李成竹
北京创安利市政建设（集团）有限责任公司 100012
摘要：
目前多数智能路灯控制系统采用单供电系统,难以诊断单灯故障。本文提出一种采用不间断供电的LED路灯智能控制与管理系统,即在市电没有供电的情况下控制器内的储能电源也能保证系统实现双向互联通信,从而实现24h不间断的故障诊断。
关键词：智能控制;?LED路灯;?不间断供电;?故障诊断;?节能控制;
引言：
传统的路灯控制方式主要包括“三遥”、“四遥”、“五遥”等,但是它们无法控制单灯,不能远程快速诊断故障,从而影响了路灯维修效率和城市路灯亮灯率。随着通信技术尤其是物联网技术的发展,照明管理开始向智能化、智慧化的方向发展。目前较为先进的路灯智能控制通信方式有PLC(电力线通信)、ZigBee/SigFox/LoRa、2G(GPRS)和NB-IoT。2G(GPRS)通信比较稳定,但已在退网中,不再成为路灯的主要的通信方式。PLC、ZigBee/SigFox/LoRa在高效、安全、可靠和开放方面均存在不足。NB-IoT只消耗大约180kHz的带宽,可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络,秉承2G的所有优点,并在技术标准上可向5G平滑演进。NB-IoT在高效、可靠、安全和开放方面占有优势,是智能路灯“互联”的极佳方案。NB-IoT路灯智能控制系统自组网,不需要集中控制器、服务器等,即使某个单灯控制器通信模块出现故障也不影响其他单灯控制器的通信,不影响整体的路灯智能控制与智能管理。NB-IoT物联网是目前路灯智能控制与管理系统的最佳通信方案。
1.不间断电源概述
1.1不间断电源工作原理
为了保证在断电时能够正常工作,不间断电源拥有一套独立的蓄电池。正常情况下,不间断电源使用外部电源,同时外部电源给蓄电池充电。当外部电源断开时,蓄电池给不间断电源供电。根据上述工作原理,不间断电源供电模式主要包括以下三种。
(1)主电源供电模式
此模式是不间断电源的正常工作状态。此时,电压为175~264V的交流电(也即市电)给UPS设备提供电源,同时为设备中的蓄电池充电。
(2)蓄电池供电模式
当市电突然中断供电时,设备中的蓄电池会立即输出电力,为不间断电源负载端供电。由于蓄电池的电量有限,如果主电源中断时间较长,设备中的元器件具有优先级供电设置。即如果蓄电池为UPS所有设备提供0.5h左右后主电源还处于中断状态,则设备将会优先给通信元件进行供电,而断开其他元器件的供电。
(3)静态旁路供电模式
此模式要求不间断电源同时拥有多套UPS设备,且相互之间并联连接。以2套并联UPS组成的不间断电源为例,此时不间断电源拥有2回路。此2回路是静态旁路,正常时UPS电源1和UPS电源2作为主供电电源。当电源1出现故障时,电源2可以通过静态旁路为电源1所供的负载供电。
1.2不间断电源分类
1.2.1后备式
图为后备式不间断电源结构原理图。可以看出,当市电正常供电时,UPS电源的负载直接由市电提供工作电源,同时市电经过充电器后的电能储存在电池组内。如果市电供电中断,电池组会经逆变器逆变后为UPS设备负载端提供电源。后备式UPS设备具有价格低、电路简单等特点,比较适合应用功率低于2kVA的设备。市电中断到蓄电池正常供电期间,需要的时间(也即转换时间)通常为4~10ms。
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后备式UPS电源主机原理结构图
1.2.2在线互动式
“在线”主要是表示UPS的逆变器虽然在正常运行但并没有输出功率,此时逆变器一直处于待命状态,且给蓄电池充电。由于逆变器一直处于待命状态,市电中断时,蓄电池中的电量可以立即通过逆变器逆变后为UPS负载供电,极大地缩短了转换时间。图为在线互动式不间断电源结构原理图。此结构工作比较适合应用功率低于5kVA的设备。
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在线互动式UPS电源主机原理结构图?
