深圳南坪快速路試驗段照明智能控制與節能分析

賴常華，夏 軍

(深圳市燈光環境管理中心，廣東 深圳 518036)

引言

隨著社會的快速發展，“美麗中國”及生態城市的快速建設，城市對道路照明設施的管理要求不斷增加，管理部門對照明設施的管理難度也越來越大。同時，節能成為當前節約型社會對照明節能提出的迫切要求，早期的道路照明管理模式已不能適應城市發展的需要，為了提高城市照明管理部門的工作和管理效率，實現人性化的道路照明維護、節能，城市道路照明無線監控管理系統應運而生。

目前，中國的能源利用率僅為30%左右，比發達國家約低10%，產值能耗比世界平均水平高2倍多，成為世界上產值能耗最高的國家之一[1]。城市照明建設與改造中，正大力推廣節電新技術新產品。LED 路燈的出現則為降低能源消耗發揮了重要的作用，但是現有的路燈控制技術卻成為其節能減排的新瓶頸，而LED 路燈所具有的反應快、低電壓控制、頻繁點亮熄滅對壽命影響小等優點，為道路照明智能控制技術的采用與推廣創造了非常有利條件。通過推廣城市綠色照明工程，提高城市景觀照明的質量和水平、節約能源、減少污染、緩解電力緊張的矛盾，這是保護環境的明智之舉，具有重要的現實意義和深遠的歷史意義。

1 道路照明的控制技術

最初的照明控制只有開關的控制，從20世紀90年代初，個別城市已經開始考慮在日常的管理上啟用城市照明無線監控管理系統，但是受限于當時的計算機技術、無線通信技術、測控技術等，城市照明無線監控管理系統存在一定的技術障礙。當時的城市照明無線監控系統主要通過專用無線網絡實現道路路燈遙測、遙控和遙信，簡稱三遙系統，全國只有少數城市開始使用三遙系統。進入21世紀以來，不論是技術上、應用上還是在經濟上都有著飛速的發展，路燈照明控制系統也不再僅僅局限于城市道路的集中監控，已發展成為集城市照明控制、城市照明管理部門管理維護、城市照明管理部門對照明設施的管理分析、城市各個相關部門的快速聯動等為一體的綜合性城市照明無線監控管理系統[2]。

由于技術的不斷更新換代，傳統照明控制的問題的長期無法得到解決，各地政府已有充分的認識，并且提出相應的要求和實驗方案。以深圳市為例，深圳市燈光環境管理中心在2010年就已經著手新智能控制系統的實驗調試，2012年結合廣東省普及LED公共照明的契機，提出“建立全市路燈智能管理平臺”的方案，打造全市統一的道路照明智能控制平臺，目前方案正在試驗與實施過程中。當前已運用在道路照明智能控制領域的常用控制技術有電力線載波技術(PLC)、GPRS/CDMA技術、ZigBee技術、DALI技術[3]， 此外還有ACN協議、Art Net協議、CEBUS協議、Lonworks協議、Dynet協議、EIB協議和HBS協議等，這些協議在各自的領域均有自己的優勢，占據各自的優勢市場，所以在短時期內無法將照明智能控制網絡統一協議，但是兼容是未來智能控制網絡發展的趨勢。

2 城市道路照明智能控制的發展趨勢

現在的道路照明控制兼容了控制系統、LED、智慧城市、物聯網等概念，具體來說是集合了控制、電子、通信三個方面的技術，城市道路照明智能控制隨著相關產業技術高速發展，已經打破傳統道路照明的觀念，城市道路照明智能控制的發展主要趨勢為：標準化、網絡化、智能化。

(1)標準化

標準化是城市道路照明系統的發展趨勢，照明控制系統使用的相關設備非常多，不可能都是一家廠家生產，如果不同廠家只兼容自己廠家的產品，不同廠家的設備無法同時使用，在此看來，盡快起草智能照明控制系統設備的標準化是非常迫在眉睫的事情[4]。而事實上，市場道路照明產品種類繁多，并且很多照明企業也有各自的照明控制系統，各自使用的協議和端口，各個產品之間不能直接實現互通；因此，首先做到城市道路照明控制系統就要考慮到產品兼容控制的問題，統一的平臺則能很好的兼顧各方利益，減少因產品不兼容而造成的浪費與不必要的消耗。由此可見，各種廠家的照明控制系統、單燈控制系統及相關內部設備的相互兼容是智能照明發展的趨勢。

