摘 要 从“城市照明监控与节能系统”在桂林市城市照明管理处的实际运用中，探讨其技术特点及今后的发展趋势。
关键词 城市照明监控 城市照明节能 单灯控制与节能 可变功率镇流器 电子镇流器
城市照明监控与节能系统是一种计算机通信技术与传统监控技术以及电磁控制技术相结合的系统，实现对整个路灯照明网实施智能监控、合理调整电能参数、运行节能程序的系统，主要应用于城市照明监控与节能。我们的这个系统很好地将灯光监控系统和节能系统有机地结合在一起，能对城市路灯、景观灯进行智能监控，实时动态调整路灯电网的一些主要电参数，大大提高城市的照明管理水平和最大限度的节约电能。
一、系统的组成
系统由监控中心、通信网络、远程基站及末端模块组成。
（一）、监控中心：监控中心为服务器和多个工作站组成的局域网，自主开发应用软件，实现多种功能。中心可以通过有线、无线方式和公用通信网与远程基站进行通信。
（二）、通信网络：桂林市城市照明监控与节能系统的主要以无线数字通信网为主，辅助网包括光纤、数字微波、公用GPRS和RS－485总线等网络。
（三）、远程基站：由监控部分、节能部分、低压配电柜、末端模块和软件组成。
1、监控部分：
核心主板由嵌入式单板电脑构成，带有微软DOS3.31操作系统，其余部件自行开发。
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2、节能部分（电参数调整）：
由可调电抗器、控制电路、通信模块和控制软件组成。可调电抗器串连到供电回路中，受控制电路控制，调整供电参数。
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（四）、末端模块：
1）、开关灯控制：从基站获得中心的指令，执行开关灯命令，采集灯状态参数，传送到基站中去。
2）、通信组件：通过电缆中性线与大地形成电流环进行低速率的数字通信的组件，是基站与每一盏灯联系的关键模块。
3）、镇流器组件：包括可通信的电子镇流器、可变功率智能电感镇流器，这些镇流器中都有单片机控制。
二、系统各部分技术原理、特点及实现
（一）、监控部分原理、特点：
1、技术原理：系统功能框图如下，
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硬件设计：
核心部分：采用嵌入式电脑板，自带电子硬盘、二个通讯口，一个八位I/O口，一个10M以太网口，2M内存，DOS3.31操作系统，标准C开发环境。
通信口的扩充: 用一块IC将一个通讯口扩展成为4个通讯口，根据实际情况，它可以是RS-232或RS-485的形式；也可扩展成8口、16口以至更多。
I/O口的扩充：用M82C55将八位数字I/O口扩展成36位I/O口。这个I/O口可做数字量的监控口使用。
显示、键盘接口：通过扩展485接口实现显示和键盘的连接。
其他应用模块接口：通过扩展的通信口和核心部分连接，它们可以按RS-232方式接入，也可以按RS-485方式接入，可以是一些模拟量的输入/输出口，是针对不同的应用而设定的一些应用接口。软件结构图如下：
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软件设计：
设备基本信息程序模块：记录设备的基本信息，比如：地址、通讯端口类型、外设类型等，对于所有应用，该程序均相同。1、我们设计了一个构件HARDWARE.CFG，用于记录设备的基本信息，其他程序能够根据文件的配置信息实现对设备的不同操作。2、我们设计了一个构件CHARDWARE，该构件封装了对构件HARDWARE.CFG的读写操作，任何对构件HARDWARE.CFG的操作均通过该构件进行。
