專(zhuān)利名稱(chēng)：智能節(jié)電最優(yōu)控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種節(jié)能技術(shù)領(lǐng)域的自動(dòng)控制方法，具體是一種智能節(jié)電 最優(yōu)控制方法。
背景技術(shù)：
眾所周知，地球的能源和資源是有限的，為了最大限度地保障經(jīng)濟(jì)的可持 續(xù)增長(zhǎng)，人們?cè)诜e極尋找新能源和開(kāi)發(fā)可再生能源的同時(shí)，時(shí)刻不可放松對(duì)現(xiàn) 有能源的節(jié)約，這是全人類(lèi)共同關(guān)心的議題和共識(shí)。為了有效和最大限度地節(jié) 約利用能源，最根本的辦法在于先進(jìn)科學(xué)與技術(shù)的應(yīng)用。其中，如何使氣體放 電燈達(dá)到有效使用而又節(jié)能的效果就是一項(xiàng)當(dāng)前十分突出而又緊迫的技術(shù)任 務(wù)，因?yàn)槔脷怏w放電燈的優(yōu)越光通量特性作為路燈使用，其數(shù)量之大已經(jīng)遍 及城鄉(xiāng)各地道路。當(dāng)氣體放電燈作為道路照明時(shí)，在保證有效照明的情況下， 如何實(shí)現(xiàn)最大限度的節(jié)電，這對(duì)國(guó)家社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的意義不言而喻，然而，要 使得氣體放電燈實(shí)現(xiàn)真正意義上的節(jié)電，至今為止仍然存在著諸多技術(shù)難題。 就當(dāng)前已被采用的諸多技術(shù)來(lái)看，概括地說(shuō)，基本上是利用降壓裝置或相類(lèi)似 的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)照明節(jié)電，這是氣體放電燈照明節(jié)電的技術(shù)誤區(qū)。
經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，張萬(wàn)奎、丁躍澆"高壓鈉燈的技術(shù)特性及 降壓節(jié)電應(yīng)用"(《照明工程學(xué)報(bào)》2005年第4期)，該文"從高壓鈉燈的技術(shù)性 能入手，分析其降壓供電節(jié)能的可行性"，提出了 "照明燈具從承受相電壓變 至線(xiàn)電壓一半的自動(dòng)轉(zhuǎn)換降壓方式，從而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)道路照明節(jié)電模式"。上述文 獻(xiàn)對(duì)氣體放電燈之一高壓鈉燈的技術(shù)特性分析顯然是偏面的，僅僅考慮高壓鈉 燈在放電狀態(tài)下伏安特性曲線(xiàn)的負(fù)斜率性質(zhì)，而沒(méi)有考慮其功率特性，更沒(méi)有 考慮其附帶鎮(zhèn)流器時(shí)的功率特性，如此"節(jié)電"方式是以犧牲氣體放電燈有效 照明和正常使用壽命為代價(jià)的純商業(yè)性節(jié)電，缺乏理論依據(jù)，是不科學(xué)的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足和缺陷，提供一種智能節(jié)電最 優(yōu)控制方法，使其能夠在有效照明前提下實(shí)現(xiàn)氣體放電路燈的高效、安全節(jié)電 的最優(yōu)效果，以下將由氣體放電燈配接鎮(zhèn)流器及觸發(fā)器后所構(gòu)成的氣體放電路 燈簡(jiǎn)稱(chēng)為氣體放電路燈。
本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，包括以下步驟
(
1) 在同一路段上，選用同一技術(shù)特性規(guī)格的氣體放電燈；
(2) 根據(jù)所選用氣體放電路燈中氣體放電燈的設(shè)計(jì)燈電壓C/,和設(shè)計(jì)燈功率
M，計(jì)算出氣體放電燈在設(shè)計(jì)工況下的工作電流/,;
(3) 根據(jù)氣體放電燈在設(shè)計(jì)工況下的工作電流/,和與其配接的鎮(zhèn)流器在設(shè)
計(jì)工況下的工作阻抗Z,,計(jì)算出氣體放電燈在設(shè)計(jì)工況下的輸入電壓c4;
(4) 由氣體放電燈最低燈電壓一功率特性曲線(xiàn)7V-M7 + A^、氣體放電燈 最高燈電壓—功率特性曲線(xiàn)iV = + iVAg 、氣體放電燈最高允許功率線(xiàn)iV = iVg 、 氣體放電燈最低限定功率線(xiàn)iV =構(gòu)成氣體放電燈節(jié)電安全控制四邊圖，j、、
7V,g分別為氣體放電燈最低燈電壓一功率特性曲線(xiàn)與最高燈電壓一功率特性曲
線(xiàn)在燈功率坐標(biāo)上的截距；
(5) 建立氣體放電燈的燈電壓一功率特性曲線(xiàn)集和燈電壓一功率特性曲線(xiàn) 集和配接鎮(zhèn)流器后的燈電壓 一 功率特性曲線(xiàn)集數(shù)據(jù)庫(kù)；
(6) 選擇節(jié)電水平^;
(7) 依據(jù)節(jié)電水平G，選取鎮(zhèn)流器特性曲線(xiàn)，獲取目標(biāo)燈電壓，進(jìn)而確定
氣體放電路燈的輸入電壓，即交流輸出電壓目標(biāo)值；
(8) 氣體放電路燈作為被控對(duì)象進(jìn)入全程最優(yōu)控制狀態(tài)，包括路燈冷啟 動(dòng)控制、路燈節(jié)電最優(yōu)控制、路燈熱啟動(dòng)控制、路燈關(guān)閉控制；
