Технологии автоматизации в энергоресурсосберегающих сетях освещения

При рассмотрении особо сложных явлений необходимо одновременно учитывать множество фактов, которые являются составляющими и детерминантами данного явления, то есть образуют его и им управляют.
Станислав Лем. Сумма технологии

Введение

Развитие энергосберегающих технологий в наружном освещении неразрывно связано с внедрением интеллектуального управления светильниками. Энергосберегающие пилотные проекты городского освещения, ещё 5 лет назад считавшиеся довольно далёкой перспективой [1], реализуются в России и ряде других стран, при этом энергосбережение обеспечивается не столько за счёт повышения энергоэффективности светильников, сколько за счёт применения энергосберегающих методов управления. Происходит отработка алгоритмов управления, обеспечивающих не только собственно энергосбережение, но и улучшение других эксплуатационных характеристик осветительных установок. Попутно выявляются скрытые ра­нее возможности энергоресурсосберегающего управления, которые, в свою очередь, заставляют ревизовать требования к осветительным установкам в части характеристик их управляемости.

В настоящей статье рассмотрены опро­­бованные, развивающиеся и гипотетические технологии энергоресурсо­сберегающего управления в сетях освещения. Используя методологию технологического прогнозирования [2], автор попытался максимально полно выявить резервы энерго- и ресурсосбережения, описать применяемые и перспективные технологии управления, использующие эти резервы, обосновать выбор экономических критериев для сравнения вариантов, определить наиболее перспективные технологии и предложить для их реализации универсальную технологическую платформу.

Характеристики современных источников света для наружного освещения

До настоящего времени одним из важнейших энергосберегающих мероприятий на предприятиях наружного осве­щения считается замена ртутных ламп высокого давления (РЛВД) с эффективностью 40…50 лм/Вт на натриевые лампы высокого давления (НЛВД) с эффективностью 100…150 лм/Вт. В крупных городах России такая замена произведена на подавляющем большинстве осветительных установок. Приме­няются также и более дорогие металлогалогенные лампы (МГЛ) с эффективностью 90…120 лм/Вт, которые являются модернизацией РЛВД и обладают спектром, более близким к солнечному. Ограниченное применение находят безэлектродные газоразрядные лампы, такие как индукционные люминесцентные лампы (ИЛ), серные лампы высокого давления (СЛ) и недавно появившиеся безэлектродные металлогалогенные лампы (БМГЛ) [3].

С конца 1990-х годов активно прогрессируют источники света на базе сверхъярких голубых светодиодов, по­крываемых жёлтым люминофором, – так называемые сверхъяркие белые светодиоды (СБС). В последние годы светоотдача мощных СБС вышла на уровень, близкий к лучшим натриевым и металлогалогенным лампам высокого давления (ЛВД). В дальнейшем будем рассматривать характеристики СБС с мощностью более 1 Вт, применяемых в уличных светильниках.

Необходимо отметить, что проводимые в ряде научных организаций работы по созданию перспективного многокомпонентного безлюминофорного све­тодиодного RGB-источника белого света для наружного освещения [4] пока не привели к появлению промышленного образца. По всей видимости, это объясняется сложностью решения двух проблем: проблемы получения большой светоотдачи в жёлто-зелёной части спектра (так называемая проблема «зелёной долины») и проблемы реализации автоматической балансировки компонентов для получения стабильного цвета при изменении температуры светодиодов и их деградации.

В табл.1 представлены характеристики источников света (ИС) и осветительных установок (ОУ), влияющие на энергоресурсосбережение, включая срок службы, цветопередачу и ряд других параметров. 

Из-за невозможности реализации требуемой КСС типа Ш, что является непременным условием для эффективного дорожного освещения при большом расстоянии между опорами, из дальнейшего рассмотрения придётся исключить решения с ИЛ. Для остальных источников света зафиксируем различие в ряде характеристик, которое потребуется нам для рассмотрения более широкого круга вопросов, связанных с возможностью использования резервов энерго- и ресурсосбережения в сетях освещения.

