Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕГО УПРАВЛЕНИЯ УЛИЧНЫМ ОСВЕЩЕНИЕМ

Изобретение относится к области электротехники и предназначено для автоматизированного освещения жилых, общественных и промышленных территорий, а также автотрасс и прочих объектов транспортной инфраструктуры.

Заявлены способ и устройство для энергосберегающего управления уличным освещением, состоящие в автономном адаптивном диммировании уличных светильников в течение суток в зависимости от продолжительности светового дня, рассчитанной для каждых суток календарного года для данной географической зоны.

Известны устройства, предназначенные для организации и управления уличным освещением в течение суток.

Из уровня техники известно устройство контроля и управления уличным освещением (заявка на патент RU 2010137089, МПК G05D 25/02, H05B 37/02, опубл. 20.03.12). Устройство включает в себя следующие блоки: источники света, устройства управления. Данные блоки размещены в сети из n контрольных пунктов, каждый из которых содержит устройство управления и группу линий освещения.

Недостатком рассмотренной системы является отсутствие возможности осуществлять диммирование уличных светильников, что приводит к повышенным затратам на электроэнергию.

Известна система контроля и управления освещенностью (патент на полезную модель RU 112572, МПК H05B 37/02, опубликован 10.01.12). Управление освещенностью осуществляется путем создания на объектах освещения временных динамически изменяющихся по площади зон. Система включает в себя следующие элементы: блоки управления для освещения площади, средства для контроля и координации освещенности, связанные между собой и источниками света посредством беспроводной двухсторонней связи.

Недостатком представленной системы является отсутствие диммирования светильников в течение суток.

Известны технические решения, позволяющие осуществлять диммирование уличных светильников в течение суток с целью получения светового потока требуемой величины.

Известна автоматизированная система управления наружным освещением (АСУ НО) «Горсвет», разработанная научно-производственным предприятием «Горизонт» (http://www.intelecon.ru/catalog/sistemi_avtomatizatsii_i_dispetcherizatsi/naruzhnim_osvescheniem_asuno_gorsvet/asuno gorsvet.htm, дата обращения 15.10.2012). АСУ НО «Горсвет» представляет собой многоуровневую систему, предназначенную для качественного управления наружным освещением. На верхнем уровне системы располагается центральный диспетчерский пункт. На среднем уровне системы располагаются шкафы управления освещением при линиях уличного освещения или в трансформаторных подстанциях. На нижнем уровне система содержит в себе пускорегулирующую аппаратуру «ЭПРАН», которая обеспечивает адресное управление каждым источником света: включение/выключение, понижение мощности на 30% от номинальной, диагностику состояния каждого источника света. Связь между верхним уровнем и объектами среднего и нижнего уровня может осуществляться по радиоканалу, сотовой связи, выделенной телефонной линии, волоконно-оптической линии связи, либо нескольким видам связи одновременно.

Известна автоматизированная система диспетчерского управления наружным освещением (АСУ НО) «ОМЬ-СВЕТ», разработанная НПО «Мир», г. Омск (http://mirmsk.ru/asdu_no_omsvet., дата обращения 15.10.2012). Система предназначена для централизованного автоматического и оперативно-диспетчерского управления режимами освещения улиц, объектов и территорий городов и населенных пунктов, расположенных в районах с умеренно-холодным климатом. АСУ НО «ОМЬ-СВЕТ» представляет собой многоуровневую систему, выстроенную по иерархическому принципу с необходимым составом оборудования на каждом уровне. АСУ НО «ОМЬ-СВЕТ» включает в себя источники света, блоки питания, устройство приема и передачи данных, территориально распределенные контролируемые пункты питающие с контроллерами и средствами связи. При наличии в системе электронных пускорегулирующих аппаратов (ЭПРА), устанавливаемых в светильники, включение освещения может быть осуществлено в номинальном режиме (уровень освещенности - 100%) или экономичном (уровень освещенности - 50%). Связь ЭПРА и территориально распределенных контролируемых пунктов обеспечивается по силовым питающим проводам линии наружного освещения.

