智慧照明系統(tǒng)在海上平臺的研究與應(yīng)用

封園（中海石油（中國）有限公司天津分公司渤海石油研究院）

為響應(yīng)國家碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)，新建海上油氣平臺要求在“ 十四五” 期間碳排放強(qiáng)度下降10%～18%。常規(guī)海上平臺建設(shè)采用普通LED照明，存在能耗高、燈具壽命短、光污染等問題，節(jié)能技術(shù)已達(dá)到瓶頸，且人工運(yùn)維成本高，巡檢時間長，勞動強(qiáng)度大，在危險區(qū)域的照明維護(hù)不及時，存在一定的安全隱患。

隨著工業(yè)智能照明技術(shù)水平的發(fā)展進(jìn)步，智慧照明應(yīng)運(yùn)而生，它以照明燈具為聯(lián)接管控對象，利用可靠的通信技術(shù)及各類先進(jìn)的探測設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對作業(yè)環(huán)境中照明燈具的照度調(diào)節(jié)、能效監(jiān)測、故障告警、壽命預(yù)測、信息追溯等科學(xué)和系統(tǒng)的管理，能大幅降低企業(yè)能耗和維護(hù)成本，建立更加安全節(jié)能、高效舒適的工作環(huán)境[1-4]。

以海上某新建平臺為例，詳細(xì)對比分析常規(guī)LED 照明方案與智慧照明方案，可為后續(xù)油氣田工程建設(shè)提供重要的參考借鑒。

1 智慧照明系統(tǒng)簡述

智能照明系統(tǒng)以網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)、自動化控制、智能技術(shù)為基礎(chǔ)，以照明燈具為聯(lián)接管控對象，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、有線/無線通訊技術(shù)、電力載波通訊技術(shù)、嵌入式計算機(jī)智能化信息處理以及節(jié)能控制等技術(shù)，組成分布式照明控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對遠(yuǎn)端燈具的智能化控制。照明智能化監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對各種工業(yè)環(huán)境用燈、差異化照明需求的場合進(jìn)行燈具控制，可遠(yuǎn)程以及智能化控制燈具的開關(guān)、調(diào)整燈具的亮度、檢測燈具的工作狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)高效率、低成本的管理[5-8]。

智慧照明系統(tǒng)具有如下優(yōu)勢：

1）智能照明控制系統(tǒng)可根據(jù)外界環(huán)境變化，自動調(diào)光，在滿足工作面正常照明的情況下，最大程度為用戶節(jié)能。針對用戶不飽和工作區(qū)域，系統(tǒng)可以將燈具調(diào)光至用戶選擇的任意照度值，并同時可控制隔盞亮燈，在保證人員安全通過的前提下，最大程度降低能耗浪費(fèi)；走廊、通道等人員無需長時間停留的區(qū)域，通過微波感應(yīng)人體存在，自動亮燈，人員通過該區(qū)域后，燈具自動熄滅或變暗，避免該區(qū)域使用長明燈，幫助用戶節(jié)省電費(fèi)。根據(jù)用戶設(shè)定的定時開關(guān)燈計劃，系統(tǒng)自動運(yùn)行燈具開關(guān)，免去用戶手動作業(yè)，開關(guān)燈具時間更為準(zhǔn)確，避免因人為原因忘記關(guān)燈而造成能源浪費(fèi)。

2）傳統(tǒng)照明維護(hù)采用人力巡檢模式，需要定期排查，費(fèi)時費(fèi)力，智能系統(tǒng)能隨時隨地檢測照明設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，以及燈具使用情況，能自動巡檢、自動故障報警，準(zhǔn)確定位故障，生成故障信息，提醒維護(hù)人員到現(xiàn)場檢查維護(hù)燈具。系統(tǒng)還會自動計算燈具壽命，提醒用戶根據(jù)燈具使用情況按需采購配件，幫助用戶減少庫存，降低采購成本；在滿足現(xiàn)場用電設(shè)備聯(lián)動需求的同時，分組、分場景控制，減少點(diǎn)亮燈具數(shù)量，調(diào)整燈具照度，延長燈具壽命，減少人工維護(hù)成本。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

