王育飛，王 輝 ，楊興武，余 嘯

(1.上海電力學(xué)院 電氣工程學(xué)院，上海 200090；2.上海寶冶集團有限公司，上海 201900)

引言

LED光源被稱為第四代照明光源，具有高效、節(jié)能、環(huán)保、壽命長、體積小等特點，可以廣泛應(yīng)用于各種指示、顯示、裝飾、背光源、普通照明和城市夜景照明等領(lǐng)域，是實現(xiàn)節(jié)能減排的有效工具[1-2]。LED節(jié)能燈是二十一世紀(jì)光源市場的希望，已在歐美等國家大規(guī)模應(yīng)用[3-4]。隨著LED技術(shù)的迅猛發(fā)展及其成本的不斷下降，LED燈必將取代傳統(tǒng)光源。

我國已逐漸形成成熟的大規(guī)模LED照明應(yīng)用技術(shù)，而相應(yīng)的系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)滯后，不能跟上整體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。上海世博會試運行時，曾出現(xiàn)由于電網(wǎng)線路存在嚴(yán)重的諧波污染而造成LED燈燒毀和LED閃屏現(xiàn)象[5]。研究如何在大規(guī)模LED照明系統(tǒng)設(shè)計階段就將類似的問題解決具有現(xiàn)實意義。同時，世博會上應(yīng)用的LED照明系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)需要在“后世博”時代得以推廣應(yīng)用，然而如何根據(jù)實際條件選擇相應(yīng)的設(shè)計也是一個需要解決的問題。目前，常規(guī)的建筑電氣設(shè)計軟件用于LED照明系統(tǒng)設(shè)計時，無論是電氣符號庫，還是設(shè)計功能都存在不足[6]。因此，開發(fā)一款專用于LED照明系統(tǒng)設(shè)計的軟件包可滿足現(xiàn)實的需求。

為規(guī)范LED照明系統(tǒng)的設(shè)計，提高LED照明工程施工質(zhì)量，乃至LED行業(yè)的總體技術(shù)水平，在AutoCAD2008環(huán)境下，開發(fā)了一套LED照明系統(tǒng)專用設(shè)計軟件包。軟件包不僅包含LED照明系統(tǒng)設(shè)計專用電氣符號庫，用于完成線路圖設(shè)計，而且可以完成LED照明系統(tǒng)的相關(guān)照度計算和電氣計算?？紤]到LED照明所用驅(qū)動電源為非線性元件，會產(chǎn)生諧波電流，軟件包還包含專用濾波模塊，可用于完成諧波治理設(shè)計。軟件包的開發(fā)完成，能夠較好地滿足飛速發(fā)展的LED照明市場對系統(tǒng)設(shè)計的需求，促進大規(guī)模LED照明系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用。

1 LED照明系統(tǒng)設(shè)計方法

開發(fā)LED照明系統(tǒng)專用設(shè)計軟件包，必須從LED照明系統(tǒng)的特性出發(fā)進行深入研究。照明系統(tǒng)設(shè)計主要包括光照部分設(shè)計和電氣部分設(shè)計，系統(tǒng)設(shè)計參考了建筑電氣照明系統(tǒng)的設(shè)計與計算相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[7]。

1.1 光照部分設(shè)計和計算

1.1.1 光照部分設(shè)計

確定LED照明標(biāo)準(zhǔn)、照明方式、照明種類后，要選擇好光源、燈具并確定燈具的布置方式。隨后要進行照度計算、眩光計算、節(jié)能指標(biāo)校驗，最后優(yōu)化設(shè)計方案。具體光照部分設(shè)計步驟如圖1所示。

圖1 LED照明系統(tǒng)光照部分設(shè)計步驟Fig.1 Design Procedure of Lighting Part of LED lighting System

1.1.2 平均照度設(shè)計

平均照度計算是光照部分設(shè)計的關(guān)鍵，確定所需要的照度值后，結(jié)合其他已知條件就可確定LED燈具的功率和數(shù)量。平均照度的計算通常應(yīng)用利用系數(shù)法，該方法考慮了由光源直接投射到工作面上的光通量和經(jīng)過室內(nèi)表面相互反射后再投射到工作面上的光通量。應(yīng)用利用系數(shù)法計算平均照度的基本公式為：