Известно интеллектуальное устройство для организации освещения и способ (заявка на патент WO 2011/049478, МПК H05B 37/02, дата международной публикации 28.04.11). Решение заключается в диммировании и изменении спектра светильника по предварительно заданному закону таким образом, чтобы дополнить характеристики естественного освещения до спектра и уровня освещения, характерные для данной географической зоны. Логические компоненты устройств управления нескольких источников света объединены в информационную сеть. Передача управляющего сигнала источнику излучения осуществляется с использованием проводов питающей сети. Кроме того, для приема и/или передачи управляющего сигнала интеллектуальное устройство дополнительно содержит устройство радиообмена.

Недостатком рассмотренных систем АСУ НО «Горсвет» и АСУ НО «ОМЬ-СВЕТ», а также устройства и способа, представленных в международной заявке на патент WO 2011/049478, является невозможность диммирования светильников в автономном режиме, что приводит к дополнительным существенным затратам на организацию связи в системе управления освещением.

Известно устройство автономного конструктивного модуля для автоматического управления освещением (патент RU 2399171, МПК H05B 37/02, опубл. 10.09.10). Данное устройство предназначено для автоматического управления освещением, содержащее датчик звука и микропроцессор, обеспечивающий диммирование светильников в двух режимах: минимальной и максимальной светоотдачи. Диммирование светильника осуществляется дискретно в два уровня по сигналу от датчика звука в функции от длительности пребывания человека в данном месте.

Недостатком указанного устройства является невозможность его применения для целей управления уличным освещением вследствие того, что в качестве устройства, формирующего управляющий сигнал, используется датчик звука, применение которого в системах наружного освещения будет приводить к ложным срабатываниям.

Наиболее близкой к заявленным способу и устройству является разработка EHIDMidNight израильской фирмы ELTAM EIN-HASHOFET (http://http://www.eltam-eh.corn/EHIDMidNight%C2%AE.html. дата обращения 15.10.2012). Система EHIDMidNight включает в себя источники света, ЭПРА с возможностью диммирования. Система оснащена алгоритмом, который позволяет автономно осуществлять настройку сценария диммирования в соответствии с реальной продолжительностью ночи. Система использует точку включения и точку выключения освещения в целях определения времени средней точки. Выбор режимов диммирования и их продолжительность осуществляется относительно средней точки, которая принимается фиксированной в течение календарного года. При этом в данной разработке освещение организовано на базе газоразрядных источников света.

Недостаток известного способа и устройства заключается в погрешности определения времени переключения режимов диммирования, возникающей при калибровке системы относительно фиксированной средней точки. Дело в том, что фактические значения средней точки между временем включения и временем выключения освещения в общем случае являются переменными величинами в течение календарного года. Например, на фиг.1 представлено изменение значений времени средней точки в течение календарного года для города Челябинска. Поэтому при выборе фиксированной в течение года средней точки для определения времени переключения режимов диммирования неизбежно возникнет неточность определения времени переключения режимов диммирования, что повлечет за собой потери электрической энергии. Кроме того, несвоевременное диммирование может приводить к снижению качества освещения и безопасности дорожного движения. Также недостатком является то, что система ориентирована на использование исключительно газоразрядных ламп и не допускает применение других более энергоэффективных источников света, например светодиодных, плазменных или индукционных светильников.

Техническая задача заявляемого изобретения направлена на повышение энергетической эффективности управления уличным освещением за счет автономного адаптивного диммирования уличных светильников в течение суток в зависимости от продолжительности светового дня, рассчитанной для данной географической зоны.

Технический результат, достигаемый предлагаемым решением, состоит в сокращении затрат электрической энергии на нужды освещения и затрат на создание и эксплуатацию линий связи между светильниками и автоматизированными пунктами включения.

На фиг.1 представлена динамика изменения времени средней точки в зависимости от календарной даты для г.Челябинска.

На фиг.2 проиллюстрированы границы базового энергосберегающего режима.

На фиг.3 представлена динамика изменения длительности работы светильников в течение календарного года.

