АКТУАЛЬНОСТЬ ВНЕДРЕНИЯ СИСТЕМ МОНИТОРИНГА И УПРАВЛЕНИЯ УЛИЧНЫМ ОСВЕЩЕНИЕМподробнее ...»

Казачинский Василий Михайлович, к.т.н.

I. Введение
В условиях сокращения финансирования различных городских программ на фоне подорожания энергоносителей и общего финансового кризиса, весьма актуальным является внедрение современных технологий в такую энергозатратную отрасль городского хозяйства, как «Уличное освещение».
Оптимальное управление уличным освещением, как концепцию сокращения затрат, следует понимать в двух плоскостях:

— сокращение затрат на потребляемую сетью уличного освещения  электроэнергию;

— сокращение затрат на обслуживание и поддержание в работоспособном состоянии основных компонентов уличного освещения.

Первая составляющая включает в себя различные методы и способы энергосбережения, тогда как вторая – организационно-технические средства. Остановимся подробнее на этих вопросах. При этом будем иллюстрировать решение поставленных вопросов на примере реальной работы по мониторингу и управлению уличным освещением.

II. Методы и способы энергосбережения в сетях уличного освещения.
Следует различать два основных метода энергосбережения в электрических осветительных сетях:

1. Снижение энергопотребления непосредственно самих осветительных приборов.

2. Использование оптимального управления включением-выключением осветительных приборов.

По первому методу возможно несколько способов реализации снижения энергозатрат:
1.1. Замена используемых ламп  на более эффективные лампы, имеющие большую светимость при более низком потреблении тока от питающего напряжения (например, замена ламп накаливания на газонаполненные или замена натриевых ламп на металлогалогеновые);

1.2. Использование специального режима эксплуатации используемых ламп, приводящего к существенному снижению потребления электроэнергии.

Если первый способ предопределяет замену самих ламп, что сопровождается существенными финансовыми затратами и для рассмотрения не актуален, то второй способ может быть более эффективным и поэтому изучим его более подробно.

III. Использование специальных режимов эксплуатации осветительных ламп.
Наиболее распространённый режим энергосбережения для газонаполненных осветительных ламп это редукция мощности — уменьшение питающего напряжения, а значит и электрической мощности, потребляемой лампами. При этом снижение напряжения на лампах естественно приводит к снижению освещенности, что предопределяет использование этого режима, как режима «дежурного» освещения. Существует несколько вариантов технологий редукции мощности для сетей  освещения:1) Редукция мощности с помощью двухуровневого электромагнит­ного балласта (фирмы-производители «Thorn Lighting», «Vosslosh-Schwable», «ATCO» и др.). Данные балласты являются простей­шими и не дорогими решениями для редукции мощности, при ко­торых достигается экономия до 20% электроэнергии и уменьше­ние интенсивности освещения в ночной период.

2) Редукция мощности с помощью автотрансформатора, котроллера и блока коммутации (фирмы-производители «ESI Lighting Controls», «Meridian Technologies»). Редукция мощности достигается уменьшением пи­тающего напряжения с сохранением его синусоидальной формы для управления большой группой светильников. Достижимая экономия — до 40%.

3) Редукция мощности с помощью управляемых электронных бал­ластов (ЭПРА). Мощность потребления ламп уменьшается до 50% от номиналь­ного значения. Имеется возможность дистанционного управления. Данное решение экономи­чески обосновано в новых системах наружного осве­щения небольших городов (до 2000 светильников).

4) Редукция мощности с помощью изменения формы питающего напряжения  при использовании электронных пре­образователей (фирмы-производители «Merloni-Progetti», «Thorn Lighting»). Эта технология наиболее применима для газораз­рядных источников света, Экономия — до 30% без применения каких-либо силовых коммутаций.

Указанные варианты сведены в таблицу с указанием достижимого эффекта и срока окупаемости (таблица 1)

Таблица 1

Примеры практического использования технологий редукции мощности

Местовнедрения Общая мощность, кВт Способ редукции мощности/ производитель Годовая экономия,% Срококупаемости,

лет

ГородCastello (Италия) 650 Изменение электронными преобра-зова­телями формы питающего напряжения с помощью таймера. / Merloni-Ргоgetti. 34,9 2,7
Город Bangkok (Таиланд) 3320 Редукция мощности двухуровневым элек­тромагнитным   балластом    от   Meridian Technologies Co. Ltd 31 3,24
Город Zele (Бельгия) 1008 Редукция мощности с помощью управ­ляемых электронных балластов ELGADI от Verdeyen N.V. 30