Выявление резервов энергосбережения за счёт управления

В системах управления освещением традиционным способом экономии энер­гопотребления издавна является отключение в ночное время одной или двух фаз в каждой из отходящих от пункта включения (ПВ) трёхфазных линий освещения. Причём чередование отключаемых фаз позволяло, как правило, сохранить более-менее равномерную пофазную загрузку сети. Такое энергосбережение до начала 1990-х го­дов считалось вполне допустимым при ночном снижении интенсивности дорожного движения [5], оно обеспечивало суммарную экономию электроэнергии до 15…30%. Однако, как показали позднейшие изыскания, упомянутое дискретное (пофазное) отключение части светильников уличного освещения по совокупности оценок не уменьшает расходы городского бюджета [6]. Оно приводит к ухудшению видимости для водителей, сокращению срока службы ламп, увеличению потерь в распределительных сетях, росту расходов на замену ламп и снижению надёжности работы ОУ. В 2011 году в актуализированной редакции СНиП 23-05-95 (свод правил СП 52.13330.2011 [7]) такая энергосберегающая технология впервые не была рекомендована.

Рекомендованный СП 52.13330.2011 метод энергосберегающего управления пред­­полагает регулирование светового потока каждого светильника (то есть диммирование). При этом допускается снижать уровень освещения в ночное время на 50%, а в вечерние и утренние часы – на 30% и 50% при уменьшении интенсивности дорожного движения в 3 раза (до 33%) и 5 раз (до 20%) соответственно. При таком диммировании экономия электроэнергии может доходить до 30…40% интегрально в течение года, что проиллюстрировано рис. 1.

Существующее управление сетями городского освещения [8] построено по каскадному принципу, при этом каждый из фрагментов каскада содержит ПВ, осуществляющий коммутацию, управление, контроль и учёт электроэнергии, трёхфазные линии питания и собственно светильники. Лампы высокого давления подключаются в светильниках к одной из фаз линии освещения через электромагнитную пускорегулирующую аппаратуру (ЭмПРА). ЭмПРА содержит балластный дроссель, согласующий низкое динамическое сопротивление лампы с напряжением сети, импульсное зажигающее устройство для поджига разряда в лампе и конденсатор, корректирующий коэффициент мощности до приемлемой величины. Таким образом, традиционная схема управления не имеет возможностей диммирования, и требуется серьёзная модернизация сети для обеспечения энергосберегающего управления (поэтому далее в статье, где речь идёт о диммировании, подразумевается возможное или специально реализованное решение).

Между тем, даже если будет реализована только стабилизация мощности каждой лампы (групповым или индивидуальным способом), она автоматически обеспечит компенсацию нестабильности (возрастания) напряжения в сети освещения, которая может доходить (особенно в ночное время) до 15% и более. Немаловажной является и возможность экономии за счёт улучшения коэффициента мощности, что может уменьшить полный потребляемый ток на 20% за счёт устранения реактивной мощности.

Дополнительные возможности экономии достигаются за счёт уменьшения потерь в ПРА (до 5%), использования более экономичных режимов работы ПРА и ламп (в том числе режимов без так называемого перезажигания в каждом полупериоде сетевого напряжения), отключения отдельных осветительных установок (например рекламы), использования для диммирования проектных коэффициентов запаса Кз по световому потоку (этот запас даётся на неизбежную деградацию ламп и загрязнение светильников в процессе эксплуатации). Кроме этого, возможны индивидуальная подстройка начального светового потока под проектное значение на этапе пусконаладки внедряемой линии освещения, а также диммирование при наличии осадков (снег, дождь и туман).

Часть этих возможностей проиллюстрирована на рис. 2 с использованием материалов справочника [8] (стр. 436). 

При этом предполагается, что контроллер каждого светильника реализует параметрическое управление мощностью лампы, обеспечивая в каждый момент времени необходимый световой поток светильника. Для управления контроллер использует информацию о коэффициенте запаса по световому потоку, о деградации лампы (зависящей от времени её наработки), о деградации оптики (по времени эксплуатации светильника), о загрязнении светильника (зависящем от ряда факторов, [8]), о времени его чистки и пр. Загрузка данных в контроллер осуществляется из базы данных центральной диспетчерской сети по каналам управления ПВ и светильниками. Возможное энергосбережение при таком управлении можно оценить не более чем в 15%, поскольку невозможно точно учесть влияние всех факторов в процессе эксплуатации.

При этом требуемая кратность диммирования (с учётом ночного режима и использования К_з) может доходить до 3…4 раз, что превышает возможности большинства популярных ЛВД. Такую кратность диммирования обеспечивают СЛ, БМГЛ и СБС. Кроме того, известно, что эффективность СБС (в отличие от всех ЛВД) при диммировании увеличивается. Так, при кратности диммирования в 2 раза эффективность СБС уже превышает эффективность НЛВД примерно в 1,5 раза. Кроме того, СБС при применении в уличных светильниках имеют ещё одно потенциальное преимущество – возможность более точной реализации КСС типа Ш. В сум­ме это может составить ещё до 20% энергосбережения.

