集中供電系統(tǒng)在智慧多功能桿設(shè)計中的應(yīng)用

余劍青，初天舒

[上海市政工程設(shè)計研究總院（集團(tuán)）有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518000]

1 智慧多功能桿概述

近年來，智慧多功能桿（Intelligent multifunctional pole）逐漸成為智慧交通領(lǐng)域中使用最多的熱點設(shè)備[1]。在即時通信的基礎(chǔ)上，智慧多功能桿集成了多種智能模塊以及傳感設(shè)備，除可調(diào)光燈具外，智慧多功能桿將會根據(jù)周圍環(huán)境變化以及智慧交通需求裝載不同的智能設(shè)備[2]。智慧多功能桿集視頻采集、智能照明、慢行服務(wù)、移動通信、環(huán)境監(jiān)測、設(shè)施監(jiān)測等諸多功能于一身，是智慧交通建設(shè)中不可或缺的重要載體[3]。

工程上一般按照功能將智慧多功能桿分為信控路口智能桿、非信控路口智能桿、路段智能桿三類。根據(jù)道路需求配置智能照明、視頻采集、5G 微基站、慢行服務(wù)設(shè)備、車路協(xié)同路側(cè)單元、一鍵呼叫、公共廣播等設(shè)備，如圖1 所示。

圖1 智慧多功能桿

智慧多功能桿在“新基建”和智慧交通建設(shè)中都扮演著重要角色[4]。一方面，智慧多功能桿具有精確的控制策略和智能調(diào)光模式，不僅可以節(jié)約電能，同時也可以達(dá)到保護(hù)環(huán)境的目的[5]；另一方面，在城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中統(tǒng)一安裝智慧多功能桿，可以對城市公共照明進(jìn)行統(tǒng)一管理和監(jiān)控，有效提高城市照明管理效率，降低運營成本。另外，在先進(jìn)的傳感器技術(shù)支持下，管理者可針對不同場景進(jìn)行多種模式的燈光控制，增加城市景觀的觀賞性，提高城市形象。隨著5G 技術(shù)的興起，越來越多的5G 基站投入使用，在智慧多功能桿上掛載5G 微基站通信單元，相較于照明、WiFi 等其他設(shè)備，5G 基站具有更大的功率，因此其對電源容量和接口的要求也隨之增加。

黨的十九大報告指出，要構(gòu)建清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系。市政設(shè)施的供電電源是實現(xiàn)低碳、節(jié)能的關(guān)鍵執(zhí)行者之一。然而，目前路燈供電技術(shù)領(lǐng)域仍然存在電源結(jié)構(gòu)不合理、占用空間大、管線復(fù)雜等問題。電源系統(tǒng)作為照明工程中的重要組成部分，對能源結(jié)構(gòu)升級轉(zhuǎn)變的影響不可忽視。

雖然智慧多功能桿使城市更加智能化、節(jié)能化[6-7]，但是目前的智慧多功能桿系統(tǒng)都存在土地資源空間占有過大的問題。大多數(shù)智慧多功能桿采用照明與其他智慧設(shè)備各自獨立的供電方式，在土地資源日益緊張的情況下，會使供電電纜及管線占用更大的安裝空間，且在更換檢修時十分不便，降低了工作效率。因此，現(xiàn)階段亟須設(shè)計一種便于安裝且節(jié)省空間的智慧多功能桿電源，以解決上述問題。

2 集中供電系統(tǒng)在工程實際中的優(yōu)勢分析

目前，市政道路建設(shè)中考慮到道路周邊地塊各種應(yīng)用場景對于水、電、燃?xì)獾刃枨蟮娜找嬖黾?，在道路下方通常會附建有很多給水、燃?xì)?、電力通信等市政管道，?dǎo)致地下管線空間十分擁擠，影響照明管線布置。在滿足《城市工程管線綜合規(guī)劃規(guī)范》的前提下，智慧多功能桿的管道占有空間較多，嚴(yán)重影響其他管線的敷設(shè)，使得其他管線布置時超出道路紅線，造成用地緊張問題，如圖2 所示。

圖2 擁擠的地下管線空間

在傳統(tǒng)的智慧多功能桿供電系統(tǒng)設(shè)計中，通常采用照明供電與智慧設(shè)備供電分離的方式，這在一些規(guī)劃寬度較小且管線較多的道路中難以實施，給道路建設(shè)造成困難。同時，針對不同設(shè)備需要多根電源線與其相連接，在道路建設(shè)時須穿管道埋入地下。例如，智慧多功能桿通常采用“2+8”模式（2 根路燈供電+8 根智慧設(shè)備供電、通信管道），需要敷設(shè)10根管道，施工成本大幅增加，使得智慧多功能桿的建設(shè)缺乏經(jīng)濟(jì)性。智慧多功能桿管道敷設(shè)示意圖如圖3所示。

