智能节电最优控制系统的制作方法

专利名称：智能节电最优控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种节能技术领域的自动控制系统，具体为一种智能节电 最优控制系统。
背景技术：
众所周知，地球的能源和资源是有限的，为了最大限度地保障经济的可持 续增长，人们在积极寻找新能源和开发可再生能源的同时，时刻不可放松对现 有能源的节约，这是全人类共同关心的议题和共识。为了有效和最木限度地节 约利用能源，最根本的办法在于先进科学与技术的应用。其中，如何使气体放 电灯达到有效使用而又节能的效果就是一项当前十分突出而又紧迫的技术任 务，因为利用气体放电灯的优越光通量特性作为路灯使用，其数量之大已经遍 及城乡各地道路。当气体放电灯作为道路照明时，在保证有效照明的情况下， 如何实现最大限度的节电，这对国家社会经济发展的意义不言而喻，然而，要 使得气体放电灯实现真正意义上的节电，至今为止仍然存在着诸多技术难题。 就当前已被采用的诸多技术来看，概括地说，基本上是利用降压装置或相类似 的技术来实现照明节电，这是气体放电灯照明节电的技术误区。
经对现有技术文献的检索发现，王健、褚晓广"智能型节能路灯控制器的 研究与实现"(《自动化与仪表》2007年第1期)，该文介绍了 "智能型路灯控制 器的节能原理，提出了TCP/IP协议在单片机上简化实现"，并重点介绍了 "控 制器的主要功能及其软硬件设计"。上述文献认为"根据人体视觉对光线适应 的理论，人眼对光线的感觉和光线成对数关系，即光照降低10%，而人的视觉仅 降低1%,因此适当降低光照可以节能而并不影响人的视觉。在路灯的供电回路 中，能量除了满足发光外，多余部分产生热量，而这部分热量除造成浪费外并 减损灯具寿命，将产生热能的这部分能量回馈给电网可以实现节能并不影响照 度，本控制器就是在以上节能原理的基础上进行设计的。"因而建立了由远程监控中心和网络控制器组成的路灯监控系统，所述远程监控中心，"主要有管 理计算机和数据库组成，管理中心与网络控制器的通讯利用Internet实现。监 控中心的管理计算机具有最高的操作优先级，可以向网络控制器发布命令，对 全部的网络控制器进行巡检和控制，并下传和更新控制策略，把重要的数据进 行存储。"所述网络控制器，"解析来自管理中心的命令，对当前工况的数据 进行存储并报告给管理中心。在管理中心无人值守时依据时间芯片和既定的控 制策略进行节能控制。其中网络控制器是监控系统的关键。"
该文献所提出的路灯节能控制器由于控制技术所基于的"节能原理"存在着 较大的偏面性，进而所确立的"路灯控制器采用时钟自动控制、照度控制和电 压的闭环调光控制"策略及其所组成的"监控系统"必然存在着局限性而无法 真正实现路灯在有效照明状态下的节电效果，其关键原因在于它没有全面考虑 气体放电灯的技术特性，换句话说，节能省电必须遵循以下基本的科学前提条 件(1)灯光照明光通量不得低于最低限值；(2)灯光照明必须确保尽量高的 能量转换效率；(3)不影响气体放电灯的使用寿命必须以灯电压—功率特性曲 线为理论依据。这些前提条件均是上述文献所缺乏的。

发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足和缺陷，提供一种智能节电 最优控制系统，使其能够在有效照明前提下实现气体放电灯的高效、安全节电 效果，以下将由气体放电灯配接镇流器及触发器后所构成的路灯称为气体放电 路灯。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明所述智能节电最优控制系统， 包括供电主电路、气体放电路灯、状态检测器、信号处理器、控制驱动器、 GPRS远程监控系统。供电主电路的交流输入接口连接单相交流电源的输出，供 电主电路的交流输出接口连接气体放电路灯的输入接口，状态检测器的输出接 口连接至信号处理器的信号输入接口，信号处理器的控制输出接口连接至控制 驱动器的输入接口，信号处理器的RS232串行接口与GPRS远程监控系统中的远 程终端GPRS模块的RS232串行接口相连接，控制驱动器的输出接口与供电主电 路的控制输入接口连接。供电主电路接受50 Hz单相交流电源供电作为气体放
电灯的能量来源。状态检测器负责对电路工况参数的检测，被检测的信号经过 状态检测器预处理后交由信号处理器处理、分析，信号处理器根据信号分析结 果作出控制决策向控制驱动器发送控制指令，控制驱动器将控制指令转换成触 发脉冲信号输出至供电主电路中的控制输入接口用以调节供电主电路的电压输 出。信号处理器将供电主电路的状态信息及其控制决策通过RS232串行接口与 GPRS远程监控系统进行信息交互。信号处理器对状态检测器所提供的信息数据 通过科学的处理与分析，然后才输出相应的控制指令，因此，能够使气体放电 灯始终是在最合理的工作条件下冷启动和最安全的工作条件下热启动，能够使 气体放电灯始终处于安全控制区域内接受最佳灯电压供电和最高电光转换效率 下的功率输出，进而确保气体放电灯的最佳照明效果和安全使用寿命条件， 真正达到节电节能的科学目标。
所述供电主电路，包括交流输入滤波器、无触点电压调节器、交流输出 滤波器。交流输入滤波器的输入端口 (即，供电主电路的输入接口)连接50Hz 单相交流电源输出端口，交流输入滤波器的输出端口连接无触点电压调节器的 输入端口，无触点电压调节器的输出端口连接交流输出滤波器的输入端口，无 触点电压调节器的控制输入端口 (即，供电主电路中的控制输入接口)与控制 驱动器的输出端口连接，交流输出滤波器输出端口与气体放电路灯的输入端口 连接。