Таким образом, суммарная экономия электроэнергии в интеллектуальной сети наружного освещения может достигнуть, а в отдельных случаях и превысить 50%.

Общая экономия в освещении городов России могла бы составить в год до 6×10¹⁵ Дж, что соответствует уменьшению выбросов СО₂ на 200 тысяч тонн в год.

Резервы по сроку службы источников света

Известно, что в традиционных сетях освещения ресурс ЛВД при питании от ЭмПРА существенно меньше паспортных значений. При питании же от электронной пускорегулирующей аппаратуры (ЭлПРА) частота отказов ламп снижается в 3 раза (с ~30% отказов за 6000 часов горения до ~10%) [9], уменьшается и деградация их светотехнических характеристик [10]. Причинами этого являются стабилизация мощности ламп во всех режимах эксплуатации, отсутствие пульсаций питающего тока, более мягкие пусковые режимы и отсутствие перезажигания.

На рис. 3 проиллюстрирована возможность двукратного увеличения времени работы ЛВД до замены (с 6000 до 12000 часов) при использовании ЭлПРА (уменьшение деградации с 3,5% до 2% за 1000 часов), небольшом увеличении номинального К_з (с 1,6 до 1,72) и применении самоочистки покровного стекла светильника. 

Некоторое уменьшение начального светового потока светильника (до 7%) за счёт поглощения дополнительным самоочищающимся покрытием может быть с лихвой компенсировано эффектом самоочистки, а интервал между чистками ОУ может быть значительно увеличен (в нашем случае – от 1500 до 4000 часов).

Что касается срока службы СБС, то при диммировании он существенно увеличивается, что открывает возможность использовать СБС в номинальном режиме на повышенных токах, оптимизировать количество используемых светодиодов и снизить стоимость светильника.

Диагностика как фактор снижения эксплуатационных расходов и повышения качества работы сети

Наличие интеллектуальной сети позволяет получать в реальном времени полную информацию о наработке ламп и отказов по каждому светильнику. Это существенно упрощает планирование работ по замене ламп и получение более высокого основного эксплуатационного показателя – так называемого процента горения. При наличии же предотказной диагностики ламп (например, по увеличению напряжения на ЛВД к концу срока службы или по отказу отдельных светодиодов) реально можно создать систему, в которой замена большинства ламп производилась бы до момента погасания. Такая сеть, с одной стороны, будет практически полностью использовать ресурс ламп, а с другой стороны, её надёжность и процент горения будут определяться только интенсивностью внезапных отказов ЭлПРА и драйверов. Факт такого отказа оперативно диагностируется в интеллектуальной сети, что открывает возможность максимального приближения процента горения к 100%.

Классификация технологий энергоресурсосберегающего управления в сетях наружного освещения

Всё многообразие технологий энергоресурсосберегающего управления предлагается разбить на пять классов: традиционные технологии, технологии группового управления, технологии с ЛВД + ЭлПРА, технологии с СБС, технологии с безэлектродными лампами.

Кратко рассмотрим каждый из них.

I класс. Традиционные технологии

К первому классу следует причислить технологию работы традиционной сети освещения на ЛВД без режима пофазного отключения (назовём её вар. 1.1). Существует более совершенный вариант этой технологии с удвоенным числом светильников на каждой опоре или со светильниками с двумя лампами (вар. 1.2), при котором в ночном режиме отключается половина ламп без ухудшения неравномерности освещённости. При внешней простоте реализации такой вариант неизбежно создаёт «перекос» фаз в трёхфазных линиях освещения и является более дорогим при монтаже и в эксплуатации, а энергосбережение обеспечивает относительно небольшое – около 20%.

К этому же классу условно отнесём известную технологию с двухрежимными ЭмПРА (вар. 1.3). В таких ЭмПРА в ночном режиме обеспечивается подключение дополнительного балластного дросселя с обеспечением двукратного диммирования. Интегральное энергосбережение может доходить до 30%. Для реализации этого варианта потребуется дополнительная линия управления или таймер в каждом светильнике, а также дополнительные конденсаторы для компенсации изменяющегося коэффициента мощности. Необходимо также учитывать, что при таком управлении происходит мгновенное переключение в режим двукратного диммирования, а это может привести к внезапному погасанию лампы, особенно при большом времени её наработки.

