路燈控制系統(tǒng)應用研究

張利國，時念武

(1.濟南市路燈管理處，山東 濟南 250001；2.山東泰華電訊有限責任公司，山東 濟南 250101)

1 前言

為進一步提高濟南市路燈監(jiān)控管理水平，促進路燈節(jié)能工作的順利實施，濟南市路燈管理處針對制約路燈現代化管理的“瓶頸”問題，不斷完善系統(tǒng)的各項功能，在現有國內領先水平的監(jiān)控管理系統(tǒng)基礎上，開發(fā)、建設、應用具有國內一流水平的路燈單燈控制系統(tǒng)，充分發(fā)揮系統(tǒng)在路燈建設、管理、維護、節(jié)能工作中的樞紐與核心作用。

濟南市現在運行的城市照明監(jiān)控管理系統(tǒng)自2005年開始建設，2007年建設完成。經過近幾年的不斷發(fā)展與提高，目前在用的RTU(Remote Terminal Units，遠程終端單元)達512個，可對全市8萬余盞路燈進行集中控制。該系統(tǒng)包括道路照明監(jiān)控管理調度中心、通信網絡、遠程智能控制終端及單燈節(jié)能控制器、視頻監(jiān)控等部分，具有遙控、遙測、遙調、遙訊、遙視等“五遙”功能，是一個集監(jiān)測、控制與節(jié)能于一體的管理平臺，在路燈設施日常管理維護、安全運行、城市防汛搶險與節(jié)能控制等方面起到了重要的保障作用。

2 國內發(fā)展概況

近幾年，國內多個城市建設使用了城市照明監(jiān)控系統(tǒng)，大多采用無線專網或移動公網進行通信。系統(tǒng)可根據當地的日出日落時間及光照值，采用光控和時控相結合的方法，自動遙控開、關路燈，并能智能遙測現場的工作電壓、電流和接觸器狀態(tài)等數據，可對采集到的數據進行分析，自動計算亮燈率，判斷城市照明運行情況。這一系統(tǒng)的應用大大提高了城市照明的管理水平，既提高了工作效率同時又降低了管理成本。

但是由于目前的無線監(jiān)控點基本上都安裝于路燈控制箱側，屬于集中監(jiān)控，可控制到每一個變壓器區(qū)域及單條線路，但其只能對整條路段的運行情況(包括：電壓、電流、功率、溫度、接觸器狀態(tài)等)進行檢測或控制，還無法細化到控制任意一盞路燈。因此，國內路燈同行都面臨著同樣一個課題：如何對城市道路中任意一盞路燈進行聯網控制和運行狀態(tài)檢測？如何進行數據采集、狀態(tài)顯示及自動報警？如何能夠監(jiān)控任意一盞照明路燈工作狀態(tài)？單燈控制技術恰恰成為解決這些問題的有效途徑。

目前，國內尚沒有一個城市大規(guī)模開發(fā)、應用單燈控制系統(tǒng)。國內現有的單燈控制技術，主要依托于電力線載波技術，受照明線路的長度、屬性、分支等很多因素影響，僅有試點安裝，沒有大規(guī)模的成功應用。而濟南市開始率先開發(fā)、研究、應用單燈控制系統(tǒng)，對全市8萬余盞路燈進行單燈控制，實現了對單盞路燈的可靠測控，并有效地進行了節(jié)能管理，取得良好的效果。

3 系統(tǒng)應用研究

3.1 系統(tǒng)架構及組成

濟南市城市照明智能監(jiān)控系統(tǒng)由“監(jiān)控中心、智能監(jiān)控終端、智能服務器、單燈節(jié)能控制終端及電纜被盜報警”五部分組成。系統(tǒng)以GPRS無線通信為主干網，以電力線載波通信為二級子網，是三層結構、兩級通信機制的智能照明監(jiān)控系統(tǒng)。濟南市路燈單燈控制系統(tǒng)結構框架如圖1所示。

圖1 濟南市路燈單燈控制系統(tǒng)結構框架Fig.1 Jinan street lamp control system architecture framework

