基于双频电力载波的智能化节能照明管理系统

于建明 杨 帅 薛 岚

(1.江苏电子产品装备制造工程技术研究开发中心，江苏淮安 223003;2.淮安信息职业技术学院，江苏淮安 223003)

1 引言

随着全球经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，用电量也在以每年10%以上的速率增长，经济的发展和供电总容量的不够，使全球的电力短缺现象有越来越严重的趋势。照明在一个国家中占有非常重要的地位，并且开销巨大，在满足社会需要的同时，大力开展节能工作已经成为当前社会发展的紧迫问题。依靠科技创新打造节能降耗的照明系统，成为构建节约型社会的一项重要举措。在满足交通安全、城市亮化的同时，大力开展节能工作已经成为当前社会发展的紧迫问题。本设计的智能化道路节能照明管理系统在没有牺牲城市照明为代价的前提下，通过调光和合理开启能够实现节能30%，按每年实现对1000个250W的照明灯节能监控，能源节省达20万度。同时该系统利用电力载波在照明系统的220V电力线上传递信息，节省重新铺设控制电缆的麻烦，大大节省工程施工量，维护费用可以节约50%。

2 系统技术原理与方案设计

2.1 核心技术原理——双频电力载波

本系统主要采用先进的双载波频率的数字信号处理手段，通过数字信号处理器完成数据的接收和发送，能够根据电力线的噪声动态调整灵敏度。启动双频传输模式，当主频率通信受阻时可自动切换备用频率继续通信，通信报文采用纠错技术，根据纠错码恢复错误报文［1］。双频电力载波通信有A波段和C波段两种，A波段在欧洲广泛应用，我国采用C波段技术。当工作在C波段时，两个载波频率分别是:第一载波频率为132kHz，第二载波频率为115kHz。在每个载波频率上使用6kHz的频率带宽。第一载波频率具有更好的畸变纠正能力和更强大的数据包分辨能力和抗噪声能力，第二载波频率比第一载波频率的误差校正能力强。

2.2 系统的总体架构

系统主要由单灯控制器节点、区域 (集中)控制器节点和监控中心构成。单灯控制器节点安装在照明现场 (路灯或景观照明灯具中)，主要负责单灯开关、照度调节、工作电流检测、温度检测与故障诊断等功能;区域控制器安装在照明区域控制柜中，主要负责节能优化算法的执行，包括灯具启动、关闭和不同时段亮度调节的时间调度、电力参数的检测、数据记录、报警等功能。一个区域控制器可以管理200个单灯控制节点，它们之间依靠双频电力载波技术实现在220V供电电缆中传递通信信息;监控中心提供良好了人机交互平台，通过无线网络可以实时监控路灯的工作状态，同时可将启动、关闭、调光等控制命令下传到照明现场，如图1所示。

图1 智能化道路节能照明管理系统原理图Fig.1 Intelligent energy-saving road lighting management system diagram

2.3 节点的功能原理

单灯控制器和区域控制器都采用电力载波实现相互间的通信，采用PL3120电力载波芯片。PL3120由一个Neuron处理器核心和一个电力线收发器集成在一起。作为一个单芯片系统，PL3120包括一个高可靠性的窄带电力线收发器、三个分别用于运行应用程序、管理网络通信、介质访问的8位神经元处理器核心、其价格能完全满足对成本最敏感的消费类产品应用要求。节点控制器中以PL3120为核心的中央处理单元结构原理框图如图2所示，PL3120内部的A/D把从电力线耦合来的信号滤波并将模拟信号转换为数字信号。DSP是PL3120的核心部分，它一方面将A/D处理后的数字信号进行解码处理，并将处理后的数据与Neuron芯片进行交换;另一方面，它将需要发送的信号进行编码处理。D/A将数字信号处理单元处理后的要发送的数字信号转换为模拟信号，发送放大电路将D/A转换后的信号进行功率放大并发送到耦合电路［2］。节点检测内部的工作温度状况以便于发现节点是否超负荷工作或者出现了故障，采用温度传感器通过运放电路与AD转换电路将信号输入AT80C2051;利用电压和电流检测通道采集信号监测系统的消耗功率以及功率因数，并通过检测节点供给负载灯泡的电流的大小，以判断负载是否出现了故障;控制节点从上位机接收到的调光和开关命令通过PWM信号以及开关量信号控制照明灯的亮度状态和开关状态;智能化道路节能照明管理系统的节点之间的通信通过电力载波的形式实现，通过耦合电路实现PL3120与电力线的之间的数据交换。

