發(fā)布時間:2018/9/27 8:54:30 來源:本站
目前絕大多數(shù)的太陽能LED路燈控制器都屬于單燈控制器,不提供組網(wǎng)功能,路燈的管理仍采用人為巡檢方式,消耗大量的人力、物力,而且實時性差,效率低。更重要的是,由于太陽能路燈每天充電量存在不確定性,依賴于天氣狀況,雖然有些太陽能LED路燈利用分時降功率技術(shù)、降電壓控制技術(shù)、定制控制策略等技術(shù)[]實現(xiàn)節(jié)能運行,但沒有將天氣因素考慮在內(nèi),仍無法解決因連續(xù)陰雨天導(dǎo)致的太陽能LED路燈蓄電池充電不足,電能快速被用完的問題。文獻[8]中對此提出了一種感知天氣的太陽能路燈控制策略,根據(jù)當天和歷史的充電量來判斷天氣類型,并結(jié)合蓄電池的剩余電量,采用調(diào)整亮度、亮燈時長優(yōu)先的控制策略,有效的延長了連續(xù)陰雨天氣的亮燈時間。然而,這種控制策略不能夠預(yù)判未來幾天的發(fā)電量,僅僅依賴于當天和歷史的充電量而不考慮未來幾天的發(fā)電量來調(diào)控路燈亮度是不夠完善的。
本文提出了一種基于ZigBee和GPRS通信的遠程監(jiān)控系統(tǒng),結(jié)合歷史天氣信息和天氣預(yù)報信息來調(diào)控太陽能LED路燈照明亮度的控制策略,實現(xiàn)遠程實時查詢、匯報、存儲路燈的亮燈、故障情況,能方便地根據(jù)實際晝夜情況、天氣情況,調(diào)整路燈的亮燈時間與亮度,具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。在遠程數(shù)據(jù)監(jiān)控中心,通過歷史天氣信息和太陽能板歷史發(fā)電量信息,建立起天氣信息與太陽能板發(fā)電量的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,并結(jié)合從氣象臺得知的天氣預(yù)報信息,預(yù)測未來5天內(nèi)的發(fā)電量,并通過數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)將預(yù)測的發(fā)電量發(fā)送給太陽能LED路燈控制器。太陽能LED路燈控制器根據(jù)預(yù)測的發(fā)電量并結(jié)合蓄電池的剩余電量,采用調(diào)整亮度,亮燈時長優(yōu)先的控制策略,對太陽能LED路燈進行模糊控制,這樣既解決連續(xù)陰雨天氣,蓄電池的電能過快被用完的問題,又保證晴朗天氣和蓄電池的電能充足時,路燈全功率高亮度輸出。
圖1 路燈總體控制策略
Fig.1 Overall control strategy of street lamp
基于ZigBee和GPRS的太陽能LED路燈智能照明系統(tǒng)主要由遠程數(shù)據(jù)監(jiān)控與發(fā)電量預(yù)測中心、路燈數(shù)據(jù)匯聚與管理中心、路燈終端控制模塊和太陽能LED路燈道路照明設(shè)施等幾部分組成,其總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。太陽能LED路燈道路照明設(shè)施與路燈終端控制模塊為一體化裝置,路燈終端控制模塊內(nèi)存在ZigBee通訊節(jié)點,與相鄰的太陽能LED路燈內(nèi)的路燈終端控制模塊的ZigBee節(jié)點自組網(wǎng)形成ZigBee無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。ZigBee/GPRS網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)路燈數(shù)據(jù)匯聚與管理,并建立起數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò),一方面ZigBee/GPRS網(wǎng)關(guān)負載底層ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組建以及網(wǎng)絡(luò)的管理,另一方面通過GPRS模塊與Internet網(wǎng)絡(luò)建立數(shù)據(jù)通信,完成監(jiān)控中心控制命令的下傳和各路燈狀態(tài)數(shù)據(jù)的上傳等工作。遠程監(jiān)控與發(fā)電量預(yù)測中心實現(xiàn)對太陽能LED路燈的無線遠程狀態(tài)監(jiān)控。一方面通過ZigBee無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)與ZigBee/GPRS網(wǎng)關(guān)形成的數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)對網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有太陽能LED路燈照明設(shè)施工作狀態(tài)數(shù)據(jù)的實時采集;另一方面,根據(jù)建立的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型與氣象臺得知的天氣預(yù)報信息,預(yù)測未來5天發(fā)電量,并通過無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)向道路照明設(shè)施控制器發(fā)送太陽能LED路燈控制器,調(diào)控太陽能LED路燈亮度。
