直流供電智能照明系統在道路照明中的應用

陳智剛，陳健豪

（1.中建照明有限公司，廣東深圳，518000；2.廣西科技大學，廣西柳州，545000）

目前我國路燈監控管理系統的普及率較低，大部分道路照明都尚處于傳統的定時鐘控和人工巡檢的控制管理模式，路燈覆蓋面廣，不僅耗費大量的人力物力，而且實時性很差，效率低，并且道路照明系統龐大且復雜，各種漏電、短路、跳閘、電纜和燈具破損等故障發生時不能及時有效維修。此外，照明系統現有的220V 交流供電技術成熟，但仍存在供電效率低、諧波含量大以及電解電容易損壞的不足，不僅減少了LED 燈的使用壽命，影響照明系統的可靠性，還大大增加了運營維護的成本。

1 直流供電智能照明系統

直流供電智能照明系統采用直流集中供電模式，調光方式采用低頻寬帶電力載波信號，實現供電與調光一體化。將傳統LED 燈具內的AC/DC 整流模塊統一前置于直流供電控制柜中，把交流電轉換為高壓直流[1]，做N+X 冗余，以直流電形式進行電氣傳輸至LED 燈，再進行DC/DC 變換獲得所需的電壓電流，減少諧波電流，延長LED 燈壽命，提高了照明系統的可靠性，并整合了大功率電源模組、智能控制器和絕緣檢測裝置，安全、經濟、高效運行，不僅加強數據信息收集能力，還能靈活控制供配電，有利于節能管理。如圖1 所示。

圖1 直流供電智能照明系統結構圖

■1.1 智能控制

智能控制器作為主控單元，控制照明系統的方法包括網頁服務端和移動終端，智能控制器負責管理系統工作模式和實時監控直流供電控制柜內各單元器的運行狀態，包括LED 燈的開關及調光、監控電壓電流、功率因數、能效分析、故障監測、漏電預警等。同時，它也是完全替代本地觸摸顯示控制屏幕的一種工具，克服觸摸屏壽命短、觸摸失靈、溫度上升造成的不穩定、維護成本高等瓶頸。此外，保留通信接口，便于設備在脫機狀態下，由本地工業計算機管理控制。

網頁服務端：具有獨立的控制界面，采用GPRS 或者WLAN 通信方式連接智能控制器即可實現網頁操作，實現遠程監控、燈光開關及調光、設置參數，故障報警等功能，并可優化功能程序和擴大存儲空間，具有數據分析能力和良好的擴充性。

移動終端：通過智能手機或平板電能專用APP 對智能控制器進行遠程操作，根據具體使用場景對控制層面進行靈活燈光組合配置，比如應用不同控制策略，設置運行參數，大大增強了運維操控的方便性，還可實現二次節電。

■1.2 可靠性

(1)自適應阻抗匹配耦合器

針對電力線網絡中，各種電氣元件隨機連接的不同網絡節點（接入點）和輸入阻抗具有位置和時變特性而導致收、發信機的輸出和輸入阻抗不匹配和信號傳輸質量降低的問題[2]，自適應阻抗匹配耦合器根據直流電力線信道不同的阻抗值（而不是平均電力線阻抗），動態選擇最佳的耦合變壓器匝數比，提高阻抗匹配的準確性，且在匹配頻率處實現最大功率傳輸，提高功率增益。該自適應阻抗匹配耦合器改善通信的可靠性和穩定性。阻抗匹配耦合器方案比較見表1。

表1 阻抗匹配耦合器方案比較

(2)直流雙極性供電系統

直流供電系統的主接線型式包括雙極性和單極性。針對直流供電系統的安全性、可靠性、供電能力、經濟性和運行靈活性，采用雙極性系統[3]，負載交錯分布在兩極，其中一極不受停電影響，提高了供電可靠性，同時，避免因照明缺失直接或間接造成交通事故，提高道路安全性。為適應智慧城市建設，雙極性供電系統提供了兩種電壓等級，無須接入變換器，既降低了成本又提高供電的靈活性，也為電動汽車充電提供條件。兩種主接線類型的供電系統方案比較見表2，雙極性接線原理圖如圖2 表示。