(9) 路燈冷啟動(dòng)控制，從白天進(jìn)入夜間時(shí)，依據(jù)天空光照度確定路燈冷啟 動(dòng)的最佳時(shí)刻，無(wú)論春夏秋冬，均能在最合適的環(huán)境亮度下開(kāi)啟路燈照明，既 保證了道路行車(chē)安全，又最大限度地節(jié)省電能，在開(kāi)啟時(shí)間段就徹底杜絕"白
天亮燈、夜間不亮"的不正?，F(xiàn)象發(fā)生；
(10) 路燈節(jié)電最優(yōu)控制，具體步驟如下-
① 進(jìn)入夜間照明，在線(xiàn)檢測(cè)路燈工作狀態(tài)參數(shù)信號(hào)，包括交流輸入電壓、 電流、交流輸出電壓、電力電子開(kāi)關(guān)器件溫度、天空光照度；
② 由節(jié)電水平g，確定燈目標(biāo)功率A^;
③ 重復(fù)第(7)步驟，在交流輸出電壓目標(biāo)值下，氣體放電路燈能夠利用氣 體放電燈的"伏一安"負(fù)阻特性與鎮(zhèn)流器的正阻限流特性形成阻抗"互補(bǔ)"，使 得氣體放電燈始終能夠穩(wěn)定在燈目標(biāo)功率附近工作；
④ 通過(guò)在線(xiàn)實(shí)測(cè)，交流輸出電壓一旦偏離目標(biāo)值，被測(cè)信號(hào)經(jīng)處理、決策 后，系統(tǒng)向無(wú)觸點(diǎn)電壓調(diào)節(jié)器發(fā)送電壓調(diào)節(jié)指令，改變交流輸出電壓使其重新 回到目標(biāo)值；
⑤ 計(jì)算節(jié)電效果，包括節(jié)電率與累計(jì)節(jié)能； (D輸出路燈工作狀態(tài)信息與節(jié)電效果數(shù)據(jù)；
(11) 路燈熱啟動(dòng)控制，夜間因電網(wǎng)線(xiàn)路故障或者人為原因造成路燈中斷 照明，當(dāng)線(xiàn)路恢復(fù)供電后，本發(fā)明技術(shù)會(huì)同時(shí)根據(jù)天空光照度和氣體放電燈的 玻殼溫度選擇熱啟動(dòng)的最佳時(shí)刻，因此，不僅能夠保障路燈的技術(shù)性能不因在 熱狀態(tài)下再啟動(dòng)而損壞，也不會(huì)將白天來(lái)臨時(shí)正常關(guān)閉路燈誤判為"事故中斷"， 因此使路燈能夠工作在良好的工作環(huán)境，確保其使用壽命得到維護(hù)；
(12) 路燈關(guān)閉控制，從夜間進(jìn)入白天時(shí)，依據(jù)天空光照度確定路燈關(guān)閉 的最佳時(shí)刻，無(wú)論春夏秋冬，均能在最合適的環(huán)境亮度下關(guān)閉路燈照明，既保 證了道路行車(chē)安全，又最大限度地節(jié)省電能，同樣從關(guān)閉時(shí)間段，徹底杜絕"白 天亮燈、夜間不亮"的不正?，F(xiàn)象發(fā)生。
本發(fā)明具有以下有益效果確保氣體放電燈在標(biāo)準(zhǔn)燈電壓下實(shí)現(xiàn)科學(xué)節(jié)電 20 45%;氣體放電燈光通量不低于90%;能夠根據(jù)自然光照度，自動(dòng)、科學(xué)、 合理地開(kāi)啟/關(guān)閉路燈，節(jié)約電網(wǎng)電能消耗，并確保了夜間行車(chē)安全；確保了熱 啟動(dòng)狀態(tài)下氣體放電燈的使用安全；因?yàn)楸苊饬藲怏w放電燈在〉220V或〈180V的 電壓上工作，因此能夠從氣體放電燈壽命預(yù)測(cè)資料中證實(shí)其使用壽命得到延長(zhǎng)。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例采用的氣體放電燈供電主電路構(gòu)成示意圖
圖中交流輸入濾波器l、無(wú)觸點(diǎn)電壓調(diào)節(jié)器2、交流輸出濾波器3、氣體 放電燈4、鎮(zhèn)流器5和觸發(fā)器6、交流輸入電壓傳感器7、電流傳感器8、交流 輸出電壓傳感器9、溫度傳感器IO、光照度傳感器ll。
圖2為本發(fā)明實(shí)施例檢控流程圖
圖3為本發(fā)明實(shí)施例節(jié)電最優(yōu)控制四邊形圖
圖中最低燈電壓一功率特性曲線(xiàn)12、最高燈電壓一功率特性曲線(xiàn)13、最 髙允許燈功率線(xiàn)14、最低限制燈功率線(xiàn)15，構(gòu)成路燈節(jié)電最優(yōu)控制四邊形圖， 以及鎮(zhèn)流器特性曲線(xiàn)集16。
圖4為本發(fā)明實(shí)施例節(jié)電最優(yōu)控制決策流程圖
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方 案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的 保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
