智慧城市背景下城市路燈專網(wǎng)的構(gòu)建與應(yīng)用探究

臧 鋒，王金勇，朱亞著，李錫華

(南京市路燈管理處，江蘇 南京 210013)

引言

隨著“雙碳”目標(biāo)的提出，城市建設(shè)領(lǐng)域各行各業(yè)開始陸續(xù)發(fā)力。在國務(wù)院印發(fā)的《2030年前碳達(dá)峰行動方案》中明確提到實施包括照明、交通在內(nèi)的城市節(jié)能降碳工程；提升變壓器等設(shè)備能效標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)化新型基礎(chǔ)設(shè)施用能結(jié)構(gòu)等[1]。從新基建的電力需求上看，據(jù)測算，到“十四五”末，新基建的直接用電需求達(dá)6 500億～7 000億kW·h，占全社會用電量的7.0%～7.6%，較“十三五”末新增用電需求2 500億～3 000億kW·h[2]。巨大的用電需求一方面需要對現(xiàn)有城市配電網(wǎng)的容量、韌性進(jìn)行升級，另一方面又意味著巨大的節(jié)能降碳空間，需要完善城市配電物理網(wǎng)絡(luò)的同時，更要借助數(shù)字化、智能化的手段提高城市各類設(shè)施終端的電力利用效率。

從新基建的領(lǐng)域上看，包括5G基站、數(shù)據(jù)中心、新能源汽車充電樁在內(nèi)的多基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與智慧城市建設(shè)息息相關(guān)，智慧城市涉及的智慧系統(tǒng)和各類智慧設(shè)施的穩(wěn)定高效運行也離不開新基建相關(guān)領(lǐng)域的完善和支持。其中各類智慧設(shè)施的掛載和運行需要物理空間以及相應(yīng)的供電和通訊保障，智慧路燈通常被認(rèn)為是滿足智慧城市建設(shè)需求的最佳入口[3-5]，然而對于形成的多元化電力負(fù)荷，仍需要更集約化的管理和統(tǒng)籌，保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時促進(jìn)形成供需的雙向互動格局。此外，智慧城市的有效建設(shè)對于智慧設(shè)施的分布密度也有更高的要求。以通信基站為例，4G基站的覆蓋范圍超過1 km，而5G基站由于平均能耗更高(高達(dá)3.5 kW)，因此只有不足500 m的覆蓋范圍，在城區(qū)熱點區(qū)域中的實際覆蓋半徑甚至更小[6]，現(xiàn)有城市末端配電接入能力大多難以滿足其分布密度要求。綜上所述，未來智慧城市建設(shè)需要分布更加密集、容量更加充足、管理更加集約智能的配電網(wǎng)絡(luò)。

1 路燈專網(wǎng)定義

路燈是城市中分布最廣泛的基礎(chǔ)設(shè)施，同時支撐城市照明的配電設(shè)施建設(shè)也相對完善。以南京市為例，全市共有609臺箱式變電站和2 130臺配電箱，供電半徑在500～1 000 m之間，初步具有城市級供電“毛細(xì)管網(wǎng)”的基礎(chǔ)。近年來，南京路燈陸續(xù)推進(jìn)了綜合桿改造、LED改造、常火改造、單燈控制等舉措，在結(jié)合優(yōu)化電氣設(shè)計的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步為其他用電設(shè)施接入預(yù)留了容量。此外隨著路燈智能機器人等產(chǎn)品的誕生，南京路燈近年來在智慧設(shè)施相關(guān)算法、技術(shù)和平臺搭建及運營上，積累了一定的經(jīng)驗[7]。

為了響應(yīng)國家“雙碳”目標(biāo)號召，結(jié)合智慧城市建設(shè)需求，我們對現(xiàn)有城市路燈供配電系統(tǒng)升級定義為“路燈專網(wǎng)”，即依托路燈存量設(shè)施，完善并優(yōu)化多級配電設(shè)施布局，結(jié)合大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)，實現(xiàn)“電力流(供電)、數(shù)據(jù)流(用電信息)、管理流(控制管理)”相融合的新一代路燈供配電網(wǎng)絡(luò)。路燈專網(wǎng)旨在搭建并完善百米級末端供電半徑的城市中低壓配電網(wǎng)，滿足城市治理、智慧城市建設(shè)過程中所產(chǎn)生的多元化負(fù)荷，通過綜合管理手段提高用電智能化、數(shù)字化水平和終端電力利用效率。