Анализ качества и инфраструктурных особенностей осветительных сетей , показывает, что зарубежные технические решения для энергосбережения не всегда приемлемы в наших условиях.
Во-первых
, низкое качество контактных проводных сетей не позволяет гарантировать равенство рабочего напряжения в начале и в конце проводной линии осветительной сети. Это обстоятельство не даёт возможности применять централизованные системы редукции (варианты технологий № 2 и № 4). Они будут давать эффект для ламп в начале осветительной линии, а в конце линии не позволят зажечь лампы из-за падения напряжения на проводе линии, имеющем зачастую не регламентированное сечение или множество некачественных соединений-«скруток».
Во-вторых
, низкое качество питающего напряжения, поступающего на шкафы управления (ШУНО) от трансформаторных подстанций (не нормированные уровни напряжения фаз, наличие помех, не регламентированные фазовые сдвиги и т.д.) не позволяет обеспечить надёжную эксплуатацию электронных балластов разных типов (варианты технологий № 1 и № 3). При этом следует учитывать, что сама эксплуатация газонаполненных ламп может сопровождаться кратковременными выбросами напряжения в проводной осветительной сети, которые весьма неблагоприятны для любых электронных устройств, подключённых к такой сети.
Не желательно
также для отечественных энергосетей использование устройств, изменяющих форму питающего напряжения. Отсутствие, как правило, соответствующих фильтров на трансформаторных и распределительных подстанциях может привести к проникновению в бытовую электросеть мощных высокочастотных гармоник от преобразователей питающего напряжения осветительной сети. А это, в свою очередь, может привести к выходу из строя большинства бытовых электроприборов.
С учётом вышесказанного целесообразно внедрять технологии, основанные на двунаправленной редукции напряжения питания осветительной лампы без использования электронных управляющих компонентов, без искажения формы синусоиды, без силовой коммутации нагрузки (лампы). Такой модуль энергосбережения должен устанавливаться в непосредственной близости к осветительной лампе и электрически включается последовательно с ней,  обеспечивая следующие действия:

— при срабатывании контакторов в шкафу (ШУНО) с подачей напряжения в линию, модуль оценивает уровень этого напряжения непосредственно на самой лампе;

— при пониженном напряжении на лампе модуль переходит в режим положительной редукции и доводит напряжение на лампе до номинала;

— при номинальном напряжении включает таймер на разогрев лампы с  последующим переходом на рабочий режим горения лампы;

— после разогрева лампы модуль переходит в режим отрицательной редукции при исходном номинальном значении питающего напряжения или оставляет исходный пониженный уровень напряжения для обеспечения режима снижения мощности потребления данной лампой.

Пример изменения напряжения в штатном режиме показан на рисунке № 1

Рис. 1  График изменения напряжения на лампе в штатном режиме

Такой модуль-трёхполюсник позволит достичь следующих результатов:

— понизить мощность потребления до 35%;

— повысить долговечность эксплуатируемых ламп в 2-3 раза;

— повысить надёжность загорания ламп при пониженном напряжении питания на плохих проводных линиях;

— обеспечить стабилизацию напряжения на лампе при изменении основного питающего напряжения.

Следует отметить, что любой вариант энергосбережения на отдельно взятой лампе требует наличия технических средств связи для передачи управляющих сигналов от ШУНО на индивидуальный модуль лампы. Это может быть радиоканал, ВЧ-модуляция или отдельный управляющий провод. Указанное обстоятельство является серьезным препятствием для массового внедрения описанной выше технологии, что и побуждает автора рассмотреть также «оптимальное управление» как один из альтернативных (непрямых) методов энергосбережения.

  1. IV. Использование оптимального управления «включением-

выключением» осветительных приборов.

 

Внедрение компьютеризированных систем автоматического управления, позволяет получить значительный эффект энергосбережения за счёт следующих возможностей автоматической системы, а именно:

  1. Исполнение    более         точного графика «включения-выключения» уличного        освещения     (замена «пятидневок»     на     «посуточное» планирование графика).

Как показано  на   рисунке 2,   по горизонтали откладываются   календарные  дни, планируемого графика, а  по вертикали – планируемое время «включения – выключения».

