透析LMAS系統(tǒng)節(jié)能控制

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摘要：lmas（LightscapeMonitoring&AdministrationSystem）是城市照明監(jiān)控管理系統(tǒng)的簡稱。本文在研究現(xiàn)今國內(nèi)城市LMAS應(yīng)用現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，結(jié)合城市照明網(wǎng)總線星形結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及目前通信技術(shù)的發(fā)展，提出了城市照明網(wǎng)智能管理的新模式及其優(yōu)化方案，以智能管理和節(jié)能控制為目的，結(jié)合工程實(shí)踐，對城市LMAS系統(tǒng)的工作原理和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析論述，并進(jìn)行了系統(tǒng)功能、體系結(jié)構(gòu)及軟件的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：LMASGPRS智能管理節(jié)能控制

引言

城市照明管理是城市管理中技術(shù)含量最高、難度最大的工作之一，很大程度上反映了一個(gè)城市的經(jīng)濟(jì)實(shí)力、人文特色和現(xiàn)代化水平。九十年代起，有少數(shù)城市陸續(xù)局部安裝了路燈計(jì)算機(jī)自動(dòng)測控系統(tǒng)，但其自動(dòng)化程度不高，系統(tǒng)可靠性低。目前國內(nèi)大部分系統(tǒng)都只能初步地實(shí)現(xiàn)“三遙”控制及“線控”，不具備“點(diǎn)控”即監(jiān)控到燈的功能，且控制方法多為“鐘控”和“光控”，二者均不能實(shí)現(xiàn)開關(guān)燈控制的合理化、科學(xué)化，能源浪費(fèi)顯著，燈具設(shè)備壽命短。其安全運(yùn)行目前基本依靠工作人員夜間巡視和群眾舉報(bào)的方式，造成發(fā)現(xiàn)故障的時(shí)間長、勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低。作者針對上述問題提出了城市LMAS的新模式，對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了功能、體系結(jié)構(gòu)及軟件的優(yōu)化設(shè)計(jì)。實(shí)踐證明：系統(tǒng)除能實(shí)現(xiàn)“五遙”外，還能實(shí)現(xiàn)單燈的智能監(jiān)控，其安全性和節(jié)能效果顯著。

1、智能管理的優(yōu)化設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的研究將多元化的事務(wù)形成一個(gè)統(tǒng)一的模塊化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的整體系統(tǒng)，在實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的監(jiān)控能力的同時(shí)，充分體現(xiàn)高度智能化、安全性、可靠性和能源的有效合理利用。本系統(tǒng)克服傳統(tǒng)的不足，在優(yōu)化軟硬件結(jié)構(gòu)的同時(shí)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)模塊化，通過集中控制和信息交流，采用多級(jí)管理結(jié)構(gòu)，使得整個(gè)系統(tǒng)自成體系，形成全新的管理模式。其智能管理模式的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

其一，提高節(jié)能效果，采用先進(jìn)的技術(shù)設(shè)備帶來運(yùn)行管理維護(hù)成本的降低，通過專用的路燈節(jié)電器和智能可調(diào)光電子鎮(zhèn)流器的配合作

用，摒棄隔盞關(guān)燈的落后設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)光照度的遙調(diào)，達(dá)到節(jié)約電能和保護(hù)設(shè)備雙重目的；

其二，提高可靠性，采用“點(diǎn)控”技術(shù)和故障冷測試技術(shù)，保證未開燈情況下也能發(fā)現(xiàn)路燈故障、老化及斷路等問題，方便維護(hù)管理，確保高亮燈率，升級(jí)“線控”與“面控”技術(shù)；

其三，提高安全性，采用“實(shí)時(shí)監(jiān)控”技術(shù)，實(shí)現(xiàn)遙測、遙信、遙控、遙調(diào)、遙視等“五遙”功能，實(shí)時(shí)監(jiān)測并控制系統(tǒng)可能發(fā)生的災(zāi)變，保證系統(tǒng)正常穩(wěn)定的運(yùn)行；

