制方式、情景模式等方面做了智能控制，個別單位“依據熱釋電探測原理，采用主動、被動探測器相結合的探測方式，以人體信息和自然光作為照明燈亮滅的依據，由單片機統一采光、采樣、分區和延時，對移動和靜止的人體紅外信號進行探測”［1］，實現照明系統計算機監控的網絡化。貴州馬馬崖發電廠的智能照明系統，只是從燈具、集中控制方式方面進行控制，主要“通過基于Web平臺的各類應用開發，讓全體員工可以通過手機、電腦等各類客戶端，向系統反饋照明控制、節能效果，并且反饋意見將被切實納入到系統控制策略的調整中”，但照明模式依舊是24h“長亮燈”模式；還有貴州大力礦物公司采用思路也是從燈具方面實現智能，未能實現集中管理等。為此，東風發電廠通過以下幾個方面進行智能照明系統的研究。

（1）結合“遠程集控，少人值守”生產模式，利用現代科技技術，創建基于區域編碼智能判斷的節能照明系統理念及構架，其中包括系統體系結構、硬件及軟件平臺、智能元件選擇及安裝方式等問題的研究與確定。

（2）通過系統實現區域編碼的設計、移動物體進出智能判斷、“歸零”原理、容錯機制、闖入智能防控、多出入口同時進出智能判斷及精準的電量計算等功能的設計實現。

（3）通過該系統改變照明模式，節約電量，實現“人走燈滅，節能減耗”的目的。

前兩個方面是本項目研究的主要問題，后者是項目要實現的目標，他們相輔相成，共同構成了基于區域編碼智能判斷的節能照明系統整體框架。

2 智能照明控制系統及智能照明控制方法的研究

智能照明控制系統包括處理器、照明區域的照明設備、用于驅動照明設備開關且與處理器電性連接的驅動電路以及用于采集進出照明區域人數且與處理器電性連接的信息采集器。在國內外無明顯相同參照系統的背景下，本文將通過區域編碼設計、進出智能判斷容錯機制建立、“歸零”原理及聯動報警研發，形成一套基于區域編碼智能判斷的節能照明系統，控制原理圖如圖1所示。

2.1 區域編碼設計

進行科學區域編碼設計，讓系統能智能識別及區分每個區域，確保數據的正確性。如圖2所示，編碼A、B、C、D分別是區域的四個進出口。編碼01、02、03、04、11、12、13、14分別是A、B、C、D進出口處的監測元件代碼。

圖1 控制原理設計圖Figure 1 Control principle design drawing

區域編碼流程圖設計（以A、C進出口為例）：通過圖3所示的流程圖可知，每個進出口數據存儲至獨立單元，相互不受影響，并且進用+1表示，出用-1代表，而數據單元存儲進出綜合數據。

2.2 移動物體進出智能判斷研究

系統通過在每個照明區域進出口各安裝兩對光柵傳感器判斷移動物體進出方向。系統在每個照明區域進出口各安裝兩對光柵傳感器，通過采集其動作順序先后判斷移動物體進出方向，實現移動物體流向智能識別，從而統計進出物體數量，為“歸零”原理提供精確數據。

圖3 區域編碼流程圖Figure 3 Area coding flow chart

2.2.1 移動物體進出區移動物體進出智能判斷技術流程設計

假設Ai為第i次進出區域A進出口存儲單元，Bj為第j次進出區域進出口區域存儲單元，Ck為第k次進出區域C進出口區域存儲單元，Dl則為第l次進出區域D進出口區域存儲單元。那么就會如下判斷：

程序判斷第i次當02至01，則Ai=+1，A進入口為進入區域。相反，01至02，則Ai=-1，A進入口為離開區域。

程序判斷第j次當04至03，則Bj=+1，B進入口為進入區域。相反，03至04，則Bj=-1，B進入口為離開區域。

程序判斷第k次當12至11，則Ck=+1，C進入口為進入區域。相反，11至12，則Ck=-1，C進入口為離開區域。

程序判斷第l次當14至13，則Dl=+1，D進入口為進入區域。相反，13至14，則Dl=-1，D進入口為離開區域。

2.2.2 兩個傳感器安裝距離的確定

如圖2區域平面所示，要實現移動物體進出智能判斷，必須在每個進出口安裝兩個傳感器，通過判斷先后動作順序智能實現移動物體進出方向確認。但是兩個傳感器安裝距離沒有任何國家、行業標準和制度可查，因此在同一個出入口分別安裝距離5、8、10、12、15m共5對傳感器進行測試，產生容錯條件和誤報次數為依據進行研究分析。

通過表1、圖4可知，安裝距離為10m的傳感器計算更精確，容錯條件和誤報次數最少。

表1 安裝距離誤報統計表Table 1 Installation distance error report statistical table

圖4 安裝距離誤報統計圖Figure 4 Installation distance error statistics chart

2.2.3 多出入口同時進出智能判斷

每個區域都有一個或更多出入口特性，一旦發生多個出入口同時進入或離開，一般系統就會出現判斷錯誤或失靈狀況，但是這套系統的控制中心會通過識別出入口區域編碼信息，利用進/出區域數據統計單元進行計算統計，相互之間不受影響。