На фиг.4 проиллюстрирован расчет периодов таймеров включения и выключения энергосберегающего режима.

На фиг.5 проиллюстрирован процесс определения времени переключения режимов диммирования.

На фиг.6 изображена логическая схема устройства управления уличным освещением.

Заявленный технический результат достигают применением способа и использованием устройства путем автономного адаптивного диммирования уличных светильников в течение суток в зависимости от продолжительности светового дня, рассчитанной для каждых суток календарного года для данной географической зоны.

Городское уличное освещение нормируется в зависимости от категории дороги (магистральные, районные и прочее) и количества транспорта, проезжающего в единицу времени (в час). При этом при проектировании систем освещения, как правило, закладывается технологический запас по мощности светильников 10-15%. Указанные факторы на практике зачастую приводят к переосвещенности улиц и дорог, что ведет к прямым потерям электроэнергии. Особенно существенно это проявляется в ночные часы суток, когда интенсивность движения транспорта значительно спадает. В этой связи действующие на территории РФ СНиП 23-05-95* «Естественное и искусственное освещение» допускают снижение уровня освещенности в ночные часы до 50% (энергосберегающий режим). При этом длительность энергосберегающего режима освещения определяется в зависимости от интенсивности движения.

Технологически управление уровнем освещенности осуществляется путем диммирования светильников (регулирования яркости светильников) с использованием электронных устройств, встраиваемых в светильники различных типов (например, ДНаТ, индукционных ламп, светодиодных и плазменных светильников).

Типовой подход к созданию системы управления освещением с функцией диммирования предполагает реализацию системы связи для адресной передачи команд управления от автоматизированных пунктов питания (АПВ) к светильникам. Это позволяет осуществлять индивидуальное или групповое регулирование яркости светильников, вводя энергосберегающие режимы пониженной яркости. При этом на практике основным критерием переключения режимов освещения является расписание, задаваемое программно на каждый день календарного года. Дополнительно для коррекции времени включения и отключения могут использоваться датчики освещенности.

Практическое применение данных систем позволяет получить значительный экономический эффект и повысить уровень комфортности освещения. Однако существенным недостатком подобного подхода является значительная стоимость внедрения автоматизированной системы управления в связи с необходимостью организации каналов передачи данных между управляющими контроллерами пунктов питания и светильниками, что ограничивает область их применения, как правило, только для крупных мегаполисов. Предлагаемые устройство и способ не требуют организации каналов передачи данных между управляющими контроллерами пунктов питания и светильниками и поэтому обладают меньшей стоимостью внедрения, что позволяет их использовать в сельской местности и в небольших городах.

Уличное освещение регулируют в течение суток путем автономного адаптивного диммирования уличных светильников, обеспечивающего функционирование системы освещения в номинальном либо в энергосберегающем режиме. В номинальном режиме обеспечивается номинальный световой поток. Энергосберегающему режиму соответствует такой промежуток времени в течение суток, когда согласно п.7.43 СНиП 23- 05-95* «Естественное и искусственное освещение» допускается снижение уровня наружного освещения улиц, дорог и площадей на 30% или 50% при уменьшении интенсивности движения до 1/3 или 1/5 максимальной величины соответственно. При этом в целях повышения комфортности в рамках энергосберегающего режима могут вводиться дополнительные градации яркости. Переключение между указанными градациями яркости осуществляется программно. Интервал времени переключений предварительно рассчитывается на основе анализа уровня интенсивности движения.

Энергосберегающий режим работы светильника подразделяется на:

- базовый энергосберегающий режим (БЭР) - режим, при котором обеспечивается диммирование уличных светильников на заведомо допустимый интервал времени (фиг.2).

- оптимальный энергосберегающий режим (ОЭР) - режим, при котором длительность энергосберегающего режима максимальна для текущей даты.

Способ энергосберегающего управления уличным освещением содержит в себе следующие этапы:

1. В память блока адаптивного диммирования (БАД) предварительно записывается график включения и выключения светильников для каждых суток календарного года для данной географической зоны.

