市政路燈照明電氣系統(tǒng)補償技術(shù)研究

李 正

（菏澤城建建筑設(shè)計研究院有限公司，山東 菏澤 274000）

0 引言

城市道路照明系統(tǒng)可以提高人們生活的便利性，同時可以增強城市美觀度，輔助人們在夜間更加安全的出行，避免發(fā)生安全事故。因為各城市的經(jīng)濟發(fā)展情況是不同的，而各城市對于路燈照明提出了不同的要求。一些中小城市人口數(shù)量比較少，再加上經(jīng)濟發(fā)展水平相對較低，導(dǎo)致城市道路照明系統(tǒng)發(fā)展水平需要進一步提高。因此在城市道路照明電氣設(shè)計階段，需要結(jié)合城市發(fā)展情況，提出科學(xué)的應(yīng)對措施，根據(jù)城市道路照明系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀，解決城市道路照明系統(tǒng)電氣節(jié)能問題。

城市路燈照明系統(tǒng)中可加入能耗補償設(shè)計，通過補償技術(shù)來降低能耗。電路補償技術(shù)是運用電子器件來實現(xiàn)，通過使用自動無功補償裝置降低能耗，可以提高城市路燈電能供應(yīng)效率和質(zhì)量，從而在定功率下可以更好地滿足路燈工作要求。無功率損耗補償可以維護路燈照明系統(tǒng)在低功率狀態(tài)下的運行，從而可以顯著減少剩余功率輸出造成的能源浪費。而且運用電路節(jié)能設(shè)計方式，可以在路燈電源上進行控制，使輸出功率與使用功率相吻合，避免供電線路發(fā)熱以及損壞路燈燈具等，是重要的路燈照明節(jié)能及安全措施。

1 無功補償系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

無功補償系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)包括控空氣開關(guān)、避雷針、雙向晶閘管、三相電容器、熔斷器、可控開關(guān)、觸發(fā)裝置和串聯(lián)電抗器等，見圖1。

圖1 無功補償系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

為了確定系統(tǒng)需要的無功功率大小，首先對供電系統(tǒng)的三相電源電流值和電壓值進行采樣，然后將采集信號輸送至控制器中，控制器對信號進行處理分析，從而計算出無功功率?？刂破鞲鶕?jù)計算結(jié)果來確定電容器投入數(shù)量，將投入數(shù)量指令發(fā)送至觸發(fā)晶閘管來執(zhí)行。

2 控制電路設(shè)計

2.1 人機交換模塊

本文設(shè)計的人機交換模塊的顯示電路見圖2，其中液晶顯示器采用1602 型，顯示器主要可以顯示系統(tǒng)檢測到的電壓、電流及功率因數(shù)等參數(shù)。

圖2 1602 液晶初始化顯示

1602 與點偏激的連接見圖3。

圖3 顯示的電路圖中，其中LCDRS 端是表示數(shù)據(jù)/命令選擇端，LCDEN 是表示原始信號。接腳3 是與可調(diào)電位器連接，主要是實現(xiàn)顯示器字體灰度調(diào)節(jié)。接腳5 接地。

圖3 1062 液晶接線原理圖

圖4 顯示的是鍵盤電路圖。

圖4 鍵盤電路接線原理圖

2.2 通信電路設(shè)計

本論文中采用美信公司的MAX232 芯片以及9芯RS-232 插座，其原理圖見圖5 。

圖5 RS-232 串口通信接線原理圖

2.3 投切控制電路

控制器是整個無功補償系統(tǒng)的核心裝置，主要是實現(xiàn)對采樣信息進行分析處理，計算出無功功率，然后確定投切電容器數(shù)量，同時發(fā)出投切指令。最終指令執(zhí)行裝置為觸發(fā)晶閘管，如何確保電容器在投切時不會受到電流沖擊是TSC 型無功補償系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵問題。為了解決上述問題，采用的晶閘管觸發(fā)電路是相互獨立的，這樣導(dǎo)通或切斷時，互不干擾，有效地解決了電流沖擊問題。城市道路照明系統(tǒng)可以提高人們生活的便利性，同時可以增強城市美觀度，輔助人們在夜間更加安全的出行，避免發(fā)生安全事故。因為各城市的經(jīng)濟發(fā)展情況是不同的，而各城市對于路燈照明提出了不同的要求。一些中小城市人口數(shù)量比較少，再加上經(jīng)濟發(fā)展水平相對較低，導(dǎo)致城市道路照明系統(tǒng)發(fā)展水平需要進一步提高。因此在城市道路照明電氣設(shè)計階段，需要結(jié)合城市發(fā)展情況，提出科學(xué)的應(yīng)對措施，根據(jù)城市道路照明系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀，解決城市道路照明系統(tǒng)電氣節(jié)能問題。城市路燈照明系統(tǒng)中可加入能耗補償設(shè)計，通過補償技術(shù)來降低能耗。電路補償技術(shù)是運用電子器件來實現(xiàn)，通過使用自動無功補償裝置降低能耗，可以提高城市路燈電能供應(yīng)效率和質(zhì)量，從而在定功率下可以更好地滿足路燈工作要求。無功率損耗補償可以維護路燈照明系統(tǒng)在低功率狀態(tài)下的運行，從而可以顯著減少剩余功率輸出造成的能源浪費。而且運用電路節(jié)能設(shè)計方式，可以在路燈電源上進行控制，使輸出功率與使用功率相吻合，避免供電線路發(fā)熱以及損壞路燈燈具等，是重要的路燈照明節(jié)能及安全措施。