II класс. Технологии группового управления

Ко второму классу необходимо отнести технологии, обеспечивающие групповое управление светильниками путём регулировки напряжения на линиях освещения (ЛО).

При таком управлении (рис. 4) энергоресурсосбережение достигается за счёт стабилизации напряжения в ЛО во всех режимах, уменьшения пусковых токов, уменьшения напряжения сети U_c в ночном и промежуточном режимах. Суммарная экономия энергопотребления также не превышает 30%.

Эта технология часто реализуется на автотрансформаторах с обмотками, переключаемыми симисторами или контакторами (вар. 2.1). При малом шаге напряжения обмоток (~5 В, рис. 4) и достаточно медленном уменьшении напряжения при диммировании возможность погасания ЛВД практически исключена.

Однако при таком способе управления эффект возрастания рабочего напряжения ЛВД к концу срока службы и разброс в характеристиках ламп (особенно от разных производителей) дополнительно снижают диапазон диммирования ЛВД.

Первые эксперименты в рамках этой технологии проводились в Ленинграде в далёких 1980-х годах. Они получили дальнейшее развитие только в наше время после появления надёжных симисторных ключей.

Меньшее распространение нашли схемы с симисторными фазорегуляторами (вар. 2.2), которые, несмотря на простоту реализации, вносят большие искажения в питающее напряжение и нуждаются в управляемом сетевом корректоре коэффициента мощности.

Существуют и более сложные схемы с конверторами-преобразователями, широко применяемые в других областях (вар. 2.3), однако конкретные их реализации в сетях наружного освещения нам неизвестны. Это, скорее всего, связано с большой стоимостью конверторов и их недостаточной надёжностью.

III класс. Технологии с ЛВД + ЭлПРА

К третьему классу следует отнести технологии с применением управляемых ЭлПРА в светильниках с ЛВД, которые позволяют использовать большинство резервов энергосбережения.

Широко распространены схемы так называемых высокочастотных ЭлПРА (вар. 3.1). Они обеспечивают работу только с НЛВД ввиду возможности размещения частоты питания лампы вне зоны акустического резонанса в газовом разряде [10]. При этом частота питания подбирается опытным путём под каждый тип ламп, поскольку ни один производитель не гарантирует диапазона частот, свободного от этого паразитного эффекта, ухудшающего качество света и надёжность ламп. Более того, нет никакой гарантии, что замена лампы НЛВД на лампу другого производителя не приведёт к возникновению акустического резонанса. Для питания МГЛ ведущие производители вообще не рекомендуют использовать частоты, превышающие несколько сотен герц [11]. Ввиду этого необходимо рассмотреть варианты схем универсальной низкочастотной ЭлПРА для питания как НЛВД, так и МГЛ (вар. 3.2).

Один из популярных вариантов такой ЭлПРА [12] показан на рис. 5. 

Сложность схемы вызвана необходимостью обеспечения питания ЛВД низкочастотным прямоугольным напряжением с регулируемой амплитудой (LFSW – Low-Frequency Square-Wave). Для этого потребовалось четырёхкратное (!) преобразование полной мощности в выпрямителе, корректоре коэффициента мощности, регуляторе мощности и мостовом инверторе. Данная схема насчитывает до 13 силовых полупроводниковых элементов. Важно и то, что электролитический высокочастотный конденсатор большой ёмкости на выходе корректора коэффициента мощности имеет номинальный срок службы, не превышающий срок службы ЛВД [10], что явно недостаточно.

Автору представляется, что задачу надёжного управления ЛВД необходимо решать путём объединения об­щих функций (вы­прямления и коррекции коэффициента мощности) всех ЭлПРА в од­ном общем узле, размещаемом в ПВ. За счёт применения в таком узле трёхфазного выпрямления легче получить высокий коэффициент мощности. В светильнике же, питающемся постоянным напряжением, останутся лишь функции непосредственного управления лампой.

Предлагаемая технология (вар. 3.3), выполненная в этой парадигме, включает в себя силовой трёхфазный выпрямитель, устанавливаемый непосредственно после силового трансформатора, линию постоянного напряжения и светильники с ЭлПРА постоянного тока (ЭлПРАпт) [13]. Одна из возможных функциональных схем ЭлПРАпт показана на рис. 6. 