其四，系統(tǒng)具備防竅電與防盜功能，通過對運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，異常變化時(shí)及時(shí)報(bào)警；

其五，提高管理效率，采用分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以及數(shù)據(jù)分布采集、信息集中管理的方式，主控中心可對整個(gè)所轄照明網(wǎng)進(jìn)行有效管理，提高管理的自動(dòng)化水平和智能化水平。

2、系統(tǒng)工作原理

2.1通信方案設(shè)計(jì)

結(jié)合城市照明網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（總線星形結(jié)構(gòu)）及目前通信技術(shù)的發(fā)展，系統(tǒng)通信采用GPRS無線通信術(shù)[1]與電力載波通信相結(jié)合。GPRS通信方式具有投資成本低、通信質(zhì)量可靠、通信速率高，實(shí)時(shí)在線，按流量計(jì)費(fèi)（或包月）的特點(diǎn)。尤其是GPRS的實(shí)時(shí)在線特性，使系統(tǒng)無時(shí)延，無需輪巡就可以同步接收、處理多個(gè)/所有終端的數(shù)據(jù)，GPRS與其核心網(wǎng)絡(luò)中精確的信令處理程序相結(jié)合，以分組打包數(shù)據(jù)的形式傳遞短消息，克服了現(xiàn)有短消息業(yè)務(wù)在延遲時(shí)間、處理能力和無線資源利用率方面存在的固有缺陷，為短消息提供更高的傳輸速率和更快的發(fā)送時(shí)間。而采用電力載波技術(shù)無需再鋪設(shè)通信電纜就可實(shí)現(xiàn)對每盞燈的檢測（一般的電力載波芯片其通信距離不超過1千米，與目前燈具配電柜控制范圍相當(dāng)）。在主控中心（主站）與配電監(jiān)控終端（分站）之間采用GPRS無線通信，在配電監(jiān)控終端與單燈監(jiān)控終端（子機(jī)）之間采用電力載波通信技術(shù)。圖1為系統(tǒng)通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。

圖1系統(tǒng)通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

Fig.1TheTopologyStructureofSystem‘sCommunication

2.2工作原理

系統(tǒng)采用分布式主從監(jiān)控方式，主體為星型網(wǎng)，各子站構(gòu)成星型網(wǎng)的外圍節(jié)點(diǎn)，采用半雙工通信工作方式。每個(gè)分站和子站都有自己的專用地址，主站可對其進(jìn)行選呼和群呼通信。選呼通信是針對某一特定終端的點(diǎn)對點(diǎn)通信方式，主要用于設(shè)備控制和日常維護(hù)工作；群呼通信是點(diǎn)對多點(diǎn)通信方式，主要用于參數(shù)狀態(tài)量測等工作。

為了盡量縮短系統(tǒng)巡檢周期，以便能在最短時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)燈具故障，采用故障上報(bào)和巡檢相結(jié)合的工作模式。分站根據(jù)預(yù)先設(shè)定的告警限判斷站點(diǎn)燈具設(shè)備是否發(fā)生故障，當(dāng)燈具設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，分站自動(dòng)將故障的類型和發(fā)生故障時(shí)的狀態(tài)和運(yùn)行數(shù)據(jù)打包上報(bào)主站，主站記錄并彈出報(bào)警窗口（反拔號(hào)功能）。站點(diǎn)的數(shù)量不影響故障上報(bào)時(shí)間。支持多點(diǎn)同時(shí)告警上報(bào)是短消息通信方式所特有的強(qiáng)大功能，它大大縮短了故障響應(yīng)的時(shí)間。而單頻點(diǎn)的無線數(shù)據(jù)傳輸電臺(tái)，則無法實(shí)現(xiàn)故障上報(bào)，且站點(diǎn)數(shù)量越多，信息響應(yīng)速度越低。同時(shí)，為了在無故障時(shí)監(jiān)控中心維護(hù)人員也能夠查看站點(diǎn)信息，系統(tǒng)也支持巡檢工作方式，即監(jiān)控中心也可以定期查詢各個(gè)站點(diǎn)運(yùn)行信息。

