梁海生，王紫雷，刘 鑫，王梦薇

(国网上海市电力公司经济技术研究院,上海 200002)

0 引言

经济飞速发展背景下，工业用电量与生活用电量激增，变电站的工作压力随之攀升。根据历年数据可知，截止到2016年年底，全社会用电量比上一年度增加了5%左右，已经突破了59 000亿千瓦时。可见经济繁荣的背后，能源消耗总量正在不断攀升，影响着国家的长远发展[1]。为了进一步改善全社会用电量较大这一问题，针对变电站而言，必须节能优化设计变电站照明智能控制系统。该系统依靠现有的先进科技，设定控制系统硬件与软件的工作程序，以此实现变电站的整体节能，为国家的长远发展贡献一份力量。

1 变电站照明智能控制系统硬件设计

1.1 替换DC-DC变换器

现有照明系统中的DC-DC变换器采用单向工作模式。变换器中的能量受功率传输二极管的影响只能单向流动，限制了能量的反向流通，因此也限制了其在能量双向流动场合的使用。如果节能照明系统保留原有系统中的单向DC-DC变换器，通过反并联的方式搭建单向DC-DC变换器A和变换器B，那么过多的器件会加重照明系统电路的复杂程度。其中，变换器A用于处理端口之间的能量流动，变换器B用于处理能量反向流动。因此，本次研究采用双向DC-DC变换器替代2个单向的DC-DC变换器，实现能量的双向流动[2]。双向DC-DC变换器功能结构如图1所示。

图1 双向DC-DC变换器功能结构图

图1中：I1、I2为流动电流；W1、W2为能量流动端口。双向DC-DC变换器能够在不改变其高压侧以及低压侧极性的情况下，仅通过改变变换器电流流动方向，就实现能量双向传输，使电流传输方向的切换更加迅速。该方法提升了系统闭环动态响应，实现了对用电数据的及时处理[3]。

1.2 设计串口通信模块

为了保证双向DC-DC变换器的工作流畅性，重新设计照明系统的串口通信模块。该模块是无线传感网络中，计算机、协调器网关节点以及LED照明之间的通信桥梁。计算机通过串口发送照明控制命令，并发送给协调器网关节点，同时读取变电站照明系统的光照度、温度、变换目标以及LED状态等数据。串口通信模块电路如图2所示。

图2 串口通信模块电路图

根据图2可知，RS-232串行通信接口为芯片CC2530的USART0和USART1。其中：USART0采用异步UART模式；USART1采用同步串行外设接口(serial peripheral interface,SPI)模式。但芯片CC2530使用晶体管-晶体管逻辑(transistor transistor logic,TTL)电平，而设计的串口通信模块遵循RS-232电平，因此二者之间不能直接接通。此次设计利用MAX232CSE芯片转换电平，然后建立模块之间的双向通信模式。需要注意的是，选择的MAX232CSE芯片外围电路需要4个0.1 μF的小尺寸电荷电容。其中：飞电容用C1、C2表示；储能电容用C3、C4表示[4]。至此，在替换DC-DC变换器的基础上，设计了串口通信模块，完成了对变电站节能照明系统的硬件设计。

2 变电站照明智能控制系统软件设计

2.1 变电站照明用电效用计算

变电站照明用电一般分为室内照明用电与室外照明用电2个部分。因此，本文从静态温度效用与静态时间效用函数入手，分析某个时间断面上，变电站的找平温度是否与电器工作状态匹配。静态温度效用函数根据期望温度与实际温度之间的关系，量化变电站照明设备的工作温度。其公式为：

(1)

当Tt∈[T1,T2]时，效用值为1；当TtT2时，在参数k的作用下，温度效用值下降[5]。此时k∈(0,1)。参数k越小，则说明温度效用值下降速度越快。再利用静态时间效用函数，量化某一时刻下照明电器的运行状态，计算结果为：

(2)

静态时间效用如图3所示[6]。

图3 静态时间效用示意图

根据上述计算，结合图3中描述的静态时间效用可知，[tmin,tmax]⊆[t1,t2]。当用电设备关闭时，时间效用函数值为0；当用电设备正常工作时，时间效用函数值为1。通过上述计算，确定变电站照明用电状态。

2.2 构建变电站节能照明模型

(3)

此时，若存在具有相同用电效果的电器，则需要进行组合优化。因此，根据上述设置的参数，在同一时刻区间内，再次优化上述目标函数。

(4)

此时的变电站节能照明模型为：

(5)

