舞臺燈光供電系統分析探討

楊華祥+歐俊發+劉偉杰+盧尚書

【摘 要】 以“回路”為核心的傳統供電系統存在一系列缺陷。針對問題，智能化分布式燈光供電系統建立了區域“功 率”供電理念，在思維、產品理念、安全性、網絡監控系統和位置轉移能力等方面都有了新的突破，探索出了 舞臺燈光供電系統的新思路。

【關鍵詞】 舞臺燈光；供電系統；智能化；分布式；功率；回路

文章編號： 10.3969/j.issn.1674-8239.2017.11.002

【Abstract】The traditional power supply system with loop as the core has a series of defects. To solve this problem， the intelligent distributed lighting power supply system established the concept of regional power supply. There is a new breakthrough in the product concept， thinking， security， network monitoring system and location transfer ability and other aspects. The new idea of power supply system for stage lighting is explored.

【Key Words】stage lighting； power supply system； intelligent； distributed； power； loop

1 引言

筆者從事舞臺燈光系統設計數十年，一個劇場多少回路？每個位置多少回路？什么規格？這些問題一直困擾著筆者。

從早期只有一兩百路回路，捉襟見肘；到后來回路多得不知道往哪里裝，從未有過令使用者滿意的結果。絕大多數的劇場，大同小異，很多做了一兩千個回路的大劇院，實際使用中，也是飛線如蛛網。備用電源是燈光師的最愛，流動硅是使用率最高的設備。

可以說，沒有一家劇院能讓使用者滿意。

那么，使用者的需求是什么呢？——任意位置，使用任意種類、規格、數量的燈具。

2 傳統供電系統分析

2.1 傳統供電系統

傳統供電系統，就是“回路”供電系統，從調光柜引出的獨立電源，直至燈具使用位置插座，末端插座和調光柜上的功能（調光或直通）電路一一對應。其核心設計思路，就是針對不同的位置，分析最大可能使用的燈具種類、規格、數量，對應設計回路性質、規格、數量。

問題是：這些回路是重要、常用的（使用調光柜），還是不重要、不常用的（使用吊掛式或具備吊掛燈具功能的分布式模塊）？

回路數量，成了劇場規模檔次的重要標志，成了宣傳資料上夸耀的指標。

由于末端回路要滿足不同規格燈具需求，要大、要多，對應電纜粗、多、重，致使只要是個劇場，燈光電纜重量就達幾十噸。

2.2 傳統供電系統的矛盾和弊端

所謂“國際先進”的劇場投入使用后，并沒有讓使用者滿意。原因在于，我國的劇場，絕大部分要同時滿足歌劇、舞劇、話劇、戲曲、音樂劇、綜藝等不同表演形式。各種表演形式對燈具的種類、規格、數量、位置要求，完全不同；即使同一種表演形式，甚至同一個劇目，由于劇情、導演和舞美、燈光設計師的不同，也有很大差別。

舞臺內，回路全部放在幾道燈桿上。實際劇目中，布景位置、演員走位對應的燈位，很難和這些燈桿位置完全吻合，使用中，用的地方沒有，不用的地方閑置，即：“回路”處于相對不足和絕對過剩狀態。

同時，因為燈桿占據3道吊桿位置，一旦放棄，舞美、燈光狼狽不堪。

密集連續布桿，使用時任意設定燈桿、景桿，已成為演出界普遍認可的主流配置模式。國內已有幾家劇場按此理念建設，它帶來的問題是：裝臺時間加長，上燈桿的電纜太多、太重，且均從一層天橋引來，存在安全隱患。