В ней обеспечена трёхуровневая широтно-импульсная модуляция с режимом питания ЛВД, близким к LFSW. В ЭлПРАпт не требуется отдельной схемы зажигания, поскольку сам инвертор обеспечивает мягкий режим зажигания, подавая на лампу через резонансный фильтр оптимальную мощность импульса поджига независимо от конкретного значения напряжения её пробоя. Из стандартизованных номиналов питающего постоянного напряжения [14] наиболее подходящим в этом варианте является сетевое напряжение =230 В, при этом для городских сетей большой протяжённости целесообразно использование биполярных сетей, обладающих меньшими потерями. Примеры реализа­ции элементов ЭлПРАпт приведены в [10, 15].

ЭлПРАпт содержит всего четыре силовых транзистора MOSFET, имеет более высокую надёжность и меньшие потери ввиду меньшего сопротивления и большего быстродействия в сравнении с традиционными ЭлПРА на высоковольтных (500…600 В) транзисторах. Инвертор ЭлПРАпт может работать на более высоких частотах, что позволяет также оптимизировать габариты резонансного фильтра.

Необходимо отметить, что в системах аварийного освещения на постоянном напряжении аналогичная технология, но с использованием люминесцентных ламп, является довольно распространённой.

Важно и то, что технологии постоянного тока обладают большей электробезопасностью в сравнении с технологиями переменного тока [16].

IV класс. Технологии с СБС

К четвёртому классу технологий отнесём решения с мощными СБС (вар. 4.1), которые превосходят решения III класса в основном по характеристикам диммирования.

К этому же классу относятся решения с комбинированными светильниками [17], которые сочетают в себе МГЛ, работающие в режиме постоянной мощности, и СБС, имеющие возможность глубокого диммирования (вар. 4.2). Однако такие светильники имеют более сложную электронику и конструкцию.

Наиболее оригинальной в этом классе следует признать технологию автономного электроснабжения линий освещения с СБС (вар. 4.3). При этом каждая ОУ оснащается солнечной батареей и/или малогабаритной ветровой турбиной, аккумуляторным накопителем и соответствующей схемой управления. Управление светильниками в такой сети осуществляется, как правило, по радиоканалу. При отсутствии подключения к электросети (и платы за электроэнергию), низком питающем напряжении (~24 В) и всей кажущейся привлекательности такие системы весьма дороги.

Варианты со светодиодными RGB-источниками света не включаем в рассмотрение по причинам, изложенным в разделе «Характеристики современных источников света для наружного освещения».

В существующих мощных уличных светодиодных светильниках пока неудовлетворительно решаются две задачи: эффективного охлаждения СБС и минимизации оптических потерь при получении приемлемого светораспределения. Попытка стандартизации сменяемых двухкомпонентных светодиодных модулей уличных светильников (драйвер + матрица СБС), предпринятая рабочей группой консорциума Zhaga [18], в этих условиях представляется преждевременной.

Дальнейший прогресс в четвёртом классе технологий будет происходить в направлении снижения стоимости светильников, повышения их надёжности и эффективности. И в этом направлении уже появляются интересные апробированные решения [19].

V класс. Технологии с безэлектродными лампами

В пятом классе представлены варианты технологий с управляемыми безэлектродными лампами высокого давления, а именно СЛ (вар. 5.1) и безэлектродные МГЛ (вар. 5.2). В сравнении с обычными ЛВД эти технологии обеспечивают более глубокое диммирование, а также увеличенный срок службы за счёт безэлектродной конструкции. Однако стоимость таких светильников существенно превосходит стоимость светильников с традиционными ЛВД ввиду возбуждения разряда в БМГЛ диэлектрическим объёмным резонатором и магнетронного возбуждения СЛ.

Дополнительная классификация по способам управления светильниками

По вариантам 1.3, 3.1, 3.2, 3.3, 4.1, 4.2, 5.1, 5.2, в которых используются диммируемые светильники, возможны следующие подварианты, связанные с различными способами управления:

а) управление по проводной линии с интерфейсами DALI, DSI, 1…10 В, DMX512, KNX и пр.;
б) управление путём коммутации напряжения в линии освещения;
в) управление с помощью радиомодема (например ZigBee) или модема силовой сети (Power Line Communica­tion Modem, или PLC-модем);
г) автономное управление от встроен­ных таймеров, фотодатчи­ков, датчи­ков интенсивности движения транс­порта и пр.

