地鐵直流智能照明系統的調光應用分析

李家旭，李小亞，劉海浪，詹浩杰，韋 晶

(1.廣州地鐵設計研究院股份有限公司，廣東 廣州 510010；2.杭州中恒派威電源有限公司，浙江 杭州 310000)

引言

地鐵直流智能照明系統采用DC220V的直流電為燈具供電，相對于傳統的交流供電方式，可以提高供電線路的安全性，燈具的使用壽命延長，傳統燈具在DC220V輸入的情況下，也可以兼容正常工作。同時，該系統具備智能調光功能，相對于交流供電方案下的智能調光系統存在較大的差異，利用直流供電系統的特性，通過直流供電線路傳遞調光指令，實現照明的智能控制。本文主要介紹地鐵直流供電下的智能調光通信方案及應用效果。

1 地鐵直流智能照明系統的調光方案

1.1 系統架構

地鐵直流智能照明系統將直流供電技術與LED智能照明相結合，采用DC220V的直流電為LED燈具供電，并集成智能調光控制功能，利用直流供電線纜傳輸調光指令，LED燈具端可解析該指令，實現安全供電及智能調光。該系統主要由直流電源柜、LED燈具(含DC-DC電源、LED燈)、直流照明管理平臺以及傳感器模塊組成[1]，如圖1所示。

圖1 地鐵直流智能照明系統架構圖

(1)直流電源柜。直流電源柜是該系統的核心單元，主要負責將交流電轉換為直流電，為后端的設備功能。直流電源柜具備智能控制功能，包括柜內各個功能模塊的狀態監測、故障告警、回路控制等，同時具備調光控制功能，該功能與LED燈具端的DC-DC電源聯動，實現照明的調光控制。

(2)LED燈具。LED燈具內置DC-DC電源，該單元輸入工作電壓與直流電源柜的輸出電壓相匹配。同時，該DC-DC電源內置通信模塊，可以與直流電源柜進行通信，實現LED燈亮度的調節。

(3)直流照明管理平臺。地鐵站的直流智能照明系統的服務器采用本地部署的方式，站內的全部直流電源柜通過以太網通信組網，直流照明管理平臺可以實現對全站的直流電源柜。同時，BAS系統與直流照明管理平臺相連接，車站控制室實現對直流智能照明系統的實時控制及狀態監測。

(4)傳感器。地鐵照明的智能化控制引入多種類型的傳感器，如出入口區域的照度傳感器、設備區走道的紅外傳感器、站臺門燈帶的光電傳感器，根據傳感器采集的數據，對照明進行開關及調光控制，實現按需照明。

1.2 系統優勢

(1)供電更安全。人觸電傷害主要取決于電流強度和時間長度。國標GB/T 13870.1—2008 《電流對人和家畜的效應第1部分通用部分》 中關于交直流電對人體的傷害做了解釋，如圖2所示。

圖2 交直流電對人體的傷害程度

由圖2可知，交流電流5 mA以內，人體有感知和不自主的肌肉收縮，但通常沒有有害的電生理學效應；直流電流20 mA以內，人體有無意識的肌肉收縮，但通常沒有有害電生理學效應。系統采用DC220V直流供電，直流懸浮輸出，輸出正極和負極均不直接接地，可提高照明用電的安全性[2]。

(2)燈具可靠性更高[3]。當前照明燈具交流電輸入，需要使用AC-DC電源，將交流電轉換成直流電，此過程存在較高的故障率。直流供電后，照明燈具僅需要使用DC-DC電源即可，用電設備可靠性提高，降低后期設備的運維成本。

(3)電網更純凈。直流供電系統采用集中整流，直流電源柜功率因數可達0.98以上、諧波電流≤5%，可有效提高對電網的利用率，降低對電網的污染。照明燈具使用DC-DC電源，紋波電流極低，無頻閃。

1.3 智能調光方案

傳統地鐵智能調光系統主要使用DALI系統，該系統方案成熟，應用廣泛。DALI系統敷設專用的DALI通信線，通過DALI控制器與燈具端的DALI電源形成組網，可對燈具的地址分配，實現照明的廣播調光和分組調光[4]。在地鐵直流智能照明系統下，存在多種智能調光方案可選，如下將介紹與該系統匹配度較高的三種方案。

(1)曼徹斯特編碼通信。直流電源柜具備輸出電壓的調節能力，因此，可采用輸出電壓調節變化的方式，形成一串二進制指令，該指令中包含執行功能信息、地址信息和調光亮度信息，通過直流供電線傳輸給LED燈具，LED燈具端的DC-DC電源內置的通信解碼單元進行解碼，實現照明的調光控制，如圖3所示。

圖3 曼徹斯特編碼通信示意圖

(2)降壓式通信。利用直流電源柜的輸出電壓可調功能，系統可采用輸出降壓的方式傳遞調光指令，例如DC300V對應亮度100%，DC250V對應亮度50%，通過直流供電線傳輸給燈具，燈具側的DC-DC驅動電源調節電流，實現照明的調光控制，如圖4所示。

圖4 降壓調光曲線

(3)直流電力線載波通信(Power Line Communication)。直流電力線載波通信技術(以下簡稱“直流PLC”)是利用直流供電線路傳遞信號，相對于戶外照明用的電力線載波技術，該技術不僅可以通過交流線路傳遞信號，也可以通過直流線路傳遞信號。末端的DC-DC電源內置直流PLC芯片，可以與直流電源柜中的控制單元進行通信，實現DC-DC電源的單燈控制及故障反饋[6]，如圖5所示。