如圖1所示，本實(shí)施例采用的氣體放電燈供電主電路，包括交流輸入濾 波器l、無(wú)觸點(diǎn)電壓調(diào)節(jié)器2、交流輸出濾波器3、氣體放電燈4、鎮(zhèn)流器5、觸 發(fā)器6、交流輸入電壓傳感器7、電流傳感器8、交流輸出電壓傳感器9、溫度 傳感器10、光照度傳感器11。交流輸入濾波器1的輸入端口連接50 Hz單相交 流電源輸出端口，交流輸入濾波器1的輸出端口連接無(wú)觸點(diǎn)電壓調(diào)節(jié)器2的輸 入端口，無(wú)觸點(diǎn)電壓調(diào)節(jié)器2的輸出端口連接交流輸出濾波器3的輸入端口。 交流輸入濾波器1采用r形電路，即由一個(gè)50 Hz低通電感和一個(gè)電容組成。 交流輸出濾波器3采用雙n形電路，艮p，濾波電路由一個(gè)lkHz高阻電感、 一個(gè) 50 Hz低通電感和三個(gè)電容組成，50 Hz低通電感的輸入端接無(wú)觸點(diǎn)電壓調(diào)節(jié)器 2的輸出相線(xiàn)，50 Hz低通電感的輸出端接lkHz高阻電感的輸入端，lkHz高阻 電感的輸出端接氣體放電燈4的第一個(gè)電極，第一電容的一端接50 Hz低通電 感的輸入端，第一電容的另一端接交流電源零線(xiàn)，第二電容的一端與50 Hz低 通電感的輸出端和lkHz高阻電感的輸入端連接，第二電容的另一端接交流電源 零線(xiàn)，第三電容的一端接lkHz高阻電感的輸出端，第三電容的另一端接交流電
源零線(xiàn)，即，第一電容并接于交流輸出濾波器的輸入端口，第二電容并聯(lián)于交
流輸出濾波器雙n形電路的中間，第三電容與交流輸出濾波器的輸出端口和氣
體放電路燈4的輸入端口并聯(lián)。氣體放電燈4的第二電極連接鎮(zhèn)流器5的第一 端頭，鎮(zhèn)流器5的第二端頭連接至交流輸出濾波器3的零線(xiàn)端，觸發(fā)器6的第 一端頭與氣體放電燈4的第一電極連接，觸發(fā)器6的第二端頭與氣體放電燈4 的第二電極連接。交流輸入電壓傳感器7的輸入端與交流輸入濾波器1的輸入 端口相并接，交流輸入電壓傳感器7的輸出端與第一信號(hào)采集通道的輸入端口 連接；電流傳感器8的輸入感應(yīng)圈套于交流電源相線(xiàn)上，其輸出端口與第二信 號(hào)采集通道連接；交流輸出電壓傳感器9的輸入端口與交流輸出濾波器3的輸 出端口連接，其輸出端口與第三信號(hào)采集通道的輸入端口連接；溫度傳感器10 的熱電阻感溫片粘貼在無(wú)觸點(diǎn)電壓調(diào)節(jié)器中電力電子開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)器件的散熱片 上，其輸出端口與第四信號(hào)采集通道的輸入端口連接；光照度傳感器ll的光照 度感應(yīng)片垂直向上安裝，正面無(wú)障礙物阻擋，能夠正確感應(yīng)天空光照度，其輸 出端口與第五信號(hào)采集通道的輸入端口連接。交流輸入濾波器1的輸入端口首 先接受50 Hz單相交流電源供電，在濾除來(lái)自電網(wǎng)的雜散高頻信號(hào)的同時(shí)，防 止電壓調(diào)節(jié)后所輸出交流信號(hào)中的諧波成分反饋至電網(wǎng)。經(jīng)過(guò)交流輸入濾波器1 濾波后的交流電源信號(hào)送至無(wú)觸點(diǎn)電壓調(diào)節(jié)器2，無(wú)觸點(diǎn)電壓調(diào)節(jié)器2根據(jù)控制 輸入端口所收到的觸發(fā)脈沖信號(hào)確定其中電力電子開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通狀態(tài)以調(diào)節(jié)其輸 出的電壓值。交流輸出濾波器3阻擋電子觸發(fā)器在氣體放電燈4啟動(dòng)前瞬間所 產(chǎn)生的脈沖高電壓對(duì)交流調(diào)節(jié)電源輸入回路的"反沖"，也能阻隔鎮(zhèn)流器的高壓 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)對(duì)交流調(diào)節(jié)電源輸入回路的影響，因此起到保護(hù)無(wú)觸點(diǎn)電壓調(diào)節(jié)器2 中電力電子開(kāi)關(guān)器件安全的作用，并防止脈沖高電壓對(duì)電網(wǎng)的污染。
本實(shí)施例采用的氣體放電路燈狀態(tài)檢控硬件系統(tǒng)，包括供電主電路、信 號(hào)傳感器、狀態(tài)檢測(cè)器、信號(hào)處理器、控制驅(qū)動(dòng)器、GPRS遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。信號(hào) 傳感器包括交流輸入電壓、電流、溫度、光照度、交流輸出電壓傳感器，傳 感器的信號(hào)輸出端口與狀態(tài)檢測(cè)器的信號(hào)輸入接口的第一至第五信號(hào)采集通道 連接，狀態(tài)檢測(cè)器的輸出接口連接至信號(hào)處理器的信號(hào)輸入接口，信號(hào)處理器 的控制輸出接口連接至控制驅(qū)動(dòng)器的輸入接口，信號(hào)處理器的RS232串行接口與GPRS遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中的遠(yuǎn)程終端GPRS模塊的RS232串行接口相連接，控制 驅(qū)動(dòng)器的輸出接口與供電主電路的控制輸入接口連接。供電主電路接受50 Hz 單相交流電源供電作為氣體放電燈的能量來(lái)源。交流輸入電壓、電流、溫度、 光照度、交流輸出電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)狀態(tài)檢測(cè)器預(yù)處理后交由信號(hào)處理器處理、分 析，信號(hào)處理器根據(jù)信號(hào)分析結(jié)果做出控制決策向控制驅(qū)動(dòng)器發(fā)送控制指令， 控制驅(qū)動(dòng)器將控制指令轉(zhuǎn)換成觸發(fā)脈沖信號(hào)輸出至供電主電路中的控制輸入接 口用以調(diào)節(jié)供電主電路的電壓輸出。