技术领域
[0001] 本
发明涉及自动控制领域，具体涉及一种离网型风光互补路灯系统及控制方法。
背景技术
[0002] 使用离网独立运行的风光互补发电系统来提供
电能的是目前路灯系统较佳的供电方案。相比于依靠独立
风力发电或
光伏发电的路灯系统，风光互补发电可以提供更为稳定、经济的电能；也能充分利用立体空间，节省土地资源等。因此，风光互补路灯系统得到了越来越多的关注和研究。
[0003] 目前已投入运行的离网型风光互补路灯系统存在以下特点及不足：
[0004] 首先，目前的路灯系统由各个独立的路灯简单构成，系统内部各路灯间不能实现信息通讯；其
能量管理也主要是由各自的
控制器进行自然能的最大功率点追踪和
蓄电池充
放电管理，系统整体缺乏一个集中监控、管理和控制的方案。
[0005] 其次，现有路灯系统一般不能实现对所投入运行地区即时的昼夜、天气、
气候以及人流车流量等的实时监控，并依据监控数据拟定适合的控制方案来对路灯的
亮度进行灵活的调整。
[0006] 再就是，由于离网型路灯系统不接入
电网，能量自给自足，在极端天气下无法从外界获得电能维持路灯系统的工作，为了最大程度地延长系统运行时间，需要在系统总体电量偏低时有一套合理有效的运行策略。
[0007] 最后，当前大多数离网型路灯系统并不具备远程故障报修功能而依赖于人工检修甚至完全没有故障处理策略。为了保证路灯系统的安全运行，路灯系统内部应该能有效监测一些常见故障并在故障时及时通知相关部
门以便得到处理。
发明内容
[0008] 为了克服
现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种离网型风光互补路灯系统及控制方法。
[0009] 本发明采用如下技术方案：
[0010] 一种离网型风光互补路灯系统，包括若干个结构相同的路灯，所述路灯包括光伏发电组、风力发电组、蓄
电池组、负载LED及控制器；
[0011] 所述光伏发电组经过升压斩波
电路连接到DC
母线上；
[0012] 所述风力发电组经过不可控整流电路和升压斩波电路后连接到DC母线上；
[0013] 所述
蓄电池组的正负两端经过
电流可逆斩波电路连接到DC母线上；
[0014] 所述负载LED通过降压斩波电路连接到DC母线上；
[0015] 所述控制器包括
单片机、换流模
块、测量模块、监测模块、无线通讯模块、故障通知模块及远程操控模块，所述换流模块、测量模块、监测模块、无线通讯模块、故障通知模块及远程操控模块分别与单片机连接，所述远程操控模块与外部控制器连接。
[0016] 所述单片机为STM32F103。
[0017] 所述测量模块包括
电压测量单元及电流测量单元，所述电压测量单元用于测量包括发电端电压测量、负载两端电压降、蓄电池两端电压降以及各类检测电路和
采样电阻两端电压的电压。
[0018] 所述监测模块包括红外监测模块、外部环境亮度监测模块、功率监测模块及蓄电池电量监测模块。
[0019] 所述故障通知模块及远程操纵模块均包括JB35GD系列短信模块。
[0020] 一种离网型风光互补路灯系统的控制方法，根据光照范围互补的原则将路灯系统中每两个路灯设为一组；
[0021] 路灯亮灯时，依据负载LED的功率以及蓄电池的电量状态调整蓄电池充放电的电压电流大小和发
电机组的总输出功率，具体为：
[0022] 当风机发电组和光伏发电组的总发电功率Pi大于负载LED要消耗的功率Po时，由风机
发电机组向负载LED供电，若蓄电池组电量充足，则调小发电机组的总输出功率而实现卸荷效果，保证功率平衡；若蓄电池电量未满，则发电机组多余的功率流向蓄电池组。
[0023] 当风机发电组和光伏发电组的总发电功率Pi小于负载LED要消耗的功率Po时，由风机发电组和蓄电池组一同向负载LED供电；当风机发电组和光伏发电组的总发电功率Pi为零时，由蓄电池来单独供电；
[0024] 当需要蓄电池组供电且蓄电池组剩余电量不低于5％却不能向外供电时，会由故障通知模块发出错误报告。
[0025] 当需要蓄电池组供电时，蓄电池电量监测模块对蓄电池所剩电量进行实时
跟踪，并根据所剩电量多少和是否在亮灯定义路灯在状态一、状态二、状态三及状态四，[0026] 状态一，定义为蓄电池组电量大于25％，路灯工作在正常模式；