1.2.3双变换在线式
如果有市电存在,则整流器实现AC-DC转换功能,一方面向DC-AC逆变器提供能量,一方面向蓄电池充电。该整流器一般是可控硅整流器,但也有IGBT-PWM-DSP高频变换新一代整流器。逆变器完成DC-AC转换功能,向输出端提供高质量电能,无论由市电供电或由电池供电,其转换时间都为0。当逆变器过载或发生故障时,逆变器停止输出,静态开关自动转换,由市电直接向负载供电。双变换在线式UPS电源主机原理结构图,如图所示。
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双变换在线式UPS电源主机原理结构图???
2.不间断供电的智能控制与管理系统
若采用PLC、ZigBee/SigFox/LoRa、2G(GPRS)通信方式的智能控制系统,集中控制器或者单灯控制器需要有外部供电的情况下方可工作,外部电源为市电电缆或者驱动电源。如此它们便无法真正地进行故障诊断,如市电无法供电或者驱动电源无法供电,单灯控制器或者集中控制器就将无法工作,这时只能做故障定位,而无法实现故障诊断。因此,供电方式某种程度上决定了控制系统是否能够进行故障诊断。不间断供电的智能控制与管理系统可以在市电或者驱动电源无法供电的情况下,正常进行故障诊断和信号传输。
1)技术背景和方案。
不间断供电系统由四个模块组成,框架如图所示。不间断供电技术即不间断电源,一般是指当市电断开后,为所需供电的系统继续供电的装置。不间断供电的路灯单灯控制器,比一般的单灯控制器增加了蓄电模块以及对应的控制模块。对于蓄电模块,其输入端与取电电路的第三输出端电性连接,其输出端与路灯控制系统的第二输入端电性连接,其充电与放电均由内部的控制模块实现。其控制方式为:当接入市电时,控制模块控制取电电路对蓄电模块进行充电,且控制蓄电模块不输出电能,这时由市电直接给单灯控制器供电;当市电没有接入或发生故障时,控制模块控制蓄电模块对单灯控制器进行供电。蓄电模块包括锂电池。
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不间断供电框架图
2)取电电路。
取电电路由延时启动电路、降压稳压电路和锂电池充电电路组成,且延时启动电路、降压稳压电路和锂电池充电电路之间电性连接。延时启动电路由依次电性连接的Q1、R13、R14、R15和C15组成,降压稳压电路包括U7,锂电池充电电路包括U8。延时启动电路判断路灯电源模块是否正常启动,当路灯电源模块正常输出电压后,通过三极管转换,转换为控制模块的启动信号。降压稳压电路用于将路灯电源模块输出端的电源稳压为5V电源,并为锂电池充电电路供电,U7通过DC/DC芯片的5号脚控制U7是否启动。锂电池充电电路负责锂电池充电控制和放电控制,通过控制模块进行自动控制。市电包括220V交流电。DC/DC芯片型号为TL2575。
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取电电路原理图
与现有技术相比,本文提出的控制系统的优点是:当路灯市电关闭后,为路灯监控系统提供持续的电源,以便路灯监控系统24h不间断地监控路灯状态,为智能路灯监控系统提供技术支撑。
3)故障诊断技术方案。
通过对供电时段、交流电压、交流电流、直流电压、直流电流的信息来诊断市电电缆故障、驱动电源故障、LED光源故障,从而实现路灯故障的三级诊断。故障诊断根据表诊断,其中1代表有值,0代表无值(小于额定输入),×代表忽略。
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结语：
本文给出了基于NB-IoT物联网通信方案的不间断供电的LED路灯智能控制与管理系统,并给出了通过该系统进行路灯故障诊断的技术方案。综合而言,我们提出的不间断供电的LED路灯智能控制与智能管理系统具有如下优点:①采用NB-IoT物联网通信方案,自建网,网络稳定,单灯故障不影响其他灯具组网;②成本低,系统不需要集中控制器、服务器等,投入成本低;③不间断供电,确保24h供电,即使市电线缆没有供电也能正常工作;④实现单灯远程功率调节,实现更人性化的节能;⑤实现故障三级诊断,能够诊断单灯不亮时的故障原因,如线缆故障、驱动电源故障、光源故障等。
参考文献
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