高效配電與智能照明控制策略研究

田擁軍

（國網(wǎng)四川省電力公司武勝縣供電分公司，四川 廣安 638400）

在如今全球能源危機(jī)加劇和環(huán)保意識(shí)提升的時(shí)代，節(jié)能已成為一項(xiàng)至關(guān)重要的議題。配電系統(tǒng)扮演著將電能從發(fā)電站向最終用戶（包括家庭、商業(yè)和工業(yè)）輸送的關(guān)鍵角色，而照明系統(tǒng)作為電力系統(tǒng)的重要負(fù)載，對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行效率和能源消耗產(chǎn)生了重大影響。文章提出的綜合性策略涵蓋了高效配電和智能照明控制兩個(gè)部分（見圖1）。在配電策略中，納入多個(gè)因素，如動(dòng)態(tài)電價(jià)制度、配電網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、儲(chǔ)能技術(shù)和電力調(diào)度系統(tǒng)，并結(jié)合智能電表、信息通信技術(shù)和云計(jì)算等先進(jìn)技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和動(dòng)態(tài)調(diào)配。同時(shí)，智能照明控制策略確保了用戶的照明需求得到滿足，并提高了照明系統(tǒng)的效能。這一綜合性策略不僅能提升照明質(zhì)量，更能實(shí)現(xiàn)高效利用電力資源，為社會(huì)的節(jié)能和生活質(zhì)量平衡提供了有效的解決方案。

1 技術(shù)基礎(chǔ)

1.1 照明控制技術(shù)

初期的照明控制技術(shù)主要基于固定的時(shí)間表，不能很好地適應(yīng)環(huán)境和使用者需求的變化。隨后，人們開始采用光電感應(yīng)器來自動(dòng)調(diào)整燈光。例如，使用光電感應(yīng)器來檢測(cè)環(huán)境光的亮度，當(dāng)環(huán)境光的亮度低于某個(gè)設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)開啟燈光。近年來，隨著無線通信和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步，照明控制技術(shù)進(jìn)入了嶄新的發(fā)展階段[1]。在此基礎(chǔ)上，研究人員開發(fā)出基于優(yōu)化算法的照明控制方法，使照明控制系統(tǒng)不僅能夠自動(dòng)調(diào)整，還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和個(gè)性化設(shè)置。除此之外，也有一些研究者嘗試使用強(qiáng)化學(xué)習(xí)的方法來進(jìn)行照明控制。這種方法可以通過不斷地訓(xùn)練和優(yōu)化，來實(shí)現(xiàn)自我適應(yīng)的照明控制[2-3]。照明控制技術(shù)未來的發(fā)展趨勢(shì)將更加智能化、個(gè)性化和節(jié)能化[4]。

1.2 配電技術(shù)

配電是指在用電地區(qū)的電力從發(fā)電廠經(jīng)過輸電線送至用戶的過程，直接影響電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性[5]。傳統(tǒng)的配電方法主要依靠人力操作，其效率低下且容易出現(xiàn)失誤。隨著電力系統(tǒng)的復(fù)雜性和規(guī)模不斷增加，人力操作的配電方法已經(jīng)無法滿足實(shí)際需求，因此，自動(dòng)化配電技術(shù)在近年來受到了廣泛的關(guān)注和研究。這些新的配電技術(shù)主要包括基于優(yōu)化算法的配電方法、基于人工智能的配電方法、基于云計(jì)算的配電方法、基于物聯(lián)網(wǎng)的配電方法等[6]。這些方法進(jìn)一步考慮了故障檢測(cè)等關(guān)鍵問題，其目標(biāo)都是為了提高電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性，同時(shí)減少電力損耗。

2 高效配電策略

2.1 配電需求分析

配電需求是電力系統(tǒng)需要滿足的電力分配量，以確保所有設(shè)備正常穩(wěn)定運(yùn)行。這需要電力供應(yīng)商在任何時(shí)候都能提供充足的電力。以照明系統(tǒng)為例，晚上和早晨需要更多的電力，而在白天則需要較少的電力。同樣，冬季和夏季由于日照時(shí)間的差異，電力需求也不同。另外，不同用戶在不同時(shí)間段內(nèi)的電力需求也有所差異，這都會(huì)影響配電需求。如果配電系統(tǒng)出現(xiàn)電壓波動(dòng)或頻率波動(dòng)，可能導(dǎo)致照明系統(tǒng)的亮度不穩(wěn)定，影響用戶的使用體驗(yàn)。因此，電力系統(tǒng)需要一套有效的配電策略，以保證電壓和頻率穩(wěn)定。

