Управление уличным освещением. Когда в России станет светло по-умному?

Уличное освещение окружает нас повсюду. Бесперебойной подачей света обеспечиваются дачные участки, дороги, мосты, промышленные территории. В ночное время суток для этой задачи используются фонари, светильники, прожекторы и фасадная подсветка. Управление уличным освещением в разы сэкономит и электроэнергию, и финансовые затраты.

Автоматизация освещения ставит перед собой некоторые задачи. К ним относятся:

1. Бесперебойное, не создающее помех освещение улиц.
2. Экономия энергии, расход в пределах разумного при сохранении качества освещения.
3. Меньшие финансовые затраты, по сравнению с другими системами управления.

Мощные осветительные приборы, благодаря автоматическому управлению способны отключаться и включаться в нужный момент. Помимо этого, система организации автоматической работы в ночное время имеет и другие преимущества.

Задачи автоматизации

Основные задачи автоматизации освещения на улицах включают:

• бесперебойное освещение улиц и транспортных магистралей;
• обеспечение экономии энергии при сохранении качества освещения;
• уменьшение затрат на обслуживание осветительных систем.

Для реализации этих задач используются как автономное оборудование, так и системы автоматизации.

Какие функции должна выполнять уличная подсветка

Наружное световое обеспечение, которое на сегодняшний день может реализовываться самыми разнообразными вариантами осветительных установок, должно выполнять ряд функций:

• создавать качественную подсветку в ночное время;

Освещение улицы ночью

• является опосредованным способом понижения криминогенной обстановки, как в отдельных районах, так и во всем городе;
• повышает безопасность передвижения людей и транспортных средств по тротуарам и проезжей части в ночное время суток;
• создает красивую подсветку центру города, включая фасады архитектурных сооружений, музеем и театров;
• выступает элементом противовандальной защиты инфраструктуры города от механических повреждений. Для многих объектов города (промышленные сооружения, образовательные учреждения, общественные и муниципальные здания и т.д.) наружная подсветка является частью охранной системы. Включение света на конкретном участке может свидетельствовать о проникновении на охраняемую территорию сторонних лиц.

Особенно важна уличная подсветка в зимний период, когда люди возвращаются в темное время суток.

Системы освещения и их характеристики

Новейшими элементами систем освещения являются светодиодные лампы, которые очень экономичны и надежны. Но перевод уличного освещения на такие источники света потребуют больших затрат и времени. Пока же на большинство улиц освещаются газоразрядными лампами.

Для управления такими лампами используются балласты. Балласты бывают двух типов:

• индукционный;
• электронный.

С помощью индукционного балласта в схеме создается скачок тока, благодаря которому в момент включения возникает высокое напряжение в 2-3 кВ и осуществляется поджиг газоразрядной лампы. В процессе работы лампы такой балласт, представляющий собой дроссель, ограничивает мощность.

Индукционный балласт имеет следующие недостатки:

• наличие громоздкого дросселя и ненадежного стартера;
• мерцание света с частотой сети (стробирование);
• низкий кпд.

При этом балласт такого типа увеличивает сдвиг фаз (уменьшает cos φ). Для исправления этого воздействия приходится включать дополнительные конденсаторы и использовать схемы встречного включения ламп.

Электронный балласт представляет собой электронное устройство, обеспечивающее поджиг лампы и поддерживающее на ее выводах необходимое для горения напряжение.

Схема электронного балласта включает следующие блоки:

• фильтр;
• выпрямитель со сглаживающим фильтром;
• инвертор;
• дроссель.

Фильтр предназначен для фильтрации поступающих из сети помех и помех, возникающих в схеме питания лампы. Выпрямитель предназначен для получения постоянного напряжения, питающего инвертор.

Инвертор генерирует колебания с частотой 10 — 20 кГц. Нагрузкой инвертора является трансформатор, в котором генерируются напряжение для поджига лампы, а также напряжение для поддержания горения.

При использовании электронного балласта:

• устраняется мерцание;
• увеличивается яркость излучения лампы;
• уменьшаются габариты компонентов устройства;
• повышается кпд;
• при использовании режима широтной импульсной модуляции обеспечивается возможность регулировки яркости;
• увеличивается срок службы ламп за счет программированного старта поджига. При этом вначале прогревается катод лампы, а потом поджигается дуга.

Принцип действия

Схема подключения фотореле для уличного освещения включает датчик, усилитель и исполнительный механизм. Фотопроводник PR1 под действием света изменяет сопротивление. При этом изменяется величина проходящего через него электрического тока. Сигнал усиливается составным транзистором VT1, VT2 (схема Дарлингтона), а с него поступает на исполнительный механизм, которым является электромагнитное реле K1.

В темноте сопротивление фотодатчика составляет несколько мОм. Под действием света оно снижается до нескольких кОм. При этом открываются транзисторы VT1, VT2, включающие реле K1, управляющим цепью нагрузки через контакт K1.1. Диод VD1 не пропускает ток самоиндукции при выключении реле.

Несмотря на простоту, схема фотореле обладает высокой чувствительностью. Чтобы ее выставить на необходимый уровень, используется резистор R1.

Напряжение питания подбирается по параметрам реле и составляет 5-15 В. Ток обмотки не превышает 50 мА. Если необходимо его увеличить, можно применить более мощные транзисторы и реле. Чувствительность фотореле повышается с увеличением напряжения питания.

Вместо фоторезистора можно установить фотодиод. Если необходим датчик с повышенной чувствительностью, используются схемы с фототранзисторами. Их применение целесообразно с целью экономии электричества, поскольку минимальный предел срабатывания обычного прибора составляет 5 лк, когда окружающие предметы еще различимы. Порог 2 лк соответствует глубоким сумеркам, после которых через 10 мин наступает темнота.

Фотореле целесообразно применять даже при ручном управлении освещением, поскольку можно забыть выключить свет, а датчик самостоятельно «позаботится» об этом. Установить его несложно, а цена вполне доступна.

Способы управления

Уличное освещение может управляться следующими способами:

• ручной;
• датчик освещенности;
• реле времени;
• микропроцессорные системы.

Ручное управление уличным освещением – это включение/выключение питания по определенному графику непосредственно на подстанции рабочим. Недостаток – привлечение дополнительного персонала и неудобные условия работы.

