2018照明节电器及其在路灯系统中的应用分析
摘要：以路灯系统为例，对灯具的发光特性、电压、电流和寿命的关系进行研究，提出了通过调压的方式进行节能的科学可行性，总结了目前市场上几种节电器的原理，包括使用滤波器、自耦变压器、无功补偿器、智能控制型等几种，指出各自的优缺点。提出其中最可行的智能控制降压方案，并介绍了北京金时佰德技术有限公司以此原理为基础并开发无线控制功能所做的成功产品尝试。http://
关键词：照明节电器；节电；路灯系统；无线控制
分类号：F407.61 文献标识码：A-E 文章编号：2095-2104（2011）12-115―01
城市照明工程的管理水平，直接影响到城市的市容、投资环境，交通安全、社会治安和群众的正常生活，也是构建良好城市环境的重要组成部分，对城市的建设和发展有着极其重要的意义。城市道路照明用电量占到总发电量的10～12%，每年的财政开支高达300 亿元左右。由于目前城市道路照明普遍在后半夜电网电压升高造成超功率运行，路灯的使用寿命将缩减一半以上，维护成本大大增加。在这种情况下研究路灯的发光特性并进行一系列的节能改造势在必行。
一、路灯系统的特点
1、路灯系统特点
在电力供电供应输送过程中，为了避免送电过程中的供电线路的损耗及线路未端用户的用电标准，会以较高的电压传送以确保用电设备达到额定电压。因此用户实际的承受电压会高于照明器具的额定电压。其主要表现在以下几个方面：
1.1 楼宇内存在动力设备时，电源变压器的输出电压高于额定值10%左右，以保障大型设备启动时的电压达到要求。
1.2 由于供电系统供电高峰期用电量较大，造成电网电压较低，为保证未端用户的用电设备能正常工作，输出电压设计值要高于额定电压值，使得非高峰期电压过高。
1.3 根据时间与人流量的数理统计规律，路灯系统中，当午夜后，人流、车辆减少时，对照度的要求有所下降，目前虽已采用半夜灯方式进行管理，但随着负载的减轻，线路电压更高，对点亮的灯具的损伤也更大，同时使路灯产生眩光会增加对人眼睛的伤害，使路面光线分布不均匀，不利于车辆的安全行驶。
2、灯具特点
照明灯大多采用气体放电灯具，而气体放电灯特殊的物理特性决定了只在启动时，需要较高的工作电压，而点燃后适当降低并稳定供电电压，即可保持其正常照度，这一特性为照明节电提供了有力的理论依据。
气体放电灯在使用过程中都采用一个1.6―0.8的维护系数，使灯具亮度比设计值（寿命终止亮度）高出40―20％，当灯达到寿命终点时，其亮度正好达到目标设计值。根据这一特点，采用照明节电器改善灯的这一老化过程，在保证灯的正常亮度的条件下，实现节电15％―40％，是照明节电器的又一理论依据。
较高的电压不仅不能让照明设备更有效地工作，反而是导致设备发热及过早损坏的主要原因。较高电压会加速照明设备的绝缘老化，缩短电光源使用寿命，造成照明灯具更换的浪费；特别是节能型和紧凑性荧光灯，当长期工作在过电压状态，造成节能型光源的寿命缩短。
过高的电压还会使照明灯具发出刺眼的光，损伤人的视觉，形成光污染。
在大幅度照明用电系统中，由于电压过高使得照明系统的用电功率增加，会影响电源负荷的承受能力。以下是荧光灯照度、寿命、功耗与电压关系曲线图：
图1-1电压与照度、寿命的关系图
由图1-1可见，灯具电压超过额定电压10%时，灯具寿命将缩短50%左右，同时耗电量也大大增加；灯具电压为额定值的90%时，灯具寿命提高一倍，亮度降低7%，而人眼对光线的感觉与照度成对数关系，即当光线照度减小10%时，理论上人的视觉感觉亮度只减小1%，因此适当减少灯具输入功率所产生的照度微弱变化，不会影响正常使用，但灯具寿命却可以延长70%。
二、常见节电方式
针对目前的照明现状，普遍使用的节电方式主要有二种，一种是换用新型的发光效率更高的灯具，另一种是为灯具提供更可靠合适的供电电源。
1、更换节能灯具
高效率的发光灯具包括家庭和办公场所适用的节能灯和T5荧光灯，路灯上近两年比较热衷的LED灯等。节能灯和T5荧光灯的发光效率虽高但是功率和显色性不够好，限制了其使用场所；LED灯由于发光效率高受到业界的追捧，但其产品良莠不齐，能够很好的解决其散热问题、电源问题和二次光学设计问题的产品并不多见，LED灯具的成熟还要经过一段时间的等待；路灯上还可以换用带有电子镇流器的大功率灯具，用电子镇流器替代电感式镇流器，可以明显地减小工作电流，例如，250W 钠灯电感铁芯镇流器工作电流为2．5A，而250W 钠灯电子镇流器工作电流为1．3 A左右，大大节省了电能，且电子镇流器启动性能好。功率因数高。但该产品至今未得到普及的原因主要是自身温升使电子元器件性能不稳定，且寿命不长。各厂家正在不断改进中。无论换用何种灯具都必须将原有可用灯具全部停用作废，短时间内还不太可能实现。