地鐵照明場景需要實現分區調光控制，不同區域執行不同的調光亮度。由于地鐵站內長期有工作人員，因此通過單燈控制功能獲取單燈故障狀態的需求并非必要功能。由表1四種通信方式對比可知，曼徹斯特編碼通信方式可以滿足地鐵照明的需求，且成本適中，是較佳的調光方案。

圖5 PLC通信示意圖

表1 通信方式對比

2 曼徹斯特編碼通信

2.1 編碼定義

曼徹斯特編碼通過高低電平進行二進制編碼，但是并未設定絕對高電平和絕對的低電平，而是取的相對差值。

低電平 = 高電平-10 V

(1)

系統處于正常工作狀態時，直流電源柜輸出的母線電壓為高電平，如當前輸出電壓為DC220 V時，則高電平是DC220 V，低電平是DC210 V。在遠距離傳輸下，即使末端壓降，但是高低電平的10 V差值依然存在，保障了指令識別的可靠。

“1”： 100 ms高電平+100 ms低電平

“0”：100 ms低電平+100 ms高電平

根據地鐵照明場景的需求，定義一幀曼徹斯特編碼有以下幾部分：起始位、功能碼、模式碼、分區碼、數據碼、校驗碼等。

(1)起始位：標志數據傳輸開始；

(2)功能碼：此條指令的功能含義，如模式配置、模式切換、實時調光、快捷模式等；

(3)模式碼：此條指令的模式類型，如高峰模式、平峰模式、全亮模式、清掃模式、停運模式、火災模式、自定義模式等；

(4)分區碼：對應DC-DC電源設定的地址，不同區域設定不同的地址，實現分區調光；

(5)數據碼：DC-DC電源需要執行或存儲的亮度值；

(6)結束位：標志數據傳輸結束。

2.2 編碼范例

(1)實時調光。分區1調光50%編碼表如表2所示，圖6為其對應的波形圖。

(2)模式配置。分區1高峰模式燒錄亮度70%的編碼表如表3所示，圖7為其對應的波形圖。

表2 分區1調光50%編碼表

圖6 分區1調光50%波形圖

表3 分區1高峰模式燒錄亮度70%編碼表

圖7 分區1高峰模式燒錄亮度70%波形圖

(3)模式切換。切換至高峰模式的編碼表如表4所示，圖8為其對應的波形圖。

(4)快捷模式。切換至快捷模式1的編碼表如表5所示，圖9為其對應的波形圖。

表4 切換至高峰模式編碼表

表5 切換至快捷模式1編碼表

圖8 切換至高峰模式波形圖

圖9 切換至快捷碼1波形圖

3 智能照明應用效果

地鐵照明根據照明區域、燈具類型可以分為出入口照明、公共區照明、設備區照明、導向照明、廣告照明等[6](圖10和圖11)。直流智能照明系統根據綜合監控中心及車站控制室下發的運行時間表，對照明進行模式切換、實時調光及回路開關等控制。

圖10 站廳層區域分布圖

圖11 站臺層區域分布

(1)出入口照明。

出入口區域可分為飛頂、扶梯、過道等區域，對這三個區域的照明分別設定1、2、3地址，進行分區控制。

為實現按需照明，在飛頂區域設置照度傳感器，飛頂區域的照明開關及亮度調節與環境照度進行聯動。當環境照度越高，該區域的照明通過實時調光指令對分區1進行調光亮度降低或調光關燈；當環境照度越低，該區域的照明通過實時調光指令對分區1進行調光亮度提升。

扶梯區域和過道區域可根據時間表進行高峰、平峰、停運等場景模式進行切換，不同模式下預存初始亮度值，可快速進行模式切換。

(2)公共區照明。

公共區照明可分為站廳層非付費區、站廳層付費區、站臺層候車區、站臺門燈帶等區域。其中站廳層非付費區、站廳層付費區、站臺層公共區以場景模式切換的方式運行(表6)。

表6 運行區域不同模式下的預設亮度值

在高峰模式和平峰模式下，站臺門燈帶照明的開啟和關閉與微波傳感器狀態聯動，微波傳感器安裝在軌行區列車停靠后的尾端，監測列車進站狀態，當列車進站，站臺門燈帶照明開啟，當列車離站，站臺門燈帶照明關閉。

(3)設備區照明。

設備區照明分區室內照明和走道照明。室內照明處于長亮狀態，由室內面板開關控制。走道照明與紅外傳感器狀態進行聯動，當走道有人時，通過快捷碼調光的方式，將照明亮度調節至80%；當走道無人時，通過快捷碼調光的方式，將照明亮度調節至30%，實現節約能耗。

4 總結

地鐵直流智能照明系統目前已在蘇州地鐵5號線全線應用，照明控制通信方式采用曼徹斯特編碼通信方式，利用直流供電線路傳遞調光指令，實現照明的智能控制。相對于交流供電方案下采用的DALI調光系統，省去通信線纜的敷設，降低施工難度。同時，通過傳感器與直流電源柜的聯動實現按需照明、人性化照明。相信在未來，直流智能照明憑借其調光控制簡單、供電安全、延長后端用電設備壽命等優勢，在地鐵項目中將有越來越多的應用。