Энергоэффективная система наружного освещения

Энергоэффективность — настолько злободневная и в то же время тяжёлая для нас тема, что практически все направления работы по этой теме следует признать весьма и весьма необходимыми" .

Д.А. Медведев, президент РФ.

Актуальность проблемы. Сети уличного освещения (УО) являются неотъемлемой частью инженерной инфраструктуры любого муниципального образования. Затраты на освещение в сетях УО в населенных пунктах оцениваются около 30% от всех муниципальных затрат на электроэнергию, и с учетом дополнительных расходов на обслуживание сетей освещения составляют весьма значительную долю в структуре муниципальных бюджетов, например, в г. Москве за 2009 г. электропотребление 75,584 млрд. кВт-ч [1]. По приблизительным оценкам [2], количество электроэнергии, идущей в Российской Федерации (РФ) на цели освещения (свыше 1 млрд. светильников), составляет около 14% от всего вырабатываемого объема. Уменьшение энергопотребления важно не только в экономическом плане — это реальный вклад в решение проблемы изменения климата и эффективного использования ресурсов.

Актуальность мероприятий в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности подчеркивается в Федеральном законе «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности» от 27 ноября 2009 года [3], в котором вводятся понятия энергосбережения, энергосберегающих технологий и повышения энергетической эффективности и устанавливаются отношения в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности, а также соответствующие меры в целях защиты прав и законных интересов граждан РФ путем создания условий для сохранения невозобновляемых природных ресурсов, а также охраны окружающей среды. Аналогичные законы и программы энергосбережения существуют и в большинстве зарубежных стран [4, 5].

Большинство существующих сетей УО в РФ составляют автономно функционирующие фрагменты, управление которыми осуществляется с применением фотореле или таймеров. В качестве коммутационной аппаратуры все еще используются контакторы или магнитные пускатели. Приборы учета электроэнергии — практически повсеместно однотарифные. Кроме того, достаточно часто, особенно в сельских районах, встречаются варианты сетей УО, совмещенных с сетями электроснабжения коммунально-бытового сектора, с ручным выключателем, установленным на опоре воздушной линии, а оплата за потребленную электроэнергию взимается по усредненному количеству часов горения светильников.

Проведенный анализ технических решений (ТР) показал, что для того, чтобы система управления наружным освещением (СУНО) была энергоэффективной, она должна обладать возможностями: адресного управления редукцией мощности каждого светильникацентрализованного мониторинга и диспетчерского управления режимами работыавтоматической адресной диагностики исправности светильников и оборудования [6, 7].

Кроме модернизации сетей УО с учетом современной научно-технической базы, необходимо исследовать и оптимизировать структурную схему СУНО, создать алгоритмы управления и функционирования ее основных элементов, исследовать полученные ТР с помощью моделирования и экспериментов, разработать комплекс программного обеспечения (ПО) СУНО, удовлетворяющих критерию энергоэффективности.

Цели и задачи работы.

1. Исследование структуры системы управления наружным освещением (СУНО) и оптимизация ее по критерию энергоэффективности.

2. Разработка алгоритмического и программного обеспечения основных структурных элементов СУНО.

3. Подтверждение заявленных функциональных, технических и экономических показателей путем математического моделирования, проведения экспериментов и опытной эксплуатации.

Объект исследования: система управления наружным освещением. Предмет исследования: структура энергоэффективной СУНОмодели, алгоритмы и программное обеспечение ее основных элементов.

Методологическую и теоретическую основу исследования составили работы отечественных и зарубежных ученых в следующих областях наук: синтез, проектирование и конструирование систем — М. Ю. Охтилев, В. А. Бесекерский, А. И. Половинкин, Г. С. Альтшуллер и др.- энергосбережение — В.Э. Воротниц-кий, Ю. С. Железко, A.A. Сапронов, C.JI. Кужеков, И. И. Надтока и др.- светотехника — Ю. Б. Айзенберг, М. М. Гуторов и др.- математическое моделирование.

— А. Н. Ткачев, Ю. А. Бахвалов, В. Г. Фетисов, Ю. Г. Булычев и др.- теория чисел.

— C.B. Судоплатов, И. М. Виноградов и дрцифровая обработка сигналов — Ю. А. Брюханов, В. И. Гадзиковский, Н. Т. Петрович, В. Хэмминг, Р. Богнер, Л. Рабинер, Б. Гоулд и др.- электротехника — В. В. Колесников, Ю. М. Осипов, Л. А. Бессонов и др.- алгоритмизация и методы вычислительной математики — A.A. Шалыто, Д. Кнут и др.- теория реляционных баз данных М. Грабер, П. Чен и др. Вопросами практической разработки технических решений в области СНО занимаются научные и инженерные коллективы из Южного федерального университета, Московского энергетического института, Мордовского государственного университета, НИИ «Светотехника», ФГУП НПО «Автоматика» г. Екатеринбург, ОАО «ЭНЭФ», ЗАО «Рефлакс», BL-групп, Echelon Corp., Wossloh-Schwabe и др.

