基于AutoCAD的LED照明系统设计软件包开发

王育飞，王 辉 ，杨兴武，余 啸

(1.上海电力学院 电气工程学院，上海 200090；2.上海宝冶集团有限公司，上海 201900)

引言

LED光源被称为第四代照明光源，具有高效、节能、环保、寿命长、体积小等特点，可以广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明和城市夜景照明等领域，是实现节能减排的有效工具[1-2]。LED节能灯是二十一世纪光源市场的希望，已在欧美等国家大规模应用[3-4]。随着LED技术的迅猛发展及其成本的不断下降，LED灯必将取代传统光源。

我国已逐渐形成成熟的大规模LED照明应用技术，而相应的系统设计技术滞后，不能跟上整体产业的发展。上海世博会试运行时，曾出现由于电网线路存在严重的谐波污染而造成LED灯烧毁和LED闪屏现象[5]。研究如何在大规模LED照明系统设计阶段就将类似的问题解决具有现实意义。同时，世博会上应用的LED照明系统设计技术需要在“后世博”时代得以推广应用，然而如何根据实际条件选择相应的设计也是一个需要解决的问题。目前，常规的建筑电气设计软件用于LED照明系统设计时，无论是电气符号库，还是设计功能都存在不足[6]。因此，开发一款专用于LED照明系统设计的软件包可满足现实的需求。

为规范LED照明系统的设计，提高LED照明工程施工质量，乃至LED行业的总体技术水平，在AutoCAD2008环境下，开发了一套LED照明系统专用设计软件包。软件包不仅包含LED照明系统设计专用电气符号库，用于完成线路图设计，而且可以完成LED照明系统的相关照度计算和电气计算。考虑到LED照明所用驱动电源为非线性元件，会产生谐波电流，软件包还包含专用滤波模块，可用于完成谐波治理设计。软件包的开发完成，能够较好地满足飞速发展的LED照明市场对系统设计的需求，促进大规模LED照明系统的发展与应用。

1 LED照明系统设计方法

开发LED照明系统专用设计软件包，必须从LED照明系统的特性出发进行深入研究。照明系统设计主要包括光照部分设计和电气部分设计，系统设计参考了建筑电气照明系统的设计与计算相关技术标准[7]。

1.1 光照部分设计和计算

1.1.1 光照部分设计

确定LED照明标准、照明方式、照明种类后，要选择好光源、灯具并确定灯具的布置方式。随后要进行照度计算、眩光计算、节能指标校验，最后优化设计方案。具体光照部分设计步骤如图1所示。

图1 LED照明系统光照部分设计步骤Fig.1 Design Procedure of Lighting Part of LED lighting System

1.1.2 平均照度设计

平均照度计算是光照部分设计的关键，确定所需要的照度值后，结合其他已知条件就可确定LED灯具的功率和数量。平均照度的计算通常应用利用系数法，该方法考虑了由光源直接投射到工作面上的光通量和经过室内表面相互反射后再投射到工作面上的光通量。应用利用系数法计算平均照度的基本公式为：

(1)

式中，Eav——工作面上的平均照度，单位：lx；

Φ——光源光通量，单位：lm；

N——光源数量；

U——利用系数，一般室内取0.4，室外取0.3；

A——工作面面积，单位：m2；

K——灯具的维护系数，环境污染特征为清洁时取0.8，一般时取0.7。

1.2 电气部分设计和计算

1.2.1 电气部分设计内容

电气部分的设计内容主要包括确定LED照明供电电源、确定配电系统、确定配电系统接地方式、功率统计和负荷计算、配电线路设计、计算电压损失、配电线路保护电器的选型和参数的确定、开关和控制方式的设计、确定电能计量方式、确定灯具和配电箱、开关、控制装置的安装方式、线路敷设方案的确定等。具体电气部分设计步骤如图2所示。

1.2.2 电气部分设计计算

1.2.2.1 计算电流

LED照明设备的电流总是滞后电压一个相位角φ，因此其功率因数cosφ<1。在求照明系统的计算电流时，必须考虑这个因素，不能将各类照明设备的电流直接相加作为总电流。