圖2 雙極性接線原理圖

表2 兩種主接線類型的供電系統方案比較

(3)強電直流載波調光

利用已經鋪設好的電力線作為信號傳輸通道進行數據傳輸和信息交換，用特定程序控制直流母線電壓來傳遞指令信號，后端DC/DC 電源模塊解析信號，不需要重新架設網絡，節約成本，具有可靠性高、造價低、效率高、可與電網建設同步等優點[4]。選擇寬帶電力載波通信的方式實現單燈控制及調光，通信速率高，丟包率低，距離遠，快速、可靠、精確地響應系統信號，達到預期的使用效果，節約、節能、實用、經濟。

表3

不同的傳輸方式均有各自的優勢與缺陷，而實際的系統設計過程中我們需要考慮實際的環境、功能要求等因素來對此進行選擇和設計。一個完善的直流智能照明系統需要依據實際條件做到造價適中、通信穩定可靠、具有完整的對所有管轄的路燈的監控、管理和控制的能力，還要便于后期擴容和維護。

■1.3 安全性

現有交流供電采用220V 三相TN 系統，觸電情形為人體觸碰任一相線，產生觸電電流大，接觸電壓等于220V的電源電壓。而雙極TN系統接地，P極或M極發生接地故障后，人體直接觸碰N 極，會產生較小觸電電流，但接觸電壓并未發生變化，接觸電壓等于電源電壓。其安全性優于原有的交流電供電系統。

進一步，雙極TN 系統接地，可接入絕緣檢測裝置，能及時準確獲得電力網中的故障點位置及其故障原因，保障電網安全運行，提高維修人員工作效率，加快了電纜搶修和燈具維護更新，此有助于恢復道路正常照明，提高道路安全保障。

2 直流供電智能照明系統的優勢

（1）智能化水平高。按需照明，對道路照明系統實施遠程網絡監控管理，可實現 LED 燈開關、調光亮度、亮燈率監控、能效分析、參數設置等，還可對系統運行狀態進行數據采集和分析，對短路，漏電，故障點位置等不確定情況，做出及時判斷和決策，并反饋智能控制器后臺系統，用戶可通過網頁端和移動端對道路照明系統做出相應控制策略，且可實現二次節能。

（2）可靠性好。自適應阻抗匹配耦合器的抗干擾能力高，保證信號功率傳輸穩定，提高系統通信可靠性；冗余備份，電源模塊發生故障時，系統仍不間斷地正常運行；采用直流集中供電方式，解決LED 燈具使用壽命較短問題，提高燈具可靠性。

（3）安全性好。降低路燈在通電狀態下的安全風險，雙極TN 接地，觸電情形為只觸碰N 極，且直流電對人體損害作用比交流電小。

（4）擴充性好。雙極性供電系統可供兩種電壓等級，便于搭配其他設備；道路兩側燈具的直流電源還可為電動汽車充電提供便利。

（5）成本低。采用鋪設好的電力線，無須再消耗人力物力去敷設網線和網絡架設；通過系統反饋的故障情況，有利于降低人工巡檢帶來的時間、人力成本。

3 展望

照明光源更新換代之后，5G 互聯網高速發展時代為傳統照明行業指出一條前景光明的道路，隨著中國城鎮進入城市化高速發展階段，道路智能照明必然成為核心重點。在道路智能照明方面，未來發展趨勢圍繞智慧城市，以城市道路照明和城市夜景照明為應用場景，以多功能智慧桿為載體，提供智能電網、能源互聯網，共享實時信息和數據，建立大數據處理平臺，提升智能化管理水平，信息化管理水平與節能控制，與智慧交通、智慧安防等有機結合，支持電動汽車充電、手機充電、通訊等功能，加速了傳統照明技術的改革創新。智能照明使得LED 燈超越光源的功能，實現人、環境與AI 照明協調發展。