2. В память БАД предварительно записывается время включения и выключения энергосберегающего режима на основании результатов замеров интенсивности движения для данной территории (дороги, улицы, площади и т.д.).

3. На каждом i-м цикле работы светильника (интервал времени с момента включения до момента выключения освещения в течение суток) рассчитывается длительность времени горения T_Ci при помощи таймера, начинающего отсчет в момент времени включения освещения t_ВКЛ и заканчивающего отсчет времени в момент выключения освещения t_ВЫКЛ. Рассчитанное значение T_Ci сохраняется энергонезависимой памятью в БАД.

4. На каждом i+1 цикле для значения T_Ci по таблице времени включения и выключения освещения определяются две соответствующие возможные календарные даты t^A и t^B. Сказанное проиллюстрировано на фиг.3, где точке A соответствует календарная дата t^A с временем включения освещения и временем выключения освещения , а точке B соответствует календарная дата t^B с временем включения освещения и временем выключения освещения . Далее определяется время включения БЭР как и время выключения БЭР как , что соответствует безопасному режиму пониженной яркости, удовлетворяющему обеим возможным календарным датам t^A и t^B. Рассчитанные на i-м цикле работы БАД значения используются для перехода в БЭР на i+1-м цикле. При этом в случае, если не определено соответствие между рассчитанным T_Ci и хотя бы одной календарной датой, то на i+1-м цикле БЭР не вводится.

5. В целях максимизации времени работы светильника в энергосберегающем режиме рассчитываются оптимальные значения времени включения и выключения энергосберегающего режима . Для этого на каждом шаге работы БАД определяется фактическая календарная дата следующим образом. Сигнал T_Ci подается на фильтр, который сглаживает колебания T_Ci, вызнанные погрешностями в управлении включением и выключением освещения относительно графика включения и выключения светильников для каждых суток календарного года для данной географической зоны. При помощи функции вычисления первой производной определяется направление изменения отфильтрованной величины (уменьшение или увеличение). На основании вычисленных значений и по таблице включения и выключения освещения определяется фактическая календарная дата (ближайшая календарная дата) с заданной точностью Δ. По этой календарной дате далее определяется оптимальное время включения и выключения ОЭР , которые используются для перехода в ОЭР на i+1-м цикле. При этом в случае, если не определено соответствие между рассчитанным и какой-либо календарной датой, то на i+1-м цикле ОЭР не вводится.

6. В блоке переключения режимов (БПР) сопоставляются значения времени включения и выключения энергосберегающего режима, полученные для ОЭР и БЭР. Если время включения и выключения ОЭР определено (соответствие между рассчитанным и календарной датой A или B найдено), тогда время включения и выключения энергосберегающего режима принимает следующие значения: t_ВКЛ,ЭР=t_ВКЛ,О и t_{ВЫКЛ,ЭР}=t_ВЫКЛ,О. Если время включения и время выключения ОЭР не определены, но эти же параметры определены для БЭР (найдено соответствие между рассчитанным T_Ci и хотя бы одной календарной датой), тогда время включения и выключения энергосберегающего режима принимает следующие значения: t_ВКЛ,ЭР=t_ВКЛ,Б и t_{ВЫКЛ,ЭР}=t_ВЫКЛ,Б. В случае, когда время включения и выключения ни ОЭР, ни БЭР не определены, то на i+1-м цикле энергосберегающий режим не вводится.

7. На основании полученных значений времени включения и выключения энергосберегающего режима осуществляется расчет периодов таймеров включения и выключения энергосберегающего режима. T_H - период таймера включения энергосберегающего режима - рассчитывается как разность между временем включения энергосберегающего режима t_ВКЛ,ЭР и заданным временем включения освещения t_ВКЛ для расчетной календарной даты. T_ЭР - период таймера выключения энергосберегающего режима - рассчитывается как разность между заданным временем выключения энергосберегающего режима t_{ВЫКЛ,ЭР} и временем включения энергосберегающего режима t_ВКЛ,ЭР.

Расчет периодов таймеров включения и выключения энергосберегающего режима проиллюстрирован на фиг. 4.