信號(hào)處理器將供電主電路的狀態(tài)信息及其 控制決策通過(guò)RS232串行接口與GPRS遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行信息交互。信號(hào)處理器 對(duì)狀態(tài)檢測(cè)器所提供的信息數(shù)據(jù)通過(guò)科學(xué)的處理與分析，然后才輸出相應(yīng)的控 制指令，因此，能夠使氣體放電燈始終是在最合理的工作條件下冷啟動(dòng)和最安 全的工作條件下熱啟動(dòng)，能夠使氣體放電燈始終處于最優(yōu)控制區(qū)內(nèi)接受最佳燈 電壓供電和最高電光轉(zhuǎn)換效率下的功率輸出，進(jìn)而確保氣體放電燈的最佳照 明效果和安全使用壽命條件，真正達(dá)到節(jié)電節(jié)能的科學(xué)目標(biāo)。
如圖2所示，本實(shí)施例包括氣體放電燈工作狀態(tài)檢測(cè)與控制兩個(gè)部分。其 中，被檢測(cè)參數(shù)包括交流輸入電壓、電流、交流輸出電壓、電力電子開(kāi)關(guān)器 件溫度、天空光照度；控制方式包括:'氣體放電路燈冷啟動(dòng)、氣體放電路燈熱 啟動(dòng)、氣體放電路燈最優(yōu)節(jié)電控制、氣體放電路燈關(guān)閉控制。
上述硬件系統(tǒng)安裝于一個(gè)控制柜內(nèi)，可以單相供電，也可以三相供電。前 者稱(chēng)為單相路燈智能節(jié)電控制器，單相輸入單路輸出，控制柜的輸入插座連接
單相交流電源輸出，控制柜的輸出插座即交流輸出端口連接一組氣體放電路燈 的輸入端口；后者稱(chēng)為三相路燈智能節(jié)電控制器，三相輸入三路輸出，控制柜 的輸入插座連接三相交流電源輸出，控制柜的輸出插座分三路交流輸出端口分 別連接三組氣體放電路燈的輸入端口，三路交流輸出的電路拓?fù)渫耆粯?，?路輸出所能"拖帶"的路燈負(fù)載由每路額定輸出電流確定，如某路輸出額定電 流為200A,每盞氣體放電路燈額定功率為250W，則該路輸出最多能夠"拖帶" 150盞。
以下結(jié)合實(shí)施例闡述智能節(jié)電最優(yōu)控制方法的具體步驟 (1)所有路燈選用具有同一技術(shù)特性規(guī)格的高壓鈉燈+鎮(zhèn)流器+觸發(fā)器作
為氣體放電路燈；
(2) 根據(jù)高壓鈉燈的設(shè)計(jì)燈電壓t/,和設(shè)計(jì)燈功率iV,，計(jì)算出高壓鈉燈在 設(shè)計(jì)工況下的工作電流/,, /,=^;
(3) 根據(jù)髙壓鈉燈在設(shè)計(jì)工況下的工作電流/,和與其配接的鎮(zhèn)流器在設(shè)計(jì) 工況下的工作阻抗Z,，計(jì)算出髙壓鈉燈的氣體放電路燈在設(shè)計(jì)工況下的輸入電
壓C/"即交流輸出電壓，[/,:= C/, +
(4) 由高壓鈉燈最低燈電壓一功率特性曲線(xiàn)^ = ^/ + ^&、髙壓鈉燈最高 燈電壓一功率特性曲線(xiàn)^ = ^/ + ^^、高壓鈉燈最高允許功率線(xiàn)7V-iVg、高壓 鈉燈最低限定功率線(xiàn)W-iV,構(gòu)成高壓鈉燈節(jié)電安全控制四邊圖，如圖3所示，
四根曲線(xiàn)12、 13、 14、 15構(gòu)成四邊圖，高壓鈉燈內(nèi)不僅有汞，還充有鈉，在燈 工作期間，鈉和汞以液鈉汞氣的形式貯藏在放電管的冷端部分，高壓鈉燈的燈 電壓和燈功率的關(guān)系是基于在放電管內(nèi)包含著過(guò)量的鈉汞氣而造成的，只有部 分的汞和鈉形成蒸汽壓，蒸汽壓的高低也即反映在燈電壓上，它取決于放電管 "冷端"處的溫度，冷端溫度的變化造成蒸汽壓的變化，產(chǎn)生燈電壓的變化， 從而發(fā)生燈功率的變化，也就是說(shuō)，高壓鈉燈在壽命期間，燈功率隨著燈電壓 的變化而發(fā)生變化，但在在一定的功率范圍內(nèi)燈電壓和燈功率的關(guān)系近似于線(xiàn) 性關(guān)系，當(dāng)燈電壓等于設(shè)計(jì)電壓時(shí)，燈功率將達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)功率，對(duì)相同型號(hào)， 相同功率的燈有近似平行的特性曲線(xiàn)，對(duì)于那些有較高燈電壓的燈，其特性曲 線(xiàn)斜率的陡度會(huì)減小，四邊形圖的上部代表著高壓鈉燈最大功率的極限，最大
功率的極限取決于放電管最大可允許的工作溫度，最大功率線(xiàn)通常設(shè)置在超過(guò) 燈泡標(biāo)稱(chēng)功率的20 30%左右，四邊形圖的下部代表著高壓鈉燈最小功率的極 限，設(shè)置最小功率線(xiàn)以確保能滿(mǎn)足燈泡的升溫特性、燈泡工作的穩(wěn)定性、可接 受的光的輸出效率，以及光色性能等，最小功率線(xiàn)通常設(shè)置在低于燈標(biāo)稱(chēng)功率 的20 30%附近，四邊形圖左邊的最小燈電壓線(xiàn)為燈可接受的最小燈電壓的燈 特性曲線(xiàn)，即最低燈電壓一功率特性曲線(xiàn)，對(duì)于每種規(guī)格的高壓鈉燈所認(rèn)同的
