基于節能降耗的變電站電氣三維照明系統設計

摘要：變電站的電氣三維照明系統節能效果較差，照明能耗較高，為此設計了基于節能降耗的變電站電氣三維照明系統。在系統硬件方面，對光感器、控制器和照明設備進行選型與設計；在系統軟件方面，采用節能降耗技術進行光照設計，自適應調控照明設備光通量，并通過對光學擴展，實現節能降耗的變電站電氣三維照明系統設計。試驗結果表明，應用設計系統后，能夠有效降低變電站電氣照明能耗，具有良好的節能效果。

關鍵詞：節能降耗；變電站；電氣；照明

中圖分類號：TV735 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）11-0217-04

Design of Electrical 3D Lighting System for Substation Based on Energy Conservation and Consumption Reduction

GUI Xiaochun

（Shanghai Dongjie Electric Power Design Co.， Ltd.， Shanghai 201203， China）

Abstract： The energy-saving effect of the electrical 3D lighting system in the substation is poor， and the lighting energy consumption is high. Therefore， a substation electrical 3D lighting system based on energy conservation and consumption reduction has been designed. In terms of system hardware， the selection and design of light sensors， controllers and lighting equipment are carried out; In terms of system software， energy-saving and consumption reducing technologies are adopted for lighting design， the light flux of lighting equipment is adjusted adaptively， and through optical expansion， energy conservation and consumption reduction reducing substation electrical 3D lighting system design is achieved. The experimental results show that the application of the design system can effectively reduce the energy consumption of electrical lighting in substations and has a good energy-saving effect.

Keywords： energy conservation and consumption reduction; substation; electrical; lighting

照明系統是變電站中能耗較大的部分之一。三維照明系統是一種用于創建三維立體視覺效果的照明技術。其使用多個光源和復雜的照明布局，模擬自然光在物體上產生的陰影、高光和反射等效果，從而創造出更加清晰的視覺體驗。目前，三維照明系統已廣泛應用于電力領域，成為變電站電氣系統中重要組成部分。變電站電氣三維照明系統主要采用傳統的光源和照明方式，如白熾燈、熒光燈等，不僅能耗高，而且壽命較短，維修成本較高。此外，傳統的照明方式常缺乏合理的布局和優化的控制策略，導致照明效果不佳，且易造成光污染和能源浪費。如何通過改進照明系統設計和控制方式來實現節能降耗已成為當前研究的熱點問題，為此設計基于節能降耗的變電站電氣三維照明系統。

1 基于節能降耗的變電站電氣三維照明系統硬件設計

基于節能降耗的變電站電氣三維照明系統硬件主要由光感器、控制器及照明燈具組成，如圖1所示。

光感器在系統中主要作用是感知變電站電氣環境的光照情況；控制器在系統中主要作用是控制系統所有硬件執行電氣三維照明指令，最終通過照明設備實現對變電站電氣三維照明。

1.1 光感器選型與設計

基于節能降耗的變電站電氣三維照明系統中的光感器是節能減排的關鍵設備，工作原理是檢測變電站中電氣設備，并在不同時刻對其進行適當的光照[1]。光感器由探測器和感應器組成，探測器被安置在變電站的頂部，感應器會設置一個特定的發光時間，當燈光亮起的時候，感應器會在2 s后再次感應是否有電氣設備，如果有電氣設備，就保持燈光亮起，如果沒有電氣設備，就會立刻關閉燈光，從而節約變電站電氣照明能耗[2]。根據需求，系統采用型號為KHFA-A4F88光感器，將其臨界光亮度設置為75 cd/m3，有效時間設定為250 s，測感有效距離為150 m，通道數據為4個，為保證光感器數據傳輸質量，再設定

4個替補通道。光感器與系統間的通信協議采用傳輸控制協議/網際互聯協議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）協議。

1.2 控制器選型與設計

在變電站內，精確識別與執行光感器和照明設備發出的照明命令十分關鍵。為此，系統通過控制器來控制變電站內的電氣三維照明。為獲得較好的控制效果，選擇由總線、控制閥、各種元件以及對角線組成的電氣安裝總線（Electrical Installation Bus，EIB）控制器[3]。總線使用二進制媒質，靈敏度高，可以識別并控制任何強度的信號。該控制器采用串并聯的方式將控制器接入系統電源總線，控制器供電電源為24 V，工作功率為2.5 W，將其控制頻率設置為每秒750次。

1.3 照明設備選型與設計

基于節能降耗的變電站電氣三維照明系統照明設備采用型號為IHFA-A5F98投影方棒照明設備，其主要由光源和方棒組成。光源采用直流高壓汞燈，方棒的功能是均衡設備發出的光源，使光源發出的光斑變為均勻的三維光斑。光源發出的光線需要分時進入方棒，采用OUFASU-A7F8合色棱鏡將來自不同方向的光線導入方棒，合色棱鏡要求入射光是在一定的小角度光線或者平行光，如果采用一個大孔徑的透鏡將光源發出的光線轉換為小角度光線或者平行光較為困難[4]，因此系統采用混合聚光方式，使用透鏡將小角度光線折射轉換為平行光線，將大角度光線使用反射轉換為平行光線。在每個照明設備的光源上安裝一個準直鏡，將照明設備發射的光線初步收集和準直，再利用聚焦透鏡將準直的光線導入方棒，最終發射出均勻的光斑。