[0027] 状态二，定义为蓄电池组电量小于25％且大于5％且路灯在亮，路灯工作在低电量模式；
[0028] 状态三，定义为蓄电池组电量小于25％且大于5％且路灯不在亮，路灯工作在低电量模式；
[0029] 状态四，定义为蓄电池组电量小于5％，却不能向外供电时，保持熄灭，会由故障通知模块发出错误报告，工作在保护模式。
[0030] 本发明为了保证组内至少有一个路灯点亮，另一个路灯不亮，两个路灯轮流工作至组内蓄电池组电量均降至5％以下，具体控制过程如下：
[0031] 两个路灯保持时刻通讯，在同一时间内两个路灯一个处于发送状态，另一个处于接收状态，并在正常通信时按一定的周期不断在发送和接收两个状态进行轮流切换；
[0032] 当组内不能正常通信时，路灯的收发状态不会进行切换而是由发送端路灯不断地向接收端路灯发送
信号，若在设定时间内仍未能恢复正常通信会由故障通知模块发出错误报告。
[0033] 本发明当组内，两个路灯处于正常通信时：
[0034] 若一个路灯处于发送状态，则该路灯分别向另一个路灯发送状态一、状态二、状态三及状态四；
[0035] 若一个路灯处于接收状态，则结合该路灯自身所处状态和接收的信号做出的控制策略为：
[0036] 若该路灯处于状态一时，无论收到何种信号，其均工作在正常状态；
[0037] 若该路灯处于状态二时，当收到另一个路灯在状态一及状态二的信号时，则该路灯熄灭；
[0038] 当收到另一个路灯在状态三及状态四的信号时，说明另一个路灯并不在亮灯状态，为了原则的实现，路灯保持亮灯；
[0039] 若该路灯此时处于状态三，当收到另一个路灯处于状态一及状态二的信号时，说明另一个路灯在亮灯状态，而该路灯此时电量低于25％，则该路灯保持熄灭状态；当该路灯收到状态三及状态四的信号时，说明另一个路灯并不在亮灯状态，该路灯转为工作在亮灯；
[0040] 若该路灯此时处于状态四，无论收到何种信号，其均工作在保护模式，保持路灯熄灭。
[0041] 进一步的，当路灯运行在正常模式时，
[0042] 首先，根据单片机确定当前季节以决定夜间时段区间，夏秋季为18:00-次日6:00，冬春季为17：00-次日7:00，在日间时段，根据外部环境亮度监测测模块检测出的光强决定负载LED的功率大小，调节其功率大小由换流模块来实现；在夜间时段，根据时间是否超过23:00分为低流量时段和非低流量时段，在非低流量时段，负载LED的亮度恒为最高等级；在低流量时段，红外监测模块检测到没有行人、
汽车时适当降低路灯亮度等级，有行人、汽车经过时恢复路灯亮度等级至最高等级。
[0043] 本发明的有益效果：
[0044] (1)本发明路灯可根据季节的变换灵活调整夜间的亮灯时段，避免了路灯在街道亮度尚充足的时候点亮造成电能的浪费；在白天时段也可根据需要自动亮灯并调整亮度，拓展了路灯的应用时间范围，弥补了定时点亮的路灯系统的点亮时间与实际需要不相匹配的不足；
[0045] (2)本发明在夜间，相比于恒定亮度的路灯，减少了街道无人无车时电能的浪费，更加节能。
[0046] (3)在极端天气如长期阴天、风力长期过小的情况下，由于低电量模式的设置，整个路灯系统的最长工作时间可以有效延长，可以保证在每组路灯的所有蓄电池电量用至保护电量前每组都有一盏灯点亮，在一组的光照范围内不至于完全黑暗，最大限度保证照明。
[0047] (4)本发明与系统间相互无信号联系的路灯系统相比，路灯系统内的路灯可以相互配合工作，优化了路灯系统的运行方式；
[0048] (5)本发明设有保护模式，可以有效保护蓄电池以免其工作于过放电状态，可以有效延长蓄电池组寿命和保证其安全运行；
[0049] (6)本发明设有设有故障远程通知的功能，可以第一时间将一些常见故障及时通知相关检修部门以便其及时获知并处理。
[0050] (7)检修部门可以远程人工操控路灯系统，还可以远程读取路灯的实时能量数据信息。
附图说明
[0051] 图1是本发明的单个路灯结构的结构示意图；
[0052] 图2是本发明的路灯系统状态判别路程图；
[0053] 图3是本发明每组路灯之间的通信
流程图；
[0054] 图4是本发明在正常模式下路灯系统的控制流程图。
具体实施方式
[0055] 下面结合