所述交流输入滤波器采用r形电路，即，滤波电路由一个50 Hz低通电感 和一个电容组成，电感的输入端接交流电源的输出相线，电感的输出端接无触 点电压调节器的输入端口相线，电感串接于交流输入相线上，电容的一端接电 感的输入端，电容的另一端与交流电源输入零线连接，电容并联于50Hz单相 交流电源输出端口。
所述交流输出滤波器采用双n形电路，B卩，滤波电路由一个lkHz高阻电感、 一个50 Hz低通电感和三个电容组成，50 Hz低通电感的输入端接无触点电压调 节器的输出相线，50Hz低通电感的输出端接lkHz高阻电感的输入端，lkHz高 阻电感的输出端接气体放电灯的第一个电极，第一电容的一端接50 Hz低通电 感的输入端，第一电容的另一端接交流电源零线，第二电容的一端与50 Hz低
通电感的输出端和1kHz高阻电感的输入端连接，第二电容的另一端接交流电源 零线，第三电容的一端接lkHz高阻电感的输出端，第三电容的另一端接交流电 源零线，即，第一电容并接于交流输出滤波器的输入端口，第二电容并联于交 流输出滤波器双n形电路的中间，第三电容与交流输出滤波器的输出端口和气 体放电路灯的输入端口并联。
交流输入滤波器的输入端口接受50 Hz单相交流电源供电，在滤除来自电 网的杂散高频信号的同时，防止电压调节后所输出交流信号中的谐波成分反馈 至电网。经过交流输入滤波器滤波后的交流电源信号送至无触点电压调节器， 无触点电压调节器根据控制输入端口所收到的触发脉冲信号确定其中电力电子 开关的导通状态以调节其输出的电压值。经调节后的交流电压输出通过交流输 出滤波器滤波整形后作为气体放电灯的最后能量来源。交流输出滤波器既能阻 挡电子触发器在气体放电灯启动前瞬间所产生的脉冲高电压对交流调节电源输 入回路的"反冲"，也能阻隔镇流器的高压感应电动势对交流调节电源输入回路 的影响，因此起到保护无触点电压调节器中电力电子开关器件安全的作用，并 防止脉冲高电压对电网的污染。
所述气体放电路灯，包括气体放电灯、镇流器和触发器。交流输出滤波 器输出端口的相线端连接气体放电灯的第一电极，气体放电灯的第二电极连接 镇流器的第一端头，镇流器的第二端头连接至交流输出滤波器的零线端，触发 器的第一端头与气体放电灯的第一电极连接，触发器的第二端头与气体放电灯 的第二电极连接。气体放电路灯按外触发选用相应的工作电路，所谓外触发， 即灯炮、镇流器和外触发器构成的工作电路，外触发气体放电灯的气体放电灯 必须与配套的镇流器串联使用外，还要在灯泡两端并联一个触发器，气体放电 灯方可正常使用。
所述状态检测器，包括交流输入电压传感器、电流传感器、交流输出电 压传感器、温度传感器、光照度传感器、信号采集通道、通道译码器、A/D模数 转换器、数据输出接口。交流输入电压传感器的输入端与交流输入滤波器的输 入端口相并接，交流输入电压传感器的输出端与第一信号采集通道的输入端口 连接；电流传感器的输入感应圈套于交流电源相线上，其输出端口与第二信号
采集通道连接；交流输出电压传感器的输入端口与交流输出滤波器的输出端口 连接，其输出端口与第三信号采集通道的输入端口连接；温度传感器的热电阻 感温片粘贴在无触点电压调节器中电力电子开关开关器件的散热片上，其输出 端口与第四信号采集通道的输入端口连接；光照度传感器的光照度感应片垂直 向上安装，正面无障碍物阻挡，能够正确感应天空光照度，其输出端口与第五 信号采集通道的输入端口连接；信号采集通道的输出端口与A/D模数转换器的 输入端口连接，A/D模数转换器的输出端口与数据输出接口的输入端口连接，数 据输出接口的输出端口 (即，状态检测器的输出接口)通过插槽式接口与信号 处理器的数字信号输入插槽连接；信号采集通道的开/关控制输入端口与通道译 码器的输出端口连接，通道译码器的输入端口与信号处理器的并行数据接口连 接。
所述A/D模数转换器具有12位字节，在其输出的数据结构中，髙位3位代 表信号类别代码，每个类别代码表示对应通道所采集信号的物理性质，低位9 位代表信号数值，高位3位的并行数据输入端口与通道译码器的输入端口并接， 因此信号处理器通过并行数据接口输出的通道代码在输出通道译码器的同时也 写入A/D模数转换器的高位3位数据位。
所述通道译码器根据信号处理器的并行数据接口所输出的信号采集通道代 码来选通被指定的采集通道，将被采集物理参数送入A/D模数转换器，A/D模数 转换器在将物理参数模拟量转换为数字量输出时占用数据结构中的低9位，同 时在高3位中记录对应的信号采集通道编码，即通道地址，3位二进制代码能够 提供8个通道地址。
所述信号处理器，包括数据输入接口、时钟发生器、数值计算与决策模 块、数据存储模块、并行数据接口、控制指令输出接口、 RS232串行接口。数据 输入接口的输入插槽与状态检测器的输出接口连接，其输出端口与数值计算与 决策模块的输入端口连接，数值计算与决策模块的并行数据接口与状态检测器 中通道译码器的输入端口连接，数值计算与决策模块的输出端口与控制指令输 出接口的输入端口连接，控制指令输出接口的输出端口 (即，信号处理器的控 制输出接口)与控制驱动器的输入接口连接，数值计算与决策模块的读/写端口
与数据存储模块的输出/输入端口连接，数值计算与决策模块的时钟信号输入端 口与时钟发生器的输出端口连接，数据存储模块的输出/输入端口同时与RS232 串行接口的前端口并接，RS232串行接口的后端口与GPRS远程监控的远程终端 GPRS模块的RS232串行接口的前端口连接。
所述数值计算与决策模块通过并行数据接口依次向状态检测器的通道译码 器发送通道代码，从而实现信号处理器的数据输入接口将状态检测器输出的数 字信号依次送入数值计算与决策模块，数值计算与决策模块计算交流输入电 压、电流、交流输出电压、温度、光照度的相应数值，包括交流输入电压、 电流有效值及其功率因数，交流输出电压、电流有效值及其功率因数，根据电 力电子开关器件的温度推算气体放电灯玻壳温度，以及天空光照度。数值计算 与决策模块在上述数值计算的基础上进行决策，具体包括