(1)

式中，Eav——工作面上的平均照度，單位：lx；

Φ——光源光通量，單位：lm；

N——光源數(shù)量；

U——利用系數(shù)，一般室內(nèi)取0.4，室外取0.3；

A——工作面面積，單位：m2；

K——燈具的維護系數(shù)，環(huán)境污染特征為清潔時取0.8，一般時取0.7。

1.2 電氣部分設(shè)計和計算

1.2.1 電氣部分設(shè)計內(nèi)容

電氣部分的設(shè)計內(nèi)容主要包括確定LED照明供電電源、確定配電系統(tǒng)、確定配電系統(tǒng)接地方式、功率統(tǒng)計和負荷計算、配電線路設(shè)計、計算電壓損失、配電線路保護電器的選型和參數(shù)的確定、開關(guān)和控制方式的設(shè)計、確定電能計量方式、確定燈具和配電箱、開關(guān)、控制裝置的安裝方式、線路敷設(shè)方案的確定等。具體電氣部分設(shè)計步驟如圖2所示。

1.2.2 電氣部分設(shè)計計算

1.2.2.1 計算電流

LED照明設(shè)備的電流總是滯后電壓一個相位角φ，因此其功率因數(shù)cosφ<1。在求照明系統(tǒng)的計算電流時，必須考慮這個因素，不能將各類照明設(shè)備的電流直接相加作為總電流。

單相照明線路的計算電流為：

(2)

圖2 LED照明系統(tǒng)電氣部分設(shè)計步驟Fig.2 Design Procedure of Electrical Part of LED lighting System

式中，Ic——單相照明線路的計算電流，單位：A；

UP——照明線路額定相電壓，單位：V；

cosφ——光源的功率因數(shù)；

Pc——單相照明線路的計算負荷，單位：W。

對于三相照明線路，可應(yīng)用式(2)分別求出每一相的計算電流，選取最大一相的計算電流作為三相電路的計算電流，并以此作為系統(tǒng)選擇導(dǎo)線、開關(guān)等電氣設(shè)備的依據(jù)。

1.2.2.2 無功補償和有源濾波裝置容量計算

采用集中補償方式時，總的補償容量由式(3)決定，如下：

QC=PC(tanφ1-tanφ2)

(3)

式中，PC——最大有功計算負荷，單位：kW；

φ1——補償前的功率因數(shù)角，cosφ1可取最大負載時的值；

φ2——補償后的功率因數(shù)角，參照電力部門的要求確定，一般可取cosφ2為0.9～0.95；

QC——需要補償?shù)目偀o功功率，單位：kvar。

有源濾波器容量的計算可參照經(jīng)驗公式(4)，即

PAPF≈1.5PCTHDi

(4)

式中，PC——最大有功計算負荷，單位：kW；

THDi——電流諧波總畸變率；

PAPF——有源濾波器容量，單位：kW。

2 LED照明系統(tǒng)專用設(shè)計軟件包開發(fā)

LED照明系統(tǒng)設(shè)計中，照明計算是一項很重要的內(nèi)容，是照明方案合理性的主要依據(jù)。目前，光源、燈具不斷更新和發(fā)展，項目復(fù)雜程度也愈來愈高，使得查表、手工計算愈來愈困難，而計算機技術(shù)的發(fā)展為照明計算提供了有效的手段。設(shè)計的LED照明系統(tǒng)專用設(shè)計軟件滿足施工平面圖、系統(tǒng)圖繪制和照度計算、電氣計算的要求。開發(fā)的LED照明系統(tǒng)設(shè)計軟件圍繞照明設(shè)計施工圖的內(nèi)容與深度進行。首先采用利用系數(shù)法估算需要布置的燈具型號與數(shù)量；采用動態(tài)布置照明設(shè)備的方式，在布置設(shè)備的同時看到并調(diào)整布置結(jié)果，從而顯著提高設(shè)計速度；采用模糊接線功能，在提高線路敷設(shè)效率的同時大大減輕工作強度。

2.1 軟件菜單編制

2.1.1 AutoCAD菜單文件結(jié)構(gòu)及類型

在AutoCAD中，菜單和工具欄定義都是放在菜單文件內(nèi)的。菜單文件可分為主菜單文件和局部菜單文件。主菜單文件用于定義按鈕菜單、下拉菜單、光標(biāo)菜單、工具欄、圖標(biāo)菜單、屏幕菜單和數(shù)字版菜單，而局部菜單文件通常只定義下拉菜單和工具欄。

