智能风/光/储LED路灯控制系统的设计与实现

周习祥

(益阳职业技术学院汽车工程系，湖南 益阳 413049)

绝大多数国家的能源结构具有明显的高碳性，日益严重的能源短缺和环境污染问题使得以可再生能源为主的分布式发电系统(DGS)成为全球研究的重点.由于风电和光电输出功率随时间、季节和气候变化而变化，因此发电系统的输出功率存在不连续、不稳定和低密度等问题，导致分布式发电系统难以对孤岛内负荷进行持续、稳定的供电.国内外研究重点主要集中于含风/储微网的配电网可靠性模型建立，风/储互补微网运行方式设计[1]，LED路灯驱动电路设计、混合储能设计和供电模式设计[2-4]，路灯控制系统设计[5-11].而对于在微网发生故障时如何保障微网负载安全可靠地运行，以实现微网侧负荷不间断供电，同时，如何快速准确地获取故障信息并排除故障等的研究并不多.鉴于此，笔者拟以风机、LED光源、太阳能电池板和蓄电池为监测与控制对象，以风光互补智能控制器为中心，设计无线智能分布式风/光/储LED路灯智能控制系统，通过控制中心PC机实现对风/光/储负载的智能监测与控制.

1 系统结构与网络拓扑设计

无线智能分布式风/光/储LED路灯智能控制系统结构(图1)主要包括计算机监测终端或手机监测终端、上位机、无线模块子节点、风光互补智能控制器及其外围电路.网络拓扑(图2)主要包括网关和无线模块子节点.

图1 系统结构Fig.1 System Structure

图2 网络拓扑 Fig. 2 Network Topology

风光互补智能控制器采用美国ATMEL公司的8位单片机ATMEGA32A工业级芯片为核心的测控电路，其外围电路主要包括风力发电机三相电源输入、风力发电机刹车控制信号、光伏电池输入、上位机或无线传输模块、LED光源电压输出、锂电池充放电控制和LED状态显示电路.智能控制器将监测到的所有数据以数字信号的模式通过无线模块子节点相互传输，传输频段采用2.4G全球通用频段，最终将所有信号传递给上位机.但上位机不能直接读取所有无线模块的子节点数据信息，所有子节点数据信息都需通过同侧直线上的无线模块中继转发[4-8].如果某个路灯出现故障，导致该节点远端所有信号均不能通过它进行传输而导致信号中断，那么网关就不能通过直线连接访问该节点远端的节点，此时，网关可启动AODVjr-PB路由算法，通过洪泛(Flooding)机制查找一条至该子节点的最短路由.例如，节点A3出现故障，则网关可访问路径可以是“网关→A2→B3→A4及其后续节点”.上位机内安装移动物联网卡，以GPRS信号模式将信号传递给PC监测终端或手机监测终端.

2 控制系统硬件、软件设计

2.1 硬件系统设计

硬件电路核心是ATMEGA32-AU，它是一块低功耗8位AVR CMOS微控制器，具有先进的RISC结构，有独立锁定位的可选Boot代码区，可通过片上Boot程序实现系统内编程，同时配有1 024 byte的只读E2PROM，2 kbyte的片内SRAM，可以实现用户程序的加密.控制器有32个可编程I/O接口，数据吞吐率高达1 MIPS/MHZ.

硬件电路主要包括多通道切换电路、高精度A/D转换器、多通道采样保持器AD7753、RS-485通讯控制逻辑电路、显示电路、8路I/O输入输出电路、拨码开关电路、键盘处理电路、手自动切换电路、时钟电路、预案存储电路、电源及其他电路等.硬件系统结构框图及控制关系如图3所示.

图3 硬件结构框图及控制关系Fig. 3 Hardware Structure Block Diagram and Control Relationship

2.2 数据采集系统设计

数据采集系统(图4)通过霍尔传感器和电阻测试网络采集光伏电池、风机、锂电池、负载的电流与电压，并对数据采样保持，由A/D转换后输送给单片机，单片机通过运算处理后控制外部LED显示器显示系统工作状态，将数据通过通讯控制逻辑电路以GPRS发送给控制中心，实现远程数据监控.

图4 数据采集系统Fig.4 Data Acquisition System

2.3 通讯电路设计

系统通讯电路采用SIM300GSM/GPRS通讯模块，能为语音、短信息和数据业务等提供无线接口，它集成了完整的射频电路和GSM基带处理器.

2.4 系统软件设计

系统软件流程包括智能控制器软件流程(图5)和控制中心PC机软件流程(图6).

图5 智能控制器软件流程Fig. 5 Software Flow Chart of Intelligent Controller

图6 控制中心PC机软件流程Fig. 6 Flow Chart of Control Center PC Software

3 系统安装与测试

现场搭建无线智能风/光/储LED路灯控制系统(图7).打开PC机控制界面，对路灯进行远程实时监测，监测结果如图8所示.由图8可以看出，系统可以查看路灯(路灯基本信息和部件信息)和上位机(基本信息和调度历史)等的详情.

图7 无线智能风/光/储LED路灯监控系统现场安装Fig. 7 Installation Intelligent Wireless of Wind/Light/Storage LED Street Lamp Monitoring System

图8 路灯和上位机详情Fig. 8 Street Lamp and PC Details

路灯工况详细参数(图9)通过智能控制器分析处理后，由上位机传送给控制中心，控制中心PC机可远程实时读取路灯的相关参数并远程控制.路灯工况的主要参数包括风机参数(风机瞬时转速、风机输出电流、累计发电量、昨日发电量、高阀值、低阀值和状态位)，太阳能板参数(输出电压、输出电流、累计发电量、昨日发电量、弱光阀值、环境光状态和充电状态)，蓄电池参数(电压和亏电状态)，光源参数(亮灯时段、亮灯百分比、调光系数、亮灯参数、功率、累计用电量和状态位)，异常情况显示(光源、风机、太阳能板和蓄电池).

图9 路灯工况Fig. 9 Street Lamp Condition

4 结语

以风/光/储LED路灯为监测与控制对象，以风光互补智能控制器为监测中心，利用无线模块和上位机进行数据传输，通过控制中心PC机实现对风/光/储负载的智能监测与控制.但由于目前风/光/储LED路灯基本以独立微网为主，当遇到连续无风、阴雨天气时，会导致路灯无法正常工作，当遇到大风、晴天天气时，又会造成能源浪费；因此，如果微网采用并网模式，就既能充分利用微网能源，又能保证微网不间断供电.这是路灯控制系统研究亟待解决的问题，也是下一步研究的重点.