城市LED 智能化路燈的技術(shù)方案分析

章 賦

(重慶星河光電科技有限公司，重慶 400000)

0 引言

城市道路照明建設(shè)領(lǐng)域因其突出的能耗占比成為實(shí)施節(jié)能減排工作的重點(diǎn)領(lǐng)域，國(guó)家在該領(lǐng)域著力推行“綠色照明工程”，相繼出臺(tái)了一系列規(guī)定、政策，如《中華人民共和國(guó)節(jié)約能源法》、《國(guó)務(wù)院關(guān)于加強(qiáng)節(jié)能工作的決定》、《節(jié)能減排綜合性工作方案》、《能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃綱要(2004—2020年v)》(草案)、《“十二五”節(jié)能減排綜合性工作方案的通知》，財(cái)政部、國(guó)家發(fā)改委《高效照明產(chǎn)品推廣財(cái)政補(bǔ)貼資金管理暫行辦法》、《關(guān)于財(cái)政獎(jiǎng)勵(lì)合同能源管理項(xiàng)目有關(guān)事項(xiàng)的補(bǔ)充通知》，住建部、發(fā)改委《關(guān)于切實(shí)加強(qiáng)城市照明節(jié)能管理嚴(yán)格控制景觀照明的通知》等。

1 城市LED 路燈照明智能化系統(tǒng)簡(jiǎn)介

照明智能化系統(tǒng)管理從底層逐級(jí)向上可分為數(shù)據(jù)采集層、業(yè)務(wù)處理層和數(shù)據(jù)呈現(xiàn)層三層次。數(shù)據(jù)采集層包括了前端集中控制器、企業(yè)客戶端，主要用于采集各種運(yùn)行數(shù)據(jù)和執(zhí)行由用戶下發(fā)的指令。業(yè)務(wù)處理層包括通信服務(wù)器、數(shù)據(jù)處理服務(wù)器、Web 集中管理服務(wù)器等，主要用于管理各個(gè)前端集中控制器，處理相關(guān)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等。數(shù)據(jù)呈現(xiàn)層主要通過(guò)B/S 方式向用戶展示監(jiān)控管理系統(tǒng)的控制方式。用戶可根據(jù)實(shí)際需求和財(cái)力、物力逐步投入，靈活配置。報(bào)警分析和顯示模塊、開關(guān)燈時(shí)間管理模塊是監(jiān)控管理系統(tǒng)軟件的核心，管理軟件采用超強(qiáng)直觀的圖形結(jié)構(gòu)，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確分析、判斷、定位和標(biāo)注故障。管理軟件有效避免了文本與圖形結(jié)合描述現(xiàn)場(chǎng)配電設(shè)備電器流程和結(jié)構(gòu)所帶來(lái)的描述不準(zhǔn)確、不能描述或理解困難的缺點(diǎn)。照明智能化系統(tǒng)管理的目的就是監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、輸入輸出線路和中間電器的運(yùn)行狀態(tài)，達(dá)到故障預(yù)兆，保障城市路燈工作正常的目的。

2 城市LED 路燈照明智能化系統(tǒng)應(yīng)用

2.1 路燈照明智能化管理系統(tǒng)軟件架構(gòu)圖

路燈照明智能化管理系統(tǒng)軟件架構(gòu)圖如圖1所示。

2.2 可視化、直觀化的操控界面

城市路燈照明配電設(shè)施(箱變、桿變、落地配電箱、壁掛配電箱等)的種類、電氣結(jié)構(gòu)、負(fù)荷、輸出照明線路、燈具數(shù)量型號(hào)種類繁多，千差萬(wàn)別。要想真實(shí)反映城市路燈的運(yùn)行狀態(tài)，做到精準(zhǔn)監(jiān)控，直觀地顯示每臺(tái)設(shè)施電氣結(jié)構(gòu)和輸入輸出線路、路燈狀況，軟件必須采用電氣組態(tài)模型結(jié)構(gòu)。

圖1 路燈照明智能化管理系統(tǒng)軟件架構(gòu)示意圖

監(jiān)控軟件采用二次電氣組態(tài)軟件結(jié)構(gòu)，在軟件上調(diào)用專業(yè)的電器元件符號(hào)，采用標(biāo)準(zhǔn)線路，再建、重構(gòu)每臺(tái)路燈照明配電設(shè)施的實(shí)際電氣流程結(jié)構(gòu)，包括:安裝地名、區(qū)域和類型，以黃、綠、紅三色標(biāo)注電壓、電流的相位關(guān)系，記錄、顯示交流接觸器的控制類型(全夜、半夜和其他)，以及交流接觸器對(duì)應(yīng)的輸出路燈線路相位、具體輸送地區(qū)、路燈數(shù)量、負(fù)荷情況?？删_設(shè)置每一臺(tái)路燈照明配電設(shè)施的報(bào)警參數(shù)，如電壓、電流上下限報(bào)警值，斷路器、熔斷器、交流接觸器等電器的故障狀態(tài)、位置，輸出線路短路、斷路故障位置。根據(jù)遙測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)反映運(yùn)行狀態(tài)，并根據(jù)預(yù)先設(shè)置的報(bào)警參數(shù)，準(zhǔn)確分析、判斷報(bào)警故障，采用不同顏色、符號(hào)精確標(biāo)注實(shí)際報(bào)警位置。輸入、輸出路燈線路、路燈數(shù)量和負(fù)荷，線路的相位和歸屬關(guān)系?？稍诮M態(tài)軟件上實(shí)現(xiàn)遙控、遙測(cè)、遙信、遙調(diào)等工作(見圖2)。