AutoCAD中只能同時加載使用一個主菜單文件，但可以加載多個局部菜單文件與主菜單文件并存使用。這樣軟件菜單文件的編寫有兩種方法：修改主菜單文件或者編寫并加載局部菜單文件。

但是需要注意的是，AutoCAD的主菜單acad.mnu，不僅文件龐大，而且每個版本的內(nèi)容都不盡相同。如果將自定義功能放在該文件內(nèi)，那么每次升級都需要進行更改，不僅繁瑣，還容易出錯。而采用局部菜單，只需要另外編輯一個*.mnu文件，然后進行加載即可，文件較小又容易編輯和管理。

不管是主菜單還是局部菜單，每個菜單文件都必須指定一個唯一的菜單組(Menu Group)名稱作為區(qū)別，通常菜單組名稱和文件名相同，以方便管理。原始菜單文件(*.mnu)是一個文本文件，可以用任何文本編輯軟件編寫。載入該文件會產(chǎn)生新的文件*.cui和*.mnr。菜單源文件*.cui會隨時更新以保存對下拉菜單和工具欄的變動，由AutoCAD自動維護，該文件也是文本文件，并且可以將它更名為*.mnu文件使用。*.mnr文件是一個二進制菜單文件，可以被AutoCAD直接使用。

2.1.2 自定義用于執(zhí)行程序的局部菜單

以LED壁燈為例，說明局部菜單文件的建立。假設(shè)現(xiàn)在建立了一個名為“壁燈. lsp”的AutoLISP程序文件，其功能為畫出壁燈的圖形，然后將這個LISP程序文件保存在D：lisp目錄內(nèi)。

首先，使用文本編輯器在D：lisp目錄下建立一個名為LEDCAD.mnu的菜單文件，其內(nèi)容如下：

***MENUGROUP=LEDCAD

***POP1

[LED照明電氣系統(tǒng)]

[壁燈]^c^c^p(load“壁燈”)bideng

注意，.mnu文件內(nèi)的最后一行必須為空行?！?**MENUGROUP=LEDCAD”用于指定該菜單文件的菜單組名是LEDCAD。因為每個菜單文件內(nèi)都必須指定一個菜單組名稱，通常和文件名相同。另外需要注意的是，AutoCAD采用層次結(jié)構(gòu)來管理菜單文件的內(nèi)容，***是最上層結(jié)構(gòu)，**是第二層結(jié)構(gòu)。

“***POP1”用于聲明第一個下拉菜單。在AutoCAD中，每個菜單文件內(nèi)可以指定最多16個下拉菜單，聲明方式均為“***POPn”。該例中，“***POP1”下方[LED照明電氣系統(tǒng)]為菜單標(biāo)題，加載后將顯示在菜單欄上；[壁燈]為第一個菜單項目名稱；^c^c^p(load“壁燈”) bideng為單擊該項目執(zhí)行的動作。其中：^c相當(dāng)于按一下ESC鍵，中斷當(dāng)前的命令或動作；^p為切換菜單相應(yīng)開關(guān)，使執(zhí)行的命令不顯示或顯示；(load“壁燈”)將載入“壁燈.lsp”文件。Bideng為執(zhí)行該函數(shù)。這樣，每當(dāng)用戶單擊“壁燈”項目，AutoCAD都會加載“壁燈.lsp”文件一次，并執(zhí)行“bideng”函數(shù)。按照同樣的方法將其他元件的執(zhí)行程序都編寫到菜單文件中，加載后形成的菜單文件如圖3所示。

圖3 LED照明電氣系統(tǒng)局部菜單Fig.3 Local menu of electrical part of LED lighting system

2.2 電氣符號庫設(shè)計

LED照明系統(tǒng)設(shè)計軟件中，應(yīng)包括一個齊全的、預(yù)先做好的電氣符號庫，符號庫中為使用者提供大量的LED燈具、開關(guān)、插座、線纜、變壓器、配電箱柜和濾波設(shè)備等電氣符號。