图2 节点控制器的中央处理单元结构原理图Fig.2 CPU structure digram of regional controller

3 节点核心硬件设计

3.1 PL3120和AT89C2051接口

单灯控制器节点和区域控制器节点采用主从处理器相结合的模式，主处理器采用AT80C2051单片机芯片，完成底层的检测与监控任务，从处理器采用PL3120电力载波芯片，主要处理电力线上数据的网络通信。PL3120和AT89C2051采用SPI总线通信，接口电路如图3所示，PL3120芯片的IO10引脚与AT89C2051的P1.0口连接，作为SPI总线中的SI输入线;IO9引脚与P1.1口连接，作为SPI总线中的SO输出线;IO8引脚与P3.5口连接，作为SPI总线中的CLK时钟线;IO0引脚与P3.4口连接，作为 SPI总线中的 CS片选线，用来传输PL3120芯片向AT89C2051发送的片选信号。

图3 PL3120与AT89C2051接口电路Fig.3 PL 3120 and AT89C2051 interface circuit

3.2 节点电力耦合与采集电路

节点采用窄带与数字信号处理，前向纠错算法和双载波频率克服了电力线歇性噪声大、信号衰减快、信号失真等弊端，确保通信的可靠性。安装网络时，无须对现有布线进行任何调整，使用方便灵活。耦合电路采用变压器隔离式，提高了控制器的抗干扰能力，有效防止电压浪涌对设备的损害，如图4所示。

3.3 节点调光电路

调光的实现方式就是在过零点后一段时间才触发双向可控硅开关导通，这段时间越长，可控硅导通的时间越短，灯的亮度就越低;反之，灯就越亮。这就要求要提取出交流电压的过零点，并以此为基础确定触发信号的送出时间，达到调光的目的。50Hz的正弦交流电通过光耦取出其过零点的信号(同步信号)，将这个信号送至AT89C2051的外中断，AT89C2051每接收到这个同步信号后启动一个延时程序，延时的具体时间由系统来设置。当延时结束时，AT89C2051产生PWM触发信号，通过它让可控硅导通，电流经过可控硅流过照明灯，使灯发光。延时越长，亮的时间就越短，灯的亮度越暗。交流电压过零点信号提取电路如图5(a)所示，交流电压通过DF107整流后经过过零点信号提取电路产生的同步信号SYN接到AT89C2051的外中断，此信号的下降沿将使AT89C2051产生中断，以此为延时时间的起点。图5(b)是晶闸管调光电路，单片机AT89C2051输出的PWM触发信号通过光控可控硅MOC3022去驱动晶闸管T435，实现调光。

图4 电力线耦合电路Fig.4 Power line coupling circuit

图5 节点调光电路Fig.5 Regional dimming circuit

4 节点数据通信设计

控制器利用AT89C2051实现数据采集等功能，构成现场级控制部分。利用PL3120芯片作为控制器与电力线网络连接的中间桥梁，一方面完成与单片机控制系统的数据通信，另一方面，通过耦合电路与电力线相连接，方便地实现网络通讯。对于不带SPI串行总线接口的AT89C2051来说，可以使用软件来模拟SPI的操作，采用C51语言编写单片机程序。PL3120芯片应用程序采用Neuron C语言，它是专门为PL3120芯片设计的编程语言，具有多任务调度，多IO支持等特点。PL3120芯片利用SPI串行总线与单片机通信，要在其上声明主控式Neurowire对象，格式为:

io-8 neurowire master|slave［select(pin)］io_object_name;

io-8——指定管脚io-8;

master——指定PL3120芯片在管脚io-8上提供时钟，它被设置为输出管脚;

slave——指定PL3120芯片检测在管脚io-8上提供时钟，它被设置为输入管脚;

select(pin)——为Neurowire master对象指定片选管脚;

io_object_name——该io对象的名字;

在Neurowire对象中，PL3120芯片要利用io-in()和io-out()两个函数完成与AT89C2051单片机的数据交换，由于Neurowire是双向的，输入和输出同时发生，因此调用io-in()和io-out()是等价的，调用哪一个都将启动一个双向传输，数据一次传输8位，首先是最高有效位。AT89C2051利用外部边沿触发中断与PL3120芯片进行数据交换［3］，在CLK时钟信号的下降沿将单片机采集的数据发送到SO数据线上，与此同时，将SI数据线上的数据读入到PL3120的数据缓冲区中，每次传送8位，当一个字节传送完毕后，置高CS，处理现场数据，传送下一个字节。AT89C2051和PL3120芯片程序设计流程图如图6所示。