(2)網絡化

照明控制系統離不開通信介質的選擇，如無線通信GPRSCDMA、光纖通信、電力線載波通信PLC、現場總線，暢通的通信網絡控制也將改變有限網絡的局限性，使控制更加的靈活，更加的多樣性。由于技術的不斷更新發展，網絡化的新形態—物聯網已經開始運用在城市道路照明系統控制中，物聯網是新一代信息技術的重要組成部分。雖然目前國內對物聯網也還沒有一個統一的標準定義，但從物聯網本質上看，物聯網是現代信息技術發展到一定階段后出現的一種聚合性應用與技術提升，將各種感知技術、現代網絡技術和人工智能與自動化技術聚合與集成應用，使人與物智慧對話，創造一個智慧的世界，也因此才被稱為是信息技術的第三次革命性創新[5]。因此，道路照明智能控制的通信介質也會迎來新的發展趨勢，將會數據傳遞更快，構架方便靈活，安全無干擾，兼容性好，更便于對照明系統的集中管理。

(3)智能化

起初的傳統照明控制系統只為人們在天黑前提供照明的控制開關設備，道路照明控制系統的發展也從機械化發展到當前的自動化，而控制系統的智能化才是剛起步的階段，國內少數的城市正在進行道路照明控制智能化革新的嘗試，所謂智能化照明系統，通常講就是利用現代的計算機技術、網絡通訊技術、自動控制技術、微電子技術等多種新科學技術，實現可根據環境變化、客觀要求、用戶定制需求等條件而自動采集系統中的各種信息，并可對所采集的信息進行相應的邏輯分析、推理、判斷，對結果按特定的形式進行存儲、顯示、傳輸以及反饋控制等處理以迖到最佳的控制效果的一種智能照明控制系統[6]。隨著智能照明控制系統的不斷完善，系統中的設備數量和設備品牌種類的不斷增加，智能照明控制系統應滿足可拓展性的需求，能使新設備、新模塊能接入系統中，對于控制系統而言普遍涉及到的一些智能體功能模塊，如感知模塊、通信接口模塊、知識模塊、推理機制模塊、控制模塊。智能化的道路照明控制系統也有了傳統控制系統所不能體現的功能，如地理信息功能、變頻控制、自動穩壓、功率控制功能、調光功能、場景功能、單燈控制、氣象聯動、多點控制、工況監測、故障自動反饋、統計分析與查詢功能、系統自動升級維護與管理功能[7]。由此可見，繼智能化之后的城市道路照明智能控制的發展，同樣將會以更加人性化、智能化為準的趨勢。

3 深圳南坪快速路試驗段照明案例

深圳市燈光環境管理中心自2012年起，對廣東省深圳市南山區的科技園片區LED路燈試驗段、深圳南坪快速路試驗段進行調試安裝，作為路燈智能控制示范工程進行運行測試試驗。通過工程驗證路燈智能控制系統定時開關控制、定時智能調光、路燈電氣參數采集、燈況監控、故障報警等功能，并檢驗該系統電力載波通信的可靠性，為深圳城市道路照明智能控制與節能提供可參考的技術方案。

(1)項目概況

本項目案例位置位于南坪快速牛咀大橋段(見圖1)；配電回路由6X和7X(其中6X回路加裝交流互感器、智能電表)組成；燈桿編號7675121-7675147和7675149-7675169；燈桿數量為48，路燈數量為49，桿距是40米；路燈配電為三相回路，單相負載；物聯網通訊技術采用低壓電力線載波(NB-PLC)；從工勘、施工、試運行到運行的周期為四個月。

