不間斷供電的LED路燈智能控制與管理系統(tǒng)

曹永健，董建宇，楊雨龍，陳程章

(1.四川火石光電有限公司，四川 成都 610054；2.長(zhǎng)春市路燈管理處，吉林 長(zhǎng)春 130000；3.吉林油田設(shè)計(jì)院電氣室，吉林 松原 131200；4.吉林省照明學(xué)會(huì)，吉林 長(zhǎng)春 130000)

引言

傳統(tǒng)的路燈控制方式主要包括“三遙”、“四遙”、“五遙”等[1]，但是它們無(wú)法控制單燈，不能遠(yuǎn)程快速診斷故障，從而影響了路燈維修效率和城市路燈亮燈率。隨著通信技術(shù)尤其是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，照明管理開始向智能化、智慧化的方向發(fā)展[2-6]。目前較為先進(jìn)的路燈智能控制通信方式有 PLC(電力線通信)、ZigBee/SigFox/LoRa、2G(GPRS)和NB-IoT。2G(GPRS)通信比較穩(wěn)定，但已在退網(wǎng)中，不再成為路燈的主要的通信方式。PLC、ZigBee/SigFox/LoRa在高效、安全、可靠和開放方面均存在不足。NB-IoT只消耗大約180 kHz的帶寬，可直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)，秉承2G的所有優(yōu)點(diǎn)，并在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)上可向5G平滑演進(jìn)。NB-IoT在高效、可靠、安全和開放方面占有優(yōu)勢(shì)，是智能路燈“互聯(lián)”的極佳方案。NB-IoT路燈智能控制系統(tǒng)自組網(wǎng)，不需要集中控制器、服務(wù)器等，即使某個(gè)單燈控制器通信模塊出現(xiàn)故障也不影響其他單燈控制器的通信，不影響整體的路燈智能控制與智能管理。NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)是目前路燈智能控制與管理系統(tǒng)的最佳通信方案。

1 智能控制與管理系統(tǒng)的主要功能

1)智能調(diào)光控制功能。為了路燈的節(jié)能，《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(CJJ 45—2015)規(guī)定[7]：采用雙光源燈具照明的道路，可通過深夜關(guān)閉一只光源的辦法降低路面照明水平。中小城市中的道路可采用關(guān)閉不超過半數(shù)燈具的方法來(lái)降低路面照明水平。關(guān)閉部分燈具將導(dǎo)致道路照明出現(xiàn)黑斑現(xiàn)象，均勻度極大地降低，從而影響交通安全。通過智能化控制與管理使每盞燈都亮，但是調(diào)低燈具功率來(lái)避免黑斑現(xiàn)象，從而實(shí)現(xiàn)智能化節(jié)能。智能控制與管理系統(tǒng)對(duì)外輸出的調(diào)光信號(hào)為幅值10 V的PWM波，并且正向調(diào)光，控制器通過控制驅(qū)動(dòng)電源0～10 V(0～5 V)調(diào)光對(duì)LED路燈進(jìn)行調(diào)光，即當(dāng)脈寬為0%時(shí)，對(duì)應(yīng)最低亮度或關(guān)燈(能否關(guān)燈取決于電源是否支持)，脈寬為100%時(shí)，對(duì)應(yīng)最大亮度。在實(shí)際的應(yīng)用中，用戶可以定時(shí)地設(shè)置LED光源的調(diào)光范圍，也可以實(shí)時(shí)設(shè)置LED光源的調(diào)光范圍，從而實(shí)現(xiàn)更加人性化的節(jié)能。

2)故障定位和診斷功能。路燈管理部門以往在管理路燈時(shí)，需要通過人查、車查等方式，必須到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)才能了解具體的故障點(diǎn)，必須在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工具和高空車輛才能診斷出故障原因；維修后，有時(shí)需要多次前往現(xiàn)場(chǎng)了解故障維修的具體情況。智能控制與管理系統(tǒng)可以讓路燈的管理更加科學(xué)和智能化，可以遠(yuǎn)程(手機(jī)、電腦)了解故障定位，并能夠?qū)╇婋娎|、驅(qū)動(dòng)電源、光源等部分的損壞或故障進(jìn)行診斷，從而實(shí)現(xiàn)快速維修，確保路燈亮燈率。

3)其他功能。隨著路燈管理的智能化的應(yīng)用，路燈智能化控制與智能化管理系統(tǒng)可以拓展很多功能，如空氣質(zhì)量檢測(cè)、監(jiān)控、公共信息發(fā)布、流量檢測(cè)、資產(chǎn)管理等。

以上功能中，智能調(diào)光是大部分智能控制系統(tǒng)均能實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)樗饕菃蜗蛲ㄐ?，即控制中心發(fā)送調(diào)光指令給單燈控制器或者集中控制器實(shí)現(xiàn)調(diào)光，無(wú)需單燈控制器或者集中控制器回傳調(diào)光信號(hào)給控制中心。但是很多功能，尤其是故障診斷功能則需要單燈控制器把故障信號(hào)傳輸給控制中心，是雙向通信，即互聯(lián)互通。

2 不間斷供電的智能控制與管理系統(tǒng)