Датчик освещенности управляет включением ламп на основании интенсивности естественного света солнца. Недостатки:

• ограничения при калибровке датчика;
• воздействие на датчик пыли, грязи и снега;
• невозможность использования энергосберегающих методов.

• постоянная корректировка настроек реле, учитывая продолжительность дня и ночи по временам года.

Наиболее продвинутыми являются системы управления, использующие процессоры и, в частности, автоматические системы управления (АСУ). В состав типовых АСУ входят:

• сервер;
• автоматизированные рабочие места;
• модемы и линии связи с объектами управления;
• шкафы и блоки управления источниками света.

Решение

Современные светодиодные лампы, микроконтроллеры с модулем Wi-Fi и «Интернет вещей» позволяют решить перечисленные задачи и обеспечить высокий уровень автоматизации, сократить сложность монтажа и поддержки инфраструктуры, повысить точность управления приборами.

Разработанная система управления городским освещением состоит из следующих компонентов.

• Блоки управления лампами освещения и счетчиками электроэнергии.
• Центральный сервер управления устройствами.
• Веб-интерфейс оператора.
• Мобильный веб-интерфейс полевого инженера.

Как работает АСУ

АСУ уличным освещением выполняет следующие задачи:

• автоматическое и ручное управление. Включает и команды диспетчера, и учет показаний датчика освещенности и т.п.
• контроль работы пусковых устройств;
• автоматическое снятие и фиксация показаний сети. Благодаря этому возможно осуществление анализа работы осветительной системы, в том числе и определения перегоревших ламп, непосредственно на диспетчерском пункте, без выезда на место.

При управлении по графику включение ламп производится по дате и времени суток. После ввода графика АСУ может управлять работой освещения целый год без вмешательства оператора.

После формирования программным обеспечением команда управления по линии связи передается на балласт, представляющий в данном случае исполнительный механизм.

В качестве линии связи используются:

• слаботочные линии связи (витая пара);
• радиосвязь;
• сотовая связь;
• передача ВЧ сигнала по кабелю.

В каждом случае учитываются достоинства и недостатки линии связи. Например, при использовании витой пары можно передавать команды на каждую лампу, но для этого на каждой лампе должен быть установлен собственный блок. При этом для такой линии требуется обязательная корректировка таймера.

Линия связи с использованием GSM не требует больших затрат на ее реализацию, но для ее функционирования необходимы СИМ — карты и за ее использование необходимо платить оператору.

Такая линия связи работает только в зоне действия оператора связи, а ее надежность зависит от загруженности системы GSM другими пользователями.

Использование для передачи команд силовых кабелей может привести к ошибкам при пробое кабеля. Длина такой линии связи не должна быть больше 1 км.

При использовании радиоканала необходима приемопередающая аппаратура, работа которой может быть подвержена влиянию радиопомех или влиянию зон радиотени.

По возможностям обслуживания линию связи с витой парой можно применять в небольшом городке или районе большого города, линию связи с GSM – в городе или ближайшем пригороде, линию связи по силовым кабелям – в пределах квартала, а радиолинию – в городе, пригороде и вдоль автотрасс.

Контроль над освещением участка

Если финансы позволят протянуть отдельный кабель к каждому фонарю с реле на участке, то один шкаф контроля ставят внутри дома, и еще один у ворот. Но такой щит должен функционировать параллельно со вторым, а это означает, что каждый блок будет потреблять энергию полноценного кабельного канала.

Оптимальным будет следующая система: первый шкаф устанавливают у ворот, и подключают на его контроллер фонари с датчиками движения и фотореле, стоящие вдоль дорожки. Второй шкаф ставится непосредственно внутри помещения – отсюда будет вестись дистанционное управление. Схема простая: к каналу, который идет в блок контроля, подключены определенные светильники, а с пульта подается сигнал.

Популярным является блок, под управлением которого система автоматического освещения обладает большим количеством дополнительных возможностей. Среди них схема для обеспечения иллюминации, дистанционное управление фотореле. Щит также может отдать команду для автоматического обесточивания периметра дома. А самый распространенный и бюджетный шкаф предполагает наличие 6 рабочих каналов, из которых обычно эксплуатируются не больше 4-х.

Оборудование для автоматизации освещения

Наряду со средствами типа АСУ для управления освещением улицы, дома или загородного участка используются следующие устройства:

• датчик освещенности;
• датчик движения;
• реле времени;
• астрономическое реле;
• диммер.

Датчик освещенности

Датчик освещенности (сумеречный выключатель) предназначен для автоматического включения и выключения освещения в зависимости от освещенности местности.

Принцип действия этого датчика состоит в том, что световой поток воздействует на фоточувствительный элемент (фоторезистор, фототранзистор, фотодиод), который включен в электронную схему. В результате изменения протекающего в схеме тока происходит срабатывание включенного в эту схему реле. Контакты реле размыкаются и светильник выключается.

Основные характеристики датчика освещенности:

• мощность или ток нагрузки;
• порог срабатывания;
• задержка срабатывания;
• степень защищенности.

Важнейшим параметром датчика является мощность нагрузки. При выборе датчика необходимо, чтобы мощность светильника была равна или меньше допустимой мощности. Эта мощность для большинства промышленных датчиков лежит в пределах 1,5 -2 кВт.

Порог срабатывания датчика определяется освещенностью. У большинства датчиков освещенности этот параметр можно регулировать. Его значение лежит в пределах от 2 до 200 лк.

При установке чувствительности датчика необходимо учитывать, что освещенность в 5 лк соответствует темноте, при которой можно различить отдельные предметы, а при освещенности в 2 лк наступает полная темнота.

Задержка срабатывания предназначена для защиты срабатывания датчика от ложных сигналов, возникающих, например, при попадании в рабочую зону датчика тени от дерева или света фар. Эта задержка равна 15-60 сек.

При размещении датчика на улице на него может воздействовать пыль или влага. Поэтому датчики освещенности должны иметь повышенную степень защищенности (не хуже IP44).

Датчики движения

Наряду с датчиками освещенности для автоматизации управления освещением на улице используются датчики движения. Датчики могут быть как встроенные, так и выносные.