实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
[0056] 实施例
[0057] 如图1-图4所示，一种离网型风光互补路灯系统，包括若干个结构相同的路灯，每个路灯包括光伏发电组、风力发电组、蓄电池组、负载LED及控制器；
[0058] 所述光伏发电组经过升压斩波电路连接到DC母线上；
[0059] 所述风力发电组经过不可控整流电路和升压斩波电路后连接到DC母线上；
[0060] 所述蓄电池组的正负两端经过电流可逆斩波电路连接到DC母线上；
[0061] 所述负载LED通过降压斩波电路连接到DC母线上；
[0062] 所述控制器包括单片机、换流模块、测量模块、监测模块、无线通讯模块、故障通知模块及远程操控模块，所述换流模块、测量模块、监测模块、无线通讯模块、故障通知模块及远程操控模块分别与单片机连接，所述远程操控模块与外部控制器连接。
[0063] 本实施例中单片机为STM32F103型芯片，其中换流模块的
控制信号由单片机控制发出；测量模块和监测模块中所监测的参数均通过一定电路转换为0-3V电压信号经单片机的I/O口输入到单片机上，由单片机ADC读取电位信息，进而获取各类系统及系统外部信息；无线通讯模块接到单片机上，由单片机控制其工作状态；故障通知模块和远程操控模块也接到单片机上，通过单片机实现路灯系统和外部的联系。
[0064] 所述换流模块包含输出脉冲信号控制各全控直流斩波电路占空比的单片机、连接到各部分的直流斩波电路及其驱动电路。
[0065] 所述的测量模块包含电压测量单元和电流测量单元，电压测量单元包括对发电端电压测量、负载两端电压降、蓄电池两端电压降以及各类检测电路和采样电阻两端电压的测量，均采用电阻分压的方式将电压信号按比例缩小后由单片机ADC直接测量。电流测量单元均基于电压测量单元，均采用电流互感器，在互感器两线段串接精密采样电阻将电流信号转换为电压信号后由单片机ADC进行测量。为保证数据稳定，必要时可在单片机I/O口和地间加上电容和稳压管。
[0066] 所述监测模块均基于测量模块，包含红外监测模块，用以检测经过的行人、汽车；外部环境亮度监测模块，由光敏电阻和标称电阻构成的电路，用电流测量模块测出电路电流进而推出光敏电阻的阻值大小结合其光照曲线得出当前光强；功率监测模块，通过对发电机组、蓄电池组以及负载端的实时电压电流测量实现功率实时监测；蓄电池电量监测模块，通过对蓄电池的实时功率监测实现对蓄电池电量的实时跟踪。
[0067] 所述无线通讯模块采用nrf24l01
无线通信模块，用以系统间通讯。
[0068] 所述故障通知模块包括JB35GD系列短信模块，可以把通过监测模块得知的蓄电池组故障以及无线通信模块的数据传输故障及时短信通知相关检修部门；故障灯，由单片机直接控制其亮灭，在故障出现时自动亮起，在故障排除后会自动熄灭。
[0069] 所述远程操控模块也基于JB35GD系列短信模块，检修部门可以通过短信遥控实现对路灯系统的远程操作与数据监控，从而使得路灯系统可人工操作。
[0070] 本发明的控制方法，包括，根据照范围互补的原则将路灯系统中每两个路灯设为一组，根据光伏发电组、风机发电组及蓄电池组的电量状态，其供电控制为：
[0071] 路灯亮灯时，依据负载LED的功率以及蓄电池的电量状态调整蓄电池充放电的电压电流大小和发电机组的总输出功率，具体为：
[0072] 当风机发电组和光伏发电组的总发电功率Pi大于负载LED要消耗的功率Po时，由风机发电机组向负载LED供电，若蓄电池组电量充足，则调小发电机组的总输出功率而实现卸荷效果，保证功率平衡；若蓄电池电量未满，则发电机组多余的功率流向蓄电池组。
[0073] 当风机发电组和光伏发电组的总发电功率Pi小于负载LED要消耗的功率Po时，由风机发电组和蓄电池组一同向负载LED供电；当风机发电组和光伏发电组的总发电功率Pi为零时，由蓄电池来单独供电；
[0074] 当需要蓄电池组供电且蓄电池组剩余电量不低于5％却不能向外供电时，会由故障通知模块发出错误报告。
[0075] 进一步的，当蓄电池组单独为路灯进行供电时，蓄电池电量监测模块可对蓄电池组所剩电量进行实时跟踪，并根据所剩电量多少和是否亮灯定义路灯所在状态，其过程为：