Рис. 2  Сравнение графиков «пятидневки» и «однодневки»

При сравнении графиков видно, что при использовании изменения времени «включения – выключения»   один    раз   в   пять дней («пятидневка»)    площадь прямоугольников верхнего графика больше площади прямоугольников нижнего графика, соответствующему посуточному изменению времени  «включения – выключения» («однодневка»), на величину области, закрашенной фиолетовым цветом.

  1. 2. Возможность коррекции (сдвига) планового   (базового)    графика «включения-выключения»  для учёта реальных      погодных условий,  массовых   мероприятий, праздников и т.д. Иллюстрация такой возможностипоказана на рис. 3

Рис. 3 Коррекция времени включения – выключения

 

  1. Возможность исполнения индивидуальных графиков «включения-выключения»    для   отдельного  шкафа управления  или  группы  шкафов по территориальному или иному признаку. Например, как показано на рисунке 4, центр города может   освещаться    в течение   более длительного периода, чем промышленные малонаселённые районы города (окраина).

Рис. 4 Индивидуальные графики

На   транспортных магистралях также может использоваться индивидуальный график без   частичного выключения для сохранения   равномерности освещения дорожного полотна.

  1. Возможность  мониторинга потребляемого тока через контроль нагрузки по каждой  выходной линии ШУНО, как       показано на  рис. 5, и   оперативного выявления неисправностейвызывающих эти перегрузки.

 

Рис. 5 Мониторинг нагрузки

Такой     учёт случаев не аварийного превышения тока  (замыкание в отдельных лампах, нарушение изоляции, посторонние предметы на проводах и т.д., не приводящих  к сгоранию предохранителей) позволит  оперативно исправлять такие  случаи, исключая перерасход электроэнергии.

  1. Возможность мониторинга показаний приборов учёта по каждому ШУНО    для исполнения       реальных возможностей энергоснабжения.

Это позволяет реализовать ручную коррекцию графиков «включения-выключения» освещения как по городу в  целом,  так и по отдельным  районам города исходя из реальных возможностей городского  бюджета или дополнительных требований по экономии электроэнергии.

  1. V. Сокращение затрат на обслуживание и поддержание в работоспособном состоянии основных компонентов уличного освещения.

Общая эффективность городских сетей уличного освещения значительно зависит от минимизация затрат:

— на услуги связи между шкафом управления и диспетчером. Так, например, использование проводных каналов связи приводит к ежемесячным затратам на аренду линий в размере ~ 5 у.е.. При этом использование беспроводных каналов сотовой сети связи GSM  позволит сократить затраты до ~ 0,4 у.е. в месяц на один шкаф;

— на съём показаний, установленных в шкафы управления счётчиков, за счёт дистанционного считывания данных без необходимости их объезда и визуального считывания показаний;

—  на обнаружение неисправностей в любом узле осветительной сети за счёт отсутствия необходимости контрольного включения освещения и объезда светильников для визуального контроля исправности ламп и других элементов осветительной сети;

— на сохранность оборудования осветительной сети за счёт оперативного оповещения диспетчера о срабатывания датчика открытия двери ШУНО.

Обеспечение бесперебойного освещения обеспечивается с помощью оперативного мониторинга основного оборудования и состояния выходных линий шкафов управления типа И-710, а именно:

— оценки  исправности контакторов с помощью контроля наличия напряжения на выходных контактах контакторов или на контрольных группах контактов;

— оценки целостности предохранителей на выходных линиях  шкафа управления с помощью контроля наличия напряжения на выходных концах (контактах) предохранителей;

Рис.6 Контроль напряжений

контроля сопротивлений выходных линий шкафа, с целью оценки работоспособности подключённых ламп на основе сравнения сопротивления линии со всеми включёнными и работоспособными лампами и с реальным значением сопротивления линии.

 

Рис. 6 Контроль сопротивления линий

По степени изменения сопротивления можно оценивать число неработоспособных ламп, независимо от изменения питающего напряжения в линии. Дополнительный анализ динамики изменения тока в линии позволит также прогнозировать возможный выход из строя осветительной лампы, так как перед выходом из строя лампа начинает потреблять «вибрирующий» ток.

  1. VI. Заключение (послесловие)

Данный материал является концентрацией опыта автора в области управления уличным освещением в городах  в течение нескольких лет. И поэтому очень важно обсудить этот опыт (на страницах журнала) со специалистами в этой области с целью выработки единых требований к подобным системам, стандартизации технических средств, функциональности оборудования и его характеристик.

Powered by Hackadelic Sliding Notes 1.6.5