按照電氣規范，強制帶電操作的電路中，必須有漏電保護，而漏電保護裝置（由于線路自然泄漏）必須靠近用電插座。而國內的調光柜回路上，普遍不帶漏電保護，違反安全規范。

2.3 反思與探索

業內深知現行回路系統弊端，一直在探索它的完善之路。在安裝盡量多回路的思潮走到極致之后（據說有些劇場裝了三四千個回路，也不能滿足要求），為了應對演出中經常出現的，某些（沒有回路的）位置要加幾只燈，開發了2、4、6、8路模塊；發現集中安裝的調光柜室，電纜浪費太大，從設計上引入多個調光柜室，就近引出回路。甚至完全取消調光柜室，根據使用需求，在不同區域，就近配置不同規格的調光柜。

但是，所有這些努力，都是在末端設備上進行，而對系統的核心思路——“回路”，則依然堅持。然而，因為回路的位置全是固定的，即使小到2路模塊，也必須提前安裝專用電源，這決定了傳統系統無法滿足使用者任意位置使用任意規格、數量燈具的需求。

3 智能化分布式燈光供電系統

3.1 系統簡介

為解決傳統供電系統的諸多問題，配合連續布桿，滿足燈光師的使用需求，筆者耗十年時間，研發出智能化分布式燈光供電系統。系統的核心——就是拋開“回路”，建立區域“功率”供電理念。

系統分為三部分：（1）區域功率供電系統；（2）新型分布式模塊；（3）智能化網絡監控系統。

3.1.1 區域功率供電系統

這部分包含專用配電柜、電源接口箱、綜合轉接箱，以及新型模塊內的串接母線系統。

配電柜有三種規格：Ⅰ型，32路輸出；Ⅱ型，20路輸出；Ⅲ型，10路輸出。endprint

接口箱有三種結構：1口（圖1），2口（圖2），3口（圖3）。以及定制的綜合電源接口箱。

這部分是固定安裝，在不確定的舞臺燈光應用中，尋找相對確定的東西。例如頂光，隨著連續布桿理念的推廣，無法確定哪一道吊桿是燈桿，但可以確定的是，就在這些吊桿內。我們就把電源接口箱，退到柵頂（頂部下線），或退到一層天橋（側下線）。

3.1.2 新型分布式模塊

三聯16A調光/直通兩用（圖4），三聯16A直通（圖5），單聯32A調光/直通兩用（圖6）。

模塊內設置有：調光、直通電路，漏電保護，極端短路保護，電源安全檢測電路，電流、電壓、溫度傳感器、感應器，智能芯片等功能電路和智能安全保護裝置。

內置串接母線系統，使得區域功率供電網絡得以成型。模塊不再是回路的附庸，而是直接為燈具服務的設備。任意位置，只要就近引來電源，選定燈具，配置適用的模塊即可。

3.1.3 智能化網絡監控系統

系統包括一個監控主機，觸摸監控屏、監視屏，監控軟件，遍布每個模塊中的傳感器、感應器、智能監控電路板，配電柜、主線槽內的傳感器、感應器、智能監控電路板，可實時監控、記錄、分析系統任意節點的工作狀態，具有異常報警、錯誤提醒等功能。

3.2 與傳統系統的區別

該系統推出后，很多人以傳統的思路來看待這套系統，怎么看，都別扭，怎么想，都不明白。其實，這套系統和傳統系統有著本質的區別。

3.2.1 核心思路解析

該系統的核心思路，就是把“回路”供電，改為區域“功率”供電。

回路系統是逆向、分段思維，由燈具確定回路，回路確定供電。

由于燈具使用的不確定性，回路要兼顧燈具的最大可能性，推演出的回路數量，是實際燈具使用數量數倍至數十倍，單個回路的規格，為可能服務的最大規格燈具設置，也遠遠大于絕大部分燈具。

從回路確定供電，回路系統是龐大的，所以，不論采用什么計算方式，一個大型劇場都會導出1 000 kW～2 000 kW的燈光供電容量。實際使用時，大型劇場，鮮見超過400 kW。

而“功率”供電理念，是整體思維，是來源于實際使用數據的順向思維。首先考察同類規模劇場實際可見的最大用電量，加上1.33的安全系數，作為燈光供電容量；進而考慮不同使用條件下，不同區域可能出現的最大用電量，各區域之間，電量可以調配。