Принцип действия таких датчиков состоит в реагировании на появление движущегося предмета. Для наиболее распространенных инфракрасных датчиков используется информация об изменении излучения света в ИК диапазоне. Основные параметры таких датчиков:

• мощность нагрузки;
• дальность действия;
• угол обзора;
• время задержки срабатывания.

После установки такого датчика производится регулировка его параметров. В большинстве моделей датчиков движения регулируются:

• чувствительность (SENS);
• освещенность (LUX);
• время задержки (TIME).

С помощью первой регулировки устанавливается дальность срабатывания датчика, с помощью второй – порог срабатывания по освещенности, с помощью третьей – выдержка времени включения датчика.

Таймер

Таймер включает и выключение освещение на основании определённых часов суток. Недостаток – необходимость подстраивать устройство из-за ежедневного изменения времени восхода и захода солнца.

Более точный вариант – цифровой астрономический таймер, в который предустановлена программа определения времени захода и восхода солнца по заданным широте и долготе места работы источника света. В соответствии с этой информацией производится включение и выключение освещения.

Такой таймер может переключать чисто активную нагрузку с током в 16 А (для переключения индуктивной нагрузки этот ток равен 4 А). Для подключения более мощных ламп освещения необходимо подключить магнитный пускатель. Астрономические таймеры можно устанавливать в распределительный щит, а степень их защиты не превышает IP20.

Диммеры

Для небольших систем освещения, для которых экономически невыгодно использовать централизованную регулировку яркости ламп освещения, используются автономные диммеры.

Например, диммер типа К2303 может ночью переключать освещение в режим пониженного энергопотребления (до 75-50 % от номинальной величины). Это позволяет сэкономить потребляемую энергию.

Диммер может работать как с газоразрядными светильниками, так и со светодиодными. Прибор устанавливается в каждый светильник уличного освещения. С помощью специальных переключателей на диммере устанавливается режим работы, а также временной график переключения на пониженную мощность. Диммер такого типа может работать также с датчиком движения. При этом при отсутствии в зоне действия датчика движущегося человека или автомобиля лампы освещения будут гореть тускло, а при появлении движущегося предмета они станут гореть на полную мощность.

Автоматизированное управление уличным освещением

В статье рассмотрены зарубежные системы управления уличным освещением, а также описана разработка автора с коллегами, в которой значительные функциональные возможности зарубежных систем дополнены интеллектуальным алгоритмом контроля исправности ламп, позволяющим значительно сократить затраты на оборудование средств автоматики.

Введение

Системы освещения улиц и автомагистралей играют важную роль в обеспечении комфорта и безопасности граждан. Перед разработчиками современных систем автоматизированного управления уличным освещением стоят следующие основные задачи:

o обеспечить бесперебойным освещением жилые, общественные и промышленные территории, автотрассы и прочие объекты наземной транспортной инфраструктуры. Под бесперебойным освещением понимают минимальное время от момента выхода ламп из строя до восстановления работоспособности;

o обеспечить экономию электроэнергии, затрачиваемой на освещение. В рамках описания систем управления уличным освещением, мы не рассматриваем энергетическую эффективность самих ламп, но анализируем системные способы сокращения энергозатрат при обеспечении качества освещения;

o обеспечить минимизацию затрат на техническое обслуживание (главным образом, замену ламп).

Сегодня бесперебойное освещения часто обеспечивается с помощью экономических рычагов: организации, ответственные за уличное освещение, платят штрафы за превышение нормативного количества неисправных ламп на своей территории. Таким образом, противоречивые задачи минимизации расходов и оптимизации качества услуг приходят в равновесие.

Традиционные системы управления уличным освещением

Сегодня наиболее распространенны газоразрядные лампы уличного освещения, заполненные парами ртути или натрия. В последнее время наблюдается тенденция перехода на светодиодные излучатели, но в массовом порядке эта технология пока не применяется. В традиционных системах управления газоразрядными лампами важнейшую роль играют балластные сопротивления или балласты. Балласты ограничивают мощность до номинального уровня и широко используются для реализации простейших функций управления.

Индукционные балласты (ИБ) формируют бросок тока при подаче питания, необходимый для поджига газоразрядной лампы. На этапе устойчивого свечения индукционный балласт (его еще называют магнитным балластом) ограничивает мощность на лампе за счет реактивного сопротивления индуктивности (сам балласт не нагревается). Недостаток магнитных балластов – сдвиг фаз между током и напряжением, т. е. уменьшение cos j –исправляют за счет применения конденсаторов и разнообразных схем противофазного включения нескольких ламп, что также снижает стробоскопический эффект от мерцания ламп на промышленной частоте.

Электронные балласты (ЭБ) – это полупроводниковые устройства, обеспечивающие нужную последовательность подачи токов поджига и поддержания напряжения на лампе. ЭБ обычно состоят из инвертора преобразующего токи промышленной частоты в токи частотой примерно 20 кГц. Это дает ряд преимуществ: устраняется стробоскопический эффект и повышается яркость свечения газа за счет постоянной ионизации на повышенной частоте. Яркость свечения резко возрастает (на 9%) на частоте около 10 кГц, и далее плавно возрастает при повышении частоты приблизительно до 20 кГц. Работа на высокой частоте позволяет также резко сократить габариты электронных компонентов, повысить их КПД и использовать для ограничения тока через лампу не индуктивность, а конденсатор, тем самым минимизируя потери электрической мощности. Современные ЭБ позволяют плавно регулировать яркость свечения за счет ШИМ и реализовать различные режимы поджига газоразрядных ламп:

o мгновенный старт: поджиг ламп без предварительного разогрева катодов импульсом напряжения около 600 В. С энергетической точки зрения это наиболее эффективный способ, но он приводит к мощной эмиссии ионов с поверхности холодного катода, что укорачивает срок службы ламп при частом включении;

o быстрый старт: одновременная подача энергии поджига и прогрев катодов. При работе в таком режиме тратится некоторое количество энергии на постоянный подогрев катодов;

o программируемый старт: последовательная подача энергии сначала на подогрев катодов, а затем на поджиг электронной дуги. Этот способ обеспечивает наиболее длительный срок службы газоразрядных ламп, высокую экономичность и максимальное количество циклов включения – выключения.

