變電站照明智能控制系統節能優化設計

梁海生，王紫雷，劉 鑫，王夢薇

(國網上海市電力公司經濟技術研究院,上海 200002)

0 引言

經濟飛速發展背景下，工業用電量與生活用電量激增，變電站的工作壓力隨之攀升。根據歷年數據可知，截止到2016年年底，全社會用電量比上一年度增加了5%左右，已經突破了59 000億千瓦時。可見經濟繁榮的背后，能源消耗總量正在不斷攀升，影響著國家的長遠發展[1]。為了進一步改善全社會用電量較大這一問題，針對變電站而言，必須節能優化設計變電站照明智能控制系統。該系統依靠現有的先進科技，設定控制系統硬件與軟件的工作程序，以此實現變電站的整體節能，為國家的長遠發展貢獻一份力量。

1 變電站照明智能控制系統硬件設計

1.1 替換DC-DC變換器

現有照明系統中的DC-DC變換器采用單向工作模式。變換器中的能量受功率傳輸二極管的影響只能單向流動，限制了能量的反向流通，因此也限制了其在能量雙向流動場合的使用。如果節能照明系統保留原有系統中的單向DC-DC變換器，通過反并聯的方式搭建單向DC-DC變換器A和變換器B，那么過多的器件會加重照明系統電路的復雜程度。其中，變換器A用于處理端口之間的能量流動，變換器B用于處理能量反向流動。因此，本次研究采用雙向DC-DC變換器替代2個單向的DC-DC變換器，實現能量的雙向流動[2]。雙向DC-DC變換器功能結構如圖1所示。

圖1 雙向DC-DC變換器功能結構圖

圖1中：I1、I2為流動電流；W1、W2為能量流動端口。雙向DC-DC變換器能夠在不改變其高壓側以及低壓側極性的情況下，僅通過改變變換器電流流動方向，就實現能量雙向傳輸，使電流傳輸方向的切換更加迅速。該方法提升了系統閉環動態響應，實現了對用電數據的及時處理[3]。

1.2 設計串口通信模塊

為了保證雙向DC-DC變換器的工作流暢性，重新設計照明系統的串口通信模塊。該模塊是無線傳感網絡中，計算機、協調器網關節點以及LED照明之間的通信橋梁。計算機通過串口發送照明控制命令，并發送給協調器網關節點，同時讀取變電站照明系統的光照度、溫度、變換目標以及LED狀態等數據。串口通信模塊電路如圖2所示。

圖2 串口通信模塊電路圖

根據圖2可知，RS-232串行通信接口為芯片CC2530的USART0和USART1。其中：USART0采用異步UART模式；USART1采用同步串行外設接口(serial peripheral interface,SPI)模式。但芯片CC2530使用晶體管-晶體管邏輯(transistor transistor logic,TTL)電平，而設計的串口通信模塊遵循RS-232電平，因此二者之間不能直接接通。此次設計利用MAX232CSE芯片轉換電平，然后建立模塊之間的雙向通信模式。需要注意的是，選擇的MAX232CSE芯片外圍電路需要4個0.1 μF的小尺寸電荷電容。其中：飛電容用C1、C2表示；儲能電容用C3、C4表示[4]。至此，在替換DC-DC變換器的基礎上，設計了串口通信模塊，完成了對變電站節能照明系統的硬件設計。

2 變電站照明智能控制系統軟件設計

2.1 變電站照明用電效用計算

變電站照明用電一般分為室內照明用電與室外照明用電2個部分。因此，本文從靜態溫度效用與靜態時間效用函數入手，分析某個時間斷面上，變電站的找平溫度是否與電器工作狀態匹配。靜態溫度效用函數根據期望溫度與實際溫度之間的關系，量化變電站照明設備的工作溫度。其公式為：

(1)

當Tt∈[T1,T2]時，效用值為1；當TtT2時，在參數k的作用下，溫度效用值下降[5]。此時k∈(0,1)。參數k越小，則說明溫度效用值下降速度越快。再利用靜態時間效用函數，量化某一時刻下照明電器的運行狀態，計算結果為：

(2)

靜態時間效用如圖3所示[6]。

圖3 靜態時間效用示意圖

根據上述計算，結合圖3中描述的靜態時間效用可知，[tmin,tmax]?[t1,t2]。當用電設備關閉時，時間效用函數值為0；當用電設備正常工作時，時間效用函數值為1。通過上述計算，確定變電站照明用電狀態。

2.2 構建變電站節能照明模型

(3)

此時，若存在具有相同用電效果的電器，則需要進行組合優化。因此，根據上述設置的參數，在同一時刻區間內，再次優化上述目標函數。

(4)

此時的變電站節能照明模型為：

(5)