通讯程序模块：该程序负责和上位机及其他下位机通讯，负责命令的发送和接收，该程序还负责和下位机的外设进行通讯，对于所有应用，该程序均相同。我们设计了通讯构件CCommunication，该构件封装了基本的通讯功能，包含了串口通讯、RS485通讯、GPRS通讯等。通过该构件，我们可以实现通讯的透明化。从上位机来的数据和下位机上报给上位机的数据、下位机中继给其他下位机的数据均由该类实现。
解析封装程序模块：该程序负责对接收到的命令进行协议解析转换，负责将命令数据分发到不同的程序中，对于所有应用，该程序均相同。我们系统的命令分为三种命令，分别为内部命令、应用命令和中继命令，我们设计了解析封装构件CAnalyse，该构件能够对从通讯程序和应用程序来的命令进行解析。对于内部命令（如：校时、复位等和应用无关的命令）该构件直接执行，然后直接将结果返回给通讯程序；对与应用命令（和具体的应用有关）则分发给应用程序执行；对于中继命令，该构件能够对需要中继的命令进行重新组合封装，然后发送给通讯程序执行。
应用程序模块：该程序和具体的应用有关。这是在本系统中唯一一个根据不同的应用需要改变的地方，比如：针对灯光控制、马达控制、温度控制等不同应用场合，只需要采用相应的应用程序，其他的程序均毋需改变。我们设计了应用构件CApplication，该构件针对不同的应用而不同，该构件能够接收来自解析封装程序的命令并执行；该构件还执行一些和应用有关的任务比如定时数据采集，定时数据输出等；该构件执行的结果均发送给解析封装程序。
主控制程序模块：该程序负责协调其他的程序，针对不同的应用，该程序无需任何改变。主控程序流程如下。
2、特点：
核心硬件软件与应用无关性：
选用功能强大的嵌入式工业电脑作为硬件平台，采用DOS3.31操作系统作软件平台，结合软硬件模块化设计，解决应用无关性难题。
输入输出接口的通用性和可扩展性：
采用模拟输入输出接口、数字输入输出接口、通信扩展接口相结合的技术，能够与目前大多数应用进行接口连接，并且，通过扩展方式，能够适应目前和将来的各种不同接口。
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通信兼容性和可靠性:
根据OSI通信协议模型，仿TCP/IP协议，定义系统的通信协议，将不同的通信方式提供的传输通道作为协议的底层，解决了通信兼容性的问题。采用16位地址编码、16位CRC数据检校、数据碰撞检测、多重数据备份、智能路由、数据加密等技术，确保通信的可靠性和安全性。
（二）、节能部分原理、特点：
要在路灯照明系统中更好地节能，首先必须做到的是：合理、智能调整开关灯时间，杜绝不必要的浪费现象存在; 其次才是：合理调整线路电压、电流、功率因数等参数进行节能。因此，我们在做好灯光监控的基础上，进行投资开发调整线路电参数的节能系统。现在常用调整电参数的节能方法主要有：变频方式、可控硅降压、电抗器降压（扼流）和变功率镇流器（含电子镇流器）的使用等几种。通过对比分析我们决定先采用电抗器降压（扼流），逐步过渡到使用可远程遥控的变功率镇流器，即可以做到监控每一杆灯的功率输出和状态。电抗器降压（扼流）方式的技术原理十分简单：就是在回路中串联电感器进行降压、扼流，并联电容器调节功率因数。但是，在实际运用中却不好实现；首先，需要平滑、无级调节电参数，电压波形不能发生畸变；其次，这个操作过程必须能远程遥控；再次，成本较低，可靠性要好。
1、无级平滑调节电感器原理：
其原理是：磁饱和电抗器主线圈串连在供电回路之中，电感量受控制线圈的控制（可调节、磁电控制），改变主线圈的电感量就改变了线圈两端的电压降，同时也改变了回路的电流，这样就在一定范围内控制了负载的功率消耗，实现节能。控制线圈工作受到电子、电脑设备的控制，因此，其自动化、智能化程度高；由于主回路中没有机械控制触点存在，不会产生打火现象，可靠性也大大提高。加上合理化、智能化和网络化控制用电设备，节能效果更好。