ЭБ часто оснащают средствами дистанционного управления контроля. В качестве сетевых протоколов обычно используются LonWorks, DMX-512, DALI, DCI. Например, широко распространенный протокол LonWorks, разработанный Echelon Corporation, может использовать в качестве транспортной среды силовой кабель, по которому подается питание на лампу. В этом протоколе определены методы адресации, маршрутизации и управления. Таким образом, ЭБ является своеобразным «выключателем» для ламп уличного освещения, обеспечивая энергосбережение, продление ресурса ламп и дистанционное управление. Для автоматизации включения и выключения ламп уличного освещения чаще всего используют датчики уровня освещенности. Алгоритм работы таких систем предельно прост: при снижении уровня яркости ниже заданного порога (сумерки) лампы включаются, и выключаются при превышении порога срабатывания.

К недостаткам таких систем можно отнести трудности калибровки датчиков, чувствительность датчиков к загрязнению, невозможность реализации энергосберегающих алгоритмов работы (например, затемнения или выключения части ламп в глухое ночное время, когда полное освещение не требуется). Интересный метод управления уличным освещением в соответствии с наружным уровнем освещенности предложила корейская фирма Stwol. Вместо фотодатчика применили встроенный GPS-приемник и вычислительное устройство. Зная координаты географического местоположения контроллера уличного освещения и астрономическое время, получаемое со спутников системы глобального позиционирования, вычислитель определяет точное время захода и восхода солнца. Контроллер включает освещение за 15 минут до наступления сумерек (момента, когда центр солнца находится под 6° над горизонтом) и выключает освещение через 10 минут после восхода солнца в данной точке земного шара. Очевидно, что данная система нечувствительна к оптическому загрязнению и неточной калибровке фотодатчиков.

Альтернативным методом автоматического управления в системах уличного освещения является использование графика включений и выключений освещения. При таком подходе контроллер на основании даты, дня недели (будни или выходные) и времени суток включает или выключает освещение. Этот метод является простым и эффективным и позволяет реализовывать в том числе энергосберегающие схемы освещения, учитывать потребность в праздничной иллюминации и т. д.

Способы дистанционного управления уличным освещением

Системы автоматического управления уличным освещением обычно работают под управлением зонального контроллера или сервера. В зависимости от алгоритма управления, контроллер формирует сигнал, например, включения группы уличных фонарей. Для передачи этого сигнала на исполнительные устройства (обычно электронные балласты ламп уличных фонарей) используются следующие средства:

o слаботочные сигнальные линии (витые пары, RS-485, Ethernet и т. д.);

o радиоканал;

o GSM-канал;

o передача ВЧ-сигнала по силовому кабелю.

Сравнение преимуществ и недостатков каждого способа приведено в таблице 1. Независимо от способа передачи сигнала дистанционного управления, современные системы автоматического управления уличным освещением (см. рис. 1) строят по трехуровневой архитектуре:

o блок непосредственного управления лампой или группой ламп в фонаре уличного освещения;

o шкаф зонального уровня управления (улица или квартал);

o центральный сервер территории.

Таблица 1. Сравнение способов передачи сигналов управления

Слаботочное управление	GSM-канал	Силовые линии электропередачи	Радиоканал
Адресация (экономически целесообразно)	Возможно управления отдельными лампами	Только групповое управление	Только групповое управление	Только групповое управление
Способ управления	Цифровой протокол управления, например на основе календарного графика	Телефонный звонок или SMS на контроллер в шкафу управления	Управление по силовому кабелю, подключенному к контроллеру в шкафу управления	Передача радиосигнала из диспетчерской на приемник в шкафу управления
Факторы, влияющие на надежность	Накопление ошибки отсчета времени	Зависимость от загруженности публичной сети оператора GSM. Невозможность управления при отказе (перегрузке) сети.	Риск ошибочного управления при невозможности контроля состояния силовых линий (например, при пробое изоляции). При отказе требуется ручное переключение кабеля.	Зоны радиотени, радиопомехи могут вызвать невозможность приема сигнала управления
Трудозатраты	Высокие трудозатраты при настройке календарного графика	Низкие трудозатраты за счет использования сети публичного использования	При индивидуальном управлении лампами прокладка кабелей трудозатратна	Высокие трудозатраты при установке приемо-передатчиков
Охват территории	Календарный график требует привязки к городу/области	Управление возможно только в зоне действия сотовой сети	Необходимость прокладки отдельного кабеля к каждой точке управления. Длина контрольного силового кабеля не может превышать 1 км. Емкость шкафа управления ограничена.	Управление возможно лишь в зоне уверенного приема радиосигнала. Требуются релейные приемо-передатчики для расширения зоны приема. Читайте также:  Выбираем датчик уровня воды в резервуаре и емкости
Размер территории	Район города, небольшой населенный пункт	Город и ближайший пригород	Ограниченная территория (квартал и т. п.)	Город и пригород, территория вдоль автострад
Стоимостные факторы	Индивидуальный блок управления в каждом фонаре	Абонентская плата и плата за соединение, передачу сообщений или т. п.	Стоимость прокладки индивидуальных силовых кабелей	Стоимость оборудования диспетчерской, релейных станций и приемников
Факторы, влияющие на стоимость техобслуживания	Постоянно необходима корректировка таймера	Высокие затраты на ремонт электро-оборудования	Требуется квалифицирован-ный диспетчер

В такой системе любую лампу можно включить или выключить сигналом с центрального сервера. Это достигается применением блоков непосредственного управления лампой (см. рис. 2). Расплата за подобные удобства – высокая стоимостью аппаратной части. В случае реализации радиочастотного метода передачи сигналов к блоку 1, каждый блок должен иметь собственный адрес (например, IP-адрес в рамках протокола TCP/IP). При реализации городских проектов уличного освещения количество блоков и, соответственно, адресов может составлять 50–100 тысяч. Возникает задача первичного задания адресов и привязка к местности для отображения статуса лампы на экране компьютера. Такая задача решается, например, в [1] следующим образом: блоку управления при поставке присваивается адрес по умолчанию. Центральный сервер периодически производит опрос устройств. Сетевой протокол гарантирует, что при совпадении адресов будет выбрано только одно устройство. При наличии блока с адресом по умолчанию, центральный сервер передает такому устройству команду на установку уникального адреса, а оператор осуществляет привязку этого адреса к территории. Очевидно, что процедура начальной конфигурации очень трудоемкая.