(D从白天进入夜间，通过天空当前光照度与天空光照度最低限值的比较，
确定是否启动路灯照明；
②气体放电路灯工作过程，根据检测到的交流输出电压值进行决策是否 需要对电压进行调节以使气体放电路灯始终在最优节电工况；
(D当交流输入电源中断，气体放电路灯需要重新启动称之为热启动，此时， 信号处理器能够通过天空光照度进行判断，是否由夜间进入白天，交流输入电 源是否属于正常中断，只有在交流输入电源属于非正常中断，即夜间中断照明， 同时气体放电灯熄灭后的玻壳温度降到安全温度值以下，信号处理器才会输出 气体放电路灯的热启动控制指令；
④根据交流输入电压、路灯等效阻抗与功率因数计算负载在不实施节电控 制情况下的电能消耗和实施节电最优控制后的实际电能消耗，进而获取节电率 及其在当前累计工作时间内的实际节约电能数值。
所述数据存储模块，存放天空光照度最低限值、气体放电灯最低限定功 率数、气体放电灯最高允许功率数、气体放电灯最低灯电压一功率特性曲线、 气体放电灯最高灯电压一功率特性曲线、气体放电灯串接配套镇流器后的灯电 压一功率特性曲线及其最高灯功率值和对应灯电压值、气体放电灯热启动所需
玻壳最低温度限值、设计工况下气体放电灯灯具等效阻抗与功率因数，以及通
过数值计算与决策模块所获得的实际电能消耗与节电效果参数。
所述数值计算与决策模块将计算结果转换为控制指令通过控制指令输出接 口向供电主电路中的控制输入接口输送控制指令；数值计算与决策模块将计算 结果存入数据存储模块，并通过RS232串行接口向GPRS远程监控系统传送当前 电气参数和节电效果等数据信息，并随时接受来自GPRS远程监控系统的远程控 制指令。控制指令包括冷启动开启、热启动开启、提升灯电压、降低灯电压、 关闭交流电源。
所述控制驱动器，包括数据识别模块、D/A数模转换器、电压频率转换模 块和微分电路。数据识别模块的输入端口 (即，控制器的输入接口)与信号处 理器的输出接口连接，数据识别模块的输出端口与D/A数模转换器的输入端口 连接，D/A数模转换器的输出端口与电压频率转换模块的输入端口连接，电压频 率转换模块的输出端口与微分电路的输入端口连接，微分电路的输出端口与供 电主电路中的控制输入接口连接。数据识别模块负责对控制指令数据进行阅读， 进而确定控制方式。控制指令数据为12位字节，高位3位为控制类别，000B、 001B、 010B、 OllB、 100B分别对应冷启动开启、热启动开启、提升灯电压、降 低灯电压、关闭交流电源；低位9位为一次改变灯电压的数值，即灯电压的变 化量Am,，其中，控制指令为000B或001B时，低位9位的数值为000000000B，
对应电力电子开关器件的导通角为180。，控制指令为IOOB时，低位9位的数值 为111111111B，对应电力电子开关器件的导通角为O。。 D/A数模转换器负责将
灯电压变化量A",的数字量转换为模拟量输出，用以调节电压频率转换模块输出
方波的周期。电压频率转换模块输出的方波经过微分电路后转化为尖脉冲频率 信号输出，用以控制供电主电路中无触点电压调节器的导通角，B卩，对应改变 输出交流电压波形"切口"的大小，最终改变输出到气体放电路灯灯电压有效 值大小。所述交流电压波形"切口"的大小，即交流电压在周期波形中不导通 时段的时间大小。
所述GPRS远程监控系统，包括发射/接收天线、GPRS服务支持节点、GPRS 骨干网、网关支持节点、因特网、路网监控中心服务器和终端GPRS模块。GPRS 远程监控系统在原有数字通无线通信网络GSM基础上引入两个新的网络节点 GPRS服务支持节点和网关支持节点，GPRS服务支持节点跟踪终端存储单元实现 安全功能和接入控制，并通过帧中继连接到基站系统，网关支持节点支持与外 部分组交换网的互通，并经由GPRS骨干网和GPRS服务支持节点连通。GPRS终 端通过接口从客户系统(比如，本发明的信号处理器)取得数据，处理后的GPRS 分组数据发送到GSM基站，分组数据经GPRS服务支持节点封装后，通过GPRS 骨干网与网关支持接点进行通信，网关支持节点对分组数据进行相应的处理， 再发送到目的网络，如Internet或X. 25网络。若分组数据是发送到另一个GPRS 终端，则一般将数据由GPRS骨干网发送到GPRS服务支持节点，再经发射/接收 天线发送到GPRS终端，因此构成完整的GPRS远程监控系统。
所述终端GPRS模块，包括单片机、GPRS芯片、SIM卡、外部接口和扩展数 据存储器。其中，单片机支持TCP/IP协议，用于控制GPRS芯片的信息接收和 发送，并通过标准RS232串口和外部控制器(比如本发明的信号处理器)进行 数据通信，同时用软件实现中断，以完成数据转发；GPRS是通用无线分组业务 的縮写，是介于第二代和第三代之间的一种通信技术。GPRS采用与数字通无线 通信网络GSM相同的频段、频带宽度、突发结构、无线调制标准、调频规则以 及相同的TD-MA帧结构，因此，在GSM系统的基础上构建GPRS系统时，GSM系 统的绝大部分部件都不需要作硬件改动，只需要作软件升级，有了 GPRS，用户 的呼叫建立时间大大縮短，几乎可以做到"永远在线"，此外，GPRS是以营运 商传输的数据量而不是连接时间为基准来计费，从而令每个用户的服务成本更 低；SIM卡叫做"用户识别卡"，它实际上是一张内含大规模集成电路的智能卡 片，用来登记用户的重要数据和信息，拥有SIM卡即表明自身拥有GSM通信的 合法身份，SIM卡最重要的一项功能是进行鉴权和加密。当用户移动到新的区域 拨打或接听电话时，交换机都要对用户进行鉴权，以确定是否为合法用户。这 时，SIM卡和交换机同时利用鉴权算法，对鉴权密钥和8位随机数字进行计算， 计算结果相同的，SIM卡被承认，否则SIM卡被拒绝，用户无法进行呼叫。SIM 卡还可利用加密算法，对话音进行加密，防止窃听。