圖2 可視化操控界面示意圖

2.3 科學(xué)合理的城市照明預(yù)案制定和管理

智能化的開關(guān)燈控制。監(jiān)控中心綜合分析與道路照明密切相關(guān)的時(shí)間、路段、環(huán)境照度、交通流量和人口密度等因素，根據(jù)當(dāng)日的活動(dòng)安排，如節(jié)日、重大活動(dòng)，根據(jù)城市地理位置和季節(jié)變化等綜合情況，智能化、科學(xué)合理地為每個(gè)片區(qū)制定照明策略。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將照明策略設(shè)置到每個(gè)路燈控制器中，對(duì)道路照明、景觀燈進(jìn)行動(dòng)態(tài)智能控制(精確到單燈)。在不同情況下實(shí)現(xiàn)多樣化的道路照明場(chǎng)景，從而在提高照明質(zhì)量的同時(shí)獲得最佳的節(jié)能效果。

強(qiáng)制開關(guān)燈。監(jiān)控中心可根據(jù)實(shí)際工作需要，任意遙控監(jiān)控點(diǎn)開關(guān)燈，也可同時(shí)(廣播)遙控監(jiān)控點(diǎn)開關(guān)燈。任務(wù)模板見圖3。

定時(shí)開關(guān)燈。監(jiān)控中心可分組、分段和分區(qū)設(shè)置全城監(jiān)控點(diǎn)開關(guān)燈時(shí)間。

光控開關(guān)燈。監(jiān)控中心可根據(jù)外置光照照度計(jì)信號(hào)，遙控全城監(jiān)控點(diǎn)開關(guān)燈。

經(jīng)緯儀開關(guān)燈。監(jiān)控中心可根據(jù)所處地區(qū)緯度，根據(jù)公式所求的開關(guān)燈時(shí)間開關(guān)燈。

周控開關(guān)燈。監(jiān)控中心可根據(jù)實(shí)際情況，設(shè)置全城各監(jiān)控點(diǎn)任何回路一周的開關(guān)燈順序。

圖3 任務(wù)模板

2.4 智能預(yù)警

智能預(yù)警根據(jù)預(yù)先設(shè)定的預(yù)警條件，基于大量照明數(shù)據(jù)反饋(包括照明設(shè)施、線路屬性信息、狀態(tài)信息等)和設(shè)定預(yù)警任務(wù)，篩選符合條件的聚集性信號(hào)，并根據(jù)業(yè)務(wù)的需求對(duì)信號(hào)進(jìn)行分類處理，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、及時(shí)預(yù)警的目的。具體功能包括預(yù)警任務(wù)管理、預(yù)警智能處理兩個(gè)模塊。報(bào)警內(nèi)容包括停電、缺相、跳閘、電壓、電流超限、白天誤開燈、晚上誤關(guān)燈等故障內(nèi)容，并以聲光發(fā)出警報(bào)提示音。

圖4 智能預(yù)警顯示板

2.5 報(bào)警形式的多樣性

短信。采用短信發(fā)送報(bào)警信息，第一時(shí)間將報(bào)警信息發(fā)送到指定工作人員手機(jī)上。

首先將原料粉末用POM系塑基粘結(jié)劑混煉成為喂料，然后在亙易隆MIM88型注塑機(jī)上注射成50 mm×10 mm×5 mm的方條，其中注射溫度為190 ℃、壓力為90 MPa.然后在星特爍STZ-C300L型脫脂爐中進(jìn)行催化脫脂，脫脂溫度為120 ℃、時(shí)間4 h，脫脂率為7.9%.最后脫脂坯在恒普VM40/40/150型真空燒結(jié)爐中燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1340 ℃、保溫時(shí)間2 h．

局部定位。在監(jiān)控組態(tài)軟件上，采用專業(yè)的電力故障符號(hào)、顏色和實(shí)時(shí)仿真動(dòng)作，精確標(biāo)注故障位置。

全局定位。在GIS 地圖上，實(shí)時(shí)清晰地顯示報(bào)警類型、地點(diǎn)，并以聲光發(fā)出報(bào)警，提示故障處理。系統(tǒng)在收到報(bào)警信息后，對(duì)報(bào)警信息進(jìn)行分析，提供最佳解決方案(處理步驟和流程、所需資源等)，見圖5。