Система индивидуального управления каждой лампой по GSM-каналу на практике не применяется из-за высокой стоимости GSM-модемов и необходимости установки индивидуальных SIM-карт в каждый блок и последующего учета расходов. Поэтому GSM-канал используют только на уровне зонального шкафа управления. Ниже будет показано как в разработке автора с коллегами преодолен этот недостаток систем управления на базе GSM-канала.

Трехуровневый принцип построения систем управления освещением распространяется не только на методы дистанционного управления включением или выключением отдельных ламп, но и на функциональные возможности системы. Например, фирма DotVision (Франция) предлагает следующие варианты управления уличным освещением:

o индивидуальное управление с помощью интеллектуальных ЭБ;

o зональное управление освещением с дистанционным регулированием мощности;

o зональное управление освещением с телеметрией.

Первый вариант обеспечивает максимальные возможности управления с адресацией каждой лампы уличного освещения. Система состоит из ЭБ-блока с приемопередатчиком данных по радиоканалу или ВЧ-сигнала по силовому кабелю, зонального контроллера в уличном шкафу управления и территориального сервера. Такой вариант обеспечивает максимальные возможности экономии электроэнергии и высочайшее качество обслуживания населения за счет контроля состояния каждой лампы.

Второй вариант – компромисс между стоимостью системы и возможностями экономии электроэнергии. Это решение включает вариатор мощности, устанавливаемый в зональном шкафу управления, и телеметрическую систему на базе протоколов Modbus или LonWorks. Территориальный сервер передает сигналы управления и собирает телеметрическую информацию с зональных контроллеров.

Третий вариант не предполагает экономии электроэнергии, однако включает зональный контроллер с функциями обнаружения неисправностей, телеметрии и дистанционного включения/выключения ламп. Территориальный сервер передает сигналы управления и собирает телеметрическую информацию с зональных контроллеров. Результаты применения описанных вариантов автоматизации управления уличным освещением приведены в таблице 2

Таблица 2. Результаты применения различных вариантов автоматизации управления уличным освещением

Индивидуальное управление с помощью интеллектуальных электронных балластов	Зональное управление освещением с дистанционным регулированием мощности	Зональное управление освещением с телеметрией
Энергопотребление	Экономия до 46% по мощности, до 40% по стоимости (в зависимости от цены на электроэнергию)	Экономия до 26% по мощности, до 15% по стоимости
Техническое обслуживание	Экономия до 20% на замене ламп, до 80% на полевых ремонтных работах	Экономия до 30% на полевых ремонтных работах	Экономия до 30% на полевых ремонтных работах
Воздействие на окружающую среду	Снижение выработки СО2 на 50% (из-за экономии электроэнергии)	Снижение выработки СО2 на 20% (из-за экономии электроэнергии)
Качество обслуживания населения	Обнаружение 99% неисправных ламп в течение 12 часов	Обнаружение 30% неисправных ламп в течение 12 часов	Обнаружение 30% неисправных ламп в течение 12 часов
Средний срок окупаемости	7 лет далее значительная экономия	7 лет далее умеренная экономия	6 лет далее незначительная экономия
Дополнительные преимущества	Возможность использования системы для мониторинга окружающей среды на территории (температура, влажность, давление воздуха, загрязненность воздуха, уровень шума).

Функции систем автоматического управления уличным освещением

Рассмотрим современную систему управления уличным освещением на примере системы, создаваемой в Осло. Это первый крупномасштабный проект переоборудования системы уличного освещения в Европе. Он предусматривает установку за три года около 55 тыс. ЭБ, управляемых по существующим силовым цепям с помощью технологии фирмы Echelon (разработчика протокола LonWorks). В апреле 2006 г. уже были установлены первые 6500 фонарных столбов. Цель проекта – сократить вдвое затраты на электроэнергию при повышении качества обслуживания населения и снижении издержек на техническое обслуживание. Затраты на установку системы окупятся за пять лет.

Итак, проект предусматривает замену 55 тыс. устаревших магнитных балластов интеллектуальными ЭБ производства SELC Ireland Ltd. (Ирландия). Балласты поддерживают обмен данными по силовому кабелю с помощью протокола LonWorks. Данные от ЭБ концентрируются приблизительно в тысяче зональных контроллерах Echelon i. LON 100 Internet Server. Контроллеры взаимодействуют с центральным сервером по беспроводной технологии GPRS (используя сеть сотового оператора связи). Центральный сервер для сбора и анализа информации использует программное обеспечение DotVision Streetlight Suite и Philips StarSense. Интеллектуальные ЭБ обладают следующими возможностями:

o управление включением и яркостью свечения лампы;

o обмен данными по ВЧ через силовые кабели питания;

o измерение силы тока через нагрузку (лампу);

o измерение температуры окружающей среды;

o измерение уровня освещенности окружающей среды;

o измерение фазового сдвига между током и напряжением питания лампы.

Зональные контроллеры выполняют следующие функции:

o обмен данными с ЭБ-блоками по ВЧ-сигналу, передаваемому через силовые кабели питания;

o маршрутизация сигналов управления электронными балластными блоками;

o обмен данными с центральным сервером по каналу GPRS;

o регистрация и накопление измерительных данных об энергопотреблении, полученных от электронных балластных блоков;

o сбор и накопление информации от датчиков погоды и датчиков плотности автомобильного движения;

o расчет уровня естественной освещенности от солнца и луны на основе встроенных астрономических часов;

o учет времени работы ламп во включенном состоянии для определения ресурса ламп;

o управление яркостью свечения отдельных ламп (через балластные блоки) на основе алгоритма, учитывающего время года, погодные условия и плотность транспортного потока;

o контроль наличия напряжения питания в шкафу управления;

o измерение токов в силовых кабелях, питающих лампы;

o измерение индукционных токов;

o обнаружение утечек из-за повреждения изоляции;

o измерение коррозионного потенциала;

o передача аварийных сообщений на центральный сервер при обнаружении аварийных событий или отказа ламп.