2 路燈專網(wǎng)構(gòu)建

2.1 整體架構(gòu)

路燈專網(wǎng)的整體架構(gòu)分為數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和物理網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)由云端后臺、共享中臺和智慧前端組成，其中后臺和中臺主要發(fā)揮“大腦”的作用，根據(jù)用電設(shè)施終端數(shù)據(jù)反饋做出場景識別和響應(yīng)，為前端提供控制指令。物理網(wǎng)絡(luò)是路燈專網(wǎng)的建設(shè)主體，由網(wǎng)絡(luò)中心(綜合站)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(綜合箱)和網(wǎng)絡(luò)末端(功能箱)三層電力設(shè)施組成，上游接入市電供電側(cè)，下游接至各個用電需求側(cè)。

圖1 路燈專網(wǎng)整體架構(gòu)Fig.1 Structure of street lighting network

其中，綜合站為專網(wǎng)中心供能設(shè)施，內(nèi)置高壓艙、配電艙和控制艙三層分區(qū)，考慮到現(xiàn)有路燈供配電設(shè)施建設(shè)的安全性與經(jīng)濟性，供電半徑約為800 m。綜合箱為專網(wǎng)節(jié)點供能設(shè)施，內(nèi)置配電艙和控制艙，覆蓋1～2個路口。由于綜合箱體積較小，設(shè)置靈活度高，可根據(jù)實際建設(shè)需求適度調(diào)整點位。功能箱為專網(wǎng)末端供能設(shè)施，內(nèi)置控制艙，覆蓋前后各2～3桿路燈，一般結(jié)合照明、智慧城市設(shè)備實際負(fù)荷布置，并可靈活設(shè)置儲能艙。針對不同負(fù)荷，不同艙位功能有所不同，如配電艙負(fù)責(zé)為公交站、充電樁等設(shè)施提供配電、線路檢測、故障保護(hù)等服務(wù)，控制艙負(fù)責(zé)為公安、交管、通信基站及智慧城市等弱電設(shè)施提供安裝接口。物理網(wǎng)絡(luò)分布結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 物理網(wǎng)絡(luò)分布結(jié)構(gòu)Fig.2 Distribution structure of physics network

2.2 箱網(wǎng)搭建

箱網(wǎng)搭建主要指結(jié)合道路等級、用電需求等因素，合理規(guī)劃建設(shè)各級配電設(shè)施，從而促使電力資源下沉，是路燈專網(wǎng)的物理基礎(chǔ)和空間前提。

由于城市建設(shè)的快速發(fā)展，現(xiàn)有的城市配電設(shè)施難以滿足城市用電的需求。尤其對于新規(guī)劃的城市用地，通常存在電源點分布不合理、分布密度不夠，造成取電困難、用電手續(xù)復(fù)雜等問題[8]。對于老城區(qū)道路，由于缺乏統(tǒng)一的配電規(guī)劃管理，常常會出現(xiàn)通信運營商、交通、公安系統(tǒng)等各投資方或用電單位重復(fù)建設(shè)配電箱、線井等設(shè)施的情況，未能高效統(tǒng)籌地上地下空間利用，有礙市容美化的同時也帶來建設(shè)成本浪費和運維難度增加的問題。

根據(jù)上述架構(gòu)，將逐步完善各級配電設(shè)施建設(shè)，構(gòu)建配電箱網(wǎng)：對于大型路口，根據(jù)已有路燈箱式變合理改造升級，建設(shè)為綜合能源站，設(shè)計容量為250～400 kVA，為公安、交管系統(tǒng)、5G基站以及充電樁等設(shè)備供電；對于中小型路口，新增建設(shè)綜合能源分支箱，設(shè)計容量為30～50 kW；此外根據(jù)道路、規(guī)劃等實際情況，在路口、公交站臺等區(qū)域結(jié)合各類設(shè)施實際用電需求增建功能箱，設(shè)計容量為10～20 kW。此外，對于智慧路燈終端依循“就近接電”的原則接入能源箱或功能箱，保障其掛載設(shè)備的用電需求，最大程度上提高城市公共基礎(chǔ)用電終端的分布密度，通過分級配電和集中供電為下一步城市公共用電綜合管理(包括監(jiān)測、預(yù)警、調(diào)控、分析等功能)奠定物理基礎(chǔ)。