圖1 南坪快速牛咀大橋段Fig.1 Nanping express way

(2)照明智能控制系統架構

南坪快速單燈控制系統主要由主站系統(服務器)、集中控制器、單燈控制器及RS-485多功能電表等外設組成。

集中控制器和單燈控制器選擇電力線載波進行通信，集中器到主站系統通過GPRS連接。主站系統作為服務端，集中控制器作為客戶端，上電后，集中器自動根據配置文件中配置的服務器IP，登錄到服務器。集中控制器通過RS-485總線連接多功能電表，實現6X回路的電參數采集。

主站系統采用B/S架構，用戶可以通過任一網絡終端，如電腦、平板、手機根據授權登錄系統并進行相應操作或查看相關數據。以便于實時、共同、全方位監測系統運行狀況。

(3)照明智能控制通信技術的選擇

本項目所選擇的路燈為中間布燈，且呈明顯的長距離直線分布，這并不是無線通信技術(如Zigbee)最理想的網絡拓撲結構，從路燈單燈系統角度來看，電力載波由于其通過路燈供電電纜傳輸信號，免布線的同時對于供配電回路、相位等有天然的監測能力，是目前路燈單燈領域應用最多的技術，因此本次項目的通信方式采用電力載波加GPRS的方式。

同時，針對國內電網情況比較復雜，高衰減、低阻抗、諧波干擾、幾乎不可預測的拓撲結構是電力載波通信面臨的最大挑戰問題。雖然衰減和干擾本身最終都影響信噪比，但電力線上的衰減具有時變位置相關和隨機猝發等特點，危害更大。因此，為保證電力載波通信能夠長時間穩定工作于路燈線路上，因此本次試驗路段選擇的載波通信技術滿足下面兩個要求：

①投入使用后，隨環境、時間的變化，工作頻點可在40kHz～500kHz范圍內自適應調整，具備網絡維護機制，可自動選擇最佳工作頻點進行通信，以避免路燈線纜老化、負載接入退出、維修維護引起線路變化等情況所造成的影響；

②投入使用后，通信速率、調制方式可根據現場使用情況進行調整；

③快速組網，現場組網時間2分鐘，可以達到“即插即用”的效果，減少施工投入，具備網絡自愈功能，一個節點的通訊通信故障，不會影響其它節點的通訊。

(4)道路照明系統功能性測試

我們對該道路照明系統進行了功能性測試，測試結果見表1。

表1 系統功能性測試結果Table 1 Functional test result

(5)項目綜合評價

該案例工程投入正式運營至今一年多時間，運行穩定；電力載波及無線通信良好，各控制功能正常，電氣參數采集及功能操作實時性較好；開關和智能調光節能方式通過該系統可以正常實現，節能效果明顯；燈具及電源運行穩定，除模擬故障測試期間的故障報警，以及安裝固定問題導致進水等，日常無報警產生，無系統誤報情況；綜合情況表現良好，運行穩定。

4 結束語

深圳南坪快速路試驗段照明案例以電力載波(GPRS網絡)作為通信網絡，實現了電力載波及GPRS通信平臺對若干路燈節點的信息采集和遠程命令控制，達到城市道路照明智能控制化管理，驗證了其智能照明控制與節能的可行性，對節能、智能化管理的道路照明智能控制有一定的借鑒價值。

[1] 李錦寧，周培. 智能控制在道路橋梁照明節能中的應用[J].建筑電氣，2009(1).

[2] 儲昭兵. 基于GPRS城市照明無線監控系統[D].上海：上海交通大學，2009.

[3] 毛周明，金鵬，詹文平.城市道路照明智能監控技術.北京：清華大學出版社，2013.

[4] 張建碧. 智能照明控制系統發展趨勢[J].無線互聯科技，2013.

[5] 平青.基于物聯網技術的城市照明控制系統[D].蘇州：蘇州大學，2010.

[6] 閆展坤.智能照明控制系統研究[D].杭州：浙江大學，2013.

[7] 李冰冰.城市路燈智能監控與節能控制系統的研究[D].合肥：合肥工業大學，2010.

[8] 深圳市燈光環境管理中心，深圳市致燁科技有限公司. 深圳市南坪快速路(牛咀大橋段)道路照明單燈控制系統試點項目運行報告 [R]. 深圳市燈光環境管理中心，深圳市致燁科技有限公司,2013.