上面提到：一个电感器饱和时，其感抗值会变得很小，其两端的压降也很小。如果有一种方法能使得电感器在饱和和不饱和之间、不同饱和点之间进行连续变化，那么就使得降压是连续变化，达到平滑调整电压的效果。恰好电磁线圈的磁控制、磁放大的技术就是这种方法，方便我们达到这个目的。一个铁芯线圈，其中流过一个很小的直流电流，就使得它的铁芯处于磁饱和状态，如在这个铁芯上有另外一个线圈，那么这个线圈同样也处于饱和状态，物理描述如下：一个铁芯上分别有交流主绕组（主线圈）和直流绕组（控制线圈），交流绕组的电感值L与铁芯的导磁率m成正比，导磁率m又和直流绕组上的直流电流I有一个函数关系，使得L受I的控制；又有E（电感的储能）＝i（交流绕组的电流）×L，那么E也受到I的控制。如果E值小于铁芯的额定值，那么，铁芯就不处于饱和状态，可见I的控制作用。又由于I与m的函数关系，通过绕组匝数比可以使得I远远小于i，就好像我们用一个小能量来控制一个大能量，有“放大”的作用，这就是我们所说的磁放大原理。用这么一些原理，实现了“无级平滑调节电感器”的目的。
这样又带来一个“新”问题：直流线圈的匝数远远大于交流线圈的匝数，在交流线圈产生的电压反应到直流线圈的电压就非常的高。不解决这个高压，可调电抗器同样不适用，要解决这个高压可以采用“抵消”的办法进行，原理图如下：
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如果我们在生产线圈时，绕组和铁芯的参数差别很小的话，交流线圈（两个线圈组成）在控制线圈（直流线圈）上产生的电压基本可以抵消掉，也就是说控制线圈上基本无高压输出。就是这么一个无高压输出，使得我们可以用低压电子元器件做到：低成本、高可靠、远程遥控的节能系统出来。（注：此节能系统中的“可变电抗器”技术已获得国家两项专利，引用时注意不要侵权）
2、特点：
整个节能系统是建立在监控系统之上，共享监控系统的通信网络、I/O(输入/输出) 口、低压配电柜等，从某种意义上来说：其就是监控系统的一个支系统，因此，其成本较低，容易实现，可靠性高，使用寿命长，节能率较高（10—40％）。
（三）、单灯模块原理、特点：
我们在完成以上两个系统之后，并没有解决这么一些问题：每一盏灯的状态不可监控、电缆末端灯明显比电缆首端灯暗（亮度不均匀）、电缆末端断线不可监测等。为此，需要使用“单灯模块”，即使用一种新型镇流器，它不仅有镇流器的作用，还有控制、通信功能；它可以是带单片机的电子镇流器，也可以是带单片机的可变功率电感镇流器。由于有单片机在其中，镇流器就有了智能控制功能和通信功能，极大地提高了整个监控、节能系统的性能。
单片机在电子镇流器中的使用原理在此不进行叙述，有关的文章已经很多了；至于单片机控制变功率电感镇流器的原理，在此也简单叙述：我们可以看到上面介绍的节能系统十分类似电感镇流器工作原理，那么用以上的原理一样可以实现单片机对镇流器的变功率输出，形成“新的变功率镇流器”。
在监控、节能系统中使用单灯模块，关键因数在于：廉价、高可靠性、易于应用的通信部件的使用，而不在于什么新技术的突破和使用，你可以使用通信电缆将每一杆灯和基站连接起来，也可以在每一杆灯上安装数传电台，甚至每一灯杆中安装电力载波通信中继器，这些都是不考虑成本的做法，不值得推广。
对于这部分的通信模块开发，我们也使用了既简单又灵巧的办法，开发出价格低廉、可靠性高的通信模块，由于该技术处于申请专利的过程中，只能简单说明其工作原理。我们都知道：单灯模块和基站之间的通信速率可以是低速的（120B/S是允许的，没有必要去追求2400的速率），关键是通信质量的可靠性要高；还有电缆中零线（中性线）受到工频电压的干扰很小，零线和大地构成的几十毫安的低速数字通信电流环也是允许的，电流环通信抗干扰性也是不错的。那么为何我们不用这么好的一个通信回路呢？当然，如果大地电阻达到500欧姆以上，这种方式不适用，但这种情况十分少见。
解决灯杆与基站的通信“瓶颈”后，监控中心通过基站可以读取每一盏灯的状态并控制调整灯的状态，甚至可以监测电缆、灯具是否被“偷盗”，真正做到路灯照明系统要求的“三遥”功能。