最小燈電壓都已規(guī)定在燈的性能參數(shù)表中，四邊形圖右邊的最大燈電壓線(xiàn)表示 為燈可允許的最高燈電壓時(shí)的燈特性曲線(xiàn)，即最高燈電壓一功率特性曲線(xiàn)，該 曲線(xiàn)考慮了燈中可能出現(xiàn)的最大燈電壓、燈壽命期間燈電壓的上升、密封式燈 具內(nèi)燈電壓的上升，以及其他變化因素，如果燈電壓超出最大燈電壓曲線(xiàn)之外， 這時(shí)鎮(zhèn)流器將不能確保燈能穩(wěn)定地或持續(xù)地工作，因此，上述四邊形圖可作為 髙壓鈉燈工作系統(tǒng)的一個(gè)規(guī)范，它包含了燈和鎮(zhèn)流器兩者的要求，也考慮了其 他因素的影響；
(5)建立氣體放電路燈的燈電壓一功率特性曲線(xiàn)集數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)于一個(gè)特定 的燈特性曲線(xiàn)，可通過(guò)在一定范圍內(nèi)改變電源電壓或鎮(zhèn)流器的阻抗，從而改變 燈的電壓和功率得到一組近似平行的特性曲線(xiàn)，即7V^H7 + iV,，隨著A^值的
不同變化形成一組燈電壓一燈功率特性曲線(xiàn)集，當(dāng)高壓鈉燈配接鎮(zhèn)流器在恒定 的輸入電壓下連續(xù)工作時(shí)，燈電壓和燈功率的變化會(huì)遵循著鎮(zhèn)流器的特性曲線(xiàn)， 簡(jiǎn)稱(chēng)鎮(zhèn)流器特性曲線(xiàn)，如圖3所示16曲線(xiàn)集，該曲線(xiàn)通過(guò)使放電管的冷端溫度 升高來(lái)變化燈電壓和燈功率而得到，當(dāng)電源電壓變化時(shí)可得到一組鎮(zhèn)流器特性 曲線(xiàn)，試驗(yàn)曲線(xiàn)能夠運(yùn)用曲線(xiàn)擬合法獲得解析表達(dá)iV = 正確設(shè)計(jì)的鎮(zhèn)流
器，其特性曲線(xiàn)落在節(jié)電安全控制四邊圖內(nèi)，由鎮(zhèn)流器特性曲線(xiàn)的連續(xù)特性能 夠通過(guò)一階導(dǎo)數(shù)求取燈功率最大值，并連同對(duì)應(yīng)鎮(zhèn)流器特性曲線(xiàn)存放于數(shù)據(jù)庫(kù) 中，因此在數(shù)據(jù)庫(kù)中，燈功率最大值與鎮(zhèn)流器特性曲線(xiàn)建立了一一對(duì)應(yīng)關(guān)系， 在高壓鈉燈的使用系統(tǒng)中存在著各種因素的變化，如電源電壓的變化、燈性 能隨時(shí)間的變化、燈具內(nèi)反射器效率的變化、使用環(huán)境的變化等，高壓鈉燈的 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中以第(4)步驟的四邊圖的形式，要求鎮(zhèn)流器能確保燈在壽命期間及 任何動(dòng)態(tài)變化的狀況下，其電氣性能參數(shù)變化限制在上述特定范圍內(nèi)，四邊形 圖概括性地規(guī)定了鎮(zhèn)流器設(shè)計(jì)的條件
① 鎮(zhèn)流器的特性曲線(xiàn)應(yīng)與兩條燈電壓線(xiàn)相交，并在燈的壽命期間保持在燈 功率的極限線(xiàn)W = JVg與TV = iV,之間；
② 鎮(zhèn)流器的設(shè)計(jì)應(yīng)使燈不僅在額定電源電壓K下，而且在可允許的最低電源電壓[/ = 士(^-4)或最高電源電壓[/ = 士(^- )下，即，總是工作在四邊 形圖的區(qū)域內(nèi)；
(D最佳的鎮(zhèn)流器特性曲線(xiàn)必須是一根既沒(méi)有拐點(diǎn)、也沒(méi)有折點(diǎn)的連續(xù)光滑曲 線(xiàn)，而且僅存在一個(gè)處于最小與最大電壓曲線(xiàn)之間的極值點(diǎn)，如M點(diǎn)的iV,，
或//點(diǎn)的7\^、 Z點(diǎn)的A^等。
(6) 選擇節(jié)電水平g， 0可以取0 45%，如。=25% = 0.25 ;
(7) 依據(jù)節(jié)電水平g，選取鎮(zhèn)流器特性曲線(xiàn)，獲取燈目標(biāo)電壓，進(jìn)而確定
氣體放電路燈的輸入電壓，即交流輸出電壓目標(biāo)值，具體方法
① 由(1 - 0)x AT,求取節(jié)電水平對(duì)應(yīng)的燈控制目標(biāo)功率7Ve ，
② 將^e作為待選鎮(zhèn)流器特性曲線(xiàn)的燈目標(biāo)功率最大值，從數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取對(duì) 應(yīng)的燈電壓C/值，即^/ = ￡^,
③ 由A^與C/e求取/e，
將[/6與/2代入[>,, =t>e+/eze * +/!^/求得路燈輸入電壓^, ，即交
流輸出電壓，并將其轉(zhuǎn)換為電壓有效值[/,, ， R,"即為交流輸出電壓目標(biāo)^t;
(8) 進(jìn)入全程最優(yōu)控制狀態(tài)，包括路燈冷啟動(dòng)控制、路燈節(jié)電最優(yōu)控制、 路燈熱啟動(dòng)控制、路燈關(guān)閉控制；
(9) 路燈冷啟動(dòng)控制，從白天進(jìn)入夜間時(shí)，依據(jù)天空光照度確定路燈冷啟
動(dòng)的最佳時(shí)刻，當(dāng)^<￡。時(shí)，開(kāi)啟路燈照明，Z、丄。分別為當(dāng)前實(shí)測(cè)天空光照
度和光照度閾值，環(huán)境亮度只有在低于該闞值時(shí)才開(kāi)啟路燈，因此無(wú)論春夏秋 冬，還是突然出現(xiàn)陰霾天氣，本發(fā)明均能在最合適的環(huán)境亮度下既保證了道路 行車(chē)安全，又最大限度地節(jié)省電能；
(10) 路燈節(jié)電最優(yōu)控制，具體步驟如下