В исследовании использовались методы математического моделированиясистемного анализа и синтезатеории графовтеории цифровой обработки сигналовспектрального анализанатурного экспериментачисленные методы и др.

Информационная база исследования. В исследовании использовались научные источники в виде данных и сведений из книг, статей в журналах, патентов на изобретения, материалов докладов научных конференций и семинаров, законодательных и нормативных актов, результатов расчетов и проведенных экспериментовтехническая и эксплуатационная документация.

Достоверность и обоснованность результатов научных исследований обеспечена совпадением результатов математического моделирования, натурных экспериментов и испытаний, а также результатами опытной эксплуатации СНО в Октябрьском районе Ростовской области с 2009 г. Новизна и реализуемость технических предложений, отраженных в диссертационной работе, подтверждена полученными патентами на изобретения, а также их практическим внедрением.

Научная новизна результатов исследования:

1. Предложена методика синтеза, анализа и оптимизации графа реализуемых технических решений, с использованием которой получена структура энергоэффективной системы управления наружным освещением.

2. Предложен способ передачи и приема информации по сети электроснабжения на основе модуляции основной гармоники сетевого напряжения, отличающийся кодированием и структурированием информации с помощью переданных маркеров, позволяющий реализовать адресное управление устройствами.

3. Предложен способ уменьшения вычислительной погрешности при реализации рекурсивных цифровых фильтров в целочисленной арифметике, отличающийся учетом остатка, полученного при обработке предыдущего отсчета в операции целочисленного деления, и позволяющий устранить эффект «предельных циклов» .

4. Предложен способ передачи и приема информации по сети электроснабжения, отличающийся наложением относительно-фазового манипулированного сигнала в окрестности нуля основной гармоники сетевого напряжения, повторной передачей на ряде фиксированных несущих частот и синхронизацией кадров с помощью циклических контрольных сумм.

5. Разработаны и научно обоснованы модели и алгоритмы функционирования основных структурных элементов системы управления уличным освещением. Практическая значимость работы:

1. Полученная методика анализа и оптимизации графа технических решений позволяет автоматизировать процессы при проектировании технических систем.

2. Предложенные способы передачи информации по линиям электроснабжения просты в реализации, применимы для решения широкого круга задач телеметрии и телеуправления.

3. Практическая реализация способа уменьшения погрешности вычислений позволяет снизить ее до половины младшего значащего разряда и создавать недорогие цифровые фильтры нижних частот без эффекта «предельных циклов» .

4. Предложенный способ автоматической диагностики и локализации неисправных светильников позволяет снизить эксплуатационные затраты до 20%.

5. Разработанный комплекс моделей, алгоритмов и программ позволяет реализовать энергоэффективную систему управления уличным освещением с характеристиками, соответствующими требованиям нормативных документов и повысить качество функционирования наружного освещения при экономии затрат на электроэнергию до 25%.

На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:

1. Методика синтеза, анализа и оптимизации графа реализуемых технических решений, используемая для проектирования энергоэффективной системы I управления уличным освещением.

2. Структура энергоэффективной системы управления уличным освещением, модели, алгоритмы и программы ее функционирования.

3. Способ передачи и приема команд управления по электросети на основе модуляции сетевого напряжения.

4. Способ уменьшения вычислительной погрешности в рекурсивных алгоритмах, использующих операцию целочисленного деления.

5. Способ передачи и приема команд управления по электросети, использующий относительно-фазовую модуляцию наложенного сигнала.

6. Способ диагностики и локализации неисправных нагрузок с помощью измерения тока или мощности потребления линии при адресном управлении режимами работы нагрузок.

Результаты работы использованы при выполнении госбюджетных научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по программам: НИР Г-12.11.МР «Научные аспекты энергоресурсосбережения экологии и безопасности жизнедеятельности в муниципальном и коммунальном хозяйстве», «Исследование и разработка устройства приема и передачи информации по электрической сети переменного тока напряжением 0.4 кВ» (гос. контракт № 5721р/8214 от 31.03.2008) — «Исследование и разработка программно-технических средств системы управления муниципальным освещением» (гос. контракт № 6423р/9055 от 26.12.2008 г.) — «Исследование, разработка и корректировка программно-технических средств системы управления муниципальным освещением, определение их оптимальной функциональности по результатам натурного эксперимента» (гос. контракт № 8071р/9055 от 30.04.2010 г.).