Центральный сервер обладает следующими возможностями:

o веб-портал для мониторинга состояния всех компонентов системы и непосредственного управления зонами и отдельными лампами;

o представление информации на географических картах;

o анализ поведения элементов системы;

o обнаружение неисправностей;

o измерение энергопотребления в территориальном, административном и географическом разрезе;

o планирование замены ламп по территориальному или административному принципу на основе учета ресурса фактической работы каждой лампы и сведений об отказах;

o оперативное управление зонами, группами и отдельными лампами, например, с целью замены ламп или проверки изоляции.

Преимущества использования GPRS-канала для связи между компонентами системы:

o минимальные затраты на установку оборудования;

o широкий территориальный охват в условиях города;

o высокая степень защиты данных;

o использование TCP/IP протокола на всем протяжении от сервера до конечного устройства;

o низкая стоимость передачи данных (зависит от объема трафика, а не от времени соединения);

o наличие бесплатных объемов до 1 Мбайта в месяц в предоплаченных тарифах.

Фирма Amplex (Дания) предлагает свое решение для управления уличным освещением, полностью построенное на основе GPRS-канала. Управление ограничивается зональным уровнем, когда контроллеры AmpLight устанавливаются в шкафу, управляющем группой до 50 ламп. При этом достигаются высокие показатели по энергосбережению за счет снижения яркости в позднее ночное время, однако отсутствует возможность обнаружения неисправности отдельных ламп.

Отечественные разработки

(Москва) в сотрудничестве с FF-Automation OY (Финляндия) разработало систему управления и контроля для уличного освещения на базе GSM-контроллеров Autolog и сервера SCADA-системы GSM Control. В этой системе преодолено серьезное ограничение, присутствующее, например, в описанной выше системе Amplex, которая тоже основана на GSM-сети передачи данных. Относительно высокая стоимость GSM-контроллеров не позволяет использовать их для управления индивидуальными лампами. Типичные системы зонального управления, однако, не могут достоверно обнаруживать перегоревшие лампы, так как обычно ориентированы на измерение тока в силовой цепи питания группы из 30–50 ламп. При выходе из строя одной или двух ламп возможный разброс напряжение сети не позволяют отследить снижения тока в групповой цепи.

В системе GSM Control для обнаружения неисправности ламп применяется датчик напряжения совместно с датчиком тока в группе. Измерения тока и напряжения статистически обрабатываются, и поэтому погрешности, связанные с разбросом характеристик ламп и их изменением во времени сглаживаются. Система способна обнаружить отказ одной лампы в группе из 30 ламп, что делает применение GSM-контроллера экономически оправданным. При отказе лампы в группе зональный контроллер посылает сигнал тревоги на сервер, и ремонтная бригада способна визуально обнаружить неисправную лампу на небольшом участке дороги, на котором установлены указанные 30 ламп. Это значительно экономичнее, чем организация патрулирования территории обслуживания сервисной организации в ночное время для обнаружения перегоревших ламп.

Система обнаруживает лампу, которая еще не вышла из строя, но ресурс которой, исчерпан. Газоразрядные лампы перед тем, как прекратить свечение, переходят в прерывистый режим. Цифровая фильтрация измерительных данных позволяет обнаружить такой режим работы одной лампы в группе, и передать аварийный сигнал в центральный сервер для планирования замены.

GSM Control может использовать Google Maps для картографического представления информации, в котором совмещается изображение со спутника в высоком разрешении с векторной картой дорог и улиц (см. рис. 3). Система также обеспечивает доступ к телеметрической информации каждого зонального контроллера в графическом и табличном виде с возможностью выгрузки в Excel.

Система GSM Control обеспечивает богатый набор функций для построения современной системы автоматического управления уличным освещением (см. табл. 3).

Таблица 3. Основные функциональные возможности системы GSM Control

Выполняемая функция	Способ реализации	Примечания
Включение-отключение уличного освещения	По графику	Спортивные сооружения, городские площади и другие объекты могут включаться как по сигналу датчика освещенности, так и по графику. Не всегда необходимо поддерживать полное освещение в течение всей ночи.
Часто одну из фаз отключают в поздние ночные часы для экономии электроэнергии. Либо понижают напряжение на лампах трансформаторами. Оба этих режима поддерживаются нашей системой.
По сигналу датчика освещенности	Наиболее часто используемый способ управления уличным освещением. В нашей системе датчик освещения можно подключать к каждому индивидуальному контроллеру (при необходимости)
Обычно, используется ведущий контроллер, оснащенный датчиком, и управляющий некоторым количеством ведомых контроллеров. В нашей системе управление от ведущего к ведомым осуществляется нетарифицируемыми (бесплатными) телефонными звонками, т. е. беспроводным образом. В качестве дополнительного преимущества, укажем постепенное включение групп ламп, что снижает пиковое энергопотребление
Предусмотрен режим автоматического включения ведомых контроллеров случае отсутствия команды от ведущего контроллера, например, на 10 минут позже среднего времени включения ламп за последние дни
Ручное управление	Необходимо, например, при ремонте (замене ламп). Электрик может послать сигнал ручного отключения со своего мобильного телефона, при этом не требуется пульт управления в поле. Предусмотрены, например, режимы сервисного включения ламп на 15 минут с автоматическим отключением для визуального обнаружения перегоревших ламп
Предусмотрены функции для предотвращения неавторизованного включения/выключения освещения
Режимы работы и параметры вводятся с помощью графического интерфейса через компьютер с помощью программного комплекса GSM-Control разработки
Один блок управления (контроллер) может контролировать 6 фаз. Это включает измерение тока в 6 фазах и напряжение в двух трехфазных линиях. Это позволяет одному контроллеру управлять шестью отдельными группами ламп, ориентировочно по 30 ламп в каждой группе.
Функции мониторинга состояния ламп и сигнализация о необходимости замены.	Система использует статистические исследования для оптимизации замены ламп с учетом стоимости трудозатрат, с целью оптимизации стоимости обслуживания системы.
Система контролирует старение ламп и планирует замену ламп, срок эксплуатации которых заканчивается.
За счет применения статистических методов обработки трехфазных измерений, система способна обнаруживать неисправность единичных ламп в группах по 30 ламп. Это позволяет использовать один контроллер на такую группу, что снижает себестоимость системы по сравнению с индивидуальными контроллерами в 4 раза
Функции безопасности	Предусмотрено автоматическое включение освещения в случаях сбоев передачи команд по беспроводному каналу
Гарантируется минимальное время удержания ламп во включенном состоянии 15 минут
Система защищена от неавторизованного управления
Система снижает пиковую нагрузку на электросеть в моменты включения освещения
Система генерирует экстренные сообщения в случаях	Включение ламп без необходимости
Невключение ламп при подаче команды на включение
Неисправность датчика освещения
Сбой получения команды ведомым контроллером
Неисполнение команды на снижение напряжения