Принятые обозначения:

T_Ci - значения длительности работы светильников;

1 - фильтр;

2 - функция вычисления первой производной;

3 - блок сравнения с графиком;

4 - базовый энергосберегающий режим;

5 - блок переключения режимов;

- вычисленное значение производной ;

- отфильтрованное значение величины TCi;

- календарная дата t^A с временем включения освещения и временем выключения освещения , соответствующая точке A;

- календарная дата t^B с временем включения освещения и временем выключения освещения , соответствующая точке В;

t_Б=(t_ВКЛ,Б, t_ВЫКЛ,Б) - время включения и выключения светильника в базовом энергосберегающем режиме;

t_О=(t_ВКЛ,О, t_ВЫКЛ,О) - время включения и выключения светильника в оптимальном энергосберегающем режиме;

T_H - период таймера включения энергосберегающего режима;

T_ЭР - период таймера выключения энергосберегающего режима.

8. На основании полученной информации о величине периода таймера включения энергосберегающего режима и величине периода таймера выключения энергосберегающего режима осуществляется переключение режимов диммирования в соответствии с Фиг.5.

Принятые обозначения:

t_ВКЛ - момент времени включения освещения для данной календарной даты;

t_ВЫКЛ - момент времени выключения освещения для данной календарной даты;

t_ВКЛ,ЭР, t_{ВЫКЛ,ЭР} - заданные значения времени включения и выключения энергосберегающего режима для данной территории;

НР - номинальный режим;

ЭР - энергосберегающий режим;

T_Н - период таймера включения энергосберегающего режима;

T_ЭР - период таймера выключения энергосберегающего режима.

Устройство.

Логическая схема устройства организации искусственного освещения, позволяющего осуществлять автономное адаптивное диммирование уличных светильников в течение суток в зависимости от продолжительности светового дня, рассчитанной для данной географической зоны, представлена на фиг.6.

Принятые обозначения:

6 - источник света;

7 - блок питания;

8 - блок адаптивного диммирования (БАД) с энергонезависимой памятью;

9 - силовая цепь источника света;

10 - цепь управления диммированием источника света;

11 - цепь питания блока управления освещением;

12 - программный задатчик, обеспечивающий включение и выключение освещения по временным интервалам, заданным на каждые сутки;

13 - цепь питания 220B.

Блок адаптивного диммирования 8 программно управляет режимами диммирования уличного светильника. В энергонезависимой памяти блока адаптивного диммирования 8 заложено расписание включения и выключения светильников по календарной дате для данной географической зоны, расписание включения и выключения энергосберегающего режима на основании результатов замеров интенсивности движения для данной территории, а также интервал, по которому осуществляется программное переключение яркости в рамках энергосберегающего режима освещения. С помощью таймера, запрограммированного в БАД 8, по алгоритму определяется время включения энергосберегающего режима. С помощью другого таймера, также запрограммированного в БАД 8, определяется момент времени выхода из энергосберегающего режима. На основании полученной информации о времени переключения режимов диммирования БАД 8 формирует информационный сигнал, в соответствии с которым будет осуществляться диммирование источника света 6, и передает его по цепи управления диммированием источника света 10 в блок питания 7. Блок питания 7 на основе поступившего информационного сигнала по силовой цепи источника света 9 осуществляет подачу питающего сигнала на источник света 6, необходимого для организации силового потока требуемой величины в соответствующем режиме диммирования. Программный задатчик 12 в соответствии с интервалом, заданным в нем на каждые сутки, осуществляет подачу напряжения на блок питания 7 по цепи питания 13, обеспечивая тем самым включение и выключение освещения.

Интервал, но которому осуществляется программное переключение яркости в рамках энергосберегающего режима освещения, может быть определен расчетным путем на основе анализа уровня интенсивности дорожного движения или на основе информации, полученной от датчика интенсивности движения, который может дополнительно входить в состав устройства.

БАД является универсальной комплектующей единицей, что позволяет использовать его при различных источниках света: светодиодных, газоразрядных, плазменных и др.

Способ и устройство промышленно применимы, поскольку могут быть изготовлены промышленным способом.