①進(jìn)入夜間照明，在線(xiàn)檢測(cè)路燈工作狀態(tài)參數(shù)信號(hào)，包括交流輸入電壓、 電流、交流輸出電壓、電力電子開(kāi)關(guān)器件溫度、天空光照度；
② 由節(jié)電水平2，確定燈目標(biāo)功率A^，如0 = 0.25，則A^-0.75A^，即實(shí) 際控制燈功率為設(shè)計(jì)燈功率的75%;
③ 重復(fù)第(7)步驟中的① ④，當(dāng)路燈輸入電壓穩(wěn)定于[/,, 時(shí)，由于高壓
鈉燈在其放電過(guò)程的"伏一安"負(fù)阻特性與鎮(zhèn)流器的正阻限流特性正好形成了 兩者的阻抗"互補(bǔ)"，因此使得高壓鈉燈始終能夠穩(wěn)定在燈目標(biāo)電壓f/。與等目
標(biāo)功率ATe對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)0(C/e,iVe)附近工作；
④ 通過(guò)在線(xiàn)檢測(cè)，交流輸出電壓一旦偏離被測(cè)電壓經(jīng)信號(hào)處理、決策 后系統(tǒng)向無(wú)觸點(diǎn)電壓調(diào)節(jié)器發(fā)送電壓調(diào)節(jié)指令，由輸出控制量AC/^改變^/,,"的
值，使氣體放電路燈輸入電壓重新回到目標(biāo)電壓[/,, ;
⑤ 計(jì)算節(jié)電效果
節(jié)電率"Z(^/^。-p,"V，、麗。
Z("'"/Z')cos0
累計(jì)節(jié)能『=/Z, )co一 - Zt/, /e cos^
這里，C/,"為交流電源單相輸入電壓，cospe、 cosp分別為對(duì)應(yīng)燈目標(biāo)功率
W。和不實(shí)施節(jié)電控制下的負(fù)載功率因數(shù)，f為分段工作時(shí)間； 輸出路燈工作狀態(tài)信息與節(jié)電效果數(shù)據(jù)
路燈工作狀態(tài)信息與節(jié)電效果數(shù)據(jù)能夠通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)傳輸至網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控 中心以供遠(yuǎn)程監(jiān)控與高層管理使用；
(11)路燈熱啟動(dòng)控制，夜間因電網(wǎng)線(xiàn)路故障或者人為原因造成路燈中斷 照明，當(dāng)線(xiàn)路恢復(fù)供電后，本發(fā)明技術(shù)會(huì)根據(jù)天空光照度和氣體放電燈的玻殼
溫度選擇熱啟動(dòng)的最佳時(shí)刻，當(dāng)且僅當(dāng)丄<丄。A0〈0。時(shí)，系統(tǒng)才會(huì)向氣體放電
路燈發(fā)送熱啟動(dòng)控制指令，e、 ^分別為電力電子開(kāi)關(guān)的當(dāng)前溫度及其熱啟動(dòng)
控制溫度閾值，后者已經(jīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)建立了與氣體放電燈玻殼冷卻溫度的熱力學(xué) 關(guān)系，即， 一旦0<&,氣體放電燈玻殼溫度也已降到了允許熱啟動(dòng)的溫度限值，
因此，不僅能夠保障路燈的技術(shù)性能不因在熱狀態(tài)下再啟動(dòng)而損壞，也不會(huì)將 白天來(lái)臨時(shí)正常關(guān)閉路燈誤判為"事故中斷"，因此使路燈能夠工作在良好的工 作環(huán)境，確保其使用壽命得到維護(hù)；
(12)路燈關(guān)閉控制，從夜間進(jìn)入白天時(shí)，當(dāng)丄2丄。時(shí)，路燈關(guān)閉，因此，
無(wú)論春夏秋冬，均能在最合適的環(huán)境亮度下關(guān)閉路燈照明，既保證了道路行車(chē) 安全，又最大限度地節(jié)省電能。
實(shí)施例證實(shí)，本發(fā)明具有以下有益效果
① 由于路燈從夜間10點(diǎn)鐘開(kāi)始電網(wǎng)進(jìn)入供電谷段，電壓要比供電平段高出 10 20%，如果對(duì)路燈不實(shí)施節(jié)電智能控制， 一般情況下，路燈均在高于燈設(shè) 計(jì)功率10 20%的狀態(tài)下工作，因此，實(shí)施本發(fā)明技術(shù)后的實(shí)際節(jié)電效果能夠 達(dá)到20 45%;
② 在實(shí)施智能節(jié)電的情況下，高壓鈉燈光通量不低于90%;
③ 能夠根據(jù)自然光照度，自動(dòng)、科學(xué)、合理地開(kāi)啟/關(guān)閉路燈，節(jié)約電網(wǎng)電 能消耗，并確保了夜間行車(chē)安全；
④ 確保了熱啟動(dòng)狀態(tài)下氣體放電燈的使用安全；
⑤ 因?yàn)楸苊饬藲怏w放電燈在〉220V或〈180V的電壓上工作，因此能夠從氣體 放電燈壽命預(yù)測(cè)資料中證實(shí)其使用壽命得到延長(zhǎng)。
權(quán)利要求
