智慧照明系統在城市亮化工程中的應用

陳小山

(廣州河東電子有限公司，廣州511447)

1 項目概述

衡水城市亮化以“萬家燈火、希望之城”為主題，勾勒城市天際線的城區亮化提升工程，亮化工程分為三期，目前一期工程在試運行階段，共涉及亮化樓體300余棟。總體效果力求做到突出重點、打造亮點，勾勒衡水城市的天際線，形成衡水市的夜經濟、夜文化。

此工程亮化材料全部采用LED節能型照明光源，并采用先進可靠的智慧照明系統實現城市燈光的統一管理和智能化遠程控制。

本項目的智慧照明集中管理系統采用HDL系統，是基于智慧照明、智慧城市發展戰略整體規劃內的具體業務應用，如圖1所示。本系統平臺的本質在于信息化和城市照明的高度融合，旨在秉持開放式架構，通過互聯網技術、移動通信、物聯網、大數據、云計算、綜合集成等先進工具和方法的應用，實現全面感知、智能融合、開放創新、綠色節能、可持續發展的高級管理形態。

圖1 智慧照明管理系統是智慧城市規劃中的具體業務應用

新模式下的智慧管理系統完全不同于以往分散的、各自獨立的數字化管理模式，主要的理念是提供開放式架構的標準化軟件交互接口，消除信息“孤島現象”，實現智慧城市中各業務間信息和資源的共享、聯動。

2 方案實施

2.1 系統組網

系統組網示意圖如圖2所示。

圖2 系統組網示意圖

2.2 網絡規劃

2.2.1 系統會話

系統會話架構如圖3所示。

(1)所有的信息交互都是以服務端為核心。

(2)管理端和節點端都作為客戶端，只能主動發起同固定IP地址的服務端的網絡連接。

(3)管理端對節點端的操作控制都要通過服務端橋接，由B/S架構管理端軟件界面操作，在中心機房的管理端，或者只要能接入公用互聯網的電腦、平板、智能手機都可以管理系統的全部功能。

圖3 系統會話架構

2.2.2 傳輸鏈路

(1)只對配電箱的測控則采用“4G無線鏈路”。

(2)在一些高帶寬的應用也可以采用運營商的光纖有線鏈路。

2.3 中心服務器

中心服務器架構需要按照景觀照明管理的業務屬性劃分資源池，在實際應用中分層部署。

(1)MQTT服務:節點端測控設備發起的同服務端的會話。

(2)WEB服務:管理端發起的同服務端的會話。

(3)數據庫服務:系統全部的配置數據、設置參數、歷史記錄、錄像文件、竣工資料、資產報表等的存儲。

(4)視頻流服務:網絡攝像機的并發接入和視頻流管理。

(5)網絡管理服務:專注于網絡呈現、設備故障與性能監控、設備配置變更監視與設備配置管理。

本系統平臺的業務資源池根據操作系統要求、負載評估、業務優先級、可靠性要求等，在3臺服務器上部署。

2.4 配電箱測控

2.4.1 通用功能

亮化節點的每個配電箱中安裝一組“遠程測控單元模組”。

測控設備采用工業標準的導軌安裝，產品結構緊湊、體積小，更適合已有配電箱的智能化升級。

(1)遠程測控單元模組設備內置4G無線通信模塊。

(2)遠程測控單元模組設備實時測量交流電源進線的電壓、電流、功率因數、有功功率、剩余電流，可根據設置的超限值判斷和記錄超限事件并上報。

(3)各測控模塊實時測量其回路交流輸出線的電壓、電流、功率因數、有功功率，可根據設置的超限值判斷和記錄超限事件并上報。

(4)各測控模塊可控制其回路的開或關。

(5)設備能夠根據預約設置定時自動開關燈。

(6)設備能夠向服務端上報開關燈狀態變化、超限事件、測控設備故障的信息。

2.4.2 電氣量測控數據

電氣量數據對應有4種超限值設置，分別為保護上限值、告警上限值、告警下限值、保護下限值。當某個超限值未設置或停用，則不會產生超限事件。

2.4.3 照明回路的電氣連接

適應于各種電氣連接方式的配電箱，能實現單回路或任意回路組合的開關燈控制。配電箱系統圖、系統接線示意圖如圖4～5。

圖4 配電箱系統圖

圖5 系統接線示意圖

3 系統特點

3.1 三相四線制的N線電流監測

隨著亮化項目中LED燈具的大量集中使用，那些不具有主動功率因數補償的開關電源會產生嚴重的3次諧波電流，由于3次諧波電流的矢量角度一樣，三相四線制中的三相電流矢量和不能抵消，只能在零線上疊加，使零線上的電流可達相線電流的2倍以上。