所述路网监控中心服务器，系统硬件不低于标准配置(如PIV1.8G PC -610L/PCA-6006V/PIV2. 8G/CPU/256DDR/80GBHDD/50XCDDR0M/KB+M0USE/USB)，
包括远程控制指令生成模块和数据库两个模块。前者根据终端工作状态信息, 或者战备要求，或者突发自然灾害，向终端发送气体放电路灯开/关及其灯电压 调节的遥控指令；后者用以记录保存所有路段的路灯供/用电状态数据和节电效
果数据。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果①确保气体放电灯在标准灯 电压下实现科学节电20 45%; 气体放电灯光通量不低于90%;③能够根据 自然光照度，自动、科学、合理地开启/关闭路灯，节约电网电能消耗，并确保 了夜间行车安全；④确保了热启动状态下气体放电灯的使用安全；⑤因为避免 了气体放电灯在〉220V或〈180V的电压上工作，因此能够从气体放电灯寿命预测 资料中证实其使用寿命得到延长。


图1为本发明系统结构示意图
图1示出，供电主电路l、气体放电路灯2、状态检测器3、信号处理器4、 控制驱动器5、 GPRS远程监控系统6。 图2为本发明供电主电路结构图
图2示出，交流输入滤波器7、无触点电压调节器8、交流输出滤波器9。 图3为气体放电路灯结构图
图3示出，气体放电灯ll、镇流器12和触发器13。 图4为本发明状态检测器结构图
图4示出，温度传感器IO、交流输入电压传感器14、电流传感器15、交流 输出电压传感器16、光照度传感器17、信号采集通道18、通道译码器19、 A/D 模数转换器20、数据输出接口21，以及信号处理器4。
图5为传感器测点设置图
图5示出，温度传感器IO、交流输入电压传感器14、电流传感器15、交流 输出电压传感器16、光照度传感器17检测点位置。 图6为信号处理器结构图
图6示出，数据输入接口22、时钟发生器23、数值计算与决策模块24、数 据存储模块25、并行数据接口26、控制指令输出接口27、 RS232串行接口28，
以及控制驱动器5和GPRS远程监控系统6。 图7为控制驱动器结构图
图7示出，数据识别模块29、 D/A数模转换器30、电压频率转换模块31 和微分电路32，以及信号处理器4和供电主电路1。 图8为GPRS远程监控系统结构示意图
图8示出，发射/接收天线33、 GPRS服务支持节点34、 GPRS骨干网35、网 关支持节点36、因特网37、路网监控中心服务器38、远程终端GPRS模块39， 以及信号处理器4。
图9为远程终端GPRS模块内部结构图
图9示出，GPRS芯片40、 SIM卡41、单片机42、扩展数据存储器43、 RS232 接口44、信号处理器4。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方 案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不 限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例包括供电主电路l、气体放电路灯2、状态检测器 3、信号处理器4、控制驱动器5、 GPRS远程监控系统6。供电主电路1的交流 输入接口连接50 Hz单相交流电源的输出，供电主电路1的交流输出接口连接 路灯2的输入接口，与状态检测器3的信号输入接口连接电路工况参数检测传 感器的输出端口，状态检测器3的输出接口连接至信号处理器4的信号输入接 口，信号处理器4的控制输出接口连接至控制驱动器5的输入接口，信号处理 器4的RS232串行接口与GPRS远程监控系统6中的远程终端GPRS模块39的 RS232接口 44相连接，控制驱动器5的输出接口与供电主电路1的控制输入接 口连接。供电主电路1接受单相交流电源供电作为气体放电灯11的能量来源。 状态检测器3检测电路的交流输入电压、电流、交流输出电压和灯电压、温度、 光照度信号，被测信号经过状态检测器3预处理后交由信号处理器4处理、分 析，信号处理器4根据信号分析结果作出控制决策向控制驱动器5发送控制指 令，控制驱动器5将控制指令转换成触发脉冲信号输出至供电主电路1中的控
制输入接口用以调节供电主电路的电压输出。信号处理器4将供电主电路1的 状态信息及其控制决策通过RS232接口 44与GPRS远程监控系统6进行信息交 互。信号处理器4对状态检测器3所提供的信息数据通过科学的处理与分析， 然后才输出相应的控制指令，因此，能够使气体放电灯ll始终是在最合理的工 作条件下冷启动和最安全的工作条件下热启动，能够使气体放电灯11始终处于 最优控制区内接受最佳灯电压供电和最佳功率输出，进而确保气体放电灯11 在最佳照明效果和使用寿命下的最高能量转换效率，最终真正达到节电节能的 科学目标。
如图2所示，所述供电主电路，包括交流输入滤波器7、无触点电压调节 器8、交流输出滤波器9。交流输入滤波器7的输入端口连接单相交流电源输出 端口，交流输入滤波器7的输出端口连接无触点电压调节器8的输入端口，无 触点电压调节器8的输出端口连接交流输出滤波器9的输入端口，无触点电压 调节器8的控制输入端口与控制驱动器5的输出端口连接，交流输出滤波器9 输出端口与路灯2的输入端口连接。
单相交流电源通过交流输入滤波器7后滤除了来自电网的杂散高频信号， 同时阻止调节后输出的交流电中的谐波成分反馈至电网。经过交流输入滤波器7 的交流电源送至无触点电压调节器8,无触点电压调节器8根据控制输入端口所 收到的触发脉冲信号确定其中电力电子开关的导通状态以调节其输出的电压 值。经调节后的交流电压输出通过交流输出滤波器9滤波整形后作为气体放电 灯的最后能量来源。