式中：Bs()为在其时段内所有节点活动状态集合；t0～(t0+ta)为某个时段；db(t)为某时刻的运行状态；Db(t)为电站设备b在某时刻的运行状态；Cb,s(t)为某时刻、区域s内，所有影响电路b用电效用的场景参数状态集合；minHb(t0,t0+ta)为某时段内最小电能消耗。

利用构建的节能照明模型，控制变电站照明系统的工作状态，可实现节约照明用电[8]。

2.3 基于智能控制的照明管控操作

基于智能控制技术，管控操作变电站照明模型。假设模型的管理公钥为I，每个测控器的公钥为K，照明设备的公钥为G，模型的智能控制策略为φ，则存在：

(6)

式中:Iu为拓扑信息；G(mi)为处于使用状态的照明设备；I(ui)为管理中心；K(bi)为设备运行信息；φ(hi)为权限；i=1,2,...,n,n为设备总数；←为映射。

要求：对于任意设备，有I←I∪Iu；如果u控制设备b，则K←K∪Kq，其中q表示测控器；删除设备控制中心，如果设备b在u控制下，要求K←K∩Kn；获取拓扑信息[Iu,(Gm,K)]，(Gm,K)表示处于使用状态的照明设备；添加访问控制(Iu,Kb,s,φ)，如果设备b受u控制，则要求φ←φ∪φb1→bn；删除管理中心I(un)，此时I←I∩Iu；删除设备运行信息，K←K∩Kb；撤销权限，令φ←φ∩φb1→bn，若存在Iu∈I，则返回元组(u,b)；最后查询权限并返回权限集合[9-10]。根据上述过程，利用公钥控制模型的节能表示过程，并通过“添加访问控制”操作，修改、阻止或者查询照明系统的工作现状。至此，在智能控制技术的应用下，可实现对变电站照明系统的节能优化设计。

3 仿真试验

仿真测试不能完全验证所设计系统的可行性和合理性，因此搭建一个小功率试验平台，进行一次仿真试验。受基本测试条件限制，完全按照220 kV变电站直流照明系统参数搭设试验环境是较为困难的。因此，以合理的方式缩小电容容量和负载功率，通过小功率试验验证此次设计系统的节能效果。

3.1 试验准备

选择SPS公司生产的电容模组。该硬件额定电压为220 V。电容模组基本参数如表1所示。

表1 电容模组基本参数

电容模组选择完毕后，选择照明负载。此次研究的照明系统以实验室灯箱为负载，要求该灯箱可以接入220 V的额定电压，同时还可以接入不同功率的灯泡。通过改变灯泡接入情况，调节负载大小。结合此次研究目的，选择稳压电容和电感，要求稳压电容的电容量为2 200 μF、最高工作电压为450 V。电感则选择5 mH的绕线电感，最大工作电流为5 A。然后，综合考虑额定电压、额定电流、开关频率以及驱动电压等因素，选择绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT) SKM200GB124D作为开关元件。该开关可承受的最大电压为1 200 V，最大电流为100 A，工作温度范围为40～115 ℃，具有低损耗和高耐压值的特点。最后，选择IGBT驱动板，利用该板放大数字信号处理器(digital signal processor,DSP)脉冲输出功率，实现驱动IGBT的目的。

3.2 占空比测试

当电容两端电压与设定的参考电压近似时，系统输出-9～+15V的低占空比波形。当电容两端电压与设定的参考电压之间的差值增大时，输出的波形占空比也会随之增大，从而实现升压这一控制目的。不同升压需求的占空比测试结果如图4所示。

图4 不同升压需求的占空比测试结果

根据图4所示的测试结果可知，实际的低占空比波形和高占空比波形与预期占空比波形高度近似。因此，此次节能优化设计的照明智能控制系统达到了效果预期。

3.3 负载电压测试

为了进一步验证此次研究系统的节能效果，通过改变灯箱接入电灯的方式来改变负载功率。因此，在系统中分别接入了50 W、100 W和150 W的灯泡作为负载。在仿真测试平台模拟照明供电试验中，分析电容两端电压波形、负载两端电压波形，验证智能控制下的节能效果。不同负载下的电压波形测试结果如图5所示。

根据图5所示的三组测试结果可知，在智能控制下照明系统实现了稳压输出。对于不同的负载，在节能控制要求下，将稳压放电时间控制在605 s、264 s以及186 s之后，此时的占空比达到了极限值。可见此次研究设计的照明智能控制系统具有节能输出功能。

图5 不同负载下的电压波形测试结果

4 结论

本文设计以传统照明系统的设计方案为依据，通过改变系统硬件连接与软件性能，强化了系统的节能效果。该设计还存在不足之处：照明应用环境的变化可能影响试验效果。照明智能控制系统还可以进一步优化，提高其节能智能控制功能。