Управление электропитанием светильников с использованием методов нечеткой логики

Повышение уровня автоматизации электротехнических комплексов и внедрение интеллектуальных систем управления энергоемкими объектами одна из актуальных задач современной науки. Одним из таких объектов считается система управления электропитанием светильников наружного освещения.

Один из вариантов решения задачи автоматического включения светильников наружного освещения осуществляется локальными системами на основе фотореле (ФР) или автоматов включения освещения (АВО) по сигналу от датчика естественной освещенности (Д). Структурная схема локальной системы управления наружным освещением приведена на рис. 1.

При уменьшении освещенности в вечернее время сопротивление фоторезистора увеличивается, пороговое устройство в электронном блоке при заданном значении сопротивления срабатывает и подает напряжение на исполнительное реле, включая освещение. При увеличении освещенности сопротивление фоторезистора уменьшается и при определенном его значении пороговое устройство выключает освещение.

Таким образом, при использовании фотореле и автоматов включения освещения их необходимо перестраивать под конкретные условия, а с изменением естественной освещенности в течение года, делать это приходится достаточно часто, что, в свою очередь, требует дополнительных затрат.

Более сложными являются автоматизированные распределенные системы управления электропитанием светильников наружного освещения. Структура такой системы в соответствии с назначением и объемом выполняемых задач представляет собой многоуровневую систему, построенную

Светильники

Рис. 1. Структурная схема управления освещением

по иерархическому принципу с необходимым составом оборудования на каждом уровне: нижний уровень - электронная энергосберегающая или электромагнитная пускорегулирующая аппаратура, устанавливаемая в светильники, датчики контроля целостности линий. Средний уровень - тер-

(на базе тиристоров или транзисторов) и гибридными. Регуляторы сетевого напряжения предназначены для плавного или дискретного регулирования светового потока источников света. Они могут быть как индивидуальными, так и групповыми. В зависимости от используемых источников риториально распределенные контролируемые света питающее напряжение на них может пода- питающие пункты с контроллерами и средствами связи с пунктом управления (ПУ). Верхний уровень - ПУ или центральный диспетчерский пункт, состоящий из сервера телемеханики со средствами связи, программного комплекса, одного или нескольких автоматизированных рабочих мест (АРМ) на базе ПЭВМ, объединенных в локальную вычислительную сеть. Структурная схема системы в общем виде представлена на рис. 2 [1]. В качестве источников информации о параметрах системы управления электропитанием освещения и состоянии необходимых параметров окружающей среды используются различные датчики. Датчики освещенности предназначены для измерения уровня естественной освещенности. В качестве датчика можно использовать любой светочувствительный прибор (фотодиод или фоторезистор).

Датчики электрических параметров получают информацию о значениях напряжения, тока, потребляемой мощности в каждой фазе, об обрывах и замыканиях в питающих сетях. Датчик ручного управления определяет переход контроллера в местный режим управления, который необходим при выполнении ремонтных работ на линии.

Вся информация с датчиков поступает на контроллер К, который содержит в памяти расписание режимов работы и при пропадании связи с персональным компьютером ПК центрального поста, обеспечивает автономный режим работы системы освещения. ПК задает режимы работы системы освещения, собирает и хранит информацию об ее функционировании.

После обработки полученной с датчиков информации контроллер подает управляющие воздействия на исполнительные устройства. Переключатели предназначены для полного или частичного включения или отключения ламповой нагрузки от сети. Они могут быть электромеханическими (реле или контакторы), статическими ваться как непосредственно, так и через нерегулируемую пускорегулирующую аппаратуру (ПРА). Принцип действия регулируемых ПР А основан на изменении их внутреннего сопротивления. Использование такой аппаратуры позволяет отказаться от регуляторов сетевого напряжения и нерегулируемой ПР А [1].

Силовые линии наружного освещения разделяются на питающие, распределительные и групповые. Питающие - это линии от распределительного устройства тяговой подстанции до вводного устройства (ВУ), вводно-распределительного устройства (ВРУ), главного распределительного щита (ГРЩ). Распределительные сети идут от ВУ, ВРУ, ГРЩ до распределительных пунктов, групповых щитов и пунктов питания наружного освещения. Групповые сети - это линии от групповых щитов (питающих пунктов) до светильников. Пример схемы групповых линий при трехфазной системе с нулевым проводом и питанием светильников HL1-HL4 наружного освещения от фазного напряжения представлен на рис. 3 [1].