交流输入滤波器7由一个50 Hz低通电感和一个电容组成r形低通滤波电 路；交流输出滤波器由一个lkHz高阻电感、 一个50Hz低通电感和三个电容组 成，50 Hz低通电感的输入端接无触点电压调节器的输出相线，50Hz低通电感 的输出端接lkHz高阻电感的输入端，lkHz高阻电感的输出端接气体放电灯的第 一个电极，第一电容的一端接50 Hz低通电感的输入端，第一电容的另一端接 交流电源零线，第二电容的一端与50 Hz低通电感的输出端和lkHz高阻电感的 输入端连接，第二电容的另一端接交流电源零线，第三电容的一端接lkHz高阻 电感的输出端，第三电容的另一端接交流电源零线。由lkHz高阻电感与第二、
第三个电容组成的n形高阻滤波电路，专门针对ikHz以上频率的脉冲高电压设 计，能够对高频脉冲电压产生高阻抗，能够对电子触发器在气体放电灯启动前
瞬间所产生的脉冲高电压起到阻挡作用，由50 Hz低通电感与第一、第二电容
组成的n形低通滤波电路，除了对高频脉冲电压起到进一步阻挡作用外，还能 够对镇流器随机产生的感应高电压起到阻挡作用，因此交流输出滤波器能够起 到保护无触点电压调节器中电力电子器件安全的作用，并防止脉冲高电压对电 网的污染。
无触点电压调节器8由电力电子开关器件构成，具体是将两个大功率单
向晶闸管反向并接，目卩，第一个单向晶闸管的阳极与第二个单向晶闸管的阴极
并接，第一个单向晶闸管的阴极与第二个单向晶闸管的阳极并接；然后再将上 述并接后的两个单向晶闸管串接于交流输入滤波器7与交流输出滤波器9之间 的相线通道上，即，并接后的两个单向晶闸管的一端接交流输入滤波器7输出 端口的相线，并接后的两个单向晶闸管的另一端接交流输出滤波器9输入端口 的相线，交流输入滤波器7输出端口的零线与交流输出滤波器9输入端口的零 线直接相连接；两个单向晶闸管的控制极并接后与控制驱动器5中微分电路33 的高电平端头连接，微分电路32的低电平端头与交流零线连接。
上述两个大功率单向晶闸管选用相同型号、最大正向导通电流为320A、最 大反向耐压〉2200V的螺栓型带散热片单向晶闸管，以250W的高压钠灯为例，本 发明的一个系统装置的输出线路最多能够连接214个路灯作为负载。本发明由 于采用微处理器控制的晶闸管结构通过调节晶闸管的触发角度和无转折波形切 削技术，使得通过灯具的电流有效降低，波形更平滑、均匀，确保灯光负荷运 行稳定，照度损失最小化。当满电压输出时，艮P，导通角为180。时，晶闸管处 于全导通状态，随着晶闸管触发角度的调节使输出的交流电压正弦波产生相应 的"切口"，从而降低输出电压的均方根值来实现节电的目的，"切口"越大， 输出电压的调节幅度越高，"切口"或节电幅度可以通过节电水平参数来调整。 由于在降低电压均方根的同时，保持电压峰值不变，使得负载"认为"输入的 功率是一样的，因此确保灯光负荷运行的稳定和充足的光通量，同时它还能减 少线路中的线损与无功损耗等。当本发明投入运行时，首先以满电压(相线对零线220V)在预设的预热时间段内运行；预热时间过后，供电主电路l的输出
电压开始平滑下降，直到输出电压降至最佳的节电水平，并通过电压最优调节
技术保持这一水平稳定运行。节电水平参数由信号处理器4根据优化控制区图 决策给定，因此能够使被控路灯始终处于最安全和最节电的工作状态。
如图3所示，所述气体放电路灯，包括气体放电灯ll、镇流器12和触发 器13。交流输出滤波器9输出端口的相线端连接气体放电灯11的第一电极，气 体放电灯11的第二电极连接镇流器12的第一端头，镇流器12的第二端头连接 至交流输出滤波器9的零线端，触发器13的第一端头与气体放电灯11的第一 电极连接，触发器13的第二端头与气体放电灯11的第二电极连接。
气体放电路灯2按外触发电路工作,触发器13由电子元件组成电子触发器， 与灯泡配套使用的镇流器12采用电感式镇流器，电感式镇流器由电感线圈和矽 钢片回路制成非封闭状，使磁场处于非饱和状态，从而起到稳定电流的作用。 本发明实施例采用与高压钠灯相配套的电感式镇流器，由其形成的灯电压一功 率特性曲线与两条最低/最高灯电压—功率特性曲线相交，并在灯的寿命期间保 持在灯功率的最高允许和最低限制上下极限线之间，即工作在优化控制区域内。
触发器13的工作原理是通过多倍压整流电路产生单相交流电压峰值220V5V的 IO倍脉冲高压峰值，使灯泡启动点燃。
目前，气体放电灯触发器普遍由电子元件组成，亦称为电子触发器。它具 有无机械触点、可靠性好、体积小、重量轻、使用方便等优点。与灯泡配套使 用的镇流器有电感式镇流器和电子式镇流器两种。电感式镇流器由电感线圈与 矽钢片回路制成非封闭状，即矽钢片回路留有很小间隙，使磁场处于非饱和状 态，从而起到稳定电流的作用。电子式镇流器顾名思义，它是有电子元件组成 的阴流器件，也是近年来实施照明节电的产品，它具有功耗低、体积小、重量 轻、功率因数高，灯泡瞬时启动等特点；目前在小功率气体放电灯(紧凑型节 能灯)中应用较广泛，而在大功率气体放电灯方面，难度较大，还未达到推广 应用阶段。