設(shè)計的電氣符號庫包括LED燈具庫、變壓器庫、開關(guān)與插座庫、濾波器庫、配電箱庫、普通照明庫和線纜庫七大部分，共78個常用建筑電氣符號。設(shè)計電氣圖形符號庫時，參考了圖集《09DX001 建筑電氣工程設(shè)計常用圖形和文字符號》。該圖集包含了多種傳統(tǒng)燈具的圖形符號和文字符號，例如單管熒光燈、雙管熒光燈等，但對LED燈具只采用文字標(biāo)注的方式，并沒有專門的圖形符號；而且LED燈具的大規(guī)模使用需要考慮濾波問題，該圖集也缺乏相應(yīng)的濾波圖形符號。

為了直觀地表示LED燈具，參考和借鑒了發(fā)光二極管的電路符號，對LED燈具的圖形符號進行了創(chuàng)新，設(shè)計了13種常用LED燈具，并根據(jù)濾波器的原理，對濾波器的圖形符號進行了創(chuàng)新。圖4(a)為LED壁燈的電氣圖形符號，圖4(b)為LED彎燈的電氣圖形符號，圖4(c)為LC濾波器的電氣圖形符號，圖4(d)為有源濾波器的電氣圖形符號。

圖4 LED燈具和濾波器電氣圖形符號Fig.4 Electrical symbols of LED lamps and filters

利用Autolisp編程實現(xiàn)了電氣圖形符號的繪制，現(xiàn)以LED吸頂燈為例，說明電氣圖形符號的實現(xiàn)和使用。圖5為繪制LED吸頂燈的程序流程圖。

圖5 繪制LED吸頂燈的程序流程圖Fig.5 Flow chart of ceiling lamp drawing

在繪圖時，利用輸入的起點和終點來確定圖形的位置、方向和比例。在軟件安裝完成后，單擊LED照明電氣系統(tǒng)→電氣符號庫→LED燈具→LED吸頂燈，程序開始執(zhí)行。首先應(yīng)用程序在后臺會設(shè)置AutoCAD的環(huán)境變量，關(guān)閉捕捉。隨后AutoCAD界面的命令行會提示“輸入起點”?！拜斎肫瘘c”用單擊鼠標(biāo)左鍵的方式來拾取一個點，確定插入圖形的位置；起點確定后，命令行提示“輸入終點”，“輸入終點”也用單擊鼠標(biāo)左鍵的方式來拾取一個點，確定插入圖形方向和比例。輸入終點后，程序會自動判斷起點和終點是否為同一點，如果為同一點，將要求重新輸入終點。輸入完成后，圖形的位置、方向和比例也就確定了，程序轉(zhuǎn)入后臺執(zhí)行，根據(jù)輸入，程序計算中點和其他特征點，完成圖形的繪制，最后程序會自動還原環(huán)境變量，開放捕捉。

2.3 照度和電氣計算模塊設(shè)計

2.3.1 照度計算模塊

在LED照明系統(tǒng)設(shè)計軟件中，可以根據(jù)房間的大小、燈具類型、維護系數(shù)和房間要求的照度值，計算工作面上達到照度標(biāo)準(zhǔn)時需要的燈具數(shù)。照度計算模塊采用的是利用系數(shù)法，計算平均照度與配燈數(shù)量，根據(jù)房間照度要求、維護系數(shù)和利用系數(shù)就可以求出燈具數(shù)，如圖6所示。

圖6 照度計算模塊Fig.6 Illumination computing module

單擊[照度計算]模塊會彈出如圖6所示對話框，該對話框由[房間參數(shù)設(shè)定]欄、[利用系數(shù)]欄、[光源參數(shù)設(shè)定] 欄和[計算結(jié)果]欄四部分組成。[房間參數(shù)設(shè)定]欄主要是用來設(shè)定房間參數(shù)的，其中房間的長和寬由用戶自行輸入。[燈具安裝高度]和[工作面高度]兩項分別表示燈具距地面高度和所要計算照度的工作面離地的高度，缺省值分別為3m和0.8m。[利用系數(shù)]欄主要是用來計算利用系數(shù)的，可在[利用系數(shù)]編輯框中選擇室內(nèi)和室外選項，利用系數(shù)分別取0.4和0.3。