单相照明线路的计算电流为：

(2)

图2 LED照明系统电气部分设计步骤Fig.2 Design Procedure of Electrical Part of LED lighting System

式中，Ic——单相照明线路的计算电流，单位：A；

UP——照明线路额定相电压，单位：V；

cosφ——光源的功率因数；

Pc——单相照明线路的计算负荷，单位：W。

对于三相照明线路，可应用式(2)分别求出每一相的计算电流，选取最大一相的计算电流作为三相电路的计算电流，并以此作为系统选择导线、开关等电气设备的依据。

1.2.2.2 无功补偿和有源滤波装置容量计算

采用集中补偿方式时，总的补偿容量由式(3)决定，如下：

QC=PC(tanφ1-tanφ2)

(3)

式中，PC——最大有功计算负荷，单位：kW；

φ1——补偿前的功率因数角，cosφ1可取最大负载时的值；

φ2——补偿后的功率因数角，参照电力部门的要求确定，一般可取cosφ2为0.9～0.95；

QC——需要补偿的总无功功率，单位：kvar。

有源滤波器容量的计算可参照经验公式(4)，即

PAPF≈1.5PCTHDi

(4)

式中，PC——最大有功计算负荷，单位：kW；

THDi——电流谐波总畸变率；

PAPF——有源滤波器容量，单位：kW。

2 LED照明系统专用设计软件包开发

LED照明系统设计中，照明计算是一项很重要的内容，是照明方案合理性的主要依据。目前，光源、灯具不断更新和发展，项目复杂程度也愈来愈高，使得查表、手工计算愈来愈困难，而计算机技术的发展为照明计算提供了有效的手段。设计的LED照明系统专用设计软件满足施工平面图、系统图绘制和照度计算、电气计算的要求。开发的LED照明系统设计软件围绕照明设计施工图的内容与深度进行。首先采用利用系数法估算需要布置的灯具型号与数量；采用动态布置照明设备的方式，在布置设备的同时看到并调整布置结果，从而显著提高设计速度；采用模糊接线功能，在提高线路敷设效率的同时大大减轻工作强度。

2.1 软件菜单编制

2.1.1 AutoCAD菜单文件结构及类型

在AutoCAD中，菜单和工具栏定义都是放在菜单文件内的。菜单文件可分为主菜单文件和局部菜单文件。主菜单文件用于定义按钮菜单、下拉菜单、光标菜单、工具栏、图标菜单、屏幕菜单和数字版菜单，而局部菜单文件通常只定义下拉菜单和工具栏。

AutoCAD中只能同时加载使用一个主菜单文件，但可以加载多个局部菜单文件与主菜单文件并存使用。这样软件菜单文件的编写有两种方法：修改主菜单文件或者编写并加载局部菜单文件。

但是需要注意的是，AutoCAD的主菜单acad.mnu，不仅文件庞大，而且每个版本的内容都不尽相同。如果将自定义功能放在该文件内，那么每次升级都需要进行更改，不仅繁琐，还容易出错。而采用局部菜单，只需要另外编辑一个*.mnu文件，然后进行加载即可，文件较小又容易编辑和管理。

不管是主菜单还是局部菜单，每个菜单文件都必须指定一个唯一的菜单组(Menu Group)名称作为区别，通常菜单组名称和文件名相同，以方便管理。原始菜单文件(*.mnu)是一个文本文件，可以用任何文本编辑软件编写。载入该文件会产生新的文件*.cui和*.mnr。菜单源文件*.cui会随时更新以保存对下拉菜单和工具栏的变动，由AutoCAD自动维护，该文件也是文本文件，并且可以将它更名为*.mnu文件使用。*.mnr文件是一个二进制菜单文件，可以被AutoCAD直接使用。

2.1.2 自定义用于执行程序的局部菜单

以LED壁灯为例，说明局部菜单文件的建立。假设现在建立了一个名为“壁灯. lsp”的AutoLISP程序文件，其功能为画出壁灯的图形，然后将这个LISP程序文件保存在D：lisp目录内。