2、节电器产品分类
对于第二种使用节电器方式，由于节电的初衷就是为灯具提供更为合理的电源，既节约用电量又能保护灯具使其使用寿命更长，虽然仍有不同程度上的缺陷却依然得到了市场的肯定，越来越为广大用户所认可，现在市场中流行的许多种照明节电器如下：
根据EMC（ Electro-Magnetic Compatibility）滤波器原理，通过抑制du/dt、di/dt和谐波来达到节电目的，其原理是减少或削弱了由于du/dt、di/dt和谐波的存在而造成的无功功率消耗。显然，节电的多少是由系统产生的电磁干扰严重的程度所决定的，电磁干扰是随机产生的，因此节电也不会是个确定数。
使用自耦变压器的固定抽头实现电压降低，针对照明系统这种方法目前使用最为普遍，优点是技术简单稳定、节电率基本固定，缺点是输出电压随输入电压波动:当电网电压稍有波动时，要么节电器的输出电压升高，灯具功率增大；要么节电柜的输出电压降得更低了，灯具则很容易自动熄灭。比如应用在路灯照明系统，往往是午夜之后照明需求降低，但由于电压普遍偏高照明系统的能耗反而比午夜前用电高峰时要高，路灯在午夜后反而更亮。不具备稳压功能是这类节电器的主要缺陷。只适用于电压较高的场合。
无功补偿器：分单灯和集中两类，主要是用电容(组)加于感性负载中，用以使其功率因数接近于1而达到省电的目的。这种办法虽然改善了整个电网的电能浪费但对单灯而言，工作电压并为得到控制，加补偿器后的灯具仍然工作在较高的电压值，仍存在电能浪费和使用寿命受损。
微电脑路灯节电器，该类产品主要是利用单片机对路灯按不同时间段控制其输出电压，从而达到省电的目的。其主要优点是：省电率高，可达30％以上，可编程控制、软启动软过渡保证光源不受冷启动大电流冲击，延长灯泡寿命。本文所介绍的金时佰德公司所设计的节电器就属于这一类别。
对照明系统而言，如果能有效的提供稳定可控的节电电压就可以满足系统的需求：1、电压平稳2、不产生谐波污染3、电压可控制，并能平稳的升降，不会像使用变压器场合的情况出现突变造成灯具熄灭。能解决以上问题就可以满足照明节电的市场要求，既有效的实现节约能源的目的，可以提高灯具的使用寿命，就是个可行的照明节能方案。
三、金时佰德公司研发生产的节电器
1、产品功能概述
金时佰德公司所设计的照明节电器设备，尽量为市场化的要求提供尽可能的方便，工作状态如下描述：
满足投入条件时照明节电器投入使用：
电源与照明节电器输入端接通，此时电源电压经过节能设备内部的变压装置，按照预先设定的电压调整率，将调整后的电压通过输出端送入照明系统。
以下情况发生时照明节电器退出节能状态：
当电源电压低于某一个预先设定的数值；
检测到变压器温度高于设定的温度；
强制进入旁路状态；
照明节电器实时监测系统工作状态，当以上三种情况结束时，照明节电器投入条件重新满足，系统恢复节能状态。
在照明节电器退出节能状态时，照明系统的用电直接取自电网，也就是说照明系统的供电始终是连续的。
2、硬件设计
（1）硬件设备及选型
本照明节电器所需硬件设备包括：主控制盒、变压器、接触器、转换开关、功率接线端子、保险端子、双层接线端子、箱体。
1）主控制盒：要求主控板体积小巧，具有下列器件：主控制器；电源模块；电压电流采样模块； 显示屏。为了照明节电器整体的精美漂亮，要求主控制盒尺寸相对较小。照明节电器主控制盒与主回路通过电源端子和信号端子连接。照明节电主控制盒对主回路起到保护的功能，并且对主回路的节能效果和工作状态进行通过显示屏及时的显示。主控制盒主要有以下4个功能：
预热保护：照明节电器接到电网后，需要在照明设备启动后降压限流达到节能的作用。这里就需要一段预热的时间，以便系统判断电网条件是否适合节能。
欠压保护：照明节电器工作时降压向外输出电能，如果电网电压异常（电压偏低），就会使照明设备和变压器工作在欠压状态，将损坏设备。欠压保护能自动检测出电压的异常，并旁路照明节电器。