2.6 地圖顯示模塊功能

顯示各站點(diǎn)在市區(qū)的具體地理位置(見圖6)。

顯示各站點(diǎn)的開關(guān)燈情況。

顯示各站點(diǎn)報(bào)警信息。

通過(guò)點(diǎn)擊地圖上的站點(diǎn)，直接發(fā)布控制指令。

通過(guò)點(diǎn)擊地圖上的站點(diǎn)，直接采集站點(diǎn)數(shù)據(jù)。

圖5 報(bào)警項(xiàng)內(nèi)容

圖6 地圖顯示模塊功能示意圖

2.7 單燈監(jiān)控模塊功能

單燈信息采集:單燈、電壓、電流、開關(guān)狀態(tài)。

單燈監(jiān)控功能:控制單燈的開關(guān)，實(shí)現(xiàn)各種不同的開關(guān)燈組合。

單燈軟件工作流程:監(jiān)控中心軟件，通過(guò)2G/3G 網(wǎng)絡(luò)下達(dá)的各種控制指令到路燈控制器。路燈控制器通過(guò)電力載波通信模塊與燈桿里的單燈控制器通信，獲取單燈各種信息，如電壓、電流、開關(guān)狀態(tài)、路燈照度調(diào)整等，實(shí)現(xiàn)多種開關(guān)燈組合，實(shí)現(xiàn)不同照明效果(見圖7)。

圖7 單燈監(jiān)控模塊功能示意圖

2.8 遠(yuǎn)程控制、管理和維護(hù)模塊功能

路燈監(jiān)控管理軟件采用B/S 系統(tǒng)架構(gòu)。支持異地遠(yuǎn)程維護(hù)、管理、遙控、遙信、遙測(cè)、遙調(diào)等操作(移動(dòng)辦公功能)，不受地域限制?？蛻舳擞脩簦诘玫奖O(jiān)控中心管理員合法授權(quán)的密碼和身份條件下，可通過(guò)ADSL/VPN/寬帶網(wǎng)/GPRS/3G 等網(wǎng)絡(luò)，登陸監(jiān)控中心服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)遙控、遙信、遙測(cè)等操作?？蛻舳擞脩魯?shù)量不受限制，管理員可隨時(shí)注銷在線客戶端用戶。

2.9 多重安全保護(hù)模塊功能

路燈監(jiān)控管理軟件采用優(yōu)先權(quán)限管理網(wǎng)絡(luò)，操作員必須在系統(tǒng)管理員的合法授權(quán)下，才能登陸服務(wù)器操作，并且操作受系統(tǒng)管理員監(jiān)管。強(qiáng)制開關(guān)燈、組態(tài)、數(shù)據(jù)更新等重要的操作，只有系統(tǒng)管理員才能修改。操作員的任何操作都有歷史記錄(見圖8)。網(wǎng)絡(luò)設(shè)有防火墻隔離保護(hù)。

圖8 用戶管理示意圖

2.10 歷史記錄查詢及導(dǎo)出模塊功能

記錄開關(guān)燈時(shí)的狀態(tài)(為用戶診斷故障，排查故障提供歷史依據(jù))。可以對(duì)各控制器任意定時(shí)數(shù)據(jù)和年月日統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，直觀方便地瀏覽各時(shí)間段電壓電流波動(dòng)曲線，及早發(fā)現(xiàn)故障(見圖9)。根據(jù)6種趨勢(shì)圖的統(tǒng)計(jì)顯示，按條件查詢?yōu)g覽各時(shí)間段電壓電流波動(dòng)曲線圖，分析亮燈率，實(shí)時(shí)描繪采集數(shù)據(jù)曲線。

圖9 歷史記錄查詢示意圖

3 湖北咸豐城市路燈智能改造案例分析

3.1 智能系統(tǒng)組成

咸豐LED 路燈智能化改造項(xiàng)目主要由LED 路燈、單燈控制器、集中控制器、顯示屏組成。其中，集中控制器36 臺(tái)，單燈控制器2 610 個(gè)。

3.2 節(jié)能

咸豐城區(qū)傳統(tǒng)燈具數(shù)量2 610 盞，總功率687.31 kW。LED 燈具采用重慶星河光電科技有限公司LED 高光效智能路燈(見圖10)改造后，燈具總功率240.24 kW，全開模式節(jié)電率達(dá)到65%，采用智能調(diào)光模式后，節(jié)電率達(dá)到85%以上。

圖10 高光效智能路燈外形圖

3.3 維護(hù)簡(jiǎn)便、高效

采用城市LED 路燈智能化管理后，可取消原有人工巡查，只需要通過(guò)路燈智能控制系統(tǒng)中的自動(dòng)檢測(cè)功能便可快速檢測(cè)分析，大大降低人力、物力、財(cái)力。

4 小 結(jié)

通過(guò)對(duì)湖北咸豐城市路燈智能改造，大大降低能耗，提高城市照明管理水平及城市形象，方便、快捷、高效地處理燈具故障，降低人力、物力成本。

［1］道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)CJJ 45—2006 城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)［S］