2.3 能源通訊網(wǎng)搭建

能源網(wǎng)和通訊網(wǎng)的搭建是“三網(wǎng)貫通”的重要組成部分。如果把各類用電設(shè)備比作是城市建設(shè)的細(xì)胞的話，那么能源網(wǎng)就是輸送營養(yǎng)的“血管網(wǎng)”，而通訊網(wǎng)則是疏通指令的 “脈絡(luò)網(wǎng)”。

目前城市內(nèi)配電設(shè)施建設(shè)主體多元，配電容量有所不同，例如交通信號燈所需配電箱容量通常為5 kW，通信基站所需容量與不同運營商、不同基站類型有關(guān)。已有配電設(shè)施在面臨用電業(yè)務(wù)拓展時容易出現(xiàn)容量預(yù)留不足，同時各自相對獨立的供電線路造成管理困難，無法靈活取用，對電網(wǎng)的穩(wěn)定安全運行存在一定的沖擊。此外，城市電網(wǎng)公司的規(guī)劃管理工作通常限于35 kW以上的電網(wǎng)規(guī)劃，10 kW以下的電網(wǎng)規(guī)劃的建設(shè)發(fā)展相對滯后。然而由于高損耗的變壓站較多、設(shè)備老化和負(fù)荷超載等情況較為普遍，造成我國城市中低壓配電網(wǎng)損耗占到配電網(wǎng)線損的60%，亟需對現(xiàn)有中低壓配電網(wǎng)規(guī)劃合理升級。

除了電力這張“血管網(wǎng)”繼續(xù)升級以外，智慧城市建設(shè)形成的百萬數(shù)量級的終端設(shè)備同樣需要密集高效的通訊 “脈絡(luò)網(wǎng)”。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，通訊需求的主體已從傳統(tǒng)的公用或?qū)Ｓ猛ㄐ艠I(yè)務(wù)逐步擴展到智慧城市應(yīng)用的方方面面，包括城市治理、公共服務(wù)、社區(qū)生活等。巨大的通訊需求需要對路由、光纖等資源進(jìn)行新增擴建，同時和市政設(shè)施充分融合、共享，實現(xiàn)資源的靈活布置和集約使用。南京路燈在各級配電設(shè)施、路燈桿件設(shè)計建設(shè)中對光纖、管道等通訊空間做出充分預(yù)留，能夠滿足未來大量城市終端設(shè)備的接入需求。

根據(jù)上述路燈專網(wǎng)架構(gòu)，為了搭建和暢通能源網(wǎng)絡(luò)，將采取以下兩種方式滿足城市各類建設(shè)形成的容量需求。第一，在傳統(tǒng)路燈的基礎(chǔ)上開展LED節(jié)能改造，加上針對不同路段、不同時段的智能調(diào)光策略，在滿足城市照明的基礎(chǔ)上有效降低照明負(fù)荷，從而釋放容量空間。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)表明，同等照度標(biāo)準(zhǔn)下，LED燈具相比于傳統(tǒng)高壓鈉燈的耗電量下降了40%。在此基礎(chǔ)上，綜合考慮不同路段的道路等級、車流人流情況，利用單燈控制器實行分級調(diào)光后，可進(jìn)一步節(jié)能約30%。第二，在電氣設(shè)計階段充分考慮后期容量預(yù)留以及相應(yīng)的管道、線纜預(yù)留，通過自有專利技術(shù)將傳統(tǒng)路燈箱式變及線纜升級為智慧城市用電的綜合能源站，統(tǒng)籌和靈活使用箱式變?nèi)萘靠臻g，滿足用電需求，避免出現(xiàn)負(fù)荷超載，降低城市中低壓配電網(wǎng)的線損。

除了上述的配電網(wǎng)容量問題，路燈專網(wǎng)還需要實現(xiàn)能源綜合管理。當(dāng)前大多數(shù)箱式變僅能監(jiān)測內(nèi)部電壓、電流等參數(shù)。在路燈專網(wǎng)架構(gòu)下，將結(jié)合智慧路燈等各類終端，在物理層面上需要對強電弱電進(jìn)行分艙設(shè)計，避免信號干擾；在數(shù)字層面上需要對接入的各類用電設(shè)備的電力參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測、跟蹤、分析、預(yù)警等，充分發(fā)揮中臺和后臺的算力支持、算法支持，并通過調(diào)節(jié)三相平衡，濾除諧波等手段進(jìn)一步提升配電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、靈活性、經(jīng)濟性、環(huán)保性。

