Введение 5
Глава 1. Анализ научно-технической литературы в области разработки систем управления наружным освещением 7
1.1 Анализ научно технической литературы по видам применяемых 7
источников наружного освещения 7
1.2 Анализ научно технической литературы по разработке
автоматизированных систем управления электроснабжением светильников наружного освещения 11
1.3 Применение теории нечетких множеств и нечеткой логики в задачах
электроэнергетики 16
1.4 Энергоресурсосберегающие технологии в области наружного
освещения 18
Выводы по 1-й главе 21
Глава 2. Проектирование системы электроснабжения светильников наружного освещения 22
2.1 Светотехнический расчёт СНО 22
2.1.1 Выбор светильников наружного освещения 23
2.1.2 Светотехнический расчет освещения парковой зоны 26
2.1.3 Проектирование схемы расположения светильников наружного
освещения 30
2.2 Расчет системы электроснабжения светильников наружного освещения 33
2.2.1 Расчёт осветительной нагрузки парковой зоны 33
2.2.2 Выбор сечения проводов осветительной сети 36
2.2.3 Проверка трансформаторов на перегрузку 39
Выводы по 2-й главе 42
Глава 3. Разработка энергоэффективной системы автоматизированного управления электроснабжением наружного освещения 43
3.1 Разработка структурной схемы автоматизированной системы
управления электроснабжением светильников наружного освещения 43
3.2 Разработка математической модели и алгоритма управления
системой электроснабжения светильников наружного освещения 46
3.3 Программная реализация алгоритма управления системы
электроснабжения светильников наружного освещения 55
Выводы по 3-й главе 59
Глава 4. Экспериментальное исследование энергоэффективной системы электроснабжения светильников наружного освещения 59
4.1 Элементная база макета «Освещение парковой зоны» 60
4.2 Подключение устройств к микроконтроллеру Arduino 62
4.3 Тестирование системы управления электроснабжением светильников
наружного освещения на разработанном макете парковой зоны 66
Выводы по 4-й главе 71
Заключение 70
Список использованных источников
Современные сети наружного освещения (СНО) представляют собой достаточно энергоемкие объекты. В работе [1] отмечено, что согласно оценке Международного энергетического агентства, 19% всей потребляемой в мире электроэнергии приходится на освещение, использование современных световых технологий делает возможным экономить до 40% потребляемой электроэнергии (106 млрд евро в мировом масштабе). Согласно статье [2] траты на электроэнергию в сетях наружного освещения населенных пунктов составляют 30% от всех затрат на освещение, а с учетом дополнительных затрат на обслуживание сетей освещения, занимают одно из ключевых мест в структуре затрат муниципальных бюджетов.
Согласно федеральному закону [3] вопросы энергосбережения и повышения энергетической эффективности являются приоритетными направлениями развития электроэнергетики Российской Федерации, поэтому разработка энергоэффективных систем управления наружным освещением парковой зоны является актуальной и значимой задачей.
В связи с этим целью ВКР является разработка автоматизированной системы управления СНО парковой зоны.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Анализ научно-технической литературы в области энергоснабжения и управления наружным освещением парковой зоны;
2. Проектирование системы электроснабжения парковой зоны;
3. Разработка структурной схемы управления освещением парковой зоны;
4. Разработка математической модели управления освещением парковой зоны по двум входным переменным: естественной освещенности; присутствию посетителей парка;
5. Разработка алгоритма управления освещением парковой зоны на основе теории нечеткого вывода и его программная реализация.
6. Тестирование системы управления электроснабжением светильников наружного освещения на разработанном макете парковой зоны.
Объектом исследования является энергоснабжение наружного освещения парковой зоны, предметом исследования - энергоэффективная система управления СНО парковой зоны.
Научной новизной исследования является разработанный и программно реализованный алгоритм управления освещением парковой зоны на основе теории нечеткого вывода Mamdani по двум входным переменным.
Практической значимостью исследования является разработанный программно-аппаратный стенд, включающий в себя программное обеспечение и макет парковой зоны со светодиодными светильниками, позволяющий оценивать энергоэффективность системы управления электроснабжением светильников наружного освещения.