三、应用篇
（一）、监控系统应用
典型应用网络结构:
利用系统提供的各种输入、输出接口，能够方便的构成各种典型的监控系统，降低具体监控系统的开发难度，缩短开发周期。
1、利用系统本身提供的数字输入、输出接口
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2、利用系统本身提供的模拟输入、输出接口
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3、 利用系统提供的扩展接口连接监控对象
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在实际监控系统中，被控对象和检测对象的类型复杂，可以混合使用以上三种典型应用结构，以符合实际需要。
（二）、节能系统应用
我们开发节能产品的切入点是：合理使用节能灯具和灯种、合理调整开关灯时间、补偿线路功率因素、减少线路损耗和适当调整线路电压电流。第一点是监控系统已经做好了的，第二点也已经做好了，剩下的是我们要着手进行的方面。我们开发的“城市照明监控系统”在合理调整开关灯时间方面已经做得很好，如果在这个系统中加上“线路功率因素自动补偿、自动调整线路电压电流”等功能，那么，这个系统就具有更强的竞争力，就是地地道道的“绿色照明监控节能系统”。
我们首先要做的是从“自动调整线路电压”方面入手，我们知道：在供配电过程中，电力部门为了避免或减少送电过程中的损耗和缓解负荷高峰时末端用户出现电压过低现象，往往采用提高输送电能参数的方法，即提高输送电压，这样一来，靠近变压器端的电压往往接近240V，如此高的电压对钠灯的使用寿命有较大的影响；还有，半夜是用电的低谷，也会使线路电压升高，有时其电压值会超过240V。解决的方法：将电压调整至均衡稳定，使用电设备在稳定的状态下运行。还有，电力系统中存在大量的高次谐波，这些谐波也会影响灯的使用寿命和降低线路的功率因素。解决方法：通过特有的滤波装置，补偿线路功率因素，抑制系统内外谐波的产生，使其输出波形和输入波形基本保持一致。具体应用的特点如下：
1、智能节电程序自动运行：路灯开启时，自动判断线路电压值。
a)值低于200V时，旁路节能装置，按线路电压点亮路灯，不运行节能程序（特殊需要除外）；
b)值高于205V时，节能装置启动运行，按照线路电压点亮路灯；路灯点亮20分钟后，以客户设定稳压值（缺省值为205V）运行节能程序；这个值的设定可以按时间段设定，一般分为三段（18：30～21：00，21：00～11：30，11：30～06：30）。
2、远程控制：用户可以根据实际需要灵活设置稳压值，这种设置可以通过远程遥控设置（包括中心设置、手机短信设置等），也可以在机柜手动设置。
3、远程采集：远地采集电压、电流参数及节能运行状态，方便客户随时了解节能柜状态。
4、自动切换：一旦节能柜出现运行异常或故障时，自动切换到无节能状态（物理旁路节能功能），不影响路灯正常照明。
5、自动告警：线路电压、电流值超出正常值范围时，或者节能柜状态异常等情况出现时，系统会自动向控制中心和有关人员发出手机短信报警信息，以便故障得到及时排除。
6、三相节能相互独立：节能柜可以在三相输出的情况下使用，也可以单相使用，互相独立、各自运行。
7、通信方式灵活：最小组网方式以GSM手机和单台柜组成，以GSM短信方式进行通信；典型组网方式以无线通信、光纤通信、RS－485工业总线混合形成智能通信网，通信速率可达到9600B/S。
8、节能率高：节能率可高达40％，客户可通过设置电压稳压值调节节能率。
9、电压平滑调节：在进行电压调整时，主回路无机械触点，完全实现磁电转换控制。
10、过载能力强、可靠性高：节能主要器件采用智能磁控线圈，抗过载能力强，可在1500V电压下不会被击穿（60秒）。