按一定的功率模數（筆者選擇20 kW），設計各區域供電電源，進而統一系統中所有母線、接口規格；使用中，隨意串接擴展，燈具使用量，只和分路電源功率相關，只要燈具實時用電功率之和，不超過此路電源功率，就可以繼續增加燈具。

模塊是燈具和支路電源之間的連接設備，滿足燈具供電要求即可，其規格、數量，和電源無關。

智能化網絡監控系統是依據物聯網、智能控制理念，將系統全面升級到智能化層面，形成主動安全防護體系，確保演出安全。

3.2.2 與傳統系統的本質區別

按照傳統思路，模塊不能獨立組成系統，系統的可靠性、安全性堪憂。結論：這樣的系統不能用。

其實，該系統中所有設備，和傳統相比，都有本質的區別。

（1）核心設計理念

該系統的核心設計理念，是區域“功率”供電。一定要拋開“回路”思維，來理解系統。模塊自身無法組成系統，核心是區域功率供電系統。模塊只是附屬品，而且是過渡產品，針對當前使用燈具設計，一旦全部燈具發展到智能化層面，模塊必將淘汰。

（2）產品思維和系統思維

任何領域中產品思維創新只能稱之為改進，根本的創新來自于系統，系統思維的改變才是創新。任何設備都是在系統整體需求下衍生的。筆者研發的產品是服從于新系統思維的定制產品。理解了新系統，才能明白產品的不同。

（3）系統升級解決安全問題

大家最關心的安全問題，筆者的研發經歷是：艱難探索，山窮水盡，貴人相助，涅重生。

初期，確立區域“功率”供電，模塊串聯等新系統框架后，發現很多致命問題，反復推理、驗證，無法解決，幾乎放棄。

后來，得到其他行業資深專家的幫助，參照他們解決類似問題的思路，就是從系統層面上解決問題。

通過加裝安全防護、保護電路，建立物聯網智能監控系統，軟件、硬件組合，不但解決了存在的問題，還使系統全面升級，具備了AI系統雛形，具備上電安全檢測、不合格不予通電的主動防護模式，以及系統運行參數檢測、報警等保護措施，契合國家先進制造業2025戰略。

從新系統需求來講，該系統的模塊和傳統模塊有本質不同，不再是“調光柜的補充，用在不常用或不重要的地方”，而是“完全替代調光柜”，安全指標大幅提升。所有元器件，必須有足夠的安全裕量。基于這個思路，模塊的很多元器件采用工業級甚至軍工級。通過優化結構、電路，改善工藝，實現干擾抑制和噪聲控制。

物聯網、AI技術的引入，增加多級、多方位檢測，內置傳感器、感應器、保護電路，建立主動防護體系，發現于初始，防患于未然。確保系統在彩排和演出中不出問題。

（4）網絡監控系統

網絡監控系統的引入，才最終解決了安全問題。此系統具備AI系統雛形，既能呈現系統工作狀態；還能在設計、彩排、演出過程中，結合系統設備內的傳感器、感應器，和檢測、保護電路，指出使用錯誤，提出改進建議；開機時自動檢測輸入電源指標，決定是否允許后端燈具設備接通電源，確保安全。

（5）位置轉移能力

實際使用中，變換燈具、燈位，燈桿、景桿互換是常見現象。傳統模式下，工作量巨大，極為困難。該系統需要的移動電纜數量比傳統系統減少95%，量變到質變，轉換方便。

（6）為何傳統模塊不能組成系統endprint

①沒有一套可以支持模塊在任意位置接入的基礎供電系統，這是筆者專利保護的核心；

②傳統模塊的初始設計目標，就是“作為調光柜的一種補充，用在不常用和不重要的地方”，技術指標低，安全系數低；

③沒有監控和保護電路；

④基于傳統“回路”理念設計，可以看作是一個小規格調光柜，不同模塊，需要不同電源，每個模塊需要一個專用電源，使用位置還是固定的。所以，它只適用于回路系統，做調光柜的附庸。