圖7 電氣計算模塊Fig.7 Electrical part computing module

2.3.2 電氣計算模塊

電氣計算模塊用于計算一個LED照明電氣系統(tǒng)的計算負荷、計算電流和需要的無功補償和諧波抑制裝置容量，見圖7。輸入額定有功功率和利用系數(shù)，計算得到計算負荷功率；再根據(jù)功率因數(shù)和額定電壓，計算得到計算電流；根據(jù)補償前后的功率因數(shù)，計算得到無功補償容量值；輸入總諧波畸變率，得到諧波抑制裝置容量。

3 結(jié)論

(1)參考建筑電氣照明系統(tǒng)的設(shè)計與計算相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，考慮LED照明系統(tǒng)的特性，對大規(guī)模LED照明系統(tǒng)的設(shè)計和計算方法進行了深入研究。從確定設(shè)計照度、選擇照明方式、光源和照明器的選擇、合理布置照明器、照度計算等幾方面研究了LED光照部分設(shè)計，其中平均照度的計算采用了利用系數(shù)法。從確定供電電源形式、確定配電系統(tǒng)、負荷計算、電器設(shè)備的選擇、無功補償和濾波裝置裝置的配置等幾方面深入研究LED電氣部分設(shè)計，其中照明負荷的計算采用需用系數(shù)法；給出了電流的計算方法和適用于LED供電系統(tǒng)的無功補償和諧波治理裝置容量的計算方法。

(2)在AutoCAD 2008軟件環(huán)境下，采用AutoLISP&DCL編程語言，開發(fā)了專用于LED照明系統(tǒng)設(shè)計的軟件包。首先，按照軟件的功能目標(biāo)設(shè)計了整體界面，包括圖形庫菜單、電氣計算菜單和照度計算菜單，其中圖形庫菜單下設(shè)LED燈具、線纜與開關(guān)、配電箱柜與濾波裝置等器件或設(shè)備的圖形模塊。然后，在深入調(diào)研和分析LED器件與設(shè)備電氣標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計了電氣圖形庫，其中每個元件或設(shè)備模型都對應(yīng)一個*.lsp程序，根據(jù)電氣符號編寫相應(yīng)的繪圖程序，再將程序打包歸類成圖形庫，并在菜單欄中添加圖形庫菜單。最后，根據(jù)常用的照度和電氣計算功能編寫相應(yīng)的計算程序，將所有程序打包歸類成不同的計算庫，在菜單欄中添加照度計算和電氣計算菜單，菜單欄可調(diào)用相應(yīng)的對話框，相應(yīng)計算可在對話框中完成。

該研究成果達到了預(yù)期目標(biāo)，為我國大規(guī)模LED照明系統(tǒng)的設(shè)計與施工提供一定的技術(shù)支撐，具有重要的現(xiàn)實意義與應(yīng)用前景。相信在不遠的將來，大規(guī)模LED照明技術(shù)將在我國得到越來越多的實際應(yīng)用，該研究成果也將能夠在市場中得到推廣應(yīng)用。

[1] 竇林平. 國內(nèi)LED照明應(yīng)用探討[J]. 照明工程學(xué)報,2011, 22(6): 51-58.

[2] 郝洛西, 楊秀. 基于LED光源特性的半導(dǎo)體照明應(yīng)用創(chuàng)新與發(fā)展[J]. 照明工程學(xué)報, 2012, 23(1): 1-6.

[3] Sammarco John J, Mayton Alan G, Lutz Timothy, et al. Discomfort glare comparison for various LED cap lamps [J]. IEEE Tras. on Industry Applications, 2011, 47(3): 1168-1174.

[4] 孫建國. 低碳經(jīng)濟下的LED節(jié)能燈應(yīng)用及技術(shù)研發(fā)方向分析[J]. 照明工程學(xué)報,2011,22(S1): 84-90, 2011.

[5] 王朔. 淺析對諧波電流超標(biāo)電網(wǎng)加裝濾波器的必要性[J]. 現(xiàn)代建筑電氣, 2010, 1(10): 37-41.

[6] 劉喜平. 基于AutoLISP的AutoCAD二次開發(fā)技術(shù)[J]. 機械制造與自動化, 2011, 4: 128-130.

[7] 謝秀穎. 電氣照明技術(shù)[M]. 北京: 中國電力出版社, 2008.