1、一種智能節(jié)電最優(yōu)控制方法，其特征在于，包括以下步驟(1)在同一路段上，選用同一技術(shù)特性規(guī)格的氣體放電燈；(2)根據(jù)所選用氣體放電路燈中氣體放電燈的設(shè)計(jì)燈電壓Ul和設(shè)計(jì)燈功率Nl，計(jì)算出氣體放電燈在設(shè)計(jì)工況下的工作電流Il；(3)根據(jù)氣體放電燈在設(shè)計(jì)工況下的工作電流Il和與其配接的鎮(zhèn)流器在設(shè)計(jì)工況下的工作阻抗Zl，計(jì)算出氣體放電燈在設(shè)計(jì)工況下的輸入電壓Ulin*；(4)由氣體放電燈最低燈電壓-功率特性曲線(xiàn)、氣體放電燈最高燈電壓-功率特性曲線(xiàn)、氣體放電燈最高允許功率線(xiàn)、氣體放電燈最低限定功率線(xiàn)構(gòu)成氣體放電燈節(jié)電安全控制四邊圖；(5)建立氣體放電燈的燈電壓-功率特性曲線(xiàn)集和燈電壓-功率特性曲線(xiàn)集和配接鎮(zhèn)流器后的燈電壓-功率特性曲線(xiàn)即鎮(zhèn)流器特性曲線(xiàn)集數(shù)據(jù)庫(kù)；(6)選擇節(jié)電水平Q；(7)依據(jù)節(jié)電水平Q，選取鎮(zhèn)流器特性曲線(xiàn)，獲取目標(biāo)燈電壓，進(jìn)而確定氣體放電路燈的輸入電壓，即交流輸出電壓目標(biāo)值；(8)氣體放電路燈作為被控對(duì)象進(jìn)入全程最優(yōu)控制狀態(tài)，包括路燈冷啟動(dòng)控制、路燈節(jié)電最優(yōu)控制、路燈熱啟動(dòng)控制、路燈關(guān)閉控制；(9)路燈冷啟動(dòng)控制，從白天進(jìn)入夜間時(shí)，依據(jù)天空光照度確定路燈冷啟動(dòng)的最佳時(shí)刻；(10)路燈節(jié)電最優(yōu)控制；(11)路燈熱啟動(dòng)控制，夜間因電網(wǎng)線(xiàn)路故障或者人為原因造成路燈中斷照明，當(dāng)線(xiàn)路恢復(fù)供電后，會(huì)同時(shí)根據(jù)天空光照度和氣體放電燈的玻殼溫度選擇熱啟動(dòng)的最佳時(shí)刻；(12)路燈關(guān)閉控制，從夜間進(jìn)入白天時(shí)，依據(jù)天空光照度確定路燈關(guān)閉的最佳時(shí)刻。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能節(jié)電最優(yōu)控制方法，其特征是，步驟(4) 中，所述氣體放電燈節(jié)電安全控制四邊圖，具體為由氣體放電燈最低燈電壓 一功率特性曲線(xiàn)N=KU+Nbs 、氣體放電燈最高燈電壓一功率特性曲線(xiàn)N=KU+Nbs 氣體放電燈最高允許功率線(xiàn)N=KU+Nbs 、氣體放電燈最低限定功率線(xiàn)N=Ng構(gòu)成氣體放電燈節(jié)電安全控制四邊圖，四邊形圖的上部代表著氣體放電燈最大功率的極限，最大功率的極限取決于放電管最大可允許的工作溫度， 四邊形圖的下部代表著氣體放電燈最小功率的極限，設(shè)置最小功率線(xiàn)以確保能 滿(mǎn)足燈泡的升溫特性、燈泡工作的穩(wěn)定性、可接受的光的輸出效率，以及光色 性能，四邊形圖左邊的最小燈電壓線(xiàn)為燈可接受的最小燈電壓的燈特性曲線(xiàn)， 即最低燈電壓一功率特性曲線(xiàn)，四邊形圖右邊的最大燈電壓線(xiàn)表示為燈可允許 的最高燈電壓時(shí)的燈特性曲線(xiàn)，即最髙燈電壓一功率特性曲線(xiàn)，該曲線(xiàn)考慮了 燈中可能出現(xiàn)的最大燈電壓、燈壽命期間燈電壓的上升、密封式燈具內(nèi)燈電壓 的上升因素，如果燈電壓超出最大燈電壓曲線(xiàn)之外，鎮(zhèn)流器將不能確保燈能穩(wěn) 定地或持續(xù)地工作。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的智能節(jié)電最優(yōu)控制方法，其特征是，所述氣體放 電燈最大功率線(xiàn)設(shè)置在超過(guò)燈泡標(biāo)稱(chēng)功率的20 30%,氣體放電燈最小功率線(xiàn) 設(shè)置在低于燈標(biāo)稱(chēng)功率的20~30%。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能節(jié)電最優(yōu)控制方法，其特征是，步驟(5)中， 所述特性曲線(xiàn)集，具體為對(duì)于一個(gè)特定的燈特性曲線(xiàn)，通過(guò)在設(shè)定范圍內(nèi)改 變電源電壓或鎮(zhèn)流器的阻抗，從而改變燈的電壓和功率得到一組近似平行的特 性曲線(xiàn)，即N=KU+Nb,隨著仏值的變化形成一組燈電壓一燈功率特性曲線(xiàn)集，當(dāng)氣體放電燈配接鎮(zhèn)流器在恒定的輸入電壓下連續(xù)工作時(shí)，燈電壓和燈功 率的變化會(huì)遵循著鎮(zhèn)流器的特性曲線(xiàn)，該曲線(xiàn)通過(guò)使放電管的冷端溫度升高來(lái) 變化燈電壓和燈功率而得到，當(dāng)電源電壓變化時(shí)得到一組鎮(zhèn)流器特性曲線(xiàn)，進(jìn)而能用曲線(xiàn)擬合法獲得解析表達(dá)N=f(U)，正確設(shè)計(jì)的鎮(zhèn)流器，其特性曲線(xiàn)落在節(jié)電安全控制四邊圖內(nèi)，由鎮(zhèn)流器特性曲線(xiàn)的連續(xù)特性能夠通過(guò)一階導(dǎo)數(shù)求 取燈功率最大值，并連同對(duì)應(yīng)鎮(zhèn)流器特性曲線(xiàn)存放于數(shù)據(jù)庫(kù)中，因此在數(shù)據(jù)庫(kù) 中，燈功率最大值與鎮(zhèn)流器特性曲線(xiàn)建立了一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能節(jié)電最優(yōu)控制方法，其特征是，步驟(7)中， 