2.3 “歸零”原理

系統PLC控制中心利用編碼技術對區域多出入口同時進出智能計數與識別，將相應信號存入各自獨立數據單元，對進、出區域的數據統計單元進行實時數據比較，并采用容錯方法對無法進行準確判斷進出的異常信號及時清除，確保數據的可靠性，若兩個數據單元數據不一致，則開啟照明，若相等則作“歸零”處理，同時清除數據單元數據，關閉相關區域照明。

“歸零”原理的設計，即當進區域數據統計單元與出區域數據統計單元數據相等，那么結論單元就歸零，通過該邏輯原理，有效地實現照明系統的控制輸出。

具體控制流程圖如圖5所示。

圖5 歸零原理流程圖Figure 5 The principle of “zero” flow chart

2.4 容錯機制技術流程設計

容錯機制將無法進行準確判斷進出的異常信號及時清除，保證正常進出區域物體計數的精確性。系統實時監測與計算進出口存儲單元數據，當兩者數據不一致累計時間達到10min且未監測到任何進出口有傳感器動作信號時，系統會進行一次“歸零”處理，清除所有的存儲單元，關閉照明系統，大大降低了照明電量。

容錯機制技術流程設計。本方案中設計當區域進出口兩對光柵紅外線傳感器只有其中一對動作時，判斷物體未進出該區域，延時5s后清除此動作信號，防止物體正常進出區域計數錯誤。同時系統實時監測與計算進出口存儲單元數據，當兩者數據不一致累計時間達到10min且未監測到任何進出口有傳感器動作信號時，系統會進行一次“歸零”處理，清除所有的存儲單元，關閉照明系統，大大降低了照明電量。通過流程圖6可知，容錯機制條件可以無限地在運行過程中，通過出現問題進行不斷完善，若系統滿足容錯機制條件，則清除數據單元數據，并且關閉照明。

2.5 非法闖入智能報警實現

非法闖入智能報警功能的實現及聯動方式。非法闖入智能報警，是結合門禁系統信息聯動判斷機制，在區域判斷有物體進出照明區域，而門禁系統未接收到開門請求相關信息，判斷此物體為非法闖入該區域，即聯動報警系統，啟動非法闖入智能報警。流程圖如圖7所示。

圖7 聯動非法報警流程圖Figure 7 Linkage illegal alarm flow chart

2.6 基于區域智能照明控制研究與設計

通過投資、技術要求、人員能力等多方面考慮，選用了以紅外傳感器為檢測元件、PLC控制核心的智能系統，智能照明系統控制電路如圖8所示。

2.7 精準的電量計算

照明系統控制中心在軟件里通過設計的計算方法，一旦區域發生照明開啟現象，那么通過測量的該區域的電流值與時間，計算出該區域在照明時段發生的電量多少，并將其存取單次計量單元內，然后將其存儲在日計量單元內，日計量單元再累加送至月計量單元，月計量單元累加送至年計量單元……通過如此累加計算，那么就可以精確計算出每個區域，每刻、每日、每月、每年發生電量多少，通過與往年的比較，就能計算出具體節省的電量。計算公式如式（1）所示［2］：

式中Wd——日電量；

U——額定電壓；

I——線路實測電流；

Ti—— 發生的照明時間的時段統計，對其進求合，可以得到每日產生的電量，以此類推：

月電量見式（2）：

年電量見式（3）：

圖8 智能照明系統控制電路圖Figure 8 Intelligent lighting system control circuit diagram

將這些計算公式應用與程序設計中，即可實現精確的電量統計。

3 應用推廣前景

基于區域編碼智能判斷的節能照明系統首先應用于東風發電廠生產現場輔交通洞，現已在東風發電廠生產現場其他照明區域進行推廣應用，此照明系統從根本上很明顯地降低了東風發電廠、烏江公司以及集團公司的資金成本，實現了“節能減耗”的目的。

東風發電廠原地下廠房照明系統有大約7000盞燈，每盞燈按100W計算，在“長亮燈”工作模式情況下，發生的日電量為1.68萬kW·h、年電量為613.2萬kW·h，項目實施后，結合該廠的“遠程集控，少人維護”值班模式，每盞燈每天亮的平均時間按1h統計，按照這個值進行計算，發生的日電量為700kW·h、年電量為25.6萬kW·h，相比之下每年可節約電量587.6萬kW·h，轉為化經濟效益即每年節約293.8萬元（每kW·h電按0.5元計算）［4］，產生的經濟效益的有關說明及各欄目的計算依據見式（4）、式（5）［3］：

式中W——總電量；

P——單個燈具額定功率；

t——照明時間；

N——燈具數量。

式中M——總電量錢；

J——每kW·h電單價。

按此計算，如果將該項目在公司內部水電廠推廣，烏江公司水電廠總共有9個水電廠，都按保守的燈總數進行計算，那么就是293.8×9=2644.2萬元，以此類推整個集團公司，就會發生更加客觀的經濟效益。

除此之外，原照明系統燈具工作時間長、易壞、更換頻率高，該技術應用后將大大降低了燈具工作時間，提高了其壽命，降低了維護成本。

4 結束語

為了實現“人走燈滅，節能減耗”的綠色環保照明理念，提出了“基于照明區域編碼設計的節能照明系統”“基于光柵傳感器判斷移動物體進出方向的照明系統”設計方法和移動智能識別、區域數據“歸零”及異常信號容錯等技術。經實際應用，節能效果明顯，同時降低了維修、維護成本，為水電廠照明系統模式開辟出一條嶄新的研究道路，可供其他電廠借鑒和參考，對類似多出入口區域照明系統應用具有推廣意義。