如图4、 5所示，所述状态检测器，包括温度传感器IO、交流输入电压传 感器14、电流传感器15、交流输出电压传感器16、光照度传感器17、信号采 集通道18、通道译码器19、 A/D模数转换器20、数据输出接口 21。温度传感器 10直接检测电力电子开关器件的温度，交流输入电压传感器14检测交流输入滤 波器输入端口两点电压，电流传感器15检测交流电源输入相线电流，交流输出 电压传感器16检测交流输出滤波器输出端口两点电压，光照度传感器17检测 天空光照度。温度传感器10、交流输入电压传感器14、电流传感器15、交流输 出电压传感器16、光照度传感器17的输出信号依次分别送入信号采集通道19 的第一至第五输入端口，温度传感器10的热电阻感温片粘贴在无触点电压调节 器中电力电子器件的散热片上，光照度感应片垂直向上安装，正面无障碍物阻 挡，能够正确感应天空光照度；信号采集通道18的输出端口与A/D模数转换器 20的输入端口连接，A/D模数转换器20的输出端口与数据输出接口 21的输入 端口连接，数据输出接口 21通过插槽与信号处理器4的数字信号输入插槽连接； 信号采集通道18的开/关控制输入端口与通道译码器19的输出端口连接，通道 译码器19根据信号处理器4输出的通道代码选通信号采集通道18对应的信号 输入端口，实现对传感器信号的依次采集，并将通道代码存入A/D模数转换器 20输出的12位字节数据中的高位3位随同低位9位字节中所存放的被采集物理 参数数字量一并输送至信号处理器4。 3位通道代码000B、 OOIB、 OIOB、 OllB、 IOOB、 101B分别对应温度、交流输入电压、电流、气体放电路灯输入电压、灯 电压、光照度六项被采集物理参数，其余两个代码110B、 111B能够满足用户的 通道扩展需要。
如图6所示，所述信号处理器，包括数据输入接口22、时钟发生器23、 数值计算与决策模块24、数据存储模块25、并行数据接口 26、控制指令输出接 口 27、 RS232串行接口 28。其中，数值计算与决策模块24通过并行数据接口依 次向状态检测器3的通道译码器19发送通道代码，从而实现传感器输出信号依 次被采集。数值计算与决策模块24根据交流输入电压、电流、交流输出电压、 温度、光照度传感器输出数值，计算交流输入电压、电流有效值及其功率因 数，交流输出电压、电流有效值及其功率因数；根据温度传感器输出数值计算 电力电子开关器件的温度，进而推算气体放电灯玻壳温度；根据光照度传感器 输出数值计算天空光照度。数值计算与决策模块在上述数值计算的基础上进行
决策，具体包括
① 从白天进入夜间，确定是否启动路灯照明；
② 气体放电路灯工作过程，跟踪交流输出电压实时确定电压的最优调节规
律；
(D当交流输入电源中断，信号处理器通过天空光照度与气体放电灯熄灭后 的玻壳温度的检测与推算，判定是否输出气体放电路灯的热启动控制指令；
④根据交流输入电压、气体放电路灯等效阻抗与功率因数计算负载在不实 施节电控制情况下的电能消耗和实施节电控制后的实际电能消耗，进而获取节 电节电率及其在当前累计工作时间内的实际节约电能数值。
最后，数值计算与决策模块24通过控制指令输出接口 27将控制指令向供 电主电路1的控制输入接口输出，实现对灯电压的最优调节。数值计算与决策 模块24还将计算结果通过RS232串行接口 28向GPRS远程监控系统6传送以便 GPRS远程监控系统6掌握电网工况及其节电效果，并随时接受来自GPRS远程监 控系统6的远程控制指令。
如图7所示，所述控制驱动器，包括数据识别模块29、 D/A数模转换器 30、电压频率转换模块31和微分电路32。数据识别模块29负责阅读控制指令 数据以确定控制方式，在12位字节的控制指令中，高位3位为控制类别，低位 9位为一次改变灯电压的数值，即灯电压的变化量A",。具体如下
① 000B、 001B、 OIOB、 OllB、 100B分别对应冷启动开启、热启动开启、提 升灯电压、降低灯电压、关闭交流电源；
② 000H为气体放电灯的冷启动指令，此时对应电力电子开关器件的导通角 为180°;
③ 200H为气体放电灯的热启动指令，此时对应电力电子开关器件的导通角
为180°;
④ 410H为交流输出电压提升指令，且当前一次性提升电压16V;
⑤ 610H为交流输出电压降低指令，且当前一次性降低电压16V;
9FFH为关闭气体放电路灯指令，此时对应电力电子开关器件的导通角为0°。
交流输出电压调节过程，D/A数模转换器30负责将电压调节变化量A",的
数字量转换为模拟量输出，用以调节电压频率转换模块31输出方波的周期。电 压频率转换模块31输出的方波经过微分电路32后转化为尖脉冲频率信号输出， 用以控制供电主电路l中无触点电压调节器8的导通角，艮P，对应改变输出交 流电压波形"切口"的大小，最终改变输出到气体放电路灯2的输入电压有效 值大小，直至交流输出电压达到最优目标值为止。
如图8所示，所述GPRS远程监控系统，包括发射/接收天线33、 GPRS服 务支持节点34、 GPRS骨干网35、网关支持节点36、因特网37、路网监控中心 服务器38、远程终端GPRS模块39。 GPRS远程监控系统6通过帧中继连接到基 站系统，网关支持节点36支持与外部分组交换网的互通，并经由GPRS骨干网 35和GPRS服务支持节点34连通。GPRS终端通过接口从本发明的信号处理器4 取得数据，处理后的GPRS分组数据发送到GSM基站，分组数据经GPRS服务支 持节点34封装后，通过GPRS骨干网35与网关支持接点36进行通信，网关支 持节点36对分组数据进行相应的处理，再发送到目的网络，如Internet或X. 25 向络。若分组数据是发送到另一个GPRS终端，则一般将数据由GPRS骨干网35 发送到GPRS服务支持节点34，再经发射/接收天线33发送到GPRS终端，因此 构成完整的GPRS远程监控系统。
如图9所示，所述远程终端GPRS模块，包括GPRS芯片40、 SIM卡41、 单片机42、扩展数据存储器43、 RS232接口44、信号处理器4。其中，单片机 42支持TCP/IP协议，用于控制GPRS芯片40的信息接收和发送，并通过标准 RS232串口和本发明的信号处理器4进行数据通信，同时用软件实现中断，以完 成数据转发。
上述硬件系统安装于一个控制柜内，可以单相供电，也可以三相供电。前者 称为单相路灯智能节电控制器，单相输入单路输出，控制柜的输入插座连接单