Оценка экономической эффективности технологий управления сетями освещения

Наша задача состоит в выявлении наиболее эффективных технологий для реализации пилотного проекта энергоресурсосберегающей сети наружного освещения. Для этого прежде всего необходимо произвести выбор критерия сравнительной оценки вариантов. Очевидно, что при бюджетном финансировании могут рассматриваться только экономические критерии. В духе основных положений федерального закона № 261-ФЗ [20] следовало бы предпочесть критерий совокупной стоимости владения (Total Cost of Ownership – TCO), поскольку он даёт интегральную оценку в течение всего срока службы. В действительности на данном этапе для оптимизации объёма вычислений приходится ограничиться оценкой по чистому дисконтированному доходу (ЧДД) по отношению к базовому варианту. За срок службы принято типовое время эксплуатации системы до капитального ремонта – 10 лет.

При проведении сравнительных расчётов учитывались стоимость основного и вспомогательного оборудования, затраты на монтаж, пусконаладку, ремонт и эксплуатацию.

В оценке учтены прогнозы по росту тарифов на электроэнергию и цена выделяемой мощности [21].

Расчёт проводился по двухкилометровому участку системы освещения строящейся 2-й очереди Западного скоростного диаметра Санкт-Петербурга. Участок содержит 328 светильников, имеет 8,2 км кабеля линий освещения и обслуживается одной трансформаторной подстанцией и двумя ПВ.

В качестве базового принят вариант 1.1 без отключения фаз.

Результаты оценки представлены в графическом виде на рис. 7.

По каждому из вариантов приво­дится только один подвариант с наилучшим ЧДД (с соответствующим буквенным обозначением при необходимости).

Лучшие характеристики варианта 3.3в (ЭлПРАпт + PLC-модем) объясняются максимальной экономией электроэнергии при высокой надёжности ЭлПРАпт.

Варианты с наименьшими начальными затратами и малым сроком окупаемости (вар. 2.1 и 2.2) с точки зрения итоговых показателей дают весьма посредственный результат. Таким образом, в нашем случае эти наиболее распространённые критерии оценки потенциальных инвестиций полностью опровергаются на уровне интегральных оценок.

Неудовлетворительные показатели имеют варианты 1.3г (двухрежимный ЭмПРА + таймер), 2.3 (конвертор), 1.2 (двойное число ламп) и 4.3. Очевидно, что оценку перспективного варианта 4.1 (СБС) потребуется корректировать при дальнейшем снижении стоимости светодиодных светильников, это же относится и к вариантам 5.1 и 5.2.

Необходимо отметить, что лучшие показатели варианта 3.3в в сравнении с вариантом 3.2в объясняются меньшей ценой и большей надёжностью ЭлПРАпт при питании постоянным напряжением. Очевидно, что, используя постоянное напряжение в сетях со светодиодными светильниками (вар. 4.1) и светильниками на СЛ и БМГЛ (вар. 5.1 и 5.2), также получим прирост в величине ЧДД.

Технологическая платформа интеллектуальной сети управления освещением

В целом можно говорить об универсальной технологической платформе будущей интеллектуальной сети на постоянном напряжении, на базе которой возможно внедрение энергоресурсосберегающего управления с использованием всех прогрессивных типов источников света: НЛВД, МГЛ, СБС, БМГЛ, СЛ, а также перспективных светодиодных RGB-источников.

В состав платформы войдут сетевые AC/DC-преобразователи и шкафы для потребителей I и II категорий электроснабжения, адаптированная технология передачи информации по силовой сети, отечественные светильники на лампах высокого давления и на светодиодах, центральный диспетчерский пункт с возможностью обслуживания сотен тысяч управляемых светоточек и собственно средства автоматизации, обеспечивающие активно-адаптивное управ­ление светильниками.

В качестве средств автоматизации планируется использовать модули FASTWEL I/O отечественного произ­водства [22], включая контроллер узла сети CPM713 и модули расширения: модуль реле DIM713, а также модуль ввода постоянного напряжения AIM728. Планируется разработка модулей для реализации PLC- и GSM/ GPRS-модемов, счёт­­чика электроэнергии, панели управ­­ления.

Диспетчерское управление сетью, кроме решения известных задач автоматизированного управления [1] и задач энергоресурсосбережения, должно обеспечивать возможность адресного управления каждым светильником, географическую привязку его к опоре, автоматизированное вычисление процента горения для каждого ПВ, эксплуатационного района и для сети в целом, контроль несанкционированных подключений, прогнозирование выхода из строя ламп, планирование работ по их замене и т.п.