對于通訊需求，基于前期光纖、線孔預(yù)留，按照相關(guān)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)要求，通過對路由、光纖、網(wǎng)線、無線節(jié)點等資源的集約利用，疏通智慧城市的通訊 “脈絡(luò)網(wǎng)”。此外，考慮到各類設(shè)備產(chǎn)品的“即插即用”要求，在路燈專網(wǎng)架構(gòu)中，對各級箱式變、路燈終端統(tǒng)一了接口標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計和數(shù)據(jù)庫、協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化要求。通過規(guī)定統(tǒng)一通信制式、統(tǒng)一通信協(xié)議等方式接入各類用電設(shè)備，實現(xiàn)功能整合、數(shù)據(jù)整合，從而保證專網(wǎng)的集成能力。通訊網(wǎng)絡(luò)的搭建將為后期大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的融合以及中臺、后臺的完備升級提供穩(wěn)定、安全、便捷的數(shù)據(jù)和通信支持。同時將路燈專網(wǎng)納入現(xiàn)有城市照明智能化系統(tǒng)，構(gòu)建數(shù)據(jù)互通、互知的城市綜合管理體系。

2.4 大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)應(yīng)用

大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)既是新基建的重要組成部分，也是推進(jìn)智慧城市建設(shè)的重要“武器”。隨著城市的飛速發(fā)展，城市治理中面臨著來自不同維度的爆炸式增長的運營數(shù)據(jù)，亟需更加科學(xué)高效的技術(shù)手段進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘、關(guān)聯(lián)分析，搭建穩(wěn)健、準(zhǔn)確的智慧模型為城市治理提供事件分析、研判、預(yù)測等決策支持。

對于城市用電而言，負(fù)荷預(yù)測、調(diào)節(jié)對于配電網(wǎng)的穩(wěn)定性和能效至關(guān)重要。在路燈專網(wǎng)架構(gòu)下，建立專網(wǎng)整體的云端后臺和中臺等“大腦”以及各級配電設(shè)施內(nèi)嵌的前端“小腦”，通過各級配電設(shè)施覆蓋感知設(shè)備，獲取各類設(shè)備用電的實時參數(shù)數(shù)據(jù)，利用機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等算法，對路燈專網(wǎng)各級數(shù)據(jù)分析、擬合，根據(jù)不同設(shè)定目標(biāo)，得出優(yōu)化策略，向終端下達(dá)控制指令，實現(xiàn)配電網(wǎng)的負(fù)荷預(yù)測、平衡，容量調(diào)度和相關(guān)事件的響應(yīng)等，促進(jìn)配電側(cè)和用戶側(cè)供需的雙向互動，提高供電服務(wù)和管理水平。

邊緣計算技術(shù)也是路燈專網(wǎng)的重要技術(shù)之一。南京路燈所研發(fā)的路燈智能機器人內(nèi)部集成了供電、通訊脈絡(luò)以及大量感知設(shè)備，基于內(nèi)嵌的人工智能算法，能夠根據(jù)不同交通應(yīng)用場景，發(fā)揮感知、執(zhí)行、分析多種功能，實現(xiàn)前端自治。對于路燈專網(wǎng)中的配電設(shè)備和智能終端，同樣也可以通過邊緣計算技術(shù)實現(xiàn)不同場景的識別、需求分析，從而在數(shù)據(jù)源頭執(zhí)行更加優(yōu)化的供電通訊策略，避免延遲影響，提升整體智能化水平。

通過智慧城市后臺和路燈專網(wǎng)各級設(shè)施的中臺這顆 “大腦”，加上設(shè)備前端這顆“小腦”，以更加全面智能的感知手段充分考慮應(yīng)用場景和實際需求，基于人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)實現(xiàn)更高效、更智慧、更靈活的調(diào)控，從而發(fā)掘和釋放城市運營數(shù)據(jù)的潛在價值。