本設(shè)計投切控制電路中采用MOC3061 型芯片，該芯片是一款過零觸發(fā)的光耦合芯片，其輸出輸出額定電壓為600V，重復(fù)涌流電流不大于1A。

其內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖6。

圖6 MOC3061 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

觸發(fā)晶閘管的控制是通過控制器發(fā)出的脈沖信號實現(xiàn)，控制器產(chǎn)生的脈沖信號由MOC3061 芯片輸出至晶閘管模塊，然后投切控制電路執(zhí)行電容器投切指令，具體投切控制電路見圖7。

圖7 中輸入電阻Rin是限制發(fā)光管的電流大小，其值為：

圖7 雙向晶閘管控制電路原理圖

式中：VF為紅外線發(fā)光二極管的正向電壓，一般取1.2～1.4V；IF為紅外發(fā)光二極管觸發(fā)電流，15 mA。

電阻R1用來限制通過觸發(fā)器的電流大小，其由系統(tǒng)電壓峰值和除法器輸出端允許的重復(fù)沖擊電流峰值來決定。電阻R2是晶閘管的門極電阻，可以提高抗干擾能力。電阻R3和電容CS 組成的浪涌吸收電路防止涌流電壓損壞晶閘管。

3 無功功率補償?shù)能浖O(shè)計

3.1 有效值采樣程序設(shè)計

首先系統(tǒng)會對分別對電源的A 相、B 相、C 相電流和電壓信號進行采集，然后采用互感器將采集信號轉(zhuǎn)換成小信號，再經(jīng)過濾波處理后，采用信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)有效值的直流信號，經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換電路，采集信號將會輸入至控制器中進行處理分析，具體程序見圖8。

圖8 有效值采樣程序流程圖

3.2 功率因數(shù)采樣程序設(shè)計

本文選擇的單片機晶振頻率是fc=11.0592 MHZ，因此運行周期是12/fc，也即運行周期為0.02 ms。單片機通過定時器和中斷系統(tǒng)即可檢測出正弦波信號的脈寬差τ，從而可以計算得到電流和電壓值，最終得到檢測功率因數(shù)φ，其計算公式為：

電路信號采集過程中，會存在一些噪聲，會對結(jié)果造成較大的影響。為了使得檢測更過更加準(zhǔn)確，需要對采樣信號進行濾波處理。算術(shù)平均濾波法只能減小噪聲的影響，而無法將其消除。為了提升采樣檢測結(jié)果準(zhǔn)確性，本文選擇去極平均濾波法，其是將采集的6 組脈寬計數(shù)值信號中最大值和最小值去除，然后將剩下4 組進行平均化處理。由此可以看出，此濾波方法可以將較為明顯的噪聲去除，使采集獲得的信號值更加接近真實值。圖9 為功率因數(shù)的采樣程序圖。

圖9 功率因數(shù)的采樣程序圖

3.3 電容器投切程序設(shè)計

設(shè)Q 為無功功率，若系統(tǒng)欠補償，則Q 為正；若過補償，Q 為負(fù)。檢測到的無功為Qm，I 為電容器的組合數(shù)，Qi為對應(yīng)組合的投切容量。如果此時沒有電容器投入運行，則搜索電容器容量組合，找出滿足Qm-Qi≥0 差值最小的組合，并投入對應(yīng)的電容器；若此時已經(jīng)有電容器投入運行，其電容容量為Qt，此時系統(tǒng)值缺的總無功功率為Qz=Qt+Qm，搜索電容器組容量組合，找出滿足Qm-Qi≥0 時差值最小組合。

TSC 投切原則為：首先計算需要投切的電容器數(shù)量，如果需要投入的電容器組合已投入運行，則正常運行即可；而無需投入的電容器組合則退出運行。在電容器投切過程中，著需要根據(jù)上述過程選擇相應(yīng)的電容器組合進行投切即可。圖10 為電容器投切程序流程圖。

圖10 電容器投切程序流程圖

4 結(jié)語

市政路燈照明系統(tǒng)是保障人們生產(chǎn)活動的重要保障，市政路燈照明系統(tǒng)普遍存在于廣場、道路等基礎(chǔ)設(shè)施，每年消耗的能源數(shù)量巨大。為了建設(shè)節(jié)約型社會，目前普遍采用無功補償技術(shù)進行改善。從我國電網(wǎng)功率因數(shù)和補償深度來看，我國與世界發(fā)達國家有不小差距。因此，在市政路燈照明系統(tǒng)中大力推廣無功補償技術(shù)是非常必要的。