Таким образом, энергоресурсосберегающая интеллектуальная система управления обязана обеспечивать не только обычное технологическое обслуживание сетей освещения (включение светильников, контроль целостности предохранителей, энергоучёт и т.п.), но и непосредственно управлять освещённостью автодорог. В настоящее время управление носит сугубо параметрический характер ввиду сложностей собственно измерительного процесса [23]. Назрела необходимость создания мобильных измерительных лабораторий, обеспечивающих измерения с географической привязкой к каждой ОУ, с дальнейшим автоматизированным вводом результатов в систему управления. Периодическое проведение такого мониторинга (например, после каждой чистки светильников) и соответствующая корректировка управляющих воздействий позволят обеспечить заданную освещённость с минимальной её неравномерностью и уменьшить слепящее действие [8] (стр. 322), что позитивно скажется на безопасности дорожного движения.

Очевидно, что описанные технологии целесообразно применять не только в городском освещении, но и на тех объектах, где в настоящее время используются ЛВД. Это автодороги, порты, аэродромы и космодромы, большие производственные, складские и торговые территории, таможенные терминалы, тепличные хозяйства, крупные спортивные сооружения, офисные здания, супермаркеты, железная дорога, метрополитен и пр.

К примеру, на российских железных дорогах принято вместо НЛВД использовать РЛВД ввиду более высокого значения CRI. Так что при замене уста­ревших сетей освещения с РЛВД на энергоресурсосберегающие интеллектуальные сети с СБС и МГЛ экономический эффект будет здесь существенно выше, чем в сетях городского освещения.

Заключение и выводы

«Война переменного и постоянного тока» продолжается, несмотря на авторитетное заявление о её окончании [24], прозвучавшее 5 лет назад.

Наряду с успешно существующими «анклавами» сетей постоянного напряжения на электротранспорте, в сверхдальних линиях электропередачи, кабельных линиях, системах аварийного освещения и подсистемах оперативного тока в энергетике появились многочисленные проекты систем электропитания крупных серверных центров [25], частных домовладений [26], больших контейнеровозов [27] и микросетей постоянного напряжения [28].

Прогресс в электронике, светотехнике и автоматизации приводит к появлению ещё одного «плацдарма» для развития наступления постоянного напря­же­ния – интеллектуальных сетей освещения. Обособленность этих сетей и наличие всего одного типа потребителей – управляемых светильников – неизбежно инициирует возврат к биполярным эдисоновским сетям освещения [29]. Основоположник трёхфазных сетей переменного напряжения М.О. Доливо-Добро­вольский ещё в 1919 году [30] предсказал, что переход на сети постоянного напряжения станет целесообразным после появления технологии транс­формации постоянного напряжения.

Сравнительная технико-экономическая оценка различных технологий энергоресурсосберегающего управления показала перспективность создания технологической платформы сетей освещения с линиями постоянного тока и эффективными источниками света, что обеспечит экономию электроэнергии до 50% при быстрой окупаемости инвестиций. ●

