LED光源路燈的全直流照明系統(tǒng)檢測研究

邢長海

鎮(zhèn)江市建設(shè)工程質(zhì)量檢測中心有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212004

0 引言

當前，路燈照明設(shè)施中，LED光源的應(yīng)用逐漸廣泛。與傳統(tǒng)的白熾燈相比，其能量消耗僅為白熾燈的1/10，與普通節(jié)能燈相比，也僅為其1/4左右，運行能耗較低。同時，與環(huán)保號召相契合，LED光源內(nèi)不含有任何重金屬材料，實現(xiàn)了真正意義上的無污染[1]。受自然環(huán)境影響，普通光源在長期運行狀態(tài)下會出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象，在夏季極易引起飛蟲聚集，影響道路行人及車輛的安全行駛，而LED光源有效解決了這一問題，其發(fā)出的光屬于“冷光源”，既可以避免飛蟲掉落引起的不安全因素，也可以減少由于飛蟲排泄物引起的燈源表面被遮擋，光源照明功能下降的問題[2]。

在此基礎(chǔ)上，以LED光源路燈為基礎(chǔ)的直流照明系統(tǒng)開始被關(guān)注，對于其的研究也不斷深入，并取得了一定的成績，在實際中得到了良好的運用。但隨之而來的，一個新的問題擺在了人們面前，那就是對于照明系統(tǒng)的檢測工作[3]。通常情況下，照明系統(tǒng)存在控制范圍廣、控制光源個體多的特點，因此對于照明系統(tǒng)的檢測也存在一定難度，如何準確地檢測出其存在的故障信息，對于照明系統(tǒng)的實際應(yīng)用具有重要意義。

1 直流照明系統(tǒng)各區(qū)域故障特征

當直流照明系統(tǒng)的輸電線路與母線均無故障時，系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)，母線電壓與線路電壓的次諧波幅值均為零，在這種條件下，高頻量可忽略不計，因此文章以直流輸電線路與母線為基礎(chǔ)，對系統(tǒng)故障時的特征進行分析。

1.1 線路發(fā)生雙極短路故障特征

當線路中距發(fā)生雙極短路故障時，根據(jù)基爾霍夫定律，通過FFT對線路與母線電壓分別進行分析，當短路時間與電流傳輸間隔時間相等時，系統(tǒng)電壓回路可表示為

式中：Uc為母線的等效電壓；Ud為線路的等效電壓；Lc為母線兩端的限流電抗器；ic為限流電抗器數(shù)量；ΔU為故障時的電壓突變量。

當系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)運行時，Uc=Ud，此時，系統(tǒng)電壓回路可表示為

當故障初始行波到達橋臂時，限流電抗器和橋臂電抗器將感應(yīng)出與電壓突變量數(shù)值相等、大小相反的感應(yīng)電壓，線路電壓和直流電壓均會迅速下降，并在下降過程中出現(xiàn)振蕩。通過式（1）和式（2）可知，線路電壓下降幅值較大，并有較多高頻分量；母線電壓雖然有迅速下降趨勢，但幅度較線路電壓小，且由于設(shè)有限流電抗器，高頻分量較線路電壓少。

1.2 母線發(fā)生雙極短路故障特征

當系統(tǒng)內(nèi)線路的母線發(fā)生雙極短路故障時，故障經(jīng)線路電抗器到達橋臂，母線電壓與線路電壓均迅速下降。此時，通過FFT頻譜分析，系統(tǒng)電壓為

從式（3）可以看出，母線電壓的下降趨勢呈現(xiàn)出階躍式，而線路電壓下降趨勢為非階躍式，其幅度小于母線電壓，并且母線電壓高頻分量相對較多，線路電壓低頻分量相對較多。

2 離散小波變換能量

在上述故障特征分析的基礎(chǔ)上，文章采用離散小波變換的方式，對系統(tǒng)故障時的能量情況進行分析。文章在處理實際數(shù)值計算時，使用離散小波變換（DWT）對故障的特征量進行轉(zhuǎn)換。