3 路燈專網(wǎng)功能

3.1 深化照明體系

路燈專網(wǎng)是傳統(tǒng)城市路燈供配電系統(tǒng)在新基建背景下的技術(shù)升級。根據(jù)高效節(jié)能的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，通過更加科學(xué)合理的專網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計，實現(xiàn)城市中低壓配電規(guī)劃的集約化、網(wǎng)格化建設(shè)和管理，減少各類城市公用設(shè)施建設(shè)施工的成本和過程碳排放，對城市美化和地上地下空間資源統(tǒng)籌利用發(fā)揮重要貢獻(xiàn)。

通過打造路燈專網(wǎng)，將充分挖掘并發(fā)揮城市路燈設(shè)施的存量優(yōu)勢，以技術(shù)手段構(gòu)建城市配用電的“毛細(xì)管網(wǎng)”，進(jìn)一步推動城市照明行業(yè)的主動轉(zhuǎn)型和技術(shù)革新。

3.2 服務(wù)智慧城市

路燈專網(wǎng)是順應(yīng)智慧城市發(fā)展，連接整合產(chǎn)業(yè)、技術(shù)、管理等要素的智慧中樞。依托在城市中廣泛分布的路燈設(shè)施，能夠大大提升城市中低壓配電設(shè)施的密度，便于各類城市智慧設(shè)施的用電、通訊接入。同時通過建立統(tǒng)一的云端后臺，結(jié)合專網(wǎng)各級設(shè)施的數(shù)據(jù)中臺和智能前端，利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，實現(xiàn)智慧化、數(shù)字化、輕量化的用電管理，有效促進(jìn)城市供電側(cè)和用戶側(cè)的供需雙向互動格局，提高城市配電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性，與此同時集約化的建設(shè)管理將大大減少城市照明與智慧城市設(shè)施的運維成本。

通過路燈專網(wǎng)的構(gòu)建，將充分調(diào)動行業(yè)內(nèi)產(chǎn)品研發(fā)、技術(shù)升級的積極性和創(chuàng)造性，催生更新的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈上下游流動互補，融合跨行業(yè)產(chǎn)業(yè)生態(tài)，打通智慧城市建設(shè)的市場壁壘，為智慧城市建設(shè)提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)和管理。

3.3 激發(fā)運營價值

路燈專網(wǎng)是智慧城市運營中各方基礎(chǔ)設(shè)施用電數(shù)據(jù)的監(jiān)管平臺。相比于以往的多元化投資建設(shè)主體模式，路燈專網(wǎng)通過現(xiàn)有城市路燈供配電系統(tǒng)的延伸、升級，為各類城市用電終端提供更集約、更靈活、更輕量化的用電服務(wù)，大大提高設(shè)施、資源集中度，拓寬智慧城市建設(shè)的運營空間。以數(shù)據(jù)流作為提供服務(wù)流的重要依據(jù)，有效支撐“數(shù)字中國”發(fā)展戰(zhàn)略，發(fā)揮數(shù)據(jù)作為生產(chǎn)要素的重要作用，盤活智慧城市各方資源，充分釋放數(shù)據(jù)價值，輔助智慧城市運營發(fā)揮更大的社會效益和經(jīng)濟效益，破解當(dāng)前智慧城市建設(shè)可持續(xù)運營的困境。

4 結(jié)語與展望

面對新基建和智慧城市建設(shè)的不斷推動，如何有效促進(jìn)城市現(xiàn)有公共基礎(chǔ)設(shè)施升級改造，通過技術(shù)、管理賦能滿足日益增長的各類需求是城市管理者和建設(shè)參與者努力的重要方向。本文基于現(xiàn)有城市路燈供配電系統(tǒng)，提出了“路燈專網(wǎng)”的定義，從箱網(wǎng)搭建，能源通訊網(wǎng)絡(luò)搭建和物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的應(yīng)用多個方面闡述了路燈專網(wǎng)的整體架構(gòu)。后期隨著直流供電、儲能等技術(shù)的進(jìn)步，路燈專網(wǎng)的節(jié)能效益和應(yīng)急能力將進(jìn)一步完善，同時隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的升級，路燈專網(wǎng)的數(shù)字化、智能化水平和綜合管理能力也將大大提升，逐漸成為智慧城市建設(shè)運營的重要組成部分和核心產(chǎn)業(yè)平臺。