智慧照明系統(tǒng)主要由智能燈具、控制終端、信號傳輸、操作軟件四部分組成。智能燈具是可調(diào)光的LED 燈具，能鏈接至局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)中。控制終端包含主控制器和照明控制盤，主控制器以RS485通訊技術(shù)、電力載波技術(shù)、無線通訊技術(shù)為核心，配合專業(yè)的硬件和軟件設(shè)計，對燈具進(jìn)行開燈、關(guān)燈、調(diào)光、電氣查詢、故障報警等智能控制。信號傳輸主要包括單燈控制器、回路控制器、光照度傳感器、紅外/雷達(dá)傳感器等。操作軟件為智慧照明系統(tǒng)管理軟件以及上位機(jī)。智慧照明系統(tǒng)架構(gòu)見圖1。

圖1 智慧照明系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Framework of intelligent lighting system

智慧照明系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。感知層采用感應(yīng)技術(shù)，主要由安裝在燈具設(shè)備主體上的智能控制模塊實(shí)現(xiàn)對燈具的控制、運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集、故障查詢等功能；人體感應(yīng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)人來燈亮，人走燈暗/燈滅功能；光照感應(yīng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)特殊天氣狀況自動開燈/關(guān)燈功能。網(wǎng)絡(luò)層由光纖或無線網(wǎng)絡(luò)組成，實(shí)現(xiàn)前段設(shè)備與應(yīng)用層數(shù)據(jù)間的傳輸。應(yīng)用層及系統(tǒng)監(jiān)控中心，運(yùn)用計算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成數(shù)據(jù)庫，具有數(shù)據(jù)處理、控制、WEB服務(wù)功能，通過光纖或無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對前段設(shè)備的控制，并將現(xiàn)場情況、數(shù)據(jù)報表進(jìn)行反饋和顯示，以供管理和決策。

3 項目案例分析

以海上某新建無人井口平臺WHPA 為例，對平臺采用常規(guī)LED 照明方案與基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧照明方案進(jìn)行了詳細(xì)對比分析，以降低照明系統(tǒng)能耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

3.1 智慧照明總體功能

根據(jù)新建WHPA 平臺現(xiàn)場實(shí)際照明需求，設(shè)計了符合現(xiàn)場的照明策略[9]，實(shí)現(xiàn)的總體功能如下：

1）通過上位機(jī)可遠(yuǎn)程控制燈具的開關(guān)或調(diào)光。

2）天亮自動關(guān)燈，天暗自動開燈調(diào)光。

3）將燈具調(diào)至人體感應(yīng)模式，當(dāng)有人進(jìn)入照明區(qū)域時，燈具自動調(diào)制全功率運(yùn)行，無人時，燈具亮度為30%。

4）按燈具實(shí)際用電量，以日、月、年等為周期生成能耗報表，為平臺用電提供數(shù)據(jù)分析。

5）當(dāng)燈具發(fā)生故障時，系統(tǒng)自動提示，并可快速定位故障燈具區(qū)域位置，以及故障相關(guān)信息。

3.2 通訊方式

智慧照明控制系統(tǒng)中通訊分為兩部分：上行通訊和下行通訊。上行通訊即網(wǎng)關(guān)至控制室的通訊，采用光纖通訊。下行通訊為網(wǎng)關(guān)至執(zhí)行設(shè)備的通訊，主要有總線、電力載波PLC、NB-Iot、Zigbee及LoRa，結(jié)合新建無人平臺生產(chǎn)實(shí)際，采用LoRa通訊。各類通訊方式對比見表1。

表1 通訊方式對比Tab.1 Comparison of communication mode

LoRa 是一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的遠(yuǎn)距離無線通訊技術(shù)，其最大的優(yōu)點(diǎn)就是在同樣功耗條件下比其他無線方式傳播的距離更遠(yuǎn)，實(shí)現(xiàn)了低功耗和遠(yuǎn)距離的統(tǒng)一，它比傳統(tǒng)的無線射頻通訊距離大3～5 倍，可達(dá)5 km 以上；同時LoRa 組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)多，組網(wǎng)方式靈活，可以連接多個節(jié)點(diǎn)，抗干擾性強(qiáng)，有自動的頻點(diǎn)跳轉(zhuǎn)和速率自適應(yīng)功能，節(jié)點(diǎn)/終端成本低。它的缺點(diǎn)是傳輸?shù)挠行ж?fù)載比較小，但用于智能照明控制完全足夠。結(jié)合平臺現(xiàn)場燈具安裝高度，以及實(shí)際應(yīng)用需求，采用了適用于項目的LoRa通訊[10]。