Литература

1. Зотин О.Т. Автоматизированные системы управления наружным освещением. Ак­туаль­ные вопросы проектирования и эксплуатации, перспективы развития // СТА. – 2008. – № 1.
2. Martino J.P. Technological Forecasting for Decision Making. – Second edition. – NY : North-Holland, 1983. – ISBN 0-444-00722-9.
3. Новые безэлектродные компактные МГЛ с электронным ПРА : Реферат Е.И. Ро­зов­ского материалов сайта www.luxim.com // Светотехника. – 2011. – № 5.
4. Цацульников А.Ф. и др. Мост через «зелёную долину». По пути к RGB-источникам света [Электронный ресурс] // 8-я Всероссийская конференция «Нитриды галлия, индия и алюминия: структуры и приборы», 26.05.2011, СПб. – Режим доступа : http://nitrides-conf.ioffe.ru/041-050_leds.pdf.
5. Энергосбережение в освещении / под ред. Ю.Б. Айзенберга. – М. : Знак, 1999.
6. Методика расчёта тарифов на тех­ническое обслуживание установок наруж­ного осве­щения Санкт-Петербурга и его пригородов [Текст] : [утв. распоряжением Комитета экономического развития, промышленной политики и торговли Администрации Санкт-Петербурга 17.07.2003 № 31-р].
7. СП 52.13330.2011. Естественное и искусст­венное освещение. Актуализированная редакция СНиП 23-05-95. – М. : Минис­терство регионального развития РФ, 2011.
8. Справочная книга по светотехнике / под ред. Ю.Б. Айзенберга. – 3-е изд., перераб. и доп. – М. : Знак, 2007.
9. Прикупец Л.Б., Меркулова А.П., Геор­го­биани С.А. и др. Исследование изме­нения световых и электрических пара­метров НЛВД в процессе эксплуатации в уличных ОУ [Электронный ресурс] // Материалы Российской национальной светотехнической интернет-конферен­ции, апрель 2009. – Режим доступа : http://nsk2009.svetotech.com/?p=1225.
10. Евстифеев А. Особенности построения балластов для ламп высокого давления (HID lamp ballasts) // Силовая электро­ника. – 2008. – № 3.
11. Van Casteren D.H.J., Hendrix M.A.M., Duarte J.L. Controlled HID Lamp-Ballast // IEEE Transactions on Power Electronics. – May 2007. – Vol. 22. – No. 3. – Pp. 780–788.
12. Tom Ribarich. Shedding Light on HID Ballast Control // Power Electronics Tech­no­lo­gy. – Oct. 2006.
13. Пат. 80087 РФ, МПК Н05В37/02 (2006.01). Ресурсо- и энергосберегающая система освещения постоянного тока» / Зотин О.Т. ; ОАО «НИИТМ». – 2008132134/22; заявл. 01.08.08 ; опубл. 20.01.09.
14. ГОСТ 21128-83. Системы электро­снабжения, сети, источники, преобразо­ватели и приёмники электрической энергии. – М. : Издательство стандартов, 1995.
15. F. Javier Díaz, Francisco J. Azcondo, Rosario Casanueva, et al. Digital Control of a Low-Frequency Square-Wave Electronic Ballast With Resonant Ignition // IEEE Transactions on Industrial Electronics. – September 2008. – Vol. 55. – No. 9.
16. Манойлов В.Е. Основы электробез­опасности / 3-е изд., перераб. и доп. – Л. : Энергия, 1976.
17. Поляков В., Рожков Д. Интел­лек­ту­аль­ный электронный балласт комбиниро­ван­ного светотехнического прибора // Силовая электроника – 2010. – № 2.
18. Zhaga specification development process [Электронный ресурс]. – Режим доступа : http://www.zhagastandard.org/specifications/process.html.
19. Туркин А. Применение светодиодов в све­тотехнических решениях: история, реальность и перспективы // СТА. – 2011. – № 2.
20. Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о вне­сении изменений в отдельные законо­дательные акты Российской Федерации [Текст] : фед. закон от 23 ноября 2009 г. № 261-ФЗ.
21. Об определении ценовых параметров тор­говли мощностью на оптовом рынке электрической энергии (мощности) пере­ходного периода [Текст] : постановление Правительства РФ от 13 апреля 2010 г. № 238.
22. Распределённая система управления FASTWEL I/O [Электронный ресурс]. – Режим доступа : http://www.fastwel.ru/products/238995/.
23. Живописцев И.Ф., Коробко А.А., Черняк А.Ш. Проблемы нормирования и контроля освещения российских авто­дорог и пути их решения // Светотехни­ка. – 2011. – № 6.
24. A/C but no D/C: last Con Edison direct current customer is history [Электронный ре­сурс]. – Режим доступа : http://www.coned.com/newsroom/news/pr20071115.asp.
25. My Ton, Brian Fortenbery, William Tschudi. DC Power for Improved Data Center Efficiency [Электронный ресурс]. – Режим доступа : http://hightech.lbl.gov/ documents/ DATA_CENTERS/DCDemoFinalReport.pdf.
26. Pinomaa A., Ahola J., Kosonen A. Power-Line Communication-Based Network Architecture for Low-Voltage Direct Current Distribution System // Proceedings of the 15th IEEE International Symposium on Power Linе Com­­munications and Its Applications (ISPLC), 3–6 April 2011.
27. Direct current surging back to sea [Электронный ресурс]. – Режим доступа : http://www.abb.ru/cawp/seitp202/0f5012e931f12dabc12579ae00557dd2.aspx.
28. Paul Savage, Robert R. Nordhaus, Sean P. Jamieson. DC Microgrids: Benefits and Bar­riers : Analyses written at the request of REIL. – Yale School of Forestry & Environmental studies, 2010.
29. Система электрического освещения. Sys-tem of electric lighting : пат. 239152 США / Thomas A. Edison ; заявл. 30.10.1880 ; опубл. 22.03.1881.
30. Доливо-Добровольский М. Избранные труды (о трёхфазном токе). – М., Л. : Гос­энергоиздат, 1948. 

E-mail: o_zotin@mail.ru