3.2.3 新系統獲得榮譽

知識產權：申請發明專利71項，已授權6項，其余審核中；授權實用新型專利14項。

科研立項：國家級1項：2015年國家科技支撐計劃項目；廣州市2項：2015廣州市專利技術產業化項目，2016廣州市新一代信息技術示范工程項目。

應用案例：

第一代：青島海泉灣天創大劇院（2012年）；

第二代：武漢車都文化中心劇場（2014年），新疆大劇院（2015年），河源大劇院（2015年），南寧民族藝術基地劇場（2016年），南寧博物館（2016年），蘭州音樂廳（2016年）；

第三代：廣州粵劇博物館劇場（2016年），云南大劇院（2017年），茅臺天釀演藝秀場（特殊定制2017年），伊犁大劇院（2017年），廣州檔案館演播廳（2017年）。另有5個項目建設中。

4 應用案例分享

4.1 云南大劇院

云南大劇院是2017年建成投入使用的省級大劇院（圖7）。包含大劇場、小劇場、音樂廳，其中大劇場：舞臺臺口寬21 m，高12 m，主舞臺進深23.5 m。采用了國際先進的連續布桿理念。

云南大劇院招標，采用允許多種模式并行的策略：

（1）采用傳統模式，需1 400路調光/直通兩用回路。由于回路固定，必須備用流動硅，多位置預留備用電源。需配專用配電柜6臺，全部電線電纜，折合單根6 mm2電線300 km。

（2）采用智能化分布式系統，需Ⅰ型專用配電柜2臺，1、2、3口電源接口箱52臺，定制綜合電源轉接箱40臺，三聯16A調光/直通兩用模塊140臺，單聯32A調光/直通兩用12臺。監控系統1套。全部電線電纜，折合單根6 mm2電線20 km。

最終是智能化分布式供電系統中標，投入使用以來，未出現飛線，系統無故障。

4.2 茅臺天釀演藝秀場

茅臺天釀演藝秀場，是貴州省仁懷市政府采用PPP模式，打造的國內第一個重沉浸和虛實相生的、極具創新性的文化旅游演藝項目。這個項目，從建筑開始，參觀動線設計、專用設備，都是量身定制，開創文化旅游演藝4.0時代（見圖8）。

計有序廳：315 m2，序A過道：106 m2，A廳：113 m2，AB過道：240 m2，B廳：340 m2，C廳：432 m2，D廳：380 m2，等7個獨立表演空間。

這類主題表演秀場，本該待節目創意定型后，再開始建筑施工，由于種種原因，建筑走在了前面。創意團隊要求，按最大可能做。不同模式的供電系統分析如下：

（1）集中設置調光柜的模式。根據獨立表演空間（7個舞臺）測算，需（10+9+7+6+3+1+1）共37臺調光/直通兩用調光柜，3 552路。另配最少120路流動硅箱，遍布全場的專用電源。需配專用配電柜12臺。電線電纜，折合單根6 mm2電線1 500 km。

（2）采用各廳分別設置調光柜的模式。需（11+10+8+6+4+1+1）共41臺調光/直通兩用調光柜，3 936路。另配最少120路流動硅箱，遍布全場的專用電源。需配專用配電柜16臺。電線電纜，折合單根6 mm2電線850 km。

（3）采用智能化分布式系統。最大可能就是供電，設計時把供電容量留出，在4個大廳各設置一臺Ⅰ型專用配電柜，供電點位引入各廳堂可能用電區域（只有5根6 mm2線，轉換位置極為簡單），前期工作即告結束。電線電纜，折合單根6 mm2電線150 km。其他工作，全部在創意定型后進行。

茅臺天釀演藝秀場采用了該系統，特殊定制模塊，經創意設計、彩排中數十次變化，輕松應對，投入使用近一年，天天多場演出，未見故障報告。

（編輯 張冠華）endprint