直流供電智能照明系統(tǒng)在道路照明中的應(yīng)用

陳智剛，陳健豪

（1.中建照明有限公司，廣東深圳，518000；2.廣西科技大學(xué)，廣西柳州，545000）

目前我國路燈監(jiān)控管理系統(tǒng)的普及率較低，大部分道路照明都尚處于傳統(tǒng)的定時鐘控和人工巡檢的控制管理模式，路燈覆蓋面廣，不僅耗費大量的人力物力，而且實時性很差，效率低，并且道路照明系統(tǒng)龐大且復(fù)雜，各種漏電、短路、跳閘、電纜和燈具破損等故障發(fā)生時不能及時有效維修。此外，照明系統(tǒng)現(xiàn)有的220V 交流供電技術(shù)成熟，但仍存在供電效率低、諧波含量大以及電解電容易損壞的不足，不僅減少了LED 燈的使用壽命，影響照明系統(tǒng)的可靠性，還大大增加了運營維護(hù)的成本。

1 直流供電智能照明系統(tǒng)

直流供電智能照明系統(tǒng)采用直流集中供電模式，調(diào)光方式采用低頻寬帶電力載波信號，實現(xiàn)供電與調(diào)光一體化。將傳統(tǒng)LED 燈具內(nèi)的AC/DC 整流模塊統(tǒng)一前置于直流供電控制柜中，把交流電轉(zhuǎn)換為高壓直流[1]，做N+X 冗余，以直流電形式進(jìn)行電氣傳輸至LED 燈，再進(jìn)行DC/DC 變換獲得所需的電壓電流，減少諧波電流，延長LED 燈壽命，提高了照明系統(tǒng)的可靠性，并整合了大功率電源模組、智能控制器和絕緣檢測裝置，安全、經(jīng)濟(jì)、高效運行，不僅加強(qiáng)數(shù)據(jù)信息收集能力，還能靈活控制供配電，有利于節(jié)能管理。如圖1 所示。

圖1 直流供電智能照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

■1.1 智能控制

智能控制器作為主控單元，控制照明系統(tǒng)的方法包括網(wǎng)頁服務(wù)端和移動終端，智能控制器負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)工作模式和實時監(jiān)控直流供電控制柜內(nèi)各單元器的運行狀態(tài)，包括LED 燈的開關(guān)及調(diào)光、監(jiān)控電壓電流、功率因數(shù)、能效分析、故障監(jiān)測、漏電預(yù)警等。同時，它也是完全替代本地觸摸顯示控制屏幕的一種工具，克服觸摸屏壽命短、觸摸失靈、溫度上升造成的不穩(wěn)定、維護(hù)成本高等瓶頸。此外，保留通信接口，便于設(shè)備在脫機(jī)狀態(tài)下，由本地工業(yè)計算機(jī)管理控制。

網(wǎng)頁服務(wù)端：具有獨立的控制界面，采用GPRS 或者WLAN 通信方式連接智能控制器即可實現(xiàn)網(wǎng)頁操作，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、燈光開關(guān)及調(diào)光、設(shè)置參數(shù)，故障報警等功能，并可優(yōu)化功能程序和擴(kuò)大存儲空間，具有數(shù)據(jù)分析能力和良好的擴(kuò)充性。

移動終端：通過智能手機(jī)或平板電能專用APP 對智能控制器進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，根據(jù)具體使用場景對控制層面進(jìn)行靈活燈光組合配置，比如應(yīng)用不同控制策略，設(shè)置運行參數(shù)，大大增強(qiáng)了運維操控的方便性，還可實現(xiàn)二次節(jié)電。

■1.2 可靠性

(1)自適應(yīng)阻抗匹配耦合器

針對電力線網(wǎng)絡(luò)中，各種電氣元件隨機(jī)連接的不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點（接入點）和輸入阻抗具有位置和時變特性而導(dǎo)致收、發(fā)信機(jī)的輸出和輸入阻抗不匹配和信號傳輸質(zhì)量降低的問題[2]，自適應(yīng)阻抗匹配耦合器根據(jù)直流電力線信道不同的阻抗值（而不是平均電力線阻抗），動態(tài)選擇最佳的耦合變壓器匝數(shù)比，提高阻抗匹配的準(zhǔn)確性，且在匹配頻率處實現(xiàn)最大功率傳輸，提高功率增益。該自適應(yīng)阻抗匹配耦合器改善通信的可靠性和穩(wěn)定性。阻抗匹配耦合器方案比較見表1。

表1 阻抗匹配耦合器方案比較

(2)直流雙極性供電系統(tǒng)

直流供電系統(tǒng)的主接線型式包括雙極性和單極性。針對直流供電系統(tǒng)的安全性、可靠性、供電能力、經(jīng)濟(jì)性和運行靈活性，采用雙極性系統(tǒng)[3]，負(fù)載交錯分布在兩極，其中一極不受停電影響，提高了供電可靠性，同時，避免因照明缺失直接或間接造成交通事故，提高道路安全性。為適應(yīng)智慧城市建設(shè)，雙極性供電系統(tǒng)提供了兩種電壓等級，無須接入變換器，既降低了成本又提高供電的靈活性，也為電動汽車充電提供條件。兩種主接線類型的供電系統(tǒng)方案比較見表2，雙極性接線原理圖如圖2 表示。