По теме научно-исследовательской работы было опубликовано 5 научных статей в журналах и сборниках различных уровней.
В данной работе нами была рассмотрена проблема разработки энергоэффективной системы управления наружным освещением парковой зоны. Получены следующие основные результаты.
1. Проведенный анализ научно-технической литературы в области разработки систем управления наружным освещением позволил заключить, что автоматизированные системы управления наружным освещением парковой зоны с использованием методов искусственного интеллекта и светодиодных светильников в настоящее время являются наиболее перспективными.
2. Спроектирована система электроснабжения парковой зоны, в том числе выполнен светотехнический расчёт СНО и расчёт системы электроснабжения светильников наружного освещения. По результатам решения данной задачи были сделаны выводы о соответствии выбранного оборудования и технических характеристик питающей сети системы электроснабжения парковой зоны требованиям нормативной документации.
3. Разработана структурная схема управления освещением парковой зоны, позволяющая осуществлять энергоэффективное управление СНО, содержащая: датчики освещенности и движения, интеллектуальную систему принятия решений, микроконтроллер, реле, светодиодные светильники.
4. Разработана математическая модель управления освещением парковой зоны на основе нечеткого вывода по двум входным переменным: естественной освещенности, присутствию посетителей парка; и одной выходной переменной - мощность питающей сети осветительных установок. Разработаны: терм- множества входных и выходной переменных, для каждой из которых выбраны функции принадлежности; составлена база лингвистических правил.
5. Адаптирован алгоритм управления наружным освещением парковой зоны на основе классического алгоритма Mamdani. Адекватность полученного алгоритма СНО была подтверждена тестированием программы и достоверностью полученных результатов.
6. Проведено тестирование системы управления электроснабжением светильников наружного освещения на разработанном макете «Освещение парковой зоны». Энергоэффективность разработанной системы управления по сравнению с традиционными системами управления (по заданному графику) составила:
- для зимнего, осеннего, весеннего периодов - до 20,33%;
- для летнего периода - до 16,87 %.
Таким образом, разработанная в исследовании автоматизированная система управления светодиодными светильниками на основе алгоритма нечеткого вывода Mamdani по двум входным переменным является новым и энергоэффективным решением в области управления наружным освещением парковой зоны.
1. Энергосбережение. Световые решения для всех сфер применения. Philips. [Электронный ресурс] - Режим доступа -https://shop220.ru/pdf/?id=742
2. Энергоэффективная система управления муниципальным освещением, Сапронов А.А., Никуличев А.Ю., [Электронный ресурс] - Режим доступа -http://www.energosovet.ru/stat573.html(дата обращения: 30.04.2020)
3. Федеральный закон №261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации», от 23.11.2009.
4. Валиуллин, К. Р. Анализ способов управления уличным освещением по различным критериям [Электронный ресурс] / К. Р. Валиуллин // Электроэнергетика глазами молодежи : науч. тр. V междунар. науч.-техн. конф., 10-14 нояб. 2014 г., Томск / Мин-во науки и образования РФ, Томск. политехн. ун-т. - Электрон. дан. - Томск,2014. - Т. 2. - С. 275-279. . - 5 с.
5. О. Т. Зотин, Н. О. Морозова. Анализ эффективности управления энергосбережением в наружном освещении // Современная светотехника. 2010. № 2.
6. АО КОМПЭЛ. Статья. Наружное освещение: светодиоды против традиционных источников света. [Электронный ресурс] - Режим доступа - https://www.compel.ru/lib/53653(дата обращения: 10.05.2020)
7. Rea MS (ed.). 2000. IESNA Справочник по Освещению: Справочник применения, 9-е изд. Нью-Йорк: Светотехническое общество Северной Америки. Knau H. 2000. Пороговые значения для обнаружения медленно изменяющейся яркости. J Opt Soc Am А 17(8): 1382-1387.