式中：Bs()為在其時段內所有節點活動狀態集合；t0～(t0+ta)為某個時段；db(t)為某時刻的運行狀態；Db(t)為電站設備b在某時刻的運行狀態；Cb,s(t)為某時刻、區域s內，所有影響電路b用電效用的場景參數狀態集合；minHb(t0,t0+ta)為某時段內最小電能消耗。

利用構建的節能照明模型，控制變電站照明系統的工作狀態，可實現節約照明用電[8]。

2.3 基于智能控制的照明管控操作

基于智能控制技術，管控操作變電站照明模型。假設模型的管理公鑰為I，每個測控器的公鑰為K，照明設備的公鑰為G，模型的智能控制策略為φ，則存在：

(6)

式中:Iu為拓撲信息；G(mi)為處于使用狀態的照明設備；I(ui)為管理中心；K(bi)為設備運行信息；φ(hi)為權限；i=1,2,...,n,n為設備總數；←為映射。

要求：對于任意設備，有I←I∪Iu；如果u控制設備b，則K←K∪Kq，其中q表示測控器；刪除設備控制中心，如果設備b在u控制下，要求K←K∩Kn；獲取拓撲信息[Iu,(Gm,K)]，(Gm,K)表示處于使用狀態的照明設備；添加訪問控制(Iu,Kb,s,φ)，如果設備b受u控制，則要求φ←φ∪φb1→bn；刪除管理中心I(un)，此時I←I∩Iu；刪除設備運行信息，K←K∩Kb；撤銷權限，令φ←φ∩φb1→bn，若存在Iu∈I，則返回元組(u,b)；最后查詢權限并返回權限集合[9-10]。根據上述過程，利用公鑰控制模型的節能表示過程，并通過“添加訪問控制”操作，修改、阻止或者查詢照明系統的工作現狀。至此，在智能控制技術的應用下，可實現對變電站照明系統的節能優化設計。

3 仿真試驗

仿真測試不能完全驗證所設計系統的可行性和合理性，因此搭建一個小功率試驗平臺，進行一次仿真試驗。受基本測試條件限制，完全按照220 kV變電站直流照明系統參數搭設試驗環境是較為困難的。因此，以合理的方式縮小電容容量和負載功率，通過小功率試驗驗證此次設計系統的節能效果。

3.1 試驗準備

選擇SPS公司生產的電容模組。該硬件額定電壓為220 V。電容模組基本參數如表1所示。

表1 電容模組基本參數

電容模組選擇完畢后，選擇照明負載。此次研究的照明系統以實驗室燈箱為負載，要求該燈箱可以接入220 V的額定電壓，同時還可以接入不同功率的燈泡。通過改變燈泡接入情況，調節負載大小。結合此次研究目的，選擇穩壓電容和電感，要求穩壓電容的電容量為2 200 μF、最高工作電壓為450 V。電感則選擇5 mH的繞線電感，最大工作電流為5 A。然后，綜合考慮額定電壓、額定電流、開關頻率以及驅動電壓等因素，選擇絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor,IGBT) SKM200GB124D作為開關元件。該開關可承受的最大電壓為1 200 V，最大電流為100 A，工作溫度范圍為40～115 ℃，具有低損耗和高耐壓值的特點。最后，選擇IGBT驅動板，利用該板放大數字信號處理器(digital signal processor,DSP)脈沖輸出功率，實現驅動IGBT的目的。

3.2 占空比測試

當電容兩端電壓與設定的參考電壓近似時，系統輸出-9～+15V的低占空比波形。當電容兩端電壓與設定的參考電壓之間的差值增大時，輸出的波形占空比也會隨之增大，從而實現升壓這一控制目的。不同升壓需求的占空比測試結果如圖4所示。

圖4 不同升壓需求的占空比測試結果

根據圖4所示的測試結果可知，實際的低占空比波形和高占空比波形與預期占空比波形高度近似。因此，此次節能優化設計的照明智能控制系統達到了效果預期。

3.3 負載電壓測試

為了進一步驗證此次研究系統的節能效果，通過改變燈箱接入電燈的方式來改變負載功率。因此，在系統中分別接入了50 W、100 W和150 W的燈泡作為負載。在仿真測試平臺模擬照明供電試驗中，分析電容兩端電壓波形、負載兩端電壓波形，驗證智能控制下的節能效果。不同負載下的電壓波形測試結果如圖5所示。

根據圖5所示的三組測試結果可知，在智能控制下照明系統實現了穩壓輸出。對于不同的負載，在節能控制要求下，將穩壓放電時間控制在605 s、264 s以及186 s之后，此時的占空比達到了極限值。可見此次研究設計的照明智能控制系統具有節能輸出功能。

圖5 不同負載下的電壓波形測試結果

4 結論

本文設計以傳統照明系統的設計方案為依據，通過改變系統硬件連接與軟件性能，強化了系統的節能效果。該設計還存在不足之處：照明應用環境的變化可能影響試驗效果。照明智能控制系統還可以進一步優化，提高其節能智能控制功能。