Заключение

Из приведенного обзора видно, что наибольших успехов в построении современных ресурсосберегающих систем управления уличным освещением добились страны Северной Европы. Вероятно, причинами являются высокая цена электроэнергии и относительно короткий световой день (в зимний период). Россия находится в еще более жестких условиях по продолжительности светового дня. И хотя стоимость электроэнергии у нас ниже, чем в Европе, не следует пренебрегать возможностью экономии при модернизации дорожной инфраструктуры и жилищно-коммунального хозяйства. Перспективным является также освоение массового производства современных балластных блоков с функциями, описанными в данной статье. Только в Европе, по оценкам, предстоит замена 120 млн. балластных блоков, причем директива ЕС (№ 000/55/EC), предписывающая обязательное применение электронных балластных блоков для экономии электроэнергии. Общемировой рынок оценивается в 500 млн. шт. Это неплохой шанс для отечественных разработчиков электронных компонентов!

Литература

1. Патент США №7 17 октября 2006

, www.

Выводы

1. Для управления уличным освещением, в котором применяются газоразрядные лампы с индукционным или электронным балластом, могут использоваться как отдельные автономные средства автоматизации, так и сложные АСУ.
2. В качестве автономных средств автоматизации освещения используются датчики освещенности, движения, реле времени, диммеры.
3. Для обеспечения связи пункта управления освещением со светильниками могут применяться слаботочные линии связи, линии сотовой связи, линии связи с использованием силовых кабелей и радиолинии.

Как реализовывается управление освещением уличным

PowerLine

Электронное управление освещением, а также мониторинг, осуществляемый посредством обмена данными с помощью электрических проводов без необходимости установки дополнительных кабелей для передачи данных и с сохранением всех функциональных характеристик системы освещения.

Для использования технологии PowerLine первичную сторону осветительной системы необходимо оснастить передатчиком PowerLine, а ее вторичную сторону, т.е. сами светильники — соответствующими приемниками. Как правило, светильники оснащаются традиционными диммируемыми пускорегулирующими аппаратами с интерфейсом DALI или 1—10 В. PowerLine позволяет устанавливать связь между элементом управления и обычным диммируемым светильником без необходимости создания дополнительной сети обмена данными. Точно так же, как и в случае использования протокола DALI, осветительная система полностью сохраняет свою функциональность, и при этом диспетчер со своего пульта может, например, регулировать интенсивность освещения на менее оживленных улицах в соответствующих интервалах, достигая таким образом существенной экономии электроэнергии. Или наоборот, с помощью ПК обеспечить дополнительное локальное освещение в случае проведения культурных мероприятий в освещенной части города или населенного пункта в вечернее время.

Датчики и выключатели

Датчики управления специалистами подразделяются на два вида:

• датчики движения;
• устройства для определения уровня освещенности.

Аппаратура работает в автоматическом режиме. Сенсоры улавливают тепловое излучение, которое и запускает лампы. Датчики работают посредством инфракрасного излучения, которое не проходит через разного рода препятствия.

Часто домовладельцы покупают изделия, запускаемые от пультов, которые посылают инфракрасное излучение. Запускает лампы специальный пульт. Такие выключатели имеют сильные стороны:

• управляют светом из любой точки жилья;
• существует программное обеспечение, позволяющее контролировать устройства посредством смартфона;
• возможность подключения переходников, переводящих инфракрасные лучи в радиочастотные.

Дистанционные выключатели могут поставляться в виде датчиков, реагирующих на движение, и изделий, реагирующих на звук. Первые запускают свет, как только человек входит в помещение, а вторые реагируют на отдельные звуки, например, на щелчки или голос. Можно забыть о поисках выключателя и походов к нему через всю комнату для отключения электричества.

Электронная система управления DALI

Название электронной системы управления — Digital Addressable Lighting Interface — подразумевает, что речь идет об электронном управлении системами освещения, позволяющем снижать интенсивность светового потока светильников в допустимом диапазоне.

Для установки этого стандартного цифрового протокола управления освещением используются двухжильные неполярные провода. Этот тип управления наружным освещением требует оснащения светильников электронными пускорегулирующими аппаратами с интерфейсом DALI. Двумя основными преимуществами такого способа управления являются возможность независимого диммирования и мониторинг осветительных установок. Диммирование может осуществляться в любом диапазоне, установленном для определенного типа ламп. Для газоразрядных ламп этот диапазон составляет 60—100 %, для светодиодов — 10—100 %, а для люминесцентных ламп — от 1 до 100 %. Мониторинг позволяет осуществлять оперативное управление светильниками, тем самым способствуя правильной работе всей осветительной системы. Кроме того, электронная система управления DALI позволяет объединять светильники в отдельные группы или осуществлять управление каждым из них по отдельности. Для управления системой DALI в зависимости от времени необходимо использовать регуляторы, обладающие этой функцией. Вызов световых сцен, перегруппировка и изменение функциональных характеристик не требуют никакого вмешательства в устройство светильников или проводки. Их, как правило, можно осуществлять из одного и того же места с помощью ПК. Для повышения зрительного комфорта и качества освещения используется плавное регулирование интенсивности освещения, практически незаметное для участников дорожного движения и пешеходов.of it.

Разновидности ШУО

Сегодня существует огромное разнообразие ШУО по материалам изготовления, свойствам корпуса, типоразмерам и способу установки (столбовые и фундаментные). Например, для наружной эксплуатации производители электротехнического оборудования выпускают специальные антивандальные шкафы из пластика или металла.