3.2 單燈節(jié)能控制終端

單燈節(jié)能控制器采用電力線通信技術，監(jiān)測控制每一桿燈上的每盞燈，實現按需照明，在保證可靠性的前提下，有效地實現照明節(jié)能。單燈節(jié)能控制器安裝在路燈燈桿維修孔內，監(jiān)視每一個燈源的亮、滅、調光水平，并與智能監(jiān)控終端和城市照明控制系統(tǒng)構成城市照明監(jiān)控和節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)，實現路燈節(jié)能以及控制、監(jiān)測和管理的功能。單燈節(jié)能控制器通過電力線接收單燈集中器發(fā)出的控制命令，并根據控制命令控制對應路燈，是路燈城市照明設備最佳的節(jié)能控制器和發(fā)展方向(見圖2)。

圖2 單燈節(jié)能控制原理框圖Fig.2 Street lamp energy saving control block diagram

3.3 電力線通信研究

路燈線路一旦布線完成，很難再改動。此外要想實現復雜的控制要求時，路燈線路的布線量要大大增加，這使得系統(tǒng)的可靠性下降，一旦出錯，線路的檢查也相當費時。傳統(tǒng)的照明控制系統(tǒng)已無法滿足現代路燈管理的需求。

電力線通信(Power Line Communication)簡稱PLC，是指利用電力線傳輸數據和語音的一種方式。它以電力線為傳輸通道，具有通道可靠性高、投資少、見效快、與電網建設同步等得天獨厚的優(yōu)點。以前PLC技術只作為長距離調度的通信手段，隨著Internet技術的飛速發(fā)展，利用220V低壓電力線傳輸高速數據的價值越來越被人們重視，因為它具有不用布線、覆蓋范圍廣、連接方便的顯著特點，被認為是提供“最后一公里”解決方案最具競爭力的技術手段之一。

因此利用電力線通信的路燈單燈節(jié)能控制系統(tǒng)，利用路燈原有的供電線路，不用單獨布線，具有安裝方便、維護簡單、實時控制可靠性高、節(jié)能效果顯著等特點。

3.3.1 路燈電力線阻抗特性

輸入阻抗是表征低壓電力線傳輸的重要參數，它能否與發(fā)送機的輸出阻抗相匹配，直接關系到發(fā)送機的效率與網絡所獲得的輸入功率，同時也將影響接受機所接受的輸入功率。由于路燈電力線分布電感和補償電容的影響，輸入阻抗隨著頻率的增大而減小。同時，由于負載類型的不同，使不同頻率的阻抗變化也不同，所以實際情況非常復雜。

3.3.2 電力線信號干擾特性

電力線干擾可分為非人為干擾和人為干擾。非人為干擾指的是一些自然現象，如雷電，在電力線上引起的干擾。人為干擾則是由連接在電力線上的用電設備產生的，并對數據通信有嚴重影響如廣告燈箱、車站公交站牌等。

3.3.3 電力線信號的衰減特性

信號在低壓電力線上的衰減是低壓電力線通信遇到的另一個實際問題。路燈低壓電力線是一根非均勻分布的傳輸線，路燈的負載在這根線上任意位置隨機的接入或斷開，因此信號在電力線的傳輸必然存在衰減，由于存在駐波、反射等復雜現象，使信號的衰減隨距離的變化關系變得相當復雜，有可能出現近距離點的衰減比遠離點的衰減還大的現象。

3.3.4 單燈自由算法設計

由于電力線通信信號的傳輸隨著輸電網信號負荷的變化而呈現時變性和隨機性，集中控制器與單燈節(jié)能控制器的通信路由需要隨電力線信道環(huán)境的變化而變化，因此需要設計合適的路由算法在單燈控制器各節(jié)點間的傳輸。

本系統(tǒng)根據蟻群算法結合路燈電力線分布的實際特點，稱為自適應動態(tài)路由算法，不受距離和單燈節(jié)能控制器位置的影響，實時更新路燈每個箱變的路由信息，達到實時監(jiān)測每個節(jié)點的狀態(tài)和數據，具有可靠性高、速度快、無需人工干預等特點。

4 路燈單燈控制系統(tǒng)主要功能

4.1 遙控功能

遙控是整個路燈單燈控制系統(tǒng)所有功能中最重要的部分。系統(tǒng)投入運行后，可提升照明的效果，達到既保證照明，又節(jié)約能源，關鍵是系統(tǒng)的遙控功能設計合理，控制方案豐富多樣。