8. СНиП 23-05-95 «Естественное и искусственное освещение» [Электронный ресурс] - Режим доступа -http://docs.cntd.ru/document/871001026(дата обращения: 10.05.2020)
9. СП 52.13330.2016 «Естественное и искусственное освещение»
[Электронный ресурс] - Режим доступа -
http://docs.cntd.ru/document/1200084092(дата обращения: 10.05.2020)
10. Валиуллин К. Р., Семенова Н. Г. Анализ существующих систем управления уличным освещением. Энергетика, электромеханика и энергоэффективные технологии глазами молодежи: сборник трудов Российской молодежной научной конференции. В 2 т. Т. 2 / Томский политехнический университет. - Томск: Изд-во ООО «СКАН», 2013. - с 64-69.
11. Интеллектуальная система управления уличным и внутренним освещением на основе диммирования. [Электронный ресурс] - Режим доступа - http://www.energosovet.ru/entech.php?idd=149. (дата обращения: 25.05.2020)
12. Turing A. Computing machinery and intelligence // Mind: журнал. — Oxford: Oxford University Press, 1950. — No. 59. — P. 433-460.
13. Братко И. Алгоритмы искусственного интеллекта на языке PROLOG = Prolog Programming For Artificial Intelligence. — М.: «Вильямс», 2004. — С. 640. — ISBN 0-201-40375-7.
Лист
14. Marcus G. F. (2001). The Algebraic Mind: Integrating Connectionism and Cognitive Science (Learning, Development, and Conceptual Change), Cambridge, MA: MIT Press.
15. Емельянов В. В., Курейчик В. В., Курейчик В. М. Теория и практика эволюционного моделирования. — М.: Физматлит, 2003. — 432 с. — ISBN 5-9221-0337-7.
16. Зайцев И. М., Федяев О. И. Агентно-ориентированный подход к моделированию интеллектуальных распределённых систем : Сб. — Донецк: ДонНТУ, 2008. — С. 337-338.
17. Рутковская Д., Пилиньский М., Рутковский Л. Нейронные сети, генетические алгоритмы и нечеткие системы = Sieci neuronowe, algorytmy genetyczne i systemy rozmyte. — 2-е изд. — М: Горячая линия-Телеком, 2008. — 452 с. — ISBN 5-93517-103-1.
18. Рассел С., Норвиг П. Искусственный интеллект: современный подход (AIMA) = Artificial Intelligence: A Modern Approach (AIMA). — 2-е изд. — М.: «Вильямс», 2007. — 1424 с. — 3000 экз. — ISBN 0-13-790395-2.
19. Соловьев В.В., Шадрина В.В. Моделирование нечетких систем управления: Лабораторный практикум. - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2010.¬125 с.
20. Zade L. A. The concept of a linguistic variable and its application to approximate reasoning. Part 1, 2, 3 // Information Sciences. - N 8. - P. 199 - 249; 301 - 357; N 9. - P. 43 - 80.
21. Заде Л. Понятие лингвистической переменной и его применение к принятию приближённых решений // Пер. с англ. Н. И. Ринго / под ред. Н. Н. Моисеева и С. А. Орловского. - М. : Мир, 1976. - 165 с.
22. Крюков О. В., Применение теории нечётких множеств при прогнозировании и обработке данных // Журнал "Вопросы электромеханики. Труды «ВНИИЭМ" - 20016. - № 2. - С. 18 - 26
23. Крюков О. В., Серебряков А. В. Система оперативной диагностики технического состояния ветроэнергетических установок // Электротехника. - 2015. - № 4. -С. 49 - 53.
24. Бабичев С. А., Бычков Е. В., Крюков О. В. Анализ технического состояния и безопасности электроприводных газоперекачивающих агрегатов // Электротехника. -2010. - № 9. - С. 30 - 36.
25. О. Зотин. Управление освещением открытых пространств // Полупроводниковая светотехника. 2014. № 1-3.
26. Статья. Алексей Васильев. Диммирование «непокорных» ламп. [Электронный ресурс] - Режим доступа -https://alb.ru/articles/dimmirovanie-nepokornykh-lamp/.(дата обращения: 30.05.2020)
27. Статья. Универсальный светодиодный светильник Универсальный светодиодный светильник LuxON UniLED. [Электронный ресурс] - Режим доступа -https://boster.ru/news/15-03-16-19.html.(дата обращения: 31.05.2020)
28. Кнорринг Г. М. и др. Справочная книга для проектирования электрического освещения / Г. М. Кнорринг, И. М. Фадин, В. Н. Сидоров 2-е
изд., перераб. и доп. —СПб.: Энергоатомиздат. Санкт-Петербургское отд- ние,1992. — 448 с.