2.2 配電策略

為了應(yīng)對(duì)日益變化的配電需求，我們考慮以下幾個(gè)高效的配電策略：

1）動(dòng)態(tài)電價(jià)制度。通過實(shí)施動(dòng)態(tài)電價(jià)制度，激勵(lì)用戶在電力需求較低的時(shí)段使用電力，減輕高峰時(shí)段的電力壓力；

2）配電網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。通過優(yōu)化配電網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提高電力的傳輸效率，降低電力損失，如分布式發(fā)電系統(tǒng)。在用戶附近的位置產(chǎn)生電力，可以減少電力傳輸過程中的損失，提高電力供應(yīng)的可靠性；

3）儲(chǔ)能技術(shù)。在電力需求較低的時(shí)段儲(chǔ)存多余的電力，在電力需求較高的時(shí)段釋放，有效平衡供需關(guān)系；

4）電力調(diào)度系統(tǒng)。建立電力調(diào)度系統(tǒng)，對(duì)電力供需進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和動(dòng)態(tài)調(diào)度，以應(yīng)對(duì)電力需求的快速變化。以上策略的執(zhí)行需要借助現(xiàn)代電力技術(shù)，如智能電表、信息通信技術(shù)（ICT）、云計(jì)算等，以提高配電的準(zhǔn)確性和效率。

3 智能照明控制方法

3.1 照明需求分析

在設(shè)計(jì)智能照明控制方案時(shí)，主要考慮以下需求：

1）照明質(zhì)量。將照明質(zhì)量量化為一個(gè)多元函數(shù)，包括工作面的照度值、照度均勻度和眩光控制等；

2）能源消耗。將能源消耗度量為單位時(shí)間內(nèi)消耗的電量；

3）成本。將成本量化為一個(gè)多元函數(shù)，包括設(shè)備購置、安裝、維護(hù)和運(yùn)行的成本，以及因能耗所產(chǎn)生的電費(fèi)。

3.2 負(fù)荷評(píng)估算法

負(fù)荷評(píng)估算法采用基于歷史數(shù)據(jù)和環(huán)境參數(shù)的算法來評(píng)估當(dāng)前的負(fù)荷。通過負(fù)荷評(píng)估，了解當(dāng)前的電力使用情況，預(yù)測(cè)未來的電力需求，并調(diào)整照明系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，滿足用戶需求的同時(shí)優(yōu)化能源使用效率。具體來說，我們采用移動(dòng)平均自回歸（Auto-Regressive Integrated Moving Average,ARIMA）模型，該模型是一種廣泛應(yīng)用于時(shí)間序列評(píng)估的模型，有效處理時(shí)間序列的自相關(guān)性和非穩(wěn)定性。該算法還考慮了環(huán)境和事件參數(shù)，即可能影響照明負(fù)荷的各種因素。這些因素包括時(shí)間（如一天中的時(shí)間、一周中的日期）、天氣（如是否晴天、是否下雨）、季節(jié)（如春季、夏季、秋季、冬季）等。這些因素通過添加額外的模型參數(shù)來考慮，形成增強(qiáng)的ARIMA模型。模型計(jì)算如下

式中，Lt代表時(shí)刻t的負(fù)荷，et代表預(yù)測(cè)誤差，Φ1...Φt和θ1...θq是模型參數(shù)，需要通過歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)。計(jì)算得到的電力負(fù)荷將影響調(diào)光的控制算法，避免因負(fù)荷突變而導(dǎo)致的照明質(zhì)量下降或能耗增加。

3.3 照明優(yōu)化控制算法

照明優(yōu)化控制算法是智能照明控制系統(tǒng)的核心。在得到準(zhǔn)確的負(fù)荷評(píng)估之后，進(jìn)行優(yōu)化控制算法的設(shè)計(jì)。調(diào)光策略是包括所有照明設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)、亮度和色溫參數(shù)設(shè)置的集合。優(yōu)化控制算法的目標(biāo)是在滿足用戶需求的同時(shí)，盡可能減少能耗的調(diào)光策略。假設(shè)當(dāng)前時(shí)刻的照明效果為，負(fù)荷為，成本為。目標(biāo)函數(shù)表示為：