路燈單燈控制系統(tǒng)采用時控和光控相結合的照明控制方案。該方案基于智能控制理念，以當地365天日出日落的時間作為基本條件，設定一個有效的開/關燈時間，在此時段內根據光照度的具體情況自動執(zhí)行相應的開/關燈命令，若該時段結束時光控仍未起作用，則在該時段結束時，監(jiān)控終端自動按時控方式開/關燈。另外，在異常天氣光照度嚴重不足時，系統(tǒng)可以進行人工開關燈控制，既保證了系統(tǒng)的可靠性，同時系統(tǒng)也具有了適應天氣變化的靈活性。

4.2 單燈控制功能

通過電力線載波通訊技術，用戶無需單獨布線即可實現單燈的智能控制，包括實時檢測單燈的運行狀態(tài)、電壓、電流、消耗功率、功率因數、燈具點燃時長等，可以對單燈開/關實現節(jié)能控制，實現真正的按需照明，同時在線對單燈故障(如補償電容損壞、燈具失效等)實現報警。

系統(tǒng)可以實現遠程對單燈的開關控制，顯示方式可以通過列表或城市地理信息系統(tǒng)(GIS)直觀顯示，如圖3、圖4、圖5所示。

圖3 RTU開關燈設置Fig.3 RTU light ON/OFF setting

圖4 單燈運行方式設置Fig.4 Street lamp operation mode setting

圖5 路燈地理信息系統(tǒng)Fig.5 Street lighting geographic information system

4.3 移動終端查詢控制功能

系統(tǒng)平臺支持移動式辦公工作模式即坐席或值班人員采用PDA手持監(jiān)控終端的方式，如圖6所示，即可實現“三遙”功能(遙控、遙信、遙測)，以及日常的業(yè)務管理，包括用戶認證模塊及監(jiān)控管理、維護管理、GIS管理、設備管理、設備運行參數管理、系統(tǒng)管理等。檢修人員在手持終端輸入設施編碼，即可與后臺系統(tǒng)通信、查詢及回傳設施有關資料。

圖6 PDA手持監(jiān)控終端Fig.6 PDA monitor terminal

5 路燈單燈控制系統(tǒng)主要構成

5.1 LMC1010智能監(jiān)控終端(圖7)

該終端選用最新32位ARM Cortex M3工業(yè)控制級芯片和嵌入式實時操作系統(tǒng)，先進的電能測量計量專用芯片，大容量存儲器技術，允許在-40℃～+80℃的環(huán)境溫度下的連續(xù)運行，實現交流采樣，交流電流、電壓采集精度優(yōu)于0.5%。

圖7 LMC1010智能監(jiān)控終端Fig.7 LMC1010 intelligent monitoring terminal

照明智能監(jiān)控終端(RTU)集照明遙測、遙信、遙控、節(jié)能控制、電纜防盜報警、載波通信與遠程通信接口于一體。通過交流采樣的方法完成現場電流、電壓及有功功率、功率因數等數據的采集、運算、處理、存儲、顯示；并根據調度端的命令，完成數據的傳送和對各種城市照明燈的控制；當現場發(fā)生故障、盜竊或數據超限時能主動報警，保證系統(tǒng)安全正常運行；當與調度端通信中斷時，可根據存儲的開/關燈最后時限自動獨立運行，絕對保證路燈運行的可靠性。智能控制終端(RTU)根據不同要求，可靈活配置，以滿足各種城市照明燈的控制方案。

5.2 LSC7210智能集中器(圖8)

LSC7210智能集中器是連接智能監(jiān)控終端與單燈控制節(jié)能終端的中樞。智能集中器與智能監(jiān)控終端采用電力線通信，二者一起安裝于路燈變壓器側或配電控制箱內，通過電力線載波通信方式與每一個單燈控制節(jié)能終端通信，動態(tài)的監(jiān)測每個燈源的運行狀況，并通過智能監(jiān)控終端向監(jiān)控中心實時傳輸數據。LSC7210智能集中器結合了時間調度、報警發(fā)生器、日志和電力線網絡管理控制器。