На основании результатов исследования в 2009 г. создана и продолжает эксплуатироваться энергоэффективная СНО, охватывающая 12 сельских поселений, расположенных на территории Октябрьского и Аксайского районов Ростовской обл., позволяющая экономить около 20% эксплуатационных затрат и до 25% затрат на электроэнергию (ЭЭ).

Результаты исследования используются на предприятиях: ОАО «ЭНЭФ» Республика Беларусь, при серийном изготовлении электронных пускорегули-рующих аппаратов (ЭПРА) для натриевых ламп высокого давления со встроенными приемниками команд управленияООО «Лайт-09», п. Каменоломни Ростовской обл., в виде ПО центра мониторинга и управления СНО, ПО микропроцессорных блоков управления линиями освещения и светильниковООО «НПФ ЭЛИС», п. Каменоломни Ростовской обл., в виде патентов на способы передачи адресных команд управления по линиям электроснабжения и диагностики светильников, а также ПО электросетевого модема «ЭЛИС РЬМ.Е.У.2.1» — в учебном процессе ГОУ ВПО «Юж.-Рос. гос. университет экономики и сервиса» г. Шахты Ростовской обл.

Апробация результатов исследования. Основные положения диссертационной работы изложены и одобрены на следующих семинарах и научно-технических конференциях: XXVIII и XXX сессиях Всерос. семинара «Кибернетика энергетических систем»: 27−29 сент. 2005 г., 25−26 окт. 2006 г., 24−25 сент. 2008 г., 28−29 окт. 2009 г. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ), г. НовочеркасскВсерос. научно-практической конференции «Технологии XXI века в энергетике и трансп. коммуникациях: проблемы и перспективы», 21−25 апр. 2010 г., г. СочиЮж.-Рос. форуме «Энергоэффективная экономика», г. Ростов-на-Дону, нояб. 2010 г. По результатам работы получены: диплом и золотая медаль X Московского международного салона инноваций и инвестиций, Москва, сентябрь 2010 г.- диплом и золотая медаль конкурса аспирантов и молодых ученых в области энергосбережения в промышленности, г. Новочеркасск, окт. 2010 г. Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. (НПИ).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 19 научных работ, в том числе 2 работы в рекомендованных ВАК журналах, получено 3 патента на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, списка литературы, включающего 119 наименований, пяти приложений. Основной текст изложен на 209 страницах машинописного текста и иллюстрирован 94 рисунками и 38 таблицами.

Выводы.

1. Разработано программное обеспечение центра мониторинга и управления наружным освещением, в том числе: служба мониторинга для сбора информации от локальных пунктов управления линиями освещениясистема управления базой данныхавтоматизированное рабочее место диспетчера.

2. Разработано программное обеспечение микроконтроллера блока управления линиями, в том числе: модуль управления режимами освещения согласно заданному расписаниюмодуль измерений эксплуатационных параметров линиимодуль диагностики линии и светильниковмодуль управления вБМ-модемоммодуль передачи команд по линиям электроснабжения, в двух вариантах (с модуляцией основной гармоники сетевого напряженияс модуляцией наложенного напряжения).

3. Разработано программное обеспечение микроконтроллера блока управления светильником, в двух вариантах приема сигнала по сети электропитания.

4. Корректность работы программного обеспечения подтверждена результатами опытной эксплуатации системы в Октябрьском районе Ростовской области в течении 2010 года.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В процессе выполнения диссертационной работы были получены следующие результаты:

1. На основе методов математического аппарата теории графов предложена методика анализа, синтеза и оптимизации графа технических решений.

2. В соответствие с предложенной методикой получена структура энергоэф-фекивной системы управления наружным освещением, обоснованы состав и функциональность ее элементов.

3. Предложен способ передачи и приема информации по сети электроснабжения, позволяющий реализовать адресное управление устройствами с помощью модуляции основной гармоники сетевого напряжения. Способ применим в низковольтных электрических сетях, в которых отсутствуют электропотребители чувствительные к провалам напряжения длительностью 10 мс.

4. Разработана математическая модель для оценки соответствия требованиям ГОСТ 13 109–97 на качество электроэнергии коэффициентов гармонических составляющих и коэффициента искажения синусоидальности кривой модулированного напряжения электросети. Путем моделирования получено, что интервал модуляции должен быть не менее 32 полуволн основной гармоники сетевого напряжения. Результаты моделирования подтверждены натурными экспериментами.

5. На основе анализа характера переходных процессов, происходящих при передаче команд в реальных линиях освещения, разработаны ситуационные модели линии освещения в различных технологических режимах, с помощью которых, получен простой в реализации алгоритм приема команд управления, передаваемых по электросети.