3、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)成分層分布式結(jié)構(gòu)，實(shí)行模塊化設(shè)計(jì)，以便于規(guī)劃和升級(jí)。根據(jù)其通信和工作原理劃分為主控中心、配電監(jiān)控終端和單燈監(jiān)控終端三部分。

主控中心位于城市路燈管理處，是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的操作、維護(hù)、處理、統(tǒng)計(jì)、分析和監(jiān)管的中心。根據(jù)功能要求設(shè)計(jì)為分布式開放式體系結(jié)構(gòu)，其主要優(yōu)點(diǎn)是組合靈活，功能擴(kuò)展方便，通信速率快，可靠性高[2].通過專線接入GPRS網(wǎng)絡(luò)的GGSN，接收采集終端傳來的站點(diǎn)號(hào)、注冊、運(yùn)行參數(shù)等信息，解析后傳給相應(yīng)管理軟件，作進(jìn)一步處理與顯示。具體組網(wǎng)結(jié)構(gòu)見圖2.

圖2主控中心分布式開放式網(wǎng)絡(luò)圖

Fig.2TheControlCenter‘sDistributingandOpeningNetwork

配電監(jiān)控終端位于路燈配電柜內(nèi)，按嵌入式系統(tǒng)要求設(shè)計(jì)，既可由主站控制，也可獨(dú)立工作，實(shí)現(xiàn)對所管轄路燈的智能監(jiān)控。監(jiān)控終端采用分布式結(jié)構(gòu)，由數(shù)字單元、模擬量I/O回路單元、開關(guān)量I/O回路單元、非電量輸入電路單元、人機(jī)對話回路單元、通信接口單元、電源單元等組成[4]，具有燈光節(jié)能設(shè)備控制接口。分控點(diǎn)傳輸設(shè)備主要為GPRSMODEM和載波通信裝置。圖3為分站硬件結(jié)構(gòu)圖。

圖3分站硬件結(jié)構(gòu)圖

Fig.3TheSubstation‘sHardwareframework

單燈監(jiān)控終端裝設(shè)在每盞燈的燈柱或燈罩內(nèi)，包括電力調(diào)制解調(diào)器、電源濾波器、微處理器、整流與補(bǔ)償單元、開關(guān)與電源單元、鎮(zhèn)流與啟輝單元等部分。采用專用可調(diào)光電子鎮(zhèn)流器，它包括一個(gè)鎮(zhèn)流器和光源狀態(tài)監(jiān)視器兩部分。光源狀態(tài)監(jiān)視器用于監(jiān)測每盞燈的開關(guān)狀態(tài)，通過檢測其電流，實(shí)現(xiàn)對每盞燈的監(jiān)測，如故障準(zhǔn)確定位及明燈率的精確計(jì)算等。增加專用的故障測試儀可作為信號(hào)源輔助實(shí)現(xiàn)對單燈及相關(guān)設(shè)備、線路的故障冷測試，避免夜間開燈才能發(fā)現(xiàn)故障的情況，提高系統(tǒng)可靠性，確保高亮燈率。

4系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)分為：平臺(tái)層，管理層，數(shù)據(jù)層，應(yīng)用層。每個(gè)層次內(nèi)部都由一組完成一定功能的軟件模塊構(gòu)成，各個(gè)層次相互支撐，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能需求。將軟件體系規(guī)劃為C/S結(jié)構(gòu)，基于互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，支持遠(yuǎn)程訪問，支持多臺(tái)終端同時(shí)運(yùn)行客戶端軟件，實(shí)行全組件模塊化設(shè)計(jì)，劃分為五大功能模塊：通信模塊、服務(wù)器模塊、管理模塊、監(jiān)控模塊、GIS模塊[3].