所述交流輸出電壓目標(biāo)值，具體為依據(jù)節(jié)電水平Q，選取鎮(zhèn)流器特性曲線(xiàn)，獲取燈目標(biāo)電壓，進(jìn)而確定氣體放電路燈的輸入電壓，即交流輸出電壓目標(biāo)值， 具體為① 由(1 - Q)×V,求取節(jié)電水平對(duì)應(yīng)的燈控制目標(biāo)功率NQ ，② 將NQ作為待選鎮(zhèn)流器特性曲線(xiàn)的燈目標(biāo)功率最大值，從數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取對(duì) 應(yīng)的燈電壓U值，即U=UQ,③ 由NQ與UQ求取IQ，IQ=NQ/UQ,④ 將UQ與IQ代入<formula>see original document page 4</formula>,求得路燈輸入電壓Ulin，即交流輸出電壓，并將其轉(zhuǎn)換為電壓有效值Ulin,Ulin即為交流輸出電壓目標(biāo)值。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能節(jié)電最優(yōu)控制方法，其特征是，步驟(9) 中，所述路燈冷啟動(dòng)控制，是指從白天進(jìn)入夜間時(shí)，依據(jù)天空光照度確定路 燈冷啟動(dòng)的最佳時(shí)刻，當(dāng)L〈L。時(shí)，開(kāi)啟路燈照明，L、L0分別為當(dāng)前實(shí)測(cè)天空光照度和光照度閾值。
7、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的智能節(jié)電最優(yōu)控制方法，其特征是，步驟(10) 中，所述路燈節(jié)電最優(yōu)控制，具體為① 進(jìn)入夜間照明，在線(xiàn)檢測(cè)路燈工作狀態(tài)參數(shù)信號(hào)，包括交流輸入電壓、 電流、交流輸出電壓、電力電子開(kāi)關(guān)器件溫度、天空光照度；② 由節(jié)電水平2，確定燈目標(biāo)功率i^;③ 重復(fù)步驟(7)交流輸出電壓目標(biāo)值，當(dāng)路燈輸入電壓穩(wěn)定于Ulin時(shí)，氣 體放電路燈始終能夠穩(wěn)定在燈目標(biāo)電壓UQ與等目標(biāo)功率NQ對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn) Q(UQ,NQ)附近工作；④ 通過(guò)在線(xiàn)檢測(cè)，交流輸出電壓一旦偏離Ulin,被測(cè)電壓經(jīng)信號(hào)處理、決策 后系統(tǒng)向無(wú)觸點(diǎn)電壓調(diào)節(jié)器發(fā)送電壓調(diào)節(jié)指令，由輸出控制量△Ulin 改變Ulin的 值，使氣體放電路燈輸入電壓重新回到目標(biāo)電壓Ulin.
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能節(jié)電最優(yōu)控制方法，其特征是，步驟(11) 中，所述路燈熱啟動(dòng)控制，具體為根據(jù)天空光照度和氣體放電燈的玻殼溫度 選擇熱啟動(dòng)的最佳時(shí)刻，當(dāng)且僅當(dāng)L<L。Aθ〈θ。時(shí)，系統(tǒng)才會(huì)向氣體放電路燈發(fā)送熱啟動(dòng)控制指令，L、L。分別為當(dāng)前天空光照度與路燈啟動(dòng)所要求的光照度閾值，θ、 θ0分別為電力電子開(kāi)關(guān)的當(dāng)前溫度及其熱啟動(dòng)控制溫度閾值，一旦θ< θ0 ，氣體放電燈玻殼溫度也已降到了允許熱啟動(dòng)的溫度限值。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能節(jié)電最優(yōu)控制方法，其特征是，步驟(12) 中，所述路燈關(guān)閉控制，具體為從夜間進(jìn)入白天時(shí)，當(dāng)L》L。時(shí)，路燈關(guān)閉，L、L。分別為當(dāng)前天空光照度與路燈啟動(dòng)所要求的光照度閾值。
全文摘要
一種節(jié)能技術(shù)領(lǐng)域的智能節(jié)電最優(yōu)控制方法。本發(fā)明通過(guò)由氣體放電燈最低燈電壓-功率特性曲線(xiàn)、氣體放電燈最高燈電壓-功率特性曲線(xiàn)、氣體放電燈最高允許功率線(xiàn)、氣體放電燈最低限定功率線(xiàn)構(gòu)成氣體放電燈節(jié)電安全控制四邊圖、鎮(zhèn)流器特性曲線(xiàn)和選擇節(jié)電水平Q來(lái)確定氣體放電路燈的輸入電壓，即交流輸出電壓目標(biāo)值，使得氣體放電路燈處于全程最優(yōu)控制狀態(tài)，能夠根據(jù)自然光照度，自動(dòng)、科學(xué)、合理地開(kāi)啟/關(guān)閉路燈，有效確保夜間行車(chē)安全的前提下節(jié)電效果能夠達(dá)到20～45％。
文檔編號(hào)H05B41/36GK101346028SQ20081004215
公開(kāi)日2009年1月14日 申請(qǐng)日期2008年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月28日
發(fā)明者張秀彬, 林 徐, 漣 朱, 賀 王, 遠(yuǎn) 程, 董長(zhǎng)城, 陸冬良 申請(qǐng)人:上海電機(jī)成套聯(lián)合有限公司;上海交通大學(xué)