相交流电源输出，控制柜的输出插座即交流输出端口连接一组气体放电路灯的 输入端口；后者称为三相路灯智能节电控制器，三相输入三路输出，控制柜的 输入插座连接三相交流电源输出，控制柜的输出插座分三路交流输出端口分别 连接三组气体放电路灯的输入端口，三路交流输出的电路拓扑完全一样，每路
输出所能"拖带"的路灯负载由每路额定输出电流确定，如某路输出额定电流 为200A，每盏气体放电路灯额定功率为250W,则该路输出最多能够"拖带"150。
本实施例无论春夏秋冬、阴晴圆缺，系统均能根据当前天空的实际光照度正 确选择路灯的冷启动时刻，能够从根本上杜绝白天亮灯、夜间不亮灯的不正常 现象，因此保证路灯在开启时刻上的节电效果和夜间道路行车安全；能够根据 气体放电灯灯电压最低灯电压一功率特性曲线、气体放电灯灯电压最高灯电压 一功率特性曲线、气体放电灯最低功率限制和最高功率允许值，以及气体放电 灯串接配套镇流器后的灯电压一功率特性曲线，来最终确定气体放电灯的最优 控制策略，使气体放电路灯的照明达到高效、安全、节电的最优效果；能够根 据电力电子开关器件的温降检测数据推算气体放电灯玻壳温降状况来确定其热 启动的正确时刻，因此保护了气体放电灯的使用安全，并延长其寿命。
经实测结果证实，与现有技术相比，本实施例获得以下技术效果①通过 一年的自动累计检测与计算，气体放电灯在标准灯电压下实现科学节电20~45 %;②在实现节电过程，气体放电灯光通量不低于90%;③能够根据自然光照 度，自动、科学、合理地开启/关闭路灯，节约电网电能消耗，并确保了夜间行 车安全；④确保了热启动状态下气体放电灯的使用安全。
权利要求
1.一种智能节电最优控制系统，其特征在于，包括供电主电路、气体放电路灯、状态检测器、信号处理器、控制驱动器、GPRS远程监控系统，所述供电主电路的交流输入接口连接单相交流电源的输出，供电主电路的交流输出接口连接路灯的输入接口，状态检测器负责对电路工况参数的检测，状态检测器的输出接口连接至信号处理器的信号输入接口，信号处理器的控制输出接口连接至控制驱动器的输入接口，信号处理器的RS232串行接口与GPRS远程监控系统中的远程终端GPRS模块的RS232接口相连接，控制驱动器的输出接口与供电主电路的控制输入接口连接；上述供电主电路接受单相交流电源供电作为气体放电灯的能量来源，状态检测器检测电路的交流输入电压、电流、交流输出电压、温度、光照度信号，被测信号经过状态检测器预处理后交由信号处理器处理、分析，信号处理器根据信号分析结果作出控制决策向控制驱动器发送控制指令，控制驱动器将控制指令转换成触发脉冲信号输出至供电主电路中的控制输入接口用以调节供电主电路的电压输出，信号处理器将供电主电路的状态信息及其控制决策通过RS232接口与GPRS远程监控系统进行信息交互，信号处理器对状态检测器所提供的信息数据通过科学的处理与分析，然后才输出相应的控制指令。
2、 根据权利要求l所述的智能节电最优控制系统，其特征是，所述供电主 电路包括交流输入滤波器、无触点电压调节器、交流输出滤波器，交流输入 滤波器的输入端口连接单相交流电源输出端口，交流输入滤波器的输出端口连 接无触点电压调节器的输入端口，无触点电压调节器的输出端口连接交流输出 滤波器的输入端口，无触点电压调节器的控制输入端口与控制驱动器的输出端 口连接，交流输出滤波器输出端口与路灯的输入端口连接，单相交流电源通过 交流输入滤波器后滤除了来自电网的杂散高频信号，同时，经阻止了调节后输 出的交流电中的谐波成分反馈至电网，经过交流输入滤波器的交流电源送至无 触点电压调节器，无触点电压调节器根据控制输入端口所收到的触发脉冲信号 确定其中电力电子开关的导通状态以调节其输出的电压值，经调节后的交流电压输出通过交流输出滤波器滤波整形后作为气体放电灯的最后能量来源。
3、 根据权利要求2所述的智能节电最优控制系统，其特征是，所述交流输 入滤波器由一个50 Hz低通电感和一个电容组成r形低通滤波电路，电感的输 入端接交流电源的输出相线，电感的输出端接无触点电压调节器的输入端口相 线，电感串接于交流输入相线上，电容的一端接电感的输入端，电容的另一端 与交流电源输入零线连接，电容并联于50 Hz单相交流电源输出端口。
4、 根据权利要求2所述的智能节电最优控制系统，其特征是，所述交流输 出滤波器采用双n形电路，由一个lkHz高阻电感、 一个50Hz低通电感和三个 电容组成，50Hz低通电感的输入端接无触点电压调节器的输出相线，50Hz低 通电感的输出端接lkHz髙阻电感的输入端，lkHz高阻电感的输出端接气体放电 灯的第一个电极，第一电容的一端接50 Hz低通电感的输入端，第一电容的另 一端接交流电源零线，第二电容的一端与50 Hz低通电感的输出端和lkHz高阻 电感的输入端连接，第二电容的另一端接交流电源零线，第三电容的一端接lkHz 高阻电感的输出端，第三电容的另一端接交流电源零线，即，第一电容并接于 交流输出滤波器的输入端口，第二电容并联于交流输出滤波器双n形电路的中 间，第三电容与交流输出滤波器的输出端口和气体放电路灯的输入端口并联。
5、 根据权利要求1所述的智能节电最优控制系统，其特征是，所述状态检 测器，包括温度传感器、交流输入电压传感器、电流传感器、交流输出电压 传感器、光照度传感器、信号采集通道、通道译码器、A/D模数转换器、数据输 出接口，其中温度传感器、交流输入电压传感器、电流传感器、交流输出电 压传感器、光照度传感器的输出信号依次分别送入信号采集通道的第一至第五 输入端口 ，温度传感器的热电阻感温片粘贴在无触点电压调节器中电力电子器 件的散热片上，光照度感应片垂直向上安装，正面无障碍物阻挡，能够正确感 应天空光照度；信号采集通道的输出端口与A/D模数转换器的输入端口连接， A/D模数转换器的输出端口与数据输出接口的输入端口连接，数据输出接口通过 插槽与信号处理器的数字信号输入插槽连接，信号采集通道的开/关控制输入端 口与通道译码器的输出端口连接，通道译码器的输入端口与信号处理器的并行 数据接口连接。