Как видно из рис. 3, подключение светильников осуществляется с чередованием фаз питающего напряжения. Это делается для того, чтобы уменьшить коэффициент неравномерности освещения при отключении одной или двух фаз в результате аварии. По этой же причине при монтаже силовых линий не подключают установленные рядом светильники к одной фазе питающего напряжения. К тому же такой способ подключения эффективен при использовании ночного режима с отключением части светильников и позволяет регулировать общее потребление электроэнергии в зависимости от текущего значения естественной (солнечной) освещенности и времени суток.

В качестве алгоритма выбора режима освещения предлагается использовать методы нечеткой логики [2]. При использовании пускорегулирую-

Рис. 2. Структурная схема АСУ наружным освещением

Краснокуцкий И.Н.

Управление электропитанием светильников с использованием методов нечеткой логики

Рис. 3. Схема питания групповых линий наружного освещения

щей аппаратуры можно выделить семь дискретных режимов включения наружного освещения с шагом в 16,7 % от номинальной мощности. Если нет необходимости использовать такие частые режимы переключения, то возможно сокращение системы с отказом от пускорегулирующей аппаратуры, тогда шаг включения составит 33,3 % от номинального (под номинальной мощностью здесь и далее понимается потребляемая мощность при включении трех фаз системы наружного освещения в режиме 100 %). При этом формируются логические переменные: входные (естественная освещенность и время суток) и выходные (мощность включения, в процентах от максимальной). По результатам исследований измеренных значений естественной освещенности определены лингвистические переменные, функции принадлежности и их связь с численными значениями входных и выходных величин. Основные статистические показатели процесса изменения естественной освещенности за период наблюдений, равный одной неделе, представлены в табл. 1.

На основе полученной статистической информации разработан алгоритм принятия решения о необходимом режиме включения освещения. С учетом проведенных экспериментальных исследований один из вариантов базы правил нечеткого вывода представлен в табл. 2.

.                             Таблица 1

Статистические показатели полного сигнала за семь суток апреля

Статистические характеристики	Оценки	л			ень недели
		1	2	3	4	5	6	7
Математическое ожидание, Мх	Суточные	0,0564	0,0579	0,0625	0,0556	0,0543	0,0577	0,0586
	Накопленные	—	0,0579	0,0594	0,0584	0,0575	0,0576	0,0577
Дисперсия, Dx	Суточные	0,0002	0,0003	0,0003	0,0002	0,0002	0,0002	0,0002
	Накопленные		0,0002	0,0003	0,0002	0,0002	0,0002	0,0002
Третий момент, Д3	Суточные	-1,54 Е-06	5,33 Е-07	-1,05 Е-06	-9,95 Е-07	-9,52 Е-07	-1,07 Е-06	-1,07 Е-06
	Накопленные	-	2,30 Е-07	-1,11 Е-08	-3,81 Е-08	-3,61 Е-08	-1,77 Е-07	-2,75 Е-07
Четвертый момент, Мд	Суточные	5,81 Е-08	1,06 Е-07	2,26 Е-07	7,88 Е-08	6,14 Е-08	5,23 Е-08	4,99 Е-08
	Накопленные	-	6,86 Е-08	1,02 Е-07	8,62 Е-08	7,62 Е-08	6,97 Е-08	6,45 Е-08
Ассиметрия, As	Суточные	-0,753	0,129	-0,165	-0,467	-0,533	-0,409	-0,406
	Накопленные		0,104	-0,003	-0,014	-0,015	-0,080	-0,131
Эксцесс, EES	Суточные	-0,766	-1,394	-1,097	-0,130	-0,164	-1,559	-1,641
	Накопленные	-0,766	-0,626	-0,904	-0,724	-0,581	-0,588	-0,592

Таблица 2

Свод правил

Освещенность	Время суток
	Утро	День	Вечер	Ночь
Нулевая	Высокая	Высокая	Высокая	Высокая
Очень низкая	Средняя	Средняя	Средняя	Средняя
Низкая	Низкая	Низкая	Низкая	Низкая
Средняя	Очень низкая	Очень низкая	Очень низкая	Очень низкая
Высокая	Нулевая	Нулевая	Нулевая	Нулевая

б

Рис. 4. Результаты моделирования алгоритма управления: а - мощность включения; б - естественная освещенность

Алгоритм управления наружным освещением осуществляется по методу Мам дани [3]. В качестве дефаззификации или приведения к четкости применяется метод наибольшего (правого) модального значения.

Результаты моделирования логического вывода в среде MATLAB [2, 4] с экспериментальными замерами естественной освещенности представлены на рис. 4.

Таким образом, использование алгоритмов принятия решения о необходимом режиме включения электропитания светильников наружного освещения на основе нечеткой логики позволяет снизить расходы электроэнергии. Расчетное снижение в часы восхода и заката солнца составляет до 50 %, что приблизительно равно 4 % суточного потребления системы наружного освещения.