圖2 太陽能LED路燈監(jiān)控系統(tǒng)
Fig.2 Monitoring system of Solar LED Street Lamp
2.1 路燈終端控制模塊
太陽能LED路燈道路照明設(shè)施與路燈終端控制模塊為一體化裝置,路燈之間的通訊采用ZigBee協(xié)議實現(xiàn)。ZigBee是一組基于IEEE802.15.4標準開發(fā)的有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的通信技術(shù),被業(yè)界認為是最有可能應(yīng)用在工業(yè)監(jiān)控、傳感器網(wǎng)絡(luò)、安全系統(tǒng)等領(lǐng)域的無線技術(shù)。
路燈終端控制模塊除了ZigBee通信功能之外,還具備太陽能LED路燈的基本控制功能。控制終端設(shè)有太陽能板、蓄電池以及LED負載的接口,控制終端的工作電壓來自于蓄電池。為了實現(xiàn)所需控制功能,控制終端還應(yīng)包含處理器主模塊、充電模塊、放電模塊以及必要的驅(qū)動模塊?刂平K端的組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 太陽能LED路燈控制終端
Fig.3 Control Terminal of Solar LED Street Lamp
2.2 ZigBee/GPRS網(wǎng)關(guān)
ZigBee/GPRS網(wǎng)關(guān)作為路燈終端控制模塊與遠程監(jiān)控與發(fā)電量預(yù)測中心的通信樞紐,一方面負責底層ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組建以及網(wǎng)絡(luò)的管理,另一方面通過Internet與遠程數(shù)據(jù)監(jiān)控中心建立數(shù)據(jù)通信。使用GPRS技術(shù)可以隨時通過網(wǎng)絡(luò)運行商的基站系統(tǒng)與Internet建立連接。
在本系統(tǒng)中,ZigBee/GPRS網(wǎng)關(guān)集成了ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點與GPRS網(wǎng)關(guān)模塊,通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)接收太陽能LED路燈功率、電流、電壓和蓄電池充放電狀態(tài)等數(shù)據(jù),并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將相關(guān)數(shù)據(jù)上傳到遠程監(jiān)控中心,完成實時監(jiān)控功能;或者通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將遠程控制數(shù)據(jù)廣播到各路燈控制器節(jié)點,以完成相應(yīng)的控制功能,具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。
圖4 太陽能LED路燈網(wǎng)關(guān)通信終端
Fig.4 Gateway Communication Terminal of Solar LED Street Lamp
3.1 太陽能路燈控制系統(tǒng)
太陽能LED路燈控制系統(tǒng)是一個模糊控制器,輸入為未來5天預(yù)測發(fā)電量及蓄電池剩余電量,輸出為LED燈的工作電流,控制LED燈的亮度。未來5天的預(yù)測發(fā)電量由路燈終端控制模塊通過ZigBee通信,從遠程數(shù)據(jù)監(jiān)控與發(fā)電量預(yù)測中心得到;蓄電池剩余電量通過測量蓄電池在充電和放電時的內(nèi)阻、極化電壓和端電壓得到。太陽能LED路燈控制器依據(jù)模糊量未來5天的預(yù)測發(fā)電量、蓄電池剩余電量,采用調(diào)整亮度,亮燈時長優(yōu)先的控制策略,對太陽能LED路燈進行模糊控制,系統(tǒng)框圖如圖5所示。
圖5 太陽能路燈模糊控制系統(tǒng)
Fig.5 Fuzzy control of Solar Street Lamp
由于LED的亮度與工作電流成非線性關(guān)系,工作電流減少1/2,亮度約下降30%。本文將輸出模糊量LED 燈亮度分為五個等級:“很亮”、“較亮”、“中亮”、“欠亮”和 “不亮”,其中“很亮”為 LED 燈額定工作電流下的亮度。為了實現(xiàn)天氣晴朗,充電量充足,燈盡量“亮”;陰雨天氣,充電量不足,亮燈時間盡量“長”控制策略,制定相應(yīng)的控制規(guī)則,不僅考慮當天的蓄電池剩余電量,還要考慮未來5天的太陽能板發(fā)電量。
3.2 太陽能板發(fā)電量預(yù)測
太陽能發(fā)電受氣候和環(huán)境的影響很大,如100 W的單晶硅太陽能電池,在陽光直射的情況下可以輸出70 W電功率,在陰天輸出電功率僅10 W左右,而雨天的輸出電功率僅3 W左右。目前,對太陽能發(fā)電系統(tǒng)的研究發(fā)現(xiàn),其發(fā)電量主要與天氣類型、氣溫密切相關(guān)[1-3]。本文利用光伏發(fā)電系統(tǒng)歷史發(fā)電量數(shù)據(jù)與歷史天氣數(shù)據(jù)建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來設(shè)計太陽能發(fā)電量預(yù)測模型。然而,歷史天氣數(shù)據(jù)中給出的天氣參數(shù)一般為一些比較模糊的天氣類型描述:如晴天、晴天到多云、陰天、陰天有小雨、小雨轉(zhuǎn)大雨等不是能被神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法所接受的精確值[5]。因此,在使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法前必須考慮如何量化天氣類型。