圖4照明網(wǎng)管理軟件系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖

Fig.4TheSystematicFrameworkofLightscapeNetwork‘sManagementSoftware

通信模塊：負(fù)責(zé)主站與分站之間各種信息雙向轉(zhuǎn)發(fā)，利用GPRS網(wǎng)來獲取所有終端的運(yùn)行參數(shù)和告警信息，并將各種指令經(jīng)過GPRS網(wǎng)傳遞給終端，對通信信息進(jìn)行相應(yīng)處理并分類入庫。

服務(wù)器模塊：包括數(shù)據(jù)服務(wù)器和WEB服務(wù)器，管理網(wǎng)絡(luò)共享資源和網(wǎng)絡(luò)通信，為網(wǎng)絡(luò)中的工作站提供各類網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，如數(shù)據(jù)、程序等，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與備份工作。

管理模塊：以地理信息系統(tǒng)為圖形界面，可同時(shí)調(diào)用監(jiān)控模塊和GIS模塊數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對全市照明系統(tǒng)日常工作的全面運(yùn)行管理及系統(tǒng)高層應(yīng)用分析。

監(jiān)控模塊：是該系統(tǒng)的核心，集監(jiān)測、控制、管理于一體。監(jiān)測現(xiàn)場配電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，完成對現(xiàn)場設(shè)備的五遙工作。其功能包括遠(yuǎn)程監(jiān)控、報(bào)警提示、燈具保護(hù)、動(dòng)態(tài)節(jié)電、分析查詢等。

GIS模塊：顯示管理范圍內(nèi)的全部被管理對象的各種信息，自動(dòng)與監(jiān)控系統(tǒng)相互調(diào)用數(shù)據(jù)。可以進(jìn)行對象設(shè)置、地圖操作、分站定位功能、作業(yè)計(jì)劃管理、照明設(shè)備的操作、查詢、統(tǒng)計(jì)和維護(hù)以及維修車輛的調(diào)度等功能。

上述基于GPRS無線通信和電力載波通信相結(jié)合的三層結(jié)構(gòu)城市LMAS系統(tǒng)已在多座城市投入使用，且運(yùn)行狀況良好，實(shí)踐表明，該方案具有組網(wǎng)簡單、節(jié)省投資、能源節(jié)約顯著、功能完備、結(jié)構(gòu)合理等優(yōu)勢，在技術(shù)和實(shí)現(xiàn)上完全可行。結(jié)合本文的優(yōu)化設(shè)計(jì)思想，進(jìn)一步的工作是其功能和結(jié)構(gòu)的深入完善，功能上如故障呼叫搶修子系統(tǒng)和高級(jí)應(yīng)用子系統(tǒng)的建設(shè)，結(jié)構(gòu)上如進(jìn)一步縮小子機(jī)體積等，相信城市照明網(wǎng)管理水平將達(dá)到新的高度。

5、結(jié)論

本文在智能管理與節(jié)能控制方面對城市LMAS系統(tǒng)進(jìn)行了全面的優(yōu)化設(shè)計(jì)，同目前國內(nèi)同類系統(tǒng)比較有較大改進(jìn)與創(chuàng)新。理論和實(shí)踐表明，城市LMAS系統(tǒng)的建立應(yīng)隨著城市建設(shè)的發(fā)展不斷擴(kuò)展和完善，必須全面規(guī)劃，從全局的觀點(diǎn)出發(fā)，既要滿足現(xiàn)在的業(yè)務(wù)管理需求，還要考慮到今后的信息處理增長及其技術(shù)升級(jí)適應(yīng)性的要求。圍繞智能管理和節(jié)能控制之目的，本著保護(hù)前期投資的原則，預(yù)留充足的設(shè)備和技術(shù)擴(kuò)展裕度，達(dá)到穩(wěn)定可靠，自動(dòng)化程度高，節(jié)能效果顯著的目的。

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