圖8 LSC7210智能集中器Fig.8 LSC7210 intelligent concentrator

5.3 LOC7700單燈控制節(jié)能終端(圖9)

LOC7700單燈節(jié)能控制器采用國外最先進的單片機控制技術和神經元芯片技術，監(jiān)測控制每一桿燈，實現按需照明，在保證可靠性的前提下，有效地實現照明節(jié)能。LOC7700單燈節(jié)能控制器通過電力線接收LSC7210智能服務器發(fā)出的控制命令，并根據控制命令控制對應路燈，是路燈、廣告燈箱、霓虹燈等城市照明設備最佳的節(jié)能控制器。

圖9 LOC7700單燈控制節(jié)能終端Fig.9 LOC7700 street lamp control terminal

6 系統(tǒng)運行性能測試及應用成果

6.1 單燈控制節(jié)電率試驗段測試效果

2010年11月，我們對位于濟南市美里路的05310001號RTU控制區(qū)域的72盞路燈的單燈控制器進行了工程驗收，分別測試了手動全部亮燈、全部關燈、隔一亮一、隔二亮一、隨機編組開關燈、開關任一指定路燈等功能，完全實現了“按需照明”，效果良好。節(jié)電率測試結果如表1所示。

6.2 使用單燈控制技術后節(jié)約電費理論測算

截止目前，濟南市共有100670盞路燈，安裝單燈控制器23675個，可對39280盞路燈進行單燈控制，按每年亮燈4000小時，定時關閉13093盞燈，每天關閉7小時，400W和250W路燈按平均300W進行計算，每年節(jié)約電費：13093×0.3kW×7h×365×0.8234元/(kW·h)=826萬元。

6.3 實際應用節(jié)電情況

經過一年多的實際應用，單燈控制系統(tǒng)不但提高了路燈管理水平，而且節(jié)能效果顯著，表2是我們2012年第四季度用電量的部分統(tǒng)計數據。

表1 美里路單燈節(jié)電率測試表Table 1 Street lamp electricity saving

表2 2012年第四季度用電量節(jié)能數據Table 2 Electricity saving in the fourth season of 2012

6.4 節(jié)電情況分析

節(jié)能減排工作是國家一項大政方針，路燈行業(yè)也不例外。根據《“十二五”城市綠色照明規(guī)劃綱要》的有關目標，到“十二五”期末，城市照明節(jié)電率要達到15%。而路燈行業(yè)目前大多采用“半夜燈”、使用LED燈具等方式節(jié)能，節(jié)電率不高，照明效果亦受影響。而濟南市采用路燈單燈控制系統(tǒng)后，不僅取得了較高的節(jié)電率38.56%，而且，促進了路燈“亮燈率”的提升，提高了管理水平。

7 結論

濟南路燈控制系統(tǒng)通過控制中心能對城市道路中任意一個照明路燈進行控制和運行狀態(tài)檢測,并具有數據采集、狀態(tài)顯示及報警功能，可按照使用需求,在確保車輛行人安全的前提下,任意組合控制路燈燈開/關/調光水平的工作狀態(tài)，實時測量每盞的電壓、電流、燈功率、功率因數燈狀態(tài)，實現按需照明。在保證實現照明節(jié)能的同時增強光源的使用壽命，并對故障的燈進行報警，減低人工夜間巡檢的工作量，提高亮燈率，提高路燈行業(yè)的信息化管理水平，達到精細化管理的目的?；谀壳皾鲜谐鞘姓彰鳜F狀，我們開發(fā)、研究、應用的路燈單燈控制系統(tǒng)，實現了“按需照明、精細管理”的理念，使得路燈行業(yè)的控制水平取得質的飛躍與提高，為大幅度提高路燈節(jié)能工作水平打下了堅實的基礎，必將會取得良好的社會效益、經濟效益和管理效益。

[1] 齊淑清.電力線通信(PLC)技術與應用[M].北京：中國電力出版社，2005.

[2] 張華.城市照明設計與施工[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2012.

[3] 張錫平.路燈單燈控制系統(tǒng)[C].2010年中國道路照明論壇論文集，2010.