若采用PLC、ZigBee/SigFox/LoRa、2G(GPRS)通信方式的智能控制系統(tǒng)，集中控制器或者單燈控制器需要有外部供電的情況下方可工作，外部電源為市電電纜或者驅(qū)動(dòng)電源。如此它們便無(wú)法真正地進(jìn)行故障診斷，如市電無(wú)法供電或者驅(qū)動(dòng)電源無(wú)法供電，單燈控制器或者集中控制器就將無(wú)法工作，這時(shí)只能做故障定位，而無(wú)法實(shí)現(xiàn)故障診斷。因此，供電方式某種程度上決定了控制系統(tǒng)是否能夠進(jìn)行故障診斷。不間斷供電的智能控制與管理系統(tǒng)可以在市電或者驅(qū)動(dòng)電源無(wú)法供電的情況下，正常進(jìn)行故障診斷和信號(hào)傳輸。

1)技術(shù)背景和方案。不間斷供電系統(tǒng)由四個(gè)模塊組成，框架如圖1所示。不間斷供電技術(shù)即不間斷電源，一般是指當(dāng)市電斷開后，為所需供電的系統(tǒng)繼續(xù)供電的裝置。不間斷供電的路燈單燈控制器，比一般的單燈控制器增加了蓄電模塊以及對(duì)應(yīng)的控制模塊。對(duì)于蓄電模塊，其輸入端與取電電路的第三輸出端電性連接，其輸出端與路燈控制系統(tǒng)的第二輸入端電性連接，其充電與放電均由內(nèi)部的控制模塊實(shí)現(xiàn)。其控制方式為：當(dāng)接入市電時(shí)，控制模塊控制取電電路對(duì)蓄電模塊進(jìn)行充電，且控制蓄電模塊不輸出電能，這時(shí)由市電直接給單燈控制器供電；當(dāng)市電沒有接入或發(fā)生故障時(shí)，控制模塊控制蓄電模塊對(duì)單燈控制器進(jìn)行供電。蓄電模塊包括鋰電池。

圖1 不間斷供電框架圖Fig.1 Uninterrupted power supply frame diagram

2)取電電路。取電電路(圖2)由延時(shí)啟動(dòng)電路、降壓穩(wěn)壓電路和鋰電池充電電路組成，且延時(shí)啟動(dòng)電路、降壓穩(wěn)壓電路和鋰電池充電電路之間電性連接。延時(shí)啟動(dòng)電路由依次電性連接的Q1、R13、R14、R15和C15組成，降壓穩(wěn)壓電路包括U7，鋰電池充電電路包括U8。延時(shí)啟動(dòng)電路判斷路燈電源模塊是否正常啟動(dòng)，當(dāng)路燈電源模塊正常輸出電壓后，通過三極管轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為控制模塊的啟動(dòng)信號(hào)。降壓穩(wěn)壓電路用于將路燈電源模塊輸出端的電源穩(wěn)壓為5 V電源，并為鋰電池充電電路供電，U7通過DC/DC芯片的5號(hào)腳控制U7是否啟動(dòng)。鋰電池充電電路負(fù)責(zé)鋰電池充電控制和放電控制，通過控制模塊進(jìn)行自動(dòng)控制。市電包括220 V交流電。DC/DC芯片型號(hào)為TL2575。

圖2 取電電路原理圖Fig.2 Power circuit schematic

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本文提出的控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：當(dāng)路燈市電關(guān)閉后，為路燈監(jiān)控系統(tǒng)提供持續(xù)的電源，以便路燈監(jiān)控系統(tǒng)24 h不間斷地監(jiān)控路燈狀態(tài)，為智能路燈監(jiān)控系統(tǒng)提供技術(shù)支撐。

3)故障診斷技術(shù)方案。通過對(duì)供電時(shí)段、交流電壓、交流電流、直流電壓、直流電流的信息來(lái)診斷市電電纜故障、驅(qū)動(dòng)電源故障、LED光源故障，從而實(shí)現(xiàn)路燈故障的三級(jí)診斷。故障診斷根據(jù)表1診斷，其中1代表有值，0代表無(wú)值(小于額定輸入)，×代表忽略。

表1 路燈故障的三級(jí)診斷表Table 1 Level 3 diagnostic table for street lamp failure

3 結(jié)束語(yǔ)

本文給出了基于NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)通信方案的不間斷供電的LED路燈智能控制與管理系統(tǒng)，并給出了通過該系統(tǒng)進(jìn)行路燈故障診斷的技術(shù)方案。綜合而言，我們提出的不間斷供電的LED路燈智能控制與智能管理系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：①采用NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)通信方案，自建網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定，單燈故障不影響其他燈具組網(wǎng)；②成本低，系統(tǒng)不需要集中控制器、服務(wù)器等，投入成本低；③不間斷供電，確保24 h供電，即使市電線纜沒有供電也能正常工作；④實(shí)現(xiàn)單燈遠(yuǎn)程功率調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)更人性化的節(jié)能；⑤實(shí)現(xiàn)故障三級(jí)診斷，能夠診斷單燈不亮?xí)r的故障原因，如線纜故障、驅(qū)動(dòng)電源故障、光源故障等。