圖2 雙極性接線原理圖

表2 兩種主接線類型的供電系統(tǒng)方案比較

(3)強(qiáng)電直流載波調(diào)光

利用已經(jīng)鋪設(shè)好的電力線作為信號傳輸通道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和信息交換，用特定程序控制直流母線電壓來傳遞指令信號，后端DC/DC 電源模塊解析信號，不需要重新架設(shè)網(wǎng)絡(luò)，節(jié)約成本，具有可靠性高、造價低、效率高、可與電網(wǎng)建設(shè)同步等優(yōu)點[4]。選擇寬帶電力載波通信的方式實現(xiàn)單燈控制及調(diào)光，通信速率高，丟包率低，距離遠(yuǎn)，快速、可靠、精確地響應(yīng)系統(tǒng)信號，達(dá)到預(yù)期的使用效果，節(jié)約、節(jié)能、實用、經(jīng)濟(jì)。

表3

不同的傳輸方式均有各自的優(yōu)勢與缺陷，而實際的系統(tǒng)設(shè)計過程中我們需要考慮實際的環(huán)境、功能要求等因素來對此進(jìn)行選擇和設(shè)計。一個完善的直流智能照明系統(tǒng)需要依據(jù)實際條件做到造價適中、通信穩(wěn)定可靠、具有完整的對所有管轄的路燈的監(jiān)控、管理和控制的能力，還要便于后期擴(kuò)容和維護(hù)。

■1.3 安全性

現(xiàn)有交流供電采用220V 三相TN 系統(tǒng)，觸電情形為人體觸碰任一相線，產(chǎn)生觸電電流大，接觸電壓等于220V的電源電壓。而雙極TN系統(tǒng)接地，P極或M極發(fā)生接地故障后，人體直接觸碰N 極，會產(chǎn)生較小觸電電流，但接觸電壓并未發(fā)生變化，接觸電壓等于電源電壓。其安全性優(yōu)于原有的交流電供電系統(tǒng)。

進(jìn)一步，雙極TN 系統(tǒng)接地，可接入絕緣檢測裝置，能及時準(zhǔn)確獲得電力網(wǎng)中的故障點位置及其故障原因，保障電網(wǎng)安全運行，提高維修人員工作效率，加快了電纜搶修和燈具維護(hù)更新，此有助于恢復(fù)道路正常照明，提高道路安全保障。

2 直流供電智能照明系統(tǒng)的優(yōu)勢

（1）智能化水平高。按需照明，對道路照明系統(tǒng)實施遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控管理，可實現(xiàn) LED 燈開關(guān)、調(diào)光亮度、亮燈率監(jiān)控、能效分析、參數(shù)設(shè)置等，還可對系統(tǒng)運行狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析，對短路，漏電，故障點位置等不確定情況，做出及時判斷和決策，并反饋智能控制器后臺系統(tǒng)，用戶可通過網(wǎng)頁端和移動端對道路照明系統(tǒng)做出相應(yīng)控制策略，且可實現(xiàn)二次節(jié)能。

（2）可靠性好。自適應(yīng)阻抗匹配耦合器的抗干擾能力高，保證信號功率傳輸穩(wěn)定，提高系統(tǒng)通信可靠性；冗余備份，電源模塊發(fā)生故障時，系統(tǒng)仍不間斷地正常運行；采用直流集中供電方式，解決LED 燈具使用壽命較短問題，提高燈具可靠性。

（3）安全性好。降低路燈在通電狀態(tài)下的安全風(fēng)險，雙極TN 接地，觸電情形為只觸碰N 極，且直流電對人體損害作用比交流電小。

（4）擴(kuò)充性好。雙極性供電系統(tǒng)可供兩種電壓等級，便于搭配其他設(shè)備；道路兩側(cè)燈具的直流電源還可為電動汽車充電提供便利。

（5）成本低。采用鋪設(shè)好的電力線，無須再消耗人力物力去敷設(shè)網(wǎng)線和網(wǎng)絡(luò)架設(shè)；通過系統(tǒng)反饋的故障情況，有利于降低人工巡檢帶來的時間、人力成本。

3 展望

照明光源更新?lián)Q代之后，5G 互聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展時代為傳統(tǒng)照明行業(yè)指出一條前景光明的道路，隨著中國城鎮(zhèn)進(jìn)入城市化高速發(fā)展階段，道路智能照明必然成為核心重點。在道路智能照明方面，未來發(fā)展趨勢圍繞智慧城市，以城市道路照明和城市夜景照明為應(yīng)用場景，以多功能智慧桿為載體，提供智能電網(wǎng)、能源互聯(lián)網(wǎng)，共享實時信息和數(shù)據(jù)，建立大數(shù)據(jù)處理平臺，提升智能化管理水平，信息化管理水平與節(jié)能控制，與智慧交通、智慧安防等有機(jī)結(jié)合，支持電動汽車充電、手機(jī)充電、通訊等功能，加速了傳統(tǒng)照明技術(shù)的改革創(chuàng)新。智能照明使得LED 燈超越光源的功能，實現(xiàn)人、環(huán)境與AI 照明協(xié)調(diào)發(fā)展。