3.3 方案設(shè)計

新建無人井口平臺WHPA 為中型無人井口平臺，設(shè)置240 盞正常照明燈具，包含30 盞120 W 蓬頂燈，210 盞40 W 的LED 燈，照明負(fù)荷總計12 kW。新增服務(wù)器布置在主開關(guān)間，區(qū)域開關(guān)箱布置在室外，服務(wù)器與現(xiàn)場區(qū)域開關(guān)箱采用光纖連接，組建了專用局域網(wǎng)。

采用常規(guī)LED 方案，240 盞照明燈具設(shè)置為常亮照明。采用智慧照明方案，30 盞120 W 蓬頂燈設(shè)置為常亮照明，另外210 盞40 W 的LED 燈根據(jù)時間進(jìn)行了不同的設(shè)定。智慧照明方案見表2。

表2 智慧照明方案Tab.2 Intelligent lighting scheme

根據(jù)兩方案照明策略，智慧照明方案能耗整體降低41.3%。按照平臺消耗1 kWh 電產(chǎn)生0.95 kg CO2、消耗標(biāo)準(zhǔn)煤320 g 核算，進(jìn)行兩方案對比分析，結(jié)果見表3。

表3 兩方案對比分析Tab.3 Comparative analysis of the two schemes

3.4 經(jīng)濟(jì)對比分析

經(jīng)過對多個智慧照明系統(tǒng)的廠家進(jìn)行調(diào)研分析，綜合分析各廠家費(fèi)用。兩方案直接投資費(fèi)用對比見表4。

表4 兩方案直接投資費(fèi)用對比Tab.4 Comparison of direct investment fees both schemes

由表4 可知，采用智慧照明方案直接費(fèi)用投資較常規(guī)方案增加32 萬元。綜合考慮全生命周期經(jīng)濟(jì)價值，考慮初始投資折現(xiàn)為-26.93 萬元，節(jié)約電費(fèi)折現(xiàn)26.95 萬元，節(jié)約碳排放費(fèi)折現(xiàn)6.14 萬元，合計凈現(xiàn)值為6.16 萬元。由此可知，采用智慧照明方案全生命周期內(nèi)的經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)。

4 結(jié)論

1）智慧照明方案需根據(jù)平臺生產(chǎn)實(shí)際，制定對應(yīng)的照明策略，采用的智慧照明系統(tǒng)應(yīng)具備遠(yuǎn)程控制燈具開關(guān)或調(diào)光功能，可實(shí)現(xiàn)天亮自動關(guān)燈，天暗自動開燈調(diào)光；同時可對能耗進(jìn)行統(tǒng)計，可自動巡檢、自動故障報警，準(zhǔn)確定位故障，生成故障信息，提醒維護(hù)人員到現(xiàn)場檢查維護(hù)燈具，減少人工維護(hù)成本。

2）綜合平臺現(xiàn)場燈具安裝高度及實(shí)際生產(chǎn)需求，采用傳播距離遠(yuǎn)，組網(wǎng)方式靈活，可以連接多個節(jié)點(diǎn)，抗干擾性強(qiáng)，有自動的頻點(diǎn)跳轉(zhuǎn)和速率自適應(yīng)功能，節(jié)點(diǎn)/終端成本低的LoRa 通訊。

3）對比兩照明方案可知，采用常規(guī)LED 方案能耗為105 120.0 kWh，采用智慧照明方案能耗為61 717.2 kWh，能耗整體降低41.3%；常規(guī)方案年產(chǎn)生的CO2排放量約94.87 t，智慧照明方案每年產(chǎn)生的CO2排放量約為55.70 t，每年CO2排放量可減少39.17 t。常規(guī)方案年消耗33.64 tce，智慧照明方案年消耗19.75 tce，每年節(jié)省13.89 tce，節(jié)能降碳效果顯著。

智慧照明系統(tǒng)不僅可以提高海上平臺能源利用效率，降低能耗，減少環(huán)境污染，還可以提高照明設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性，為海上工作人員提供更加舒適、安全的工作環(huán)境，可為后續(xù)新建井口平臺照明方案設(shè)計提供參考。