設(shè)函數(shù)y(t)在空間內(nèi)可積，則函數(shù)的母小波函數(shù)滿足

式中：ξ( )為ξ?( )的共軛函數(shù)；γ為尺度因子；κ為時間中心，用于確定函數(shù)分析的時間位置。

對應(yīng)的DWT母小波函數(shù)表達式為

離散化的信號經(jīng)n層小波變換后，原信號被分解成低頻與高頻兩種信號，保留高頻信號，再將低頻信號進行二次分解，以此往復(fù)。文章使用db4小波對信號進行5層分解，提取分解信號中的高頻分量作為特征量，得到高頻總能量：

3 直流照明系統(tǒng)檢測

在通過DWT，將故障特征轉(zhuǎn)化為能量信息后，定義最高頻信號能量占總高頻信號能量比值為A，信號高頻總能量與低頻總能量比值為B，B越大說明信號中高頻分量越多。采用線路與母線電壓的故障A、B作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，以實際A、B所對應(yīng)的故障類型作為神經(jīng)元的輸出對網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練。文章采用PNN實現(xiàn)故障數(shù)據(jù)的識別。

在PNN的輸出層，采用競爭輸出的方式，為各輸入提供競爭機會，將保留到最后的神經(jīng)元作為輸出結(jié)果，其徑向基傳遞函數(shù)為

文章采用線路與母線電壓瞬時故障能量特征參數(shù)組合成向量（A1，B1，A2，B2），作為PNN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入；采用母線單極故障、母線雙極故障、區(qū)內(nèi)線路單極故障、區(qū)內(nèi)線路雙極故障、區(qū)外故障這5個故障的A、B值作為輸出結(jié)果。首先用小波變換進行故障特征量計算，生成PNN的輸入數(shù)據(jù)，然后通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對輸入的數(shù)據(jù)進行處理，最后得到系統(tǒng)的輸出結(jié)果。

4 試驗測試

為了對所提方法的檢測性能進行驗證，文章進行了試驗測試。同時，為了使試驗結(jié)果具有更高的可靠性，分別采用秦嶺等[3]和黃英瓊[4]提出的方法作為對照組進行試驗（以下分別簡稱為“A方法”和“B方法”），對比3種方法的試驗結(jié)果。

4.1 試驗環(huán)境

文章以某路段的直流照明系統(tǒng)作為試驗對象，系統(tǒng)控制的照明線路總長度為11.26 km，其中涉及LED光源路燈共計562個，系統(tǒng)采用的是半橋型子模塊換流器，換流器的4個端口均為MMC-HVDC。直流輸電線路兩側(cè)安裝0.25 H的限流電抗器；線路兩側(cè)分別安裝有混合式高壓直流斷路器，調(diào)制方式均為最近電平調(diào)制；換流變壓器均采用接地方式連接，架空輸電線路均采用相域頻變連接方式。在系統(tǒng)中分別輸入不同的故障信號，采用不同方法進行檢測，并分析其檢測結(jié)果，以此判斷其有效性。

4.2 試驗結(jié)果

在上述試驗環(huán)境的基礎(chǔ)上，分別采用3種方法對系統(tǒng)故障的信號能量占比進行檢測，具體檢測結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，在3種檢測方法下，A方法和B方法對于故障的檢測結(jié)果與實際故障信息之間存在的差異較大，而通過觀察文章提出方法的檢測結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，其與實際故障信息的差異始終穩(wěn)定在0.04%以下，具有較高的檢測精度和準確度。這主要是因為所提方法在對系統(tǒng)故障特征進行分析的基礎(chǔ)上，將對故障的識別轉(zhuǎn)化為對能量的分析，以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對輸出結(jié)果進行處理，提高了結(jié)果的可靠性。

表1 不同方法檢測的系統(tǒng)故障信號識別結(jié)果對比表

5 結(jié)束語

近年來，隨著經(jīng)濟以及科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，路燈設(shè)施建設(shè)的先進化程度不斷加深，通過現(xiàn)代化的技術(shù)實現(xiàn)對路燈的控制成為一種主流趨勢。在此環(huán)境下，如何實現(xiàn)對大范圍內(nèi)道路照明系統(tǒng)的準確檢測，是提高照明系統(tǒng)應(yīng)用價值的重要問題，對于快速有效地解決系統(tǒng)存在的故障具有重要意義。文章提出了LED光源路燈的直流照明系統(tǒng)檢測方法，為實際的照明系統(tǒng)檢測工作提供了一定的參考。