本文提出用云層的厚度程度來量化天氣類型,并且將歷史溫度與云層信息、預(yù)測日溫度與云層信息和歷史發(fā)電量信息一起作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入,以提高在天氣類型變化時神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測精度;在網(wǎng)絡(luò)中間隱含層中,采用雙曲正切函數(shù)sigraoid作為傳遞函數(shù),此外隱含層神經(jīng)元個數(shù)的選擇直接關(guān)系到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模和精度,可以根據(jù)Kolmogorov定理[6],當如果輸入變量的個數(shù)為n,隱含層神經(jīng)元個數(shù)可取為2n+1個;網(wǎng)絡(luò)的輸出層為預(yù)測的發(fā)電量,采用S型對數(shù)函數(shù)losing作為傳遞函數(shù),使其輸出位于[0.1,0.9]之間,便于數(shù)據(jù)處理。由此可見,本文所設(shè)計的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型如圖6所示。
圖6 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的發(fā)電量預(yù)測模型
Fig.6 Forecast model of Electric power output based on BP neural network model
3.3 蓄電池剩余電量
蓄電池剩余電量是一個模糊量,不容易直接測量,一般是通過放電法來測量。蓄電池剩余電量與蓄電池內(nèi)阻、端電壓和極化電壓有關(guān),可通過在線測量蓄電池內(nèi)阻、端電壓和極化電壓,預(yù)測蓄電池剩余電量。蓄電池內(nèi)阻與荷電程度有較高的相關(guān)性[9](0.88左右),通過測量電池內(nèi)阻可較準確地預(yù)測其剩余電量,并可在電池的整個使用期內(nèi)在線測量。
蓄電池內(nèi)阻測量方法是給蓄電池加上比極化過程變化快的交流信號(如1 kHz),測量電池端電壓、電流以及兩者之間的夾角,得到蓄電池的內(nèi)阻,從而預(yù)測蓄電池的剩余電量[9]。本文將蓄電池剩余電量分為五個狀態(tài):“滿”、“較滿”、“中”、“少”、“虧電”,由于蓄電池剩余電量處于30%以下時處于虧電狀態(tài),因此設(shè)計其隸屬度函數(shù)如圖7所示。
圖7 蓄電池剩余電量的隸屬度函數(shù)
Fig.7 Subordinating degree function of residual electricity in storage battery
根據(jù)溫州氣象臺提供的天氣數(shù)據(jù),對2016年全年日照時間最少的1季度(3月1日至5月30日),進行太陽能LED路燈運行仿真,并與利用分時降功率技術(shù)(固定型下半夜半功率型路燈)的太陽能LED路燈和文獻[8]中的對未來一天的發(fā)電量進行預(yù)測的太陽能LED路燈作對比,仿真結(jié)果見表1,普通型太陽能LED路燈的亮燈率只有79%,文獻[8]中的太陽能LED路燈和本文中的感知天氣型太陽能LED路燈的亮燈率都為100%。由表可見,與常見的利用分時降功率技術(shù)節(jié)能的路燈相比,對未來發(fā)電量進行預(yù)測的路燈都有效的提高了亮燈率,對預(yù)測未來五天發(fā)電量的路燈與文獻[8]中的路燈相比,路燈較亮的天數(shù)多,而中亮的天數(shù)少,可見本文中的感知天氣型太陽能LED路燈能更早的預(yù)知陰雨到來與結(jié)束,保證了亮燈率的同時有效的提高了路燈亮度效果。
表1 2016年3月至5月路燈運行仿真結(jié)果統(tǒng)計
Table 1 Simulation result of lamp running from March to May in 2016
本文設(shè)計的基于ZigBee和GPRS的感知天氣太陽能LED路燈照明 控制系統(tǒng)通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)及相應(yīng)的管理平臺使城市照明管理機構(gòu)對傳統(tǒng)獨立式安裝的每一盞路燈的工作狀況實現(xiàn)全方位的分布式自動/人工監(jiān)視和控制,實現(xiàn)了對太陽能LED路燈照明工作狀態(tài)的最優(yōu)化管理,提高了道路照明的智能化程度,保證了在連續(xù)的陰雨天氣下,路燈有很高的亮燈率;同時也解決了連續(xù)的陰雨天所導(dǎo)致的蓄電池電量不足而可能引起的一系列問題,對保護蓄電池、延長蓄電池使用壽命也有著重大的意義。
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