式中，w1、w2、w3是設(shè)定的權(quán)重，反映了對(duì)照明質(zhì)量、能耗和成本的重視程度。可以使用遺傳算法優(yōu)化該目標(biāo)函數(shù)，找到一個(gè)調(diào)光策略，使J（qt，Lt，ct）最小。因此，該控制系統(tǒng)首先根據(jù)當(dāng)前的環(huán)境參數(shù)和負(fù)荷評(píng)估結(jié)果，計(jì)算出滿足照明質(zhì)量需求的最優(yōu)調(diào)光策略。通過通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將調(diào)光策略發(fā)送到各個(gè)終端設(shè)備，由終端設(shè)備執(zhí)行調(diào)光策略。在執(zhí)行過程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)照明效果和負(fù)荷，根據(jù)實(shí)際情況動(dòng)態(tài)調(diào)整調(diào)光策略。

3.4 智能照明控制實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用一個(gè)30 m2的模擬辦公室環(huán)境，該環(huán)境配備了10個(gè)可調(diào)光的LED燈，布局均勻，使用計(jì)算機(jī)程序模擬人員入住和離開的情況。優(yōu)化控制策略使用混合整數(shù)線性編程模型，其中的參數(shù)包括燈光的亮度（0～100%）、色溫（2 700～6 500 K），以及燈光的開啟和關(guān)閉狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)主要采用以下指標(biāo)進(jìn)行性能評(píng)估：1）能源消耗。計(jì)算模擬時(shí)間內(nèi)所有LED燈的功率之和；2）工作面照明功率密度。該指標(biāo)參考《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》（GB 55015—2021），即在普通辦公室照度標(biāo)準(zhǔn)值為300 lx的情況下，每平方米所需的最低照明功率不高于9.0 W/m2；3）照明質(zhì)量。計(jì)算照度值和均勻度歸一化的平均值。實(shí)驗(yàn)將使用優(yōu)化控制策略前后的評(píng)估指標(biāo)得分進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表1所示。

表1 優(yōu)化控制策略前后效果對(duì)比

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，優(yōu)化控制策略在能耗和照明質(zhì)量兩方面都取得了明顯的提升。相比原始系統(tǒng)，該方案將能源消耗從100 kW·h降到70 kW·h，工作面照明密度從8.8 W/m2降到7.9 W/m2，這意味著在保證照明質(zhì)量的前提下，優(yōu)化控制策略有效提高了照明效能，實(shí)現(xiàn)了更高的能源效率，對(duì)環(huán)境保護(hù)和能源節(jié)省有重要意義。而在照明質(zhì)量方面，質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.64提升到了0.73，證明該策略不會(huì)犧牲照明效果。通過這種方式，照明控制系統(tǒng)可以平穩(wěn)地處理負(fù)荷波動(dòng)，減少能耗，并減輕對(duì)電力系統(tǒng)的影響。鑒于全球范圍內(nèi)的能源緊張，這樣的策略對(duì)于實(shí)現(xiàn)照明系統(tǒng)的綠色發(fā)展具有重要意義。

4 結(jié)論

文章深入探討了配電與照明控制的優(yōu)化策略，旨在實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的節(jié)能與性能提升。高效的配電策略可以降低電能損耗，并提升電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率。與此同時(shí)，針對(duì)照明控制策略進(jìn)行優(yōu)化，在不犧牲照明質(zhì)量的情況下節(jié)省能源。這些策略將對(duì)實(shí)現(xiàn)更為高效、綠色的電力系統(tǒng)產(chǎn)生積極影響。盡管我們?nèi)〉昧艘恍┻M(jìn)展，但在配電和照明控制優(yōu)化方面仍然存在許多挑戰(zhàn)和機(jī)遇。例如，隨著電力系統(tǒng)的復(fù)雜性和規(guī)模不斷增大，如何有效管理和協(xié)調(diào)各種電力資源，如何準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和響應(yīng)電力需求變化，如何有效防止和應(yīng)對(duì)電力系統(tǒng)故障等。因此，未來我們將持續(xù)研究更高效的配電和照明控制策略，以進(jìn)一步提升電力系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性，從而為社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。