高速公路隧道照明智能節電系統研究

鄒美強

廣東新粵交通投資有限公司（廣東 廣州 510000）

0 引言

我國高速公路的發展速度飛快，與之相關的機電系統功能日益完善，并被大規模應用于各種高速公路隧道照明中。由于隧道照明耗費大量的電能，會進一步增加高速公路運營成本，因此要采取有效的節能節電技術，進一步完善高速公路隧道照明系統的節能節電功能，保證行車安全，提高高速公路的經濟效益[1]。

1 系統整體方案設計

高速公路隧道照明智能節電設計要結合高速公路隧道照明的需求，合理應用智能節電技術，打造完善的智能監控系統[2]。為此，需要充分發揮計算機控制技術的作用，將GPRS和ZigBee無線通信網絡相結合，確保電網輸入電壓得到有效控制，智能化調節隧道照明系統，以達到節能節電的效果。隧道照明智能化監控系統可及時、全面地采集回路和相關設備的參數，然后由微處理器分析和處理各項參數，處理好的數據經被傳至控制系統，再由控制中心結合數據結果展開相應的控制[3]。為了達到自動調節電壓的目的，要采用無線傳輸的方式，將各回路尾燈的電壓上傳至上位機，系統會對數據進行全面的分析，對節電柜的電壓輸出進行有效控制。每個回路尾燈電壓用戶在系統的支持下可自行設定節電目標值，不會影響照明燈具的正常運行。

2 系統功能與控制方法

2.1 系統功能

（1）采用遠程單燈控制模式可對開關和高壓鈉燈進行遠程控制。（2）根據實際情況開啟多個照明回路，通過遠程控制的方式確保輸出電壓得到有效調節，也可采用手動控制的方式。（3）及時采集在隧道回路中產生的輸出電壓和電流，并監控節電柜的運行狀況，從而了解其運行狀態。（4）對電壓和電流信息進行全面分析，并制訂相應的調節方案。（5）根據不同的時間段，制訂相應的照明方案，結合實際需求選擇相應的亮度，達到節能節電效果。（6）根據白天和夜晚的實際情況，合理調節燈具的工作電壓。（7）對監控數據和歷史記錄等信息進行查詢和打印[4]。（8）對節電柜運行情況進行實時監督和信息采集，通過遠程抄錄的方式展示節電柜的電子電表數據，并將數據傳輸至監控中心。（9）提前留出各種類型的接口，確保系統功能得到進一步拓展。

2.2 控制方法

為了避免隧道照明系統出現控制問題，可以采用PID控制算法，同時重視PID控制器參數的整定。為了提高系統的穩定性，消除控制誤差，必須先明確PID控制器的結構，可采用PI調節器、PID調節器。當被控對象受到外部因素干擾后，會處于失衡狀態，此時，需依靠系統強大的自我恢復及平衡能力。這種自我恢復能力會受到被控對象的限制。具有自平衡性能的被控對象中不包含P與PD控制器。在該系統中，為實現參數整定，宜采用擴充臨界比例度法。該方法的主要依據是模擬PID控制器中所使用的臨界比例度[5-8]。

3 關鍵設備選型與設計——節電柜

在進行節電柜設計時，宜采用補償式無極調壓穩壓電路，確保照明系統得到智能化控制，提高燈具負載力和承載力，將輸出電壓控制在合理范圍內，提高穩壓精度[9-10]。當照明系統運行后，需將采集的輸出電壓通過基準電壓與檢測控制電路進行對比，以發揮輸出控制信號的調壓作用，達到穩壓目的。數據采集器會對采集到的數據進行分析，然后有效調節和控制電壓，確保輸出電壓值更加合理。高壓鈉燈在啟動階段需要較高的電壓，宜采用比額定電壓更高的輸出模式迅速啟動燈具。系統會根據采集數據的情況對工作模式進行自動化調節，一旦出現電壓過高或過低的情況，節電柜就會自動切換到旁路狀態[11-13]。