2 基于節能降耗的變電站電氣三維照明系統軟件設計

2.1 節能降耗的光照設計

基于節能降耗的變電站電氣三維照明系統軟件方面采用節能降耗技術，根據變電站電氣照明需求，自適應控制電氣照明的光通量，以此降低變電站電氣照明的能源消耗，達到節能降耗的目的。為有效地減少系統的能耗，需要合理布設變壓器的位置，縮短變壓器與照明設備之間的距離。此外，積極探索可再生能源的利用，通過一定的技術轉換，將這些清潔能源融入照明系統，以進一步提升系統的能效和環保性。

設計系統節能降耗的關鍵在于光照的設計，合理確定變電站電氣三維照明的光通量[5]。變電站電氣空間受內部格局的空間影響，照明量有所差異，因此要根據每一個電器裝置所需的照度，控制每一個燈具的照明亮度，從而獲得最好的照明效果，并實現節能降耗[6]。假設變電站電氣設備在一個三維坐標系中，將變電站內電氣設備的具體屬性按照一定的規則進行轉換，以此統一數據形式，根據電氣設備距離照明設備的距離等確定照明強度，其計算公式為

（1）

式中：g為變電站電氣照明光通量；F為變電站空間內高度與照明設備高度的比值；G為變電站電氣設備與照明設備光源的距離；s為變電站面積[7]。通常情況下，只有照明設備發出的光線與折射的光線呈直角時，空間內的照明效率達到最高，因此確定光通量后，為最優化變電站空間內三維照明效率，需約束光照角度，其用公式表示為

α=e cosα（2）

式中：α為三維照明設備散發出的光線與折射光線的角度；e為變電站空間內各個電氣設備的位置點。將式（1）與式（2）作為控制器輸入向量，以此自動調節系統內照明設備的光通量，以及約束光線與折射光線角度，降低系統能耗。

2.2 光學擴展的三維照明

照明設備發出的光為二維平面光線，而設計系統為三維照明設備，需要通過對照明設備發出的光線進行光學擴展，將二維轉換為三維，從而實現變電站電氣的三維照明。在理想光學系統的光線傳輸過程中，遵循能量守恒定量，并且當光學元件的能量大于光束能量時，此時光束全部通過光學系統，能量利用率達到最高[8]。因此，設計系統的照明光源的能量利用率主要受光學擴展影響。在本次系統設計中引入光學擴展量，根據已有的照明光學擴展量大小，設計光學聚焦參數，將二維光線轉換為三維。系統的光調制器決定了光線排列方式，光調制器的光學擴展量計算公式為

DDMD=gπAsinβ（3）

式中：DDMD為光調制器的光學擴展量；A為光調制面積；β為光線的偏轉角。光線輸入光調制器后通過轉換其排列方式，再輸入方棒，由方棒將轉換后的光線均勻輸出。光調制器的光學擴展量與方棒的光學擴展量的關系為

（4）

式中：RRGT為方棒光學擴展量；為方棒端面的長度；h為方棒端面的寬度；ε為方棒出射端光線被光調制器利用的最大出射角。方棒端面的寬度和長度已知，只有調整方棒出射端光線被光調制器利用的最大出射角，才能使方棒光學擴展量與光調制器光學擴展量相同，根據式（4）可以得到方棒出射端光線的最大出射角，以此在Zemax軟件上三維模擬照明設備光路，將其轉換為理想的三維光學系統，從而實現基于節能降耗的變電站電氣三維照明系統設計。

3 試驗論證

3.1 試驗準備與設計

以某變電站為試驗對象，該變電站共計16臺電氣設備，利用基于節能降耗的變電站電氣三維照明系統對該變電站電氣三維照明。為驗證設計系統的功能性是否具有現實意義，進行對比試驗驗證，選擇人防項目中的電氣照明系統設計（現行系統1）、智能照明控制系統在電氣照明節能設計中的應用（現行系統2）

與設計系統對比。在試驗中采集變電站內影響照明的相關數據，通過對數據分析，確定電氣三維照明參數，系統應用時間為70 d。試驗準備了光感器和控制器各1臺，照明設備10臺，將其安裝到相應的位置上，組裝好系統軟硬件后，開展系統應用測試試驗。

3.2 試驗結果與討論

試驗以變電站電氣照明能源損耗為系統節能性評價指標，使用表格統計70 d內3種系統能源損耗，具體如表1所示。

如表1所示，該變電站電氣照明應用70 d設計系統的能耗為1 025.46 kJ，應用70 d現行系統1的能耗為1 465.27 kJ，應用70 d現行系統2的能耗為1 502.34 kJ，設計文方法能耗遠遠低于兩種現行系統。由此說明，設計系統具有良好的節能效果，在變電站電氣照明方面具有絕對的優勢。

4 結論

為解決能源消耗，將節能降耗技術應用在變電站電氣三維照明中，設計基于節能降耗的變電站電氣三維照明系統。結合智能控制系統和動態調整優化等技術手段，進一步提升了三維照明系統的節能效果和適應性。然而，在實際應用過程中仍需注意一些問題，如設備選型、安裝調試、運行維護等方面的細節問題需謹慎處理，以保障系統的可靠性和穩定性。未來，變電站照明系統會更加智能化，以更好地滿足能源效率、環境友好、安全可靠等需求，為變電站的可持續運行提供更優質的支持。

參考文獻

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