首先，使用文本编辑器在D：lisp目录下建立一个名为LEDCAD.mnu的菜单文件，其内容如下：

***MENUGROUP=LEDCAD

***POP1

[LED照明电气系统]

[壁灯]^c^c^p(load“壁灯”)bideng

注意，.mnu文件内的最后一行必须为空行。“***MENUGROUP=LEDCAD”用于指定该菜单文件的菜单组名是LEDCAD。因为每个菜单文件内都必须指定一个菜单组名称，通常和文件名相同。另外需要注意的是，AutoCAD采用层次结构来管理菜单文件的内容，***是最上层结构，**是第二层结构。

“***POP1”用于声明第一个下拉菜单。在AutoCAD中，每个菜单文件内可以指定最多16个下拉菜单，声明方式均为“***POPn”。该例中，“***POP1”下方[LED照明电气系统]为菜单标题，加载后将显示在菜单栏上；[壁灯]为第一个菜单项目名称；^c^c^p(load“壁灯”) bideng为单击该项目执行的动作。其中：^c相当于按一下ESC键，中断当前的命令或动作；^p为切换菜单相应开关，使执行的命令不显示或显示；(load“壁灯”)将载入“壁灯.lsp”文件。Bideng为执行该函数。这样，每当用户单击“壁灯”项目，AutoCAD都会加载“壁灯.lsp”文件一次，并执行“bideng”函数。按照同样的方法将其他元件的执行程序都编写到菜单文件中，加载后形成的菜单文件如图3所示。

图3 LED照明电气系统局部菜单Fig.3 Local menu of electrical part of LED lighting system

2.2 电气符号库设计

LED照明系统设计软件中，应包括一个齐全的、预先做好的电气符号库，符号库中为使用者提供大量的LED灯具、开关、插座、线缆、变压器、配电箱柜和滤波设备等电气符号。

设计的电气符号库包括LED灯具库、变压器库、开关与插座库、滤波器库、配电箱库、普通照明库和线缆库七大部分，共78个常用建筑电气符号。设计电气图形符号库时，参考了图集《09DX001 建筑电气工程设计常用图形和文字符号》。该图集包含了多种传统灯具的图形符号和文字符号，例如单管荧光灯、双管荧光灯等，但对LED灯具只采用文字标注的方式，并没有专门的图形符号；而且LED灯具的大规模使用需要考虑滤波问题，该图集也缺乏相应的滤波图形符号。

为了直观地表示LED灯具，参考和借鉴了发光二极管的电路符号，对LED灯具的图形符号进行了创新，设计了13种常用LED灯具，并根据滤波器的原理，对滤波器的图形符号进行了创新。图4(a)为LED壁灯的电气图形符号，图4(b)为LED弯灯的电气图形符号，图4(c)为LC滤波器的电气图形符号，图4(d)为有源滤波器的电气图形符号。

图4 LED灯具和滤波器电气图形符号Fig.4 Electrical symbols of LED lamps and filters

利用Autolisp编程实现了电气图形符号的绘制，现以LED吸顶灯为例，说明电气图形符号的实现和使用。图5为绘制LED吸顶灯的程序流程图。

图5 绘制LED吸顶灯的程序流程图Fig.5 Flow chart of ceiling lamp drawing

在绘图时，利用输入的起点和终点来确定图形的位置、方向和比例。在软件安装完成后，单击LED照明电气系统→电气符号库→LED灯具→LED吸顶灯，程序开始执行。首先应用程序在后台会设置AutoCAD的环境变量，关闭捕捉。随后AutoCAD界面的命令行会提示“输入起点”。“输入起点”用单击鼠标左键的方式来拾取一个点，确定插入图形的位置；起点确定后，命令行提示“输入终点”，“输入终点”也用单击鼠标左键的方式来拾取一个点，确定插入图形方向和比例。输入终点后，程序会自动判断起点和终点是否为同一点，如果为同一点，将要求重新输入终点。输入完成后，图形的位置、方向和比例也就确定了，程序转入后台执行，根据输入，程序计算中点和其他特征点，完成图形的绘制，最后程序会自动还原环境变量，开放捕捉。