[0076] 状态一，定义为蓄电池组电量大于25％，路灯工作在正常模式；
[0077] 状态二，定义为蓄电池组电量小于25％且大于5％且路灯在亮，路灯工作在低电量模式；
[0078] 状态三，定义为蓄电池组电量小于25％且大于5％且路灯不在亮，路灯工作在低电量模式；
[0079] 状态四，定义为蓄电池组电量小于5％，却不能向外供电时，保持熄灭，会由故障通知模块发出错误报告，工作在保护模式。
[0080] 本发明图2及图3中状态1、状态2、状态3及状态4分别表示状态一、状态二、状态三及状态四。
[0081] 本实施例设置低电量模式，目的在于最大化延长系统的运行时间，保证在路灯系统蓄电池电量较低时，组内至多只有一个路灯点亮，另一个路灯不亮，两个路灯轮流工作至组内蓄电池组电量均降至5％以下。为了保证以上原则的实现，做出以下控制策略：一组内的两个路灯保持时刻通讯，在同一时间内两个路灯一个处于发送状态，另一个处于接收状态，并在正常通信时按一定的周期不断在发送和接收两个状态进行轮流切换。当组内不能正常通信时，路灯的收发状态不会进行切换而是由发送端路灯不断地向接收端路灯发送信号，若在5min内仍未能恢复正常通信会由故障通知模块发出错误报告。
[0082] 进一步的，当组内两个路灯处于正常通信时：
[0083] 若一个路灯处于发送状态，则该路灯分别向另一个路灯发送状态一、状态二、状态三及状态四；
[0084] 若一个路灯处于接收状态，则结合该路灯自身所处状态和接收的信号做出的控制策略为：
[0085] 若该路灯处于状态一时，无论收到何种信号，其均工作在正常状态；
[0086] 若该路灯处于状态二时，当收到另一个路灯在状态一及状态二的信号时，则该路灯熄灭；
[0087] 当收到另一个路灯在状态三及状态四的信号时，说明另一个路灯并不在亮灯状态，为了原则的实现，路灯保持亮灯；
[0088] 若该路灯此时处于状态三，当收到另一个路灯处于状态一及状态二的信号时，说明另一个路灯在亮灯状态，而该路灯此时电量低于25％，则该路灯保持熄灭状态；当该路灯收到状态三及状态四的信号时，说明另一个路灯并不在亮灯状态，该路灯转为工作在亮灯；
[0089] 若该路灯此时处于状态四，无论收到何种信号，其均工作在保护模式，保持路灯熄灭。
[0090] 当路灯运行在正常模式时，按以下规则运行：首先，根据单片机内部程序确定当前季节以决定夜间时段区间，夏秋季为18:00-次日6:00，冬春季为17：00-次日7:00。在日间时段，根据外部环境亮度监测模块检测出的光强决定负载LED的功率大小，调节其功率大小由换流模块来实现(以下涉及到功率调节均由换流模块来实现)。在夜间时段，根据时间是否超过23:00分为低流量时段和非低流量时段，在非低流量时段，负载LED的亮度恒为最高等级；在低流量时段，红外检测模块检测到没有行人、汽车时适当降低路灯亮度等级，有行人、汽车经过时恢复路灯亮度等级至最高等级。如图3所示。
[0091] 本发明的控制方法，主要包括以下方面：
[0092] (1)通过单片机内部程序自动识别当前季节、时间，可根据季节自动调整对夜间时段的定义，根据时间判断所处时段为白天时段还是夜间时段。
[0093] (2)通过外部环境亮度检测模块，可在白天时段需要亮灯时自动亮灯。
[0094] (3)定义低流量时段，在无行人和车辆通过时适当降低路灯亮度。通过红外检测模块，可在行人和车辆路过时将路灯亮度自动恢复至正常亮度。
[0095] (4)定义低电量模式，可以通过对路灯电量的监视和无线通信模块实现路灯系统在低电量状态下运行低电量模式。
[0096] (5)定义保护模式，在系统内所有路灯电量均低于保护电量时熄灭所有路灯，保证蓄电池组安全长久运行。
[0097] (6)设有故障远程通知的功能，可以在蓄电池组损坏或者无线通信模块发生数据传输故障时及时通知相关检修部门以便其及时获知并处理。
[0098] (7)检修部门可以通过远程操控模块实现对路灯系统的人工操作，还可以结合监测模块远程读取路灯当前发电机组的发电功率、负载工作状态及功率等级、蓄电池剩余电量等实时数据信息。
[0099] 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