图6 照明控制节点数据通信流程图Fig.6 Lighting control regional data communication diagram

5 监控中心的设计

使用Microsoft Visual Studio对基于监控中心提供的SOAPXML接口进行软件开发，实现监控中心软件对区域控制器的远程数据访问和配置。每个监控中心都包含两个WSDL文件:iLon100.wsdl和iLon100_System.wsdl。iLon100.wsdl包含了开发管理中心软件时所需SOAPXML接口的所有信息;iLon100_System.wsdl包含了用来配置区域控制器设置的所有系统服务方法。开发软件将这两个WSDL文件加载后，即可通过接口接收和发送每一条报文。开发的管理中心软件内容主要包括调度策略制定并下传配置;读取数据记录并生成报表;报警应答及处理报表，实现对单灯控制器进行手动地远程监控，实现路灯的开关和调节路灯的节电率，采集并显示路灯状态 (节电率、温度、电压、电流)信息等。中心实现用户对所管理路灯的监测和控制，根据设定的时序实现对路灯的开、关和亮度调节控制，可以在任何时间、任何地点实现监控。监控中心界面实现单个路灯故障显示，报警信息显示，显示所有的路灯历史数据，进行实时监控，分析能量消耗数据和所实现的节能数据，察看灯具使用寿命以及更多的其他功能。路灯管理软件自动定期收集各个路灯的工作数据，记录各个路灯的实际工作时间，据此根据灯的种类，制定预防性维护/替换计划，这样可以节省电话服务中心和巡视人员、巡视车辆的成本开支，同时延长灯泡的寿命，减低更换灯泡的成本支出。同时灯泡的实际寿命数据的累积，及修理记录，还可以决定产品供应商的选择和产品确认;详细的品质数据可以用来评估第三方的服务，可以依据实际的数据来进行价格谈判。通过记录工作灯泡的实际工作时间耗能，跟踪实际的问题维护处理时间，平均故障修复时间等统计数据，减少公众对于灯光照明情况的抱怨。

6 自动中继

由于照明系统用于通讯的电力线信道具有高衰减、高噪声的特点，为确保数据报文的可靠传输，需采用增强的LonTalk代理协议，在区域控制器中实现自学习报文路由功能;在单灯节点的Neuron固件中实现报文转发机制［4］。实现上述自动中继功能后，当区域控制器无法和某个单灯节点直接通讯时，可以借助中继节点来实现数据交互。自动中继示意图如图7所示。

图7 自动中继路由示意图Fig.7 Automatic relay routing diagram

为了在设备中实现自动中继功能，需在编写设备程序时添加相应的功能代码。

首先，需要激活增强的LonTalk代理协议，即添加:

#pragma feature E31E2DF7_28CD_4735_AC2D_69E25B74BC6E这一条预编译。

其次，由于自动中继过程中需要中继设备接收、发送报文，这就增加了设备对数据缓冲区的开销，需要对其进行合理的设置。为了有足够的余量来处理来自任何设备的报文，每个缓冲区需增加至少26个字节，最低配置如下:

#pragma app_buf_in_count 2

#pragma app_buf_in_size 82

#pragma app_buf_out_priority_count 0

#pragma app_buf_out_size 82

#pragma net_buf_in_size 82

#pragma net_buf_out_count 1

#pragma net_buf_out_priority_count 0

#pragma net_buf_out_size 82

再次，需要激活响应缓冲区，添加:

extern system far void enable_response_buffering(boolean)代码后，再在reset任务中激活它:enable_response_buffering(TRUE)。

最后，需使用显式报文发送机制，即添加代码如下:

when(msg_arrives)

{#pragma warnings_off msg_in.duplicate;#pragma warnings_on}

7 实验测试与结论

利用电网质量仪FLUKE43B对照明系统工作在功率为250W的照明灯下进行试验测试，将照明灯的功率设定在56%的功率，分别在带补偿电容和不带补偿电容两种情况下进行测试，系统电流谐波频谱图如图8所示。

图8 系统电流谐波频谱图Fig.8 Frequency spectrum of system current harmonic wave

通过对照明灯的进行带电容和不带电容运行的对比测试，得到如下结论:去除电容后，电灯产生少量的谐波，接上电容后，电流谐波被电容器放大，造成严重的谐波干扰，因此会增加输电线路的额外有功损耗，造成功率因素较低。所以本研究下一步的工作是需要严格控制谐波量的指标，克服与补偿电容并网工作时产生的谐波放大现象，将谐波的影响降低到最低。

［1］成建生.基于电力线通信模式的LON控制器的设计［J］.电测与仪表，2011，48(4):86～89.

［2］杨帅，薛岚.采用LonWorks电力载波技术的控制器［J］.低压电器，2011，(13):41～44.

［3］杨帅，薛岚.基于中断方式LON节点处理器SPI接口设计 ［J］.自动化与仪表，2008，23(11):19～22.

［4］姜亚南，杨帅，魏天勇等.基于电力线通信技术的城市路灯节能监控系统［J］.水电能源科学，2011，29(9):161～163.