手动旁路：用户可能在一些场合需要全功率照明，手动旁路能让用户方便的旁路照明宝。
电网参数监测：照明节电器能实时地监测电网电压，电网电流，变压器输出电压和变压器输出电流，并能及时地显示在显示屏上。同时，照明节电器能迅速地计算出变压器的输出功率和输入功率，让用户能及时了解节能的效果。
2）变压器：变压器务必要求体积小巧，照明节电器中，变压器占用空间最大，并且要考虑散热，所以考虑采用可变阻抗的自耦变压器。
3）接触器。必须选用质量可靠的接触器，在收到信号时必须及时地完成闭合、断开状态的转换。
4）转换开关。依据不同地区和不同时段的电压变化较大的特点，针对变压器变压选用一个转换开关，以便能使电压达到灯具最好的使用、节电效率最高的效果。
5）箱体。为使照明节电器安全可靠地安装，又为了使安装后的美观，照明节电器的外观、内部布局需要进行系统认真的设计。
（2）硬件设备接线图
图3-1照明节电器主回路示意图
3、底层软件设计
此产品的软件开发主要能够实现一下功能：预热，手动旁路，电网电压监测，电网电流监测，变压器电压监测，变压器电流监测，熔丝报警，节能功率比较。
程序主函数框图如图3-2所示：
图3 -2 程序主函数框图
4、无线控制软件设计
根据路灯处的使用情况，系统庞大，管理人员相对较少，如果每个节电器都要实际查看数据较为困难，必须分别打开，工作量过大。因为佰德公司开发了使用无线传感器技术的控制器，只需要随车带一台笔记本或UMPC配上对应的网关，就可以实现无线控制节电器的数据读取、区间设置等功能。下面详细介绍。
运行环境：节电器―网关―电脑，示例图如下图所示：
无线控制软件主要有以下功能：
读取节电器工作数据
读取节电器节电区间设置
设置节电器相关描述信息
设置节电器节电区间
同步节电器时间
保存节电器工作数据、节电区间到excel文件
设置软件密码
图3-3 无线控制器工作示意图
本产品的总体目标是设计和实现完整照明节电系统各种大功率照明系统领域应用的总体架构，从整体上设计和实现整个照明系统稳压节能的系统架构，确保节电器提供给负载灯具的电源，输出值可以随要求而进行智能调节幅值，实现有效节能的目标，同时保证此电源清洁无谐波污染，可以大大提高负载灯具的适用寿命；同时，将系统中电力器件的驱动模块与无线控制模块相联系（结合），对无线传感网络中的传感节点，目的节点以及控制应用服务器提出结构设计，并给出他们之间的接口和关系。研究并提出适用于节电网络层的结构以及所采用的技术；提出并实现低功耗节点的设计方法，让网络通信更有效率，减少不必要的转发和接收，不需要通信时尽快进入睡眠状态，以高效使用能量来最大化网络生命周期；提出并建立无线传感网络的在照明系统领域应用中的系统架构；考察并确定使传感网络在照明节电领域应用中的最优工作的条件和因素。
从整体来看无线传感网络，传感器节点被大量部署在感知对象内部或者附近，比如路灯照明系统。这些节点通过自组织方式构成无线网络，以协作的方式感知、采集和处理网络覆盖区域中特定的信息，从而实现对任意地点信息在任意时间的采集，处理和分析。这种以自组织形式构成的网络，相比传统网络和传感器有着明显的优势和区别，在我国这一方面的研究和应用还很缺乏，因此对在照明系统的应用中整体架构的研究的具有很大的优势。
利用无线传感器功能的节电器在北京市政路灯等重要场合已经大量使用，运行稳定，效果明显，极大的减少了管理人员的巡检工作量。
结束语：综上所述，可见在路灯系统中使用调压方式进行节能是可靠可行的方案。目前市场上几种节电器的原理，各有优缺点，而金时佰德公司所设计生产的带有无线控制功能的节电器既具有稳定可靠的优点又具有灵活智能控制的特点，完全可以满足需求，在实际应用中也得到了验证，在不同场合的实际节电率均达到20%以上，且具有良好的稳定性和可靠性。
参考文献
[]涂耘.公路隧道节能照明设计探讨 .灯与照明，2007（6）：37-39.
北京照明学会照明设计专业委员会.照明设计手册.北京：中国电力出版社，2006.
胡景生.变压器能效与节电技术.机械工业出版社.2007.
中国市政工程协会道路照明委员会。道路照明.北京：人民教育出版社，2004.
陈洁，2006年毕业于天津理工大学检测技术与自动化专业，硕士。现就职于北京金时佰德技术有限公司，担任产品经理，负责照明节电、景观照明等业务相关产品的开发设计、生产、推广等工作。
页:
[1]