29. Статья. Правильный выбор осветительных опор. [Электронный
ресурс] - Режим доступа - https://svetpro.ru/uchebnik-svetotexniki/oporyi- osveshheniya/pravilnyij-vyibor-osvetitelnyix-opor.html. (дата обращения:
31.05.2020)
30. Светодиодный светильник ДКУ62-100-001 Champion 750,
технические характеристики. [Электронный ресурс] - Режим доступа -http://www.astz.ru/ru-production/svetodiodnyiy-svetilynik-serii-dku62- Champion/dku62-100-001-Champion-750/. (дата обращения: 31.05.2020)
31. Государственная поддержка альтернативной энергетики: отечественный и зарубежный опыт// Журнал «Электротехнический рынок» - 2020. - № 2. - С. 23 - 27
32. Ю. Б. Айзенберг. Справочная книга по светотехнике: Справочные материалы. - М.: Энергоатомиздат, 1983.-472 с., ил.
33. Колесник, Г. П. Электрическое освещение : основы
проектирования : учеб. пособие / Г. П. Колесник ; Владим. гос. ун-т. - Владимир : Изд-во Владим. гос.ун-та, 2006. - 127 с.
34. Правила устройства электроустановок. Все действующие разделы 6 и 7 изданий с изменениями и дополнениями по состоянию на 1 января 2020г. - М.: КНОРУС, 2020г. - 488с.
35. ГОСТ 22483-2012 «Жилы токопроводящие для кабелей, проводов
и шнуров» [Электронный ресурс] - Режим доступа -
http://docs.cntd.ru/document/1200100953(дата обращения: 1.06.2020)
36. ГОСТ 7006-72 «Покровы защитные кабелей. Конструкция и типы, технические требования и методы испытаний» [Электронный ресурс] - Режим доступа - http://docs.cntd.ru/document/1200004989(дата обращения: 1.06.2020)
37. Кабель АВБбШв 5х2,5 - 0,66/1 кВ, техническая информация.
[Электронный ресурс] - Режим доступа -https://k-ps.ru/spravochnik/kabeli-silovyie/s-pvx-izolyacziej-(0,66;-1kv)/avbbshv/avbbshv-5x2,5/(дата обращения: 1.06.2020)
38. Радкевич, В. Н. Расчет электрических нагрузок промышленных предприятий: учебно-методическое пособие для студентов специальности 1-43 01 03 «Электроснабжение (по отраслям)» / В. Н. Радкевич, В. Б. Козловская, И. В. Колосова. - Минск: БНТУ, 2013. - 124 с.
39. Кабышев А.В. Электроснабжение объектов. Ч.1. Расчет
электрических нагрузок, нагрев проводников и электрооборудования: учебное пособие/ А.В. Кабышев. -Томск: Изд-во Томского политехнического
университета, 2007. - 185с.
40. СП 31-110-2003 «проектирование и монтаж электроустановок
жилых и общественных зданий» [Электронный ресурс] - Режим доступа -http://docs.cntd.ru/document/1200035252(дата обращения: 1.06.2020)
41. Руководство по эксплуатации датчиков освещённости проекта House-Sensor. [Электронный ресурс] - Режим доступа -http://house- sensor.ru/images/docs/svet-1.pdf(дата обращения: 2.06.2020)
42. Техническая характеристика трехфазных твердотелых реле
GTH1048ZA2. [Электронный ресурс] - Режим доступа -
http://deltser.ru/tverdotelnye-rele-gth1048za2-10a-480v-ac-80280v-ac (дата
обращения: 2.06.2020)
43. Техническая характеристика оборудования (НВП) "Болид". [Электронный ресурс] - Режим доступа -https://bolid.ru/(дата обращения: 4.06.2020)
44. Бурулько Л.К. Математическое моделирование
электромеханических систем: учебное пособие. Часть 1. Математическое моделирование преобразователей электрической энергии переменного тока / Л.К. Бурулько; Томский политехнический университет. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2014. - 104 с.