ШУО могут использоваться для решения нескольких задач:

• управление осветительными узлами на автомобильных дорогах городского и междугородного сообщения;
• контроль над работой энергосберегающих сетей при помощи специальных автоматизированных частей;
• управление архитектурным и ландшафтным освещением парковых аллей, городских улиц, фонтанов и других объектов;
• автоматическое функционирование охранных систем, включая сигнализацию и видеонаблюдение;
• светофорное регулирование;
• контроль над работой систем связи (различные телекоммуникации, интернет и слаботочные устройства).

Выбор способа управления (читайте выше) зависит от предназначения, условий эксплуатации, свойств ШУО. Рассмотрим несколько основных разновидностей.

Вариант первый – ЭП-ШУНО-1

Данный электротехнический элемент может использоваться для автоматического, ручного, местного или удаленного управления осветительными сетями и другими установками на промышленных и административных объектах. Шкаф данной модели может включать и отключать осветительные установки при помощи сигналов с фотореле, когда освещенность достигает определенного порогового значения.

Системы могут включаться и отключаться в установленные отрезки времени в зависимости от заданной программы. При помощи кнопок, расположенных на корпусе, в любой момент времени сети можно включать и отключать вручную. То же самое можно выполнять из диспетчерских пунктов за счет оборудования телемеханики.

Вариант второй – ЭП-ШУНО-И170

Данное оборудование, помимо стандартных функций, может осуществлять оперативные включения и отключения электрических цепей, количество которых может быть не более шести за час. Производится устройство по типовым схемам, комплектуется стандартными низковольтными приборами. В зависимости от индивидуальных пожеланий заказчика, шкаф может быть переоборудован, могут быть изменены габариты и электрическая схема.

Базовая комплектация таких шкафов содержит четыре основных блока:

• узел ввода с выключателем, разъединителем и предохранителем;
• узел учета с измерительным трансформатором тока, испытательной коробкой и счетчиком (его выбирает сам заказчик);
• узел коммутации с контакторами, промежуточными и временными реле, фотореле, переключателями режимов;
• узел отходящих линий с предохранителями на специальных держателях.

Вариант третий – ЭП-ШУНО-3

По назначению напоминают предыдущую модель шкафов управления освещением – ЭП-ШУНО-И170. В отличие от них, в данной модели существенно увеличены номинальные значения токов на вводных и отходящих группах, используется намного больше защищаемых линий и специальная автоматизированная система АСУНО.

При помощи такой модели можно выполнять раздельное управление несколькими режимами освещения, включая уличное, архитектурное и рекламное. Оборудование может дополняться вертикальными держателями или выключателями с предохранителями.

Вариант четвертый – ВРШ-НО-М8

Такое оборудование используют для автоматического или ручного включения/отключения городского освещения в вечернее или ночное время суток. Шкаф также способен вести учет электрической энергии, управлять освещением при помощи устройств телемеханики. Внутри содержится дополнительный абонентский отсек, а в базовую комплектацию входят следующие блоки:

• вводная панель с переключателем, блоком предохранителей и измерительным трансформатором;
• распределительная панель с контакторами, планочными держателями;
• телемеханический щит учета со счетчиком, ящиком и системой телемеханического управления;
• абонентский отсек с автоматическими выключателями модульного типа, осуществляющими защиту пользователей сети.

Для монтажа и эксплуатации данных моделей нет необходимости использовать бетонные или металлические сооружения. Шкаф может быть размещен на опорах. Если ШУО будет устанавливаться в блочно-распределительном пункте, то его можно разделить на несколько функциональных корпусов.

Вариант пятый

Такие устройства, аналогично предыдущим, автоматизируют процесс управления осветительными системами, осуществляют контроль и диагностику наружных линий. Их эксплуатируют в энергосберегающих и инвестиционных сетях с целью увеличения энергетической эффективности систем наружного освещения.

Датчики, приборы мониторинга и устройства управления

Датчики системы управления электроснабжением и электроосвещением служат для, сбора и передачи информации о наличии людей в помещении, уровне освещенности, температуре на устройствах подогрева и т.п. Данные передаются в систему управления, и на основе их показаний, система автоматизации активирует соответствующий режим работы.

Датчики могут передавать пороговые, дискретные или аналоговые сигналы, в зависимости от этого выбирается устройство расширения для включения их в систему автоматизации.

Показания датчиков представляются диспетчеру через систему мониторинга. В общем случае, система мониторинга предназначена для выполнения следующих функций:

• Непрерывного контроля состояния оборудования, установленного на объекте;
• Выдачи предупредительной и аварийной сигнализации на диспетчерский пульт;
• Удаленного управления обслуживаемым оборудованием с диспетчерского пульта;
• Предоставления собранной информации на диспетчерском пульте в удобном пользователю виде;
• Архивирования информации в базе данных;
• Ведения журнала событий по аварийной и предупредительной сигнализации, а также действиям обслуживающего персонала (диспетчера);
• Формирования отчетов по шаблонам пользователя на основании собранных данных.

Использовать модификацию светильников с функцией астротаймера (локальная система управления).

Астротаймер, в зависимости от настроек, может самостоятельно включаться, выключаться и диммироваться в определенный момент времени, например на время сумерек, или за час до заката, или через 2 часа после рассвета, или при установке других значений.

Данные параметры устанавливаются либо на заводе перед отгрузкой заказа, или при монтаже изделий на месте их использования.

Рис.2. Пример программирования режимов работы таймера

Подобное решение позволяет экономить на подключении дополнительных устройств и повышает отказоустойчивость системы по причине снижения числа используемых компонентов.

Недостатки и преимущества инфракрасных датчиков

К недостаткам использования датчиков движения относят возможность ложных срабатываний (реакция на теплый воздух, солнечные лучи), ухудшение работы на улице из-за атмосферных осадков, отсутствие срабатывания прибора в случае, когда одежда человека не пропускает инфракрасное излучение, постоянное выключение света через 10-15 секунд, как только двигательная активность снижается.

К преимуществам датчиков относят возможность контроля потребления электрической энергии и как следствие снижения денежных затрат, безопасность для здоровья человека, удобство использования.