6. На основании методов теории чисел разработан способ целочисленного деления, использование которого в цифровых рекурсивных фильтрах позволяет устранить эффект «предельных циклов» и уменьшить вычислительную погрешность до половины младшего значащего разряда. Разработан способ передачи и приема информации по сети электроснабжения, отличающийся наложением относительно-фазового манипулирован-ного сигнала в окрестности нуля основной гармоники сетевого напряжения и синхронизацией кадров с помощью циклических контрольных сумм. Способ применим в низковольтных распределительных электрических сетях, в том числе для бытового и мелкомоторного сектора. Путем моделирования спектрального состава относительно-фазового ма-нипулированного сигнала произведена оценка соответствия его параметров требованиям нормативных документов, регламентирующих передачу сигналов по распределительным электрическим сетям, а также определена нижняя граница несущей частоты сигнала, равная 20 кГц. На основе результатов математического моделирования разработан протокол передачи данных по линиям электроснабжения, алгоритмы поиска рабочей частоты и синхронизации кадров с помощью циклических контрольных сумм. Получено, что при использовании СЯС-8 с образующим полиномом X* +Х5 +Х4 +1 синхронизация достигается за три последовательно принятых кадра.

Разработан способ автоматической диагностики и локализации неисправных нагрузок на основании измерений потребляемого тока (мощности) линии с помощью адресного управления режимами работы нагрузок. Разработаны алгоритмы и программы функционирования основных структурных элементов энергоэффективной системы управления наружным освещением. Корректность работы программного обеспечения подтверждена результатами опытной эксплуатации системы в Октябрьском районе Ростовской области в течении 2009;2011 гг.

Список используемых сокращений.

ASCII — англ. American Standard Code for Information Interchange, американский стандартный код для обмена информацией.

CDMA — (англ. Code Division Multiple Access) — множественный доступ с кодовым разделением, стандарт для сотовой связи.

CSD — англ. Circuit Switched Data, технология передачи данных, разработанная для мобильных телефонов GSM.

GPRS — (англ. General Packet Radio Service) пакетная радиосвязь общего пользования.

GSM — (от названия группы Groupe Special Mobile, позже переименован в Global System for Mobile Communications) (русск. СПС-900) — глобальный цифровой стандарт для мобильной сотовой связи.

HTTP — англ. HyperText Transfer Protocol — протокол передачи гипертекста OSI — (англ. Open Systems Interconnection Basic Reference Model) базовая эталонная модель взаимодействия открытых систем PLC — Power Line Communication.

SQL — англ. Structured Query Language, язык структурированных запросов TCP — англ. Transmission Control Protocol, протокол управления передачей TCP/IP — англ. Transmission Control Protocol/Internet Protocol, — стек сетевых протоколов модели OSI.

UDP — англ. User Datagram Protocol, протокол пользовательских датаграмм xDSL — англ. Digital Subscriber Line — цифровая абонентская линия.

AM — амплитудная модуляция.

АПД — аппаратура передачи данных.

АРМ — автоматизированное рабочее место.

AT — амплитудная телеграфия.

АЦП — аналогово-цифровой преобразователь.

АЧХ — амплитудно-частотная характеристика.

ГТЛ — городские телефонные линии.

ИКР — идеальный конечный результат (при решении технической проблемы) ИЭ — исполнительный элемент КК — контрольная комбинация КС — канал связи.

КЭ — качество электрической энергии ЛВС — локальная вычислительная сеть.

МЗР — младший значащий разряд в представлении целого числа МК — микроконтроллер

МЭМБ — многоуровневый электромагнитный балласт.

НО — наружное освещение.

ОЗУ — оперативное запоминающее устройство;

ООД — оконечное оборудование данных (канала связи).

ОУ — объект управления.

ОФТ — относительная фазная телеграфия.

ПДН — пороговый датчик напряжения.

ПЗУ — постоянное запоминающее устройство;

ПО — программное обеспечение.

ПРС ОМС — пакетные радиосети операторов мобильной связи ПЭ — признак структурного элемента (технического решения) САУ — система автоматического управления СНО — система наружного освещения СПД — сеть передачи данных.

СУНО — система управления наружным освещением СЭ — структурный элемент (технического решения) ТЗ — техническое задание ТР — техническое решение ТС — техническая система ТТ — техническое требование.

УПРУ — универсальное пускорегулирующее устройство.

УЭ — управляющий элемент ФНЧ — фильтр нижних частот.

ФС — физическая среда (используемая для передачи сигналов).

ФТ — функциональное требование.

ФЧХ — фазо-частотной характеристики.

ЦМУ — центр мониторинга и управления.

ШИМ — широтно-импульсная модуляция.

ЭВМ — электронная вычислительная машина.

ЭМС — электромагнитная совместимость устройств.

ЭПРА — электронный пускорегулирующий аппарат.