亮化項目中敷設的電纜線徑都是按照相線的負荷計算而選用，零線的截面積≤相線的截面積，因此，如果零線上的電流超過相線電流，必然會導致零線過載，存在巨大的安全隱患。

本系統的RTU設備和測控模塊能通過測量的三相電流矢量值實時監測零線的平均電流，為系統的運行和維護提供更全面的用電安全保障。

3.2 智能化的事件記錄及分析

城市夜景照明管理平臺管理主界面如圖6所示。

(1)智能化事件記錄

事件引起主動或被動保護后，測控設備會記錄下緊靠保護時刻前、后(最多偏差100ms)的兩組“時間戳和電氣量數據”，能夠為事件分析提供準確的數據依據。

1)主動保護:測控設備測量到超限事件后，主動執行的保護動作。如測量到回路過載后，測控設備關閉此回路。

2)被動保護:不是由測控設備執行的，而是配電設備自行采取的保護動作。如回路的漏電流超限后，引起漏電保護斷路器的自動跳閘。

(2)智能化事件分析

通常在發生被動保護時，相關的成組電氣量數據都會同時發生變化。采用智能化事件記錄的好處是當發生被動保護時，能夠準確分析出引起事件的原因。

圖6 管理主界面

3.3 開關燈控制

3.3.1 開關控制菜單

開關控制菜單有三個二級主菜單區；主功能區分為預約開關列表、立即開關列表、開關場景管理，開關控制界面如圖7所示。

圖7 開關控制界面

預約開關的對象是開關場景或單個回路，主要預約自動定時開關燈的策略。預約開關列表主要展示配電箱的預約開關信息。

3.3.2 配電箱的運行模式

配電箱的運行模式可分為自動、手動、臨時停用。

手動和臨時停用模式下，RTU也能實時監測所有電氣量數據，但不會執行預約的開/關和遠程的立即開/關。也就是此時配電箱內的智能控制器不會自動吸合，在一定程度上保證了檢修作業的安全。

3.4 告警信息

系統平臺的告警信息分為測控設備、測控對象、通信路由三種類型。運維人員可以根據分類的信息，清晰地掌握系統運行狀況，告警信息界面如圖8所示。

所有的告警信息在產生前已經做了智能化分析、排序、過濾、屏蔽，告警信息包括時間戳、配電箱名稱、告警內容，且只會給出根本性的原因和結果，能夠明顯地提高運維管理水平。

告警列表欄通常隱藏在值守界面的右面，當需要查看詳細的告警信息時彈出。

圖8 告警信息界面

3.4.1 測控設備告警

測控設備是指本系統所屬的全部硬件設備，包括中心服務網絡設備、前端設備、配電設施、燈具的控制器、燈具、線纜等。

這類告警信息會明確地給出故障定位和導致的結果，例如:(1)交流接觸器故障:“配電箱xxx的回路x_控制器故障_預約開燈的時間_沒開燈。”(2)斷路器故障:“配電箱xxx的回路x_斷路器跳閘_預約開燈的時間_沒開燈。”

3.4.2 測控對象告警

對于不能準確定位到物理設備的異常，本系統則給出明確的測控對象的異常狀態和超限狀態告警信息。

這類告警信息只是針對狀態異常和測量值超限。

3.4.3 通信路由告警

客戶端只能主動發起同服務端的連接，因為服務端需要對客戶端發起實時控制，所以就需要保持長連接，在沒有通訊傳輸時用心跳報文來維持連接。

當同客戶端的連接中斷時，系統會給出通信連接異常的告警信息。

3.5 運維管理

3.5.1 組織架構及權限

為滿足城市級照明管理需要，針對不同角色、不同級別、不同部門的管理員，首先需劃分出不同的管理權限要求，例如系統超級管理員、主任、主管、值班員、維護員等賬號權限。所以系統具有部門組織結構創建管理的功能。

用戶賬號創建后，可以對用戶信息進行管理；超級管理員可以修改、查看、刪除所有用戶的賬號信息；普通用戶只能管理自己的信息，管理者界面如圖9所示。

圖9 管理者界面

用戶、角色、權限的對應關系:(1)用戶只能歸屬在某一部門，用戶可同時擁有多個角色；(2)角色對應相應的管理權限；(3)權限分配可以分為數據權限、功能權限。

3.5.2 能耗管理

城市照明亮化涉及能耗費用結算、費用分攤、分時段計費等問題。智慧照明系統在實現照明能耗數據分時段、分區域、分街道的能耗數據統計以外，還要考慮費用業主/市政分攤問題，費用分時段計費等問題。

在用電量統計頁面，市政管理員可以根據統計需要選擇年份、月份進行統計；同時可以選擇區域，也可以精確到某一街道、某一個配電箱進行能耗數據的統計。當選擇設定的時間后，統計會生產相應的圖表。按區域統計出現的是柱形圖，按時間統計出現的是折線圖。

3.5.3 竣工資料管理

竣工資料管理包含兩個維度:(1)驗收資料:設備驗收清單與竣工后的培訓交接清單；(2)工程資料:工程信息清單、施工聯系信息。

系統按節點歸口管理工程資料，一方面為維修提供準確的相關信息，另一方面可以為系統故障或更換時提供恢復數據的備份。

圖10是配電箱的工程資料詳細信息清單，存儲記錄了施工方、聯系信息、節點位置、工程圖紙、工程照片等信息，便于故障排查、維護聯系。

圖10 設備詳情界面

4 語束語

本文對城市亮化工程中智慧照明系統的應用做了介紹，供設計人員參考。