節電柜可根據照明回路末端電壓的實際情況，合理調節末端的燈具電壓。在使用節電柜的過程中，可采用無線技術，確保末端電壓的采集設備與系統之間的數據得到順利傳輸。支持智能照明節電設備功效發揮的計算機技術可對數據進行實時采集和處理，并自動跟蹤照明回路的電壓變化情況，自動調節電壓，保證電壓穩定。節電柜的遠程監控功能有助于相關人員了解系統的運行狀態，通過遠程自動化控制或手動控制的方式調節輸出電壓，對節電設備的輸出電壓等技術參數進行遠程查看和抄表。采用智能節電設備后，就能手動控制本地輸出電壓，可自行選擇輸出電壓的檔級。通常，需采用無級調壓穩壓技術對智能節電設備進行調節。采用智能節電設備進行調壓和穩壓時，輸出電壓的變化十分穩定，并能保證每個時段的電壓得到合理調節，避免燈具的照度發生變化。

4 系統數據采集與傳輸功能的實現

高速公路隧道照明智能化節電與監控系統在運行中必須加強數據的采集和傳輸。第一，加強對照明回路電壓數據的采集，對隧道內和隧道外的亮度進行采集，這樣才能實現對白天和晚上的智能化判斷，并根據天氣變化情況進行智能化調節。第二，對監控數據進行有效的傳輸。要將每個隧道的系統管理數據傳輸至監控中心之中。

4.1 數據采集

進行數據采集時，可根據實際情況選擇相應的通信方式。有線通信方式需耗費較多的資金，施工人員需仔細布線，還要定期對其進行維護；載波通信會受到外界因素的干擾，需購置昂貴的設備；采用無線通信方式時，可選擇免費試用的公共頻率通信，通信協議較多，常見的工業通信技術是ZigBee技術。ZigBee技術不會耗費大量能源，且速率低、時間間隔短、應用成本低、容量大，在許多領域中得到廣泛應用。在該系統中，應用ZigBee技術構建無線通信網絡，能提高系統的通信質量[14-16]。

ZigBee網絡中有三種拓撲結構。第一種結構是星形結構。該結構主要以協調器為核心，終端需通過協調器實現通信，各終端之間不能直接通信。若需進行終端之間的通信，就要由某一終端先將信息傳輸給網絡協調器，再由其傳輸至另一個終端。星形結構成本較低，在系統中可應用該拓撲結構，確保節點的開關操作得到有效控制。星形結構的通信范圍與設備和協調器的距離有關。第二種是樹形結構。樹形結構主要包括協調器、終端設備節點、路由節點等部分，協調器與路由器各自有其子節點。在該結構中，各個節點可以實現通信，若某兩個終端的節點需要通信，首先要將數據傳至上一個節點，再由公共節點將數據傳至下一個節點。樹形結構的通信覆蓋面積比較大，但受限于某一節點的故障，即整個網絡的通信均會因一個節點的問題而被打斷。第三種是網絡結構。網絡結構主要是以點對點的方式實現通信功能穩定，即使某一點失效，也不會影響另一點的通信功能。網絡結構具有一定的靈活性和多樣性，但在使用該結構的過程中會造成通信延時，還會增加運營成本。

在此次設計中，主要采用GPRS技術進行通信，可有效降低成本和費用，滿足系統的監控需求，保證數據得到有效傳輸。

4.2 數據傳輸

進行無線網絡傳輸時，需考慮通信功能。從智能節電角度出發，要分別保證其與監控中心上位機、單燈控制器控制回路之間的通信功能更加完善。采用GPRS技術可確保節電柜與上位機之間的數據得到有效傳輸，控制中心上位機的控制指令會由交換機發出，再由光收發接收器獲取，控制信號會經過串口服務器的處理，從而被節電柜網絡接收。采用ZigBee技術可確保節電柜與單燈控制器之間的數據得到有效傳輸。無線ZigBee技術可在距離較短的范圍內對數據進行傳輸。在無須布置線路的情況下，采用ZigBee技術能進一步發揮通信系統的功能，確保系統穩定。即使某一回路的照明出現問題，也不會影響另一回路照明系統的功能。該系統主要采用網狀網絡結構，確保各控制器之間的數據通過無線傳輸的方式達到通信的目的[17-18]。

5 結束語

文章提出照明系統智能化節電技術應用的設計方案，以確保隧道照明系統達到理想的節電效果。隨著我國高速公路事業蓬勃發展，要不斷優化照明智能節電技術，完善隧道照明系統的功能，滿足車輛行駛需求，確保行車安全，提高我國高速公路的綜合效益。