圖3 常規(guī)智慧多功能桿埋管示意圖

此外，如圖4 所示，現(xiàn)有的集中供電系統(tǒng)在道路照明領(lǐng)域應(yīng)用較少，這些集中供電設(shè)備普遍占有空間較大，并且都設(shè)置在路燈外，無法從根本上解決地下管線擁擠的問題。

圖4 常規(guī)路燈集中供電設(shè)備

針對以上問題，本文提出一種安裝在智慧多功能桿內(nèi)部的模塊化集中供電電源系統(tǒng)，采用交流、直流分別輸出的供電策略，集中為照明燈具以及智慧多功能桿掛載的設(shè)備供電。此系統(tǒng)既減少了地下埋設(shè)的管道數(shù)量，又能保證智慧多功能桿掛載的設(shè)備供電不受影響，減少施工成本，克服智慧多功能桿電源線路復(fù)雜、檢修效率低下且照明和智慧設(shè)備無法統(tǒng)一供電的問題；同時簡化設(shè)備的安裝與拆卸，提高施工和檢修效率。模塊化集中供電電源與傳統(tǒng)智慧路燈供電電源對比見表1。

表1 模塊化集中供電電源與傳統(tǒng)智慧路燈電源性能對比

3 集中供電電源模型構(gòu)建探討

本文構(gòu)建的集中供電電源模型以市政箱變經(jīng)變壓器將電壓降為220V，并將其分為多路——一部分電路直接用于設(shè)備供電，另一部分經(jīng)整流電路、穩(wěn)壓電路調(diào)整后輸出直流電壓為其他設(shè)備供電。電源系統(tǒng)框圖如圖5 所示。

圖5 電源系統(tǒng)框圖

電源模型主要由供電主體和供電模塊兩部分構(gòu)成。電源主體設(shè)置在路燈燈桿的檢修門附近，形狀為矩形，電源與路燈燈桿兩側(cè)要留出適量距離以便于安裝、拆卸和維修，如圖6 所示。

圖6 電源位置示意圖

智慧多功能桿在工作時通常會掛載很多智慧設(shè)備，需要交流和直流的多個數(shù)值的電壓輸出，因此電源主體應(yīng)主要起到轉(zhuǎn)換器的作用，根據(jù)設(shè)備供電不同需求將箱變輸入的AC 380 V 電壓通過整流電路轉(zhuǎn)化為適應(yīng)不同設(shè)備的AC/DC 供電電壓，供電模塊概念圖如圖7 所示。

圖7 電源供電模塊概念圖

電源的供電模塊是基于智慧路燈掛載設(shè)備的分類進(jìn)行設(shè)計的，共有11 種設(shè)備，如圖8 所示，出于對工程實際以及設(shè)備維護(hù)等方面的考慮，額外增加1個應(yīng)急供電模塊，共12 個供電模塊。

圖8 常規(guī)智慧多功能桿掛載設(shè)備

電源電路圖如圖9 所示。電源電路的輸入端電源由220 V 交流電經(jīng)變壓器提供，經(jīng)電源模塊主體引出6 路220 V 交流電壓，其中5 路分別為照明、5G基站、LED 信息發(fā)布屏、一鍵呼叫電話系統(tǒng)以及應(yīng)急電源供電，另一路通過KBPC3510 整流橋進(jìn)行整流，將交流電壓整流為直流電壓。

圖9 集中供電系統(tǒng)電路圖

根據(jù)智慧多功能桿掛載設(shè)備的額定電壓（見表2），濾波后的電壓經(jīng)三端穩(wěn)壓器形成穩(wěn)壓直流電源電路，穩(wěn)壓器選用三端穩(wěn)壓器LM7812 和LM7824。整流后的電壓分別為24 V 和12 V 的直流電壓模塊，其中24 V 直流電壓模塊為監(jiān)控設(shè)備（額定電壓為24 V）、環(huán)境監(jiān)測設(shè)備供電，12 V 直流電壓模塊為監(jiān)控（12 V 額定電壓）、無線WiFi、廣播等設(shè)備供電。

表2 智慧路燈掛載各設(shè)備電壓及功率

通過該集中供電模型，可以實現(xiàn)在敷設(shè)一條供電電纜的情況下，使用一個電源主體為智慧多功能桿上的多種設(shè)備供電，釋放地下空間，降低設(shè)計難度，同時可以將照明工程中管道敷設(shè)的費用減少80%，極大地節(jié)約了施工成本。

4 結(jié)論

本文針對目前智慧多功能桿電源研究現(xiàn)狀，提出一種模塊化集中供電的電源系統(tǒng)，通過整流電路將各設(shè)備供電設(shè)計成獨立的供電模塊，每個模塊都可視設(shè)備的種類獲得不同的輸出電壓，同時將所有模塊集成在一起，優(yōu)化了電源結(jié)構(gòu)，節(jié)約安裝空間且安裝方便。智慧多功能桿模塊化集中供電電源的出現(xiàn)是對傳統(tǒng)照明供配電技術(shù)的探索和創(chuàng)新，最大程度降低了照明工程的建設(shè)成本，對于推動能源革命，節(jié)省土地空間，減少施工成本都具有重要意義。