2.3 照度和电气计算模块设计

2.3.1 照度计算模块

在LED照明系统设计软件中，可以根据房间的大小、灯具类型、维护系数和房间要求的照度值，计算工作面上达到照度标准时需要的灯具数。照度计算模块采用的是利用系数法，计算平均照度与配灯数量，根据房间照度要求、维护系数和利用系数就可以求出灯具数，如图6所示。

图6 照度计算模块Fig.6 Illumination computing module

单击[照度计算]模块会弹出如图6所示对话框，该对话框由[房间参数设定]栏、[利用系数]栏、[光源参数设定] 栏和[计算结果]栏四部分组成。[房间参数设定]栏主要是用来设定房间参数的，其中房间的长和宽由用户自行输入。[灯具安装高度]和[工作面高度]两项分别表示灯具距地面高度和所要计算照度的工作面离地的高度，缺省值分别为3m和0.8m。[利用系数]栏主要是用来计算利用系数的，可在[利用系数]编辑框中选择室内和室外选项，利用系数分别取0.4和0.3。

图7 电气计算模块Fig.7 Electrical part computing module

2.3.2 电气计算模块

电气计算模块用于计算一个LED照明电气系统的计算负荷、计算电流和需要的无功补偿和谐波抑制装置容量，见图7。输入额定有功功率和利用系数，计算得到计算负荷功率；再根据功率因数和额定电压，计算得到计算电流；根据补偿前后的功率因数，计算得到无功补偿容量值；输入总谐波畸变率，得到谐波抑制装置容量。

3 结论

(1)参考建筑电气照明系统的设计与计算相关技术标准，考虑LED照明系统的特性，对大规模LED照明系统的设计和计算方法进行了深入研究。从确定设计照度、选择照明方式、光源和照明器的选择、合理布置照明器、照度计算等几方面研究了LED光照部分设计，其中平均照度的计算采用了利用系数法。从确定供电电源形式、确定配电系统、负荷计算、电器设备的选择、无功补偿和滤波装置装置的配置等几方面深入研究LED电气部分设计，其中照明负荷的计算采用需用系数法；给出了电流的计算方法和适用于LED供电系统的无功补偿和谐波治理装置容量的计算方法。

(2)在AutoCAD 2008软件环境下，采用AutoLISP&DCL编程语言，开发了专用于LED照明系统设计的软件包。首先，按照软件的功能目标设计了整体界面，包括图形库菜单、电气计算菜单和照度计算菜单，其中图形库菜单下设LED灯具、线缆与开关、配电箱柜与滤波装置等器件或设备的图形模块。然后，在深入调研和分析LED器件与设备电气标准的基础上，设计了电气图形库，其中每个元件或设备模型都对应一个*.lsp程序，根据电气符号编写相应的绘图程序，再将程序打包归类成图形库，并在菜单栏中添加图形库菜单。最后，根据常用的照度和电气计算功能编写相应的计算程序，将所有程序打包归类成不同的计算库，在菜单栏中添加照度计算和电气计算菜单，菜单栏可调用相应的对话框，相应计算可在对话框中完成。

该研究成果达到了预期目标，为我国大规模LED照明系统的设计与施工提供一定的技术支撑，具有重要的现实意义与应用前景。相信在不远的将来，大规模LED照明技术将在我国得到越来越多的实际应用，该研究成果也将能够在市场中得到推广应用。

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[2] 郝洛西, 杨秀. 基于LED光源特性的半导体照明应用创新与发展[J]. 照明工程学报, 2012, 23(1): 1-6.

[3] Sammarco John J, Mayton Alan G, Lutz Timothy, et al. Discomfort glare comparison for various LED cap lamps [J]. IEEE Tras. on Industry Applications, 2011, 47(3): 1168-1174.

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