一种智能变压路灯节能系统的研究论文
论文摘要：路灯照明能耗问题已经越来越为政府及各大工矿业企业所重视，成为国家“十二五”规划节能战略中的重要内容，本文设计了一种智能变压路灯节电控制系统，通过单片机控制单元变压器抽头的切换以控制负载上输出电压，达到节电控制要求，通过此方案可以做到节电30%左右，为了提高系统的使用，设计了过压或欠压故障报警等模块。
论文关键词：路灯照明,节能控制系统,智能变压
1.引言
国家统计局最新发布2010年全国相关统计报告显示：2010年全年我国工业照明耗电量高达1748.2亿度，相当于三峡水利发电工程年发电量840亿度的2.08倍多。
在市政开支极度紧张的今天，国内绝大部分的城市和地区几乎都采用了日本等国家在七十年代就已经抛弃的路灯隔一盏关灯的省钱方法，不仅导致了路面照度分布不均，给治安及交通安全埋下了隐患，而且不能避免后半夜电网电压的升高对路灯寿命的减损，因此不能称作真正意义的节能，目前发达国家正在讨论的是“恰到好处的照度水平”。
供电系统中，为避免送电过程中的线路损耗和用电高峰时造成末端电压过低，供电部门均采用较高电压进行传输，因此路灯承受电压多高于灯具的额定电压。据调查我国小型城市晚上21：00后，大中城市00：00以后道路上几乎空无一人，从而造成了“人少车稀灯更亮”的不合理情况。
本文设计了一种智能变压路灯节电控制系统，详细阐述了该系统的硬件和软件设计，通过实际验证，该路灯节电控制系统可以做到节电30%左右，考虑到路灯供电系统的电压不稳定，还设计了过压或欠压故障报警等模块。
2.路灯节电控制系统硬件组成
智能变压路灯节电控制系统的硬件部分如图1，其变压器一次侧分三个抽头，一次侧输入AC220V，二次侧输出分别为42.3V、25.9V、18.3V。一共分三级降压，分别由接触器KM、KM和KM控制，可通过单片机控制特定的接触器达到控制输出电压的目的。
其中，QF为空气开关，起过载和短路保护作用，K为旁路开关，K为节电开关，KM、KM和KM为接触器主触头；采用接触器或固态继电器来控制变压器原边抽头调节负载电压，能够保证调压时不停电：PT和PT分别为一次电压检测和负载电压检测传感器，CT为一次电流检测传感器，根据输入电压检测结果调节电压输出，液晶显示电压、电流和功率状态。面板上装有节电和旁路的选择开关，以及状态指示灯，指示故障、旁路和节电等状态。装置设计有温度检测装置，当温度达到一定时，启动风扇，温度再高，则Kl闭合，路灯装置旁路工作。
图1智能变压路灯节电控制系统电路图
单片机选用AT89S52，其内含256个字节的RAM、32条I/O线、3个16位定时器/计数器，且自带8K的电擦除EEPROM用以保存控制程序，用ADC0809作为模数转换器，实现对电流电压由
模拟量向数字量的转换，时钟是单片机的ALE经D触发器控制口，由P2.7WR／RD和或非门组成的标准控制电路，结果输出采用延时方式延时大约为180us。单片机的P0口与ADC0809的.输出端口连接，读取A/D转换后的结果。
AT89系列单片机是美国ATMEL半导体公司在二十世纪八十年代将Flash与80C51核相结合开发出来的，该系列单片机和MCS-51在内部功能、引脚以及指令系统方面完全兼容。由于AT89系列单片机继承了MCS-51的原有功能，内部含有大容量的Flash存储器，又增加了新的功能，如看门狗定时器WDT、ISP（可在线编程）及SPI串行接口技术等，AT89S52是在AT89C51、AT89C52基础上改进的。
AT89S52的工作电源为4.0～5.5V，单一+5V电源供电，最高工作频率为33MHz。AT89S52单片机在路灯线路中采集进来的高电压/电流，经过二次霍尔传感器降为较低的电压/电流信号，将其都转化为电压信号0～5v，之后经过带通滤波器和二级低通滤波器，让工频50赫兹左右的信号通过并滤除10次以上的谐波和高频干扰，然后对信号进行放大，将信号变为AT89S52所能处理的5V之内，这些由外围电路实现。
3.系统的软件设计
为了实现各元器件之间能够合理传输信息，并对信息进行处理，还需要对硬件电路进行软件设计。当空气开关QF合上，经纬定时开关启动闭合，路灯节电装置开始检测电压。
如果输入电压U大于260V或小于180V，装置断电保护，报警过压或欠压故障，否则装置立即合上接触器K，系统置于旁路状态。15分钟后，继续检测电压，如果电压在大于180V，而小于200V，则继续旁路工作；如果电压处于200V～260V正常范围，合上接触器K，然后断开K；根据节电控制策略，通过单片机控制单元变压器抽头的切换以控制负载上输出电压，达到节电控制要求；如果电压处于200V～220V，则合上控制变压器抽头的接触器KM；如果电压处于220V～240V，则打开KM，然后合上接触器KM；如果电压处于240V～260V，则打开KM或KM，然后台上接触器KM。
如果CT输出电流大于100％，则发出过载报警提示，同时启动风扇对变压器进行冷却。电流仍在空气开关OF的整定值范围内，装置仍可供电，一般过载不超过120％。
变压器温度检测，如果温度超过规定值，则直接合上K，打开K，旁路工作。路灯节电控制流程如图2所示。
图2路灯节电控制流程
4.系统调试
1.硬件调试
硬件调试主要是对单片机控制回路及外围电路进行调试，单片机控制回路的调试主要涉及AT89S52芯片的测试、JMl2864液晶显示功能测试、外围电路的调试、固态继电器及接触器控制回路的检测。内容较多，调试方法是在电路输入端加上标准电压，然后通过万用表观测电路中特定点处的电压值是否正确。
2.软件调试
本次软件设计采用了专门用于开发单片机和微处理器系统软件及应用软件的高级语言Keil—C语言软件。调试主要涉及对用Keil—C语言编写的源程序，所进行的编译工作编译，通过软件调试成功。
3.现场调试
硬件调试和软件调试成功之后，可按要求将己与控制系统相连的外围电路与路灯组连接起来，进行现场调试。现场调试主要是检测控制器能否对路灯实际运行和节电状态进行有效控制。调试实验表明：该节电系统的平均节电效率为30％左右。该系统不仅具有节电、延长灯泡寿命的功能，而且能使路灯在电压波动较大范围内稳定运行。
智能变压路灯节电控制系统经调试后满足下列主要技术指标要求：
(1)输入电压范围：单相220V土15％三相380V土15％；
(2)输出电压：单相190～220V，三相330～380V；
(3)电源频率：50～60Hz；
(4)开关时间：由经纬度时控器所设定开关时间控制；
(5)节电率：16～35％；
(6)保护功能：过压、欠压、过载、短路；
(7)散热方式：自然风冷或强迫风冷；
(8)自动旁路功能当在异常情况发生时，会自动设置为旁路，以保护系统与变压器，防止停电事故，可保证路灯正常运行。
5.结束语
该系统采用了单片机控制，所以具有高的性能价格比和柔性，即可以根据实际情况变更和扩展提高了灵活性和适应性，有利于应用推广。路灯控制系统投入使用后，工作寿命达到15年以上，将持续提供30%以上的节电效率，为节能事业填上浓墨重彩的一笔。
参考文献
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