45. Чернов, В. Г. Основы теории нечетких множеств. Решение задач многокритериального выбора альтернатив: учеб. пособие / В. Г. Чернов ; Владим. гос. ун-т. - Владимир : Изд-во Владим. гос. ун-та, 2005. - 100 с.
46. Белов А.А., Гвоздева Е.В. Основы теории нечеткости: Учебное
пособие /А.А. Белов, Е.В. Гвоздева. - М.: ГОУ ВПО «Ивановский
государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», 2001. - 119с.
47. Леоненков А.В. Нечеткое моделирование в среде MATLAB и fuzzyTECH / А. Леоненков. - СПб: БХВ-Петербург, 2003. - 736 с.
48. Штовба С.Д. Проектирование нечетких систем средствами
MATLAB / С. Штовба. - М: Горячая линия-Телеком, 2007. - 288 с.
49. Семенов, А.М. Программное средство для нечеткого моделирования экспертных и/или управляющих систем [Электронный ресурс] : прикладная программа / А.М. Семенов, Р.Р. Мулюков. - Зарегистрировано в УФЭР ОГУ, № 955 от 10.04.2014. - Оренбург: ОГУ, 2014. - Режим доступа: http://ufer.osu.ru/index.php?option=com uferdbsearch&view=uferdbsearch&action=details&ufer id=955.(дата обращения: 4.06.2020)
50. Петин В. А. Проекты с использованием контроллера Arduino. — СПб.: БХВ-Петербург, 2014. — 400 с.: ил. — (Электроника) ISBN 978-5-9775-3337-9
51. Сабитов, Р. М. Энергоэффективная система управления наружным освещением парковой зоны [Электронный ресурс] / Сабитов Р. М., Семенова Н. Г. // Университетский комплекс как региональный центр образования, науки и культуры : материалы Всерос. науч.-метод. конф. (с междунар. участием), 23-25 янв. 2019 г., Оренбург / М-во науки и высш. образования Рос. Федерации, Федер. гос. бюджет. образоват. учреждение высш. образования "Оренбургский гос. ун-т". - Электрон. дан. - Оренбург : ОГУ,2019. - . - С. 3532-3536. . - 5 с.
52. Сабитов, Р.М. Система освещения парковой зоны детского сада / Н.Г. Семенова, Р.М. Сабитов// Автоматизированные системы управления и информационные технологии/ Всероссийская научно-техническая конференция
Лист
молодых ученых, аспирантов и студентов.-электротехнический факультет ФГБОУ ВО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет». .[Электронный ресурс] : офиц. Сайт /«ПНИПУ». - Режим доступа: https: //pstu.ru/activity/scientifical/seminars/news/archive/ (дата
обращения: 4.06.2020)
53. Сабитов, Р.М. Автоматизированная система управления сети наружного освещения парковой зоны/ Н.Г. Семенова, Р.М. Сабитов// X Всероссийская научно-техническая конференция «Энергетика: состояние, проблемы, перспективы». [Электронный ресурс] : офиц. Сайт /«ОГУ». - Режим доступа:
https://conference.osu.ru/registration/about members/extra info.html?id= 1262(дата обращения: 4.06.2020)
54. Сабитов, Р.М. Алгоритм управления освещением парковой зоны на основе теории нечёткого вывода/ Н.Г. Семенова, Р.М. Сабитов// Кумертауский филиал ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный университет» III Всероссийскую научно-практическую конференцию с международным участием «Достижения вузовской науки: от теории к практике». -2020
55. Сабитов, Р. М. Энергоэффективная система управления наружным освещением парковой зоны [Электронный ресурс] / Сабитов Р. М., Семенова Н. Г. // Шаг в науку - 2020. - №3.
56. Справочная книга для проектирования электрического освещения. Под. Ред. Г.М. Кнорринга. Л., - издательство «Энергия», 1976. - 384 с.