6、 根据权利要求5所述的智能节电最优控制系统，其特征是，所述通道译 码器根据信号处理器输出的通道代码选通信号采集通道对应的信号输入端口， 实现对传感器信号的依次采集，并将通道代码存入A/D模数转换器输出的12位 字节数据中的高位3位随同低位9位字节中所存放的被采集物理参数数字量一 并输送至信号处理器，3位通道代码000B、 OOIB、 OIOB、 OllB、 IOOB、 101B分 别对应温度、交流输入电压、电流、气体放电路灯输入电压、灯电压、光照度 六项被采集物理参数，其余两个代码IIOB、 111B能够满足用户的通道扩展需要。
7、 根据权利要求1所述的智能节电最优控制系统，其特征是，所述信号处 理器，包括数据输入接口、时钟发生器、数值计算与决策模块、数据存储模 块、并行数据接口、控制指令输出接口、 RS232串行接口，其中，数据输入接口 的输入插槽与状态检测器的输出接口连接，其输出端口与数值计算与决策模块 的输入端口连接，数值计算与决策模块的并行数据接口与状态检测器中通道译 码器的输入端口连接，数值计算与决策模块的输出端口与控制指令输出接口的 输入端口连接，控制指令输出接口的输出端口与控制驱动器的输入接口连接， 数值计算与决策模块的读/写端口与数据存储模块的输出/输入端口连接，数值 计算与决策模块的时钟信号输入端口与时钟发生器的输出端口连接，数据存储 模块的输出/输入端口同时与RS232串行接口的前端口并接，RS232串行接口的 后端口与GPRS远程监控的远程终端GPRS模块的RS232串行接口的前端口连接。
8、 根据权利要求7所述的智能节电最优控制系统，其特征是，所述数值计 算与决策模块，通过并行数据接口依次向状态检测器的通道译码器发送通道代 码，从而实现传感器输出信号依次被采集，数值计算与决策模块根据交流输入 电压、电流、交流输出电压、温度、光照度传感器输出数值，计算交流输入电 压、电流有效值及其功率因数，交流输出电压、电流有效值及其功率因数，根 据温度传感器输出数值计算电力电子开关器件的温度得到气体放电灯玻壳温 度，根据光照度传感器输出数值计算天空光照度，数值计算与决策模块在上述 数值计算的基础上进行决策，具体包括① 从白天进入夜间冷启动前，确定是否启动路灯照明；② 气体放电路灯照明工作中，跟踪灯电压值实时确定灯电压的最优调节规 律；③ 当交流输入电源中断，信号处理器通过天空光照度与气体放电灯熄灭后 的玻壳温度的判定，判定是否输出气体放电路灯的热启动控制指令；④ 根据交流输入电压、气体放电路灯等效阻抗与功率因数计算负载在不实 施节电控制情况下的电能消耗和实施节电控制后的实际电能消耗，进而获取节 电节电率及其在当前累计工作时间内的实际节约电能数值；数值计算与决策模块通过控制指令输出接口将控制指令向供电主电路的控 制输入接口输出，实现对灯电压的最优调节，数值计算与决策模块还将计算结 果通过RS232串行接口向GPRS远程监控系统传送以便GPRS远程监控系统掌握 电网工况及其节电效果，并随时接受来自GPRS远程监控系统的远程控制指令。
9、 根据权利要求l所述的智能节电最优控制系统，其特征是，所述控制驱 动器，包括数据识别模块、D/A数模转换器、电压频率转换模块和微分电路， 数据识别模块的输入端口与信号处理器的输出接口连接，数据识别模块的输出 端口与D/A数模转换器的输入端口连接，D/A数模转换器的输出端口与电压频率 转换模块的输入端口连接，电压频率转换模块的输出端口与微分电路的输入端 口连接，微分电路的输出端口与供电主电路中的控制输入接口连接。
10、 根据权利要求9所述的智能节电最优控制系统，其特征是，所述数据 识别模块，负责阅读控制指令数据以确定控制方式，控制指令数据为12位字节， 在12位字节的控制指令中，高位3位为控制类别，低位9位为一次改变灯电压的数值，即灯电压的变化量A",，控制指令的具体表达如下① 000B、 001B、 010B、 OllB、 100B分别对应冷启动开启、热启动开启、提 升灯电压、降低灯电压、关闭交流电源； ② 000H为气体放电灯的冷启动指令，此时对应电力电子开关器件的导通角 为180°;③ 200H为气体放电灯的热启动指令，此时对应电力电子开关器件的导通角 为180。；④ 410H为交流输出电压提升指令，且当前一次性提升电压16V;⑤ 610H为交流输出电压降低指令，且当前一次性降低电压16V; ◎9FFH为关闭气体放电路灯指令，此时对应电力电子开关器件的导通角为0°。
全文摘要
一种节能技术领域的智能节电最优控制系统，包括供电主电路、路灯、状态检测器、信号处理器、控制驱动器、GPRS远程监控系统。状态检测器检测气体放电路灯电路的信号参数，被检测信号经过状态检测器预处理后交由信号处理器处理，信号处理器作出控制决策向控制驱动器发送控制指令，控制驱动器将控制指令转换成触发脉冲信号输出至供电主电路中的控制输入接口用以调节电压输出。信号处理器与GPRS远程监控系统信息交互，实现自主控制与远程遥控功能。本发明能使气体放电灯始终处于最优控制区内接受最佳灯电压供电和最佳功率输出，进而确保气体放电灯在最佳照明效果和使用寿命下的最高能量转换效率，真正达到节电节能的科学目标。
文档编号H05B41/36GK101370346SQ200810042150
公开日2009年2月18日 申请日期2008年8月28日 优先权日2008年8月28日
发明者张秀彬, 林 徐, 涟 朱, 贺 王, 远 程, 董长城, 陆冬良 申请人:上海电机成套联合有限公司;上海交通大学