基于双频电力载波的智能化节能照明管理系统

张丽娟 潘岑诚 秦燕

摘 要：主要研究基于双频电力载波智能化节能照明管理系统，分析了智能化节能照明管理系统中双频电力载波技术的应用思路，并给出了一种硬件设计方法。

关键词：双频电力载波；智能化；照明管理

国家经济发展迅速，工业生产和国民消费消耗了大量的电能，我国的电力中绝大部分都来自火力发电，造成了大量的碳排放和环境污染，并且煤炭属于一种不可再生资源，为了减轻环境压力，节省能源，有必要大力开展节能工作，发展双频电力载波智能化节能照明系统，对节省城市照明电力消耗有着重要意义。

一、设计思路

介绍了双频电力载波的基本原理并对基于双频电力载波的智能化照明管理系统结构进行了分析。

（一）双频电力载波

双频电力载波数字信号处理借助数字信号处理器完成数据通信，并能够根据电力线上干扰情况自动调整其灵敏度，采用双频数据通信方式，主频通信受到严重干扰，可以迅速切换到备用频率上保持正常通信，通信报文还能够实现自动纠错，可以根据报文中的纠错码识别并消除报文错误。双频电力载波通信有A和C两个波段，欧洲地区A波段比较常用，我国主要使用C波段。C波段双频载波主载波频率132kHz，副载波频率115kHz，主载波频率的畸变纠正能力、抗造能力以及数据包分辨能力都优于副频率。

（二）系统结构

如图1，双频电力载波智能化节能照明系统有单灯控制器、区域控制器和中央控制器三层系统结构。单灯控制器顾名思义，是某一个灯的控制器，一般安装在照明现场，主要功能有开关、亮度控制、工作电流检测、故障诊断和温度监测等。区域控制器一般都安装在照明区域集线柜中，主要有功能有节能优化算法执行、灯具启停、下达亮度调节指令、检测电力参数、记录数据等，一个区域控制器能够负责200个灯的管理工作，借助双频控制技术和单灯控制器进行数据通信。中央监控中心提供了友好的人机界面，能够使用无线网络进行路灯工作状态的实时监控，并将启动、关闭以及亮度调整指令传达给区域控制和照明现场。

二、硬件设计

双频电力载波智能化节能照明管理系统硬件设计主要包括单灯节点、调光电路、节点通信、监控中心等几方面内容。

（一）单灯节点

单灯控制器与区域控制器之间的数据通信借助双频电力载波实现。PL3120电力载波芯片上的Neuron处理器核心和一个电力线收发器满足了控制和通信功能需求，其价格也能够满足消费类产品的成本要求。电力载波芯片上的A/D滤波，将模拟信号转变为数字信号，DSP进行数字信号解码，数据处理后和Neuron芯片交换，同时对将要发送的信号进行编码，D/A将数字信号转变为模拟信号之后，经功率放大器发送回耦合电路。

单灯控制节点还能够监控灯的工作温度，温度传感器将温度信号通过运放电路与A/D转换电路输入单灯控制器，电压和电流的检测则依据信号检测系统的功率消耗以及功率因素监测值来计算，检测节点和灯泡之间电流的大小还可以判断灯泡是否存在故障。

（二）调光电路

窄带数字信号处理技术和前向纠错算法能够有效解决电力线干扰、噪声以及信号衰减等问题，保证了数据通信的准确性和可靠性，并且安装中无需额外增加通信网络线路，工程量小。并且变压器隔离式耦合电路的抗干扰能力更强，可以有效防止浪涌电压造成的设备击穿。

调光的思路是，过零点后的一段时间，双向可控硅开关导通触发，触发响应时间延长，可控硅导通时间将变短，灯的亮度就随之下降。因此需要提取交流电压过零点，基于此判断信号触发的时间，从而控制亮度。50Hz正弦交流电光耦取得过零点同步信号，将其发送到双频载波芯片，可控硅开关导通，根据系统时间设置延时，延时时间越长，灯亮度越小。

（三）节点间数据通信

控制器的数据通信与采集功能通过AT89C2051实现，形成照明现场区域控制，以PL3120芯片联通控制器和电力线网络，一方面连接单灯控制单片机，一方面接入耦合电路连接电力线。如果AT89C2051没有SPI串行总线接口，可编程模拟SPI操作，写成C51单片机程序。

（四）监控中心

Microsoft Visual Studio为监控中心提供了SOAP/XML软件开发接口，通过简单调用就能够进行监控中心软件区域控制器上数据的远程访问配置。开发软件加载接口信息文件和区域配置设置文件之后，能够通过通信接口收发报文。管理中心软件主要有制定调度策略、数据通信、数据记录、报警、数据报表等功能，实现对远程单灯控制器的自动/手动控制，包括亮度调节、开关、故障诊断、状态监测等多种行为。

三、结语

城市照明系统电力线通信信道衰减大，噪声强，为了进一步提高报文传输的有效性，基于双频电力载波通信技术，选择增强型Lon Talk代理协议，使用了区域控制器自学习报文路由功能，报文转发机制固化在单灯节点Neuron固件上，获得了理想的通信可靠性，显著提升了城市照明系统的节能性能。

参考文献：

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[2] 于建明，杨帅，薛岚.基于双频电力载波的智能化节能照明管理系统[J].照明工程学报，2013（03）.

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