智慧路燈安全智能供電方案設(shè)計

李付偉，朱偉楠，盧 陽，李應(yīng)飛，馬榮兵

(上海五零盛同信息科技有限公司, 上海 200331)

引言

智慧城市需要利用先進的信息技術(shù)和完備的基礎(chǔ)設(shè)施，讓城市具有全面感知、資源互聯(lián)共享、智能協(xié)同作用，實現(xiàn)智慧服務(wù)和管理，讓城市朝著更深層次信息化發(fā)展[1]。路燈，在城市中數(shù)量眾多，是最密集的城市基礎(chǔ)設(shè)施。因此，具備“有網(wǎng)、有電、有桿”三位一體特點的智慧路燈，成為智慧城市建設(shè)中不可或缺的關(guān)鍵節(jié)點[2]。隨著5G、智慧城市、新基建等建設(shè)加速推進，智慧路燈建設(shè)掀起一股熱潮。2021年4月6日，住建部、網(wǎng)信辦等16部門聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于加快發(fā)展數(shù)字家庭 提高居民品質(zhì)的指導(dǎo)意見》，提出鼓勵建設(shè)智能停車、智能充電、智能燈桿、智能垃圾箱等公共配套設(shè)施[3]。2021年11月26日發(fā)布的《智慧城市 智慧多功能桿 服務(wù)功能與運行管理規(guī)范》(GB/T 40994—2021)中明確要求：智慧多功能桿應(yīng)能為掛載設(shè)備提供所需的交流及直流供電接口，宜具備漏電監(jiān)測、供電監(jiān)測、遠程控制、傾斜監(jiān)測、積水監(jiān)測和倉門開關(guān)監(jiān)測等功能[4]。

由于智慧路燈建設(shè)是將交警、公安、市政、城管等多個職能部門智能化設(shè)備統(tǒng)一建設(shè)，如何設(shè)計一套滿足各類傳感設(shè)施的安全供電系統(tǒng)，實時監(jiān)測不同設(shè)備的用電狀態(tài)，采集不同權(quán)屬部門的設(shè)備用電電量等問題至關(guān)重要。本文通過對當(dāng)前智慧路燈建設(shè)中存在的問題進行分析，結(jié)合未來運營管理需求，給出一種基于智慧燈桿智能控制器的智慧路燈智能供電設(shè)計方案。

1 安全智能供電設(shè)計的必要性

1.1 供電設(shè)計中存在的問題

近年來不少智慧路燈項目主要從完成任務(wù)角度來實施，對關(guān)鍵技術(shù)問題缺乏通盤考慮，導(dǎo)致電氣設(shè)計考慮不周全，供電通信配套不完善等技術(shù)痛點[5]。常見問題如下：

1)缺乏統(tǒng)一供電規(guī)劃。當(dāng)前智慧路燈供電設(shè)計多數(shù)采用傳統(tǒng)路燈建設(shè)供電設(shè)計模式，結(jié)合建設(shè)時安裝設(shè)施設(shè)備的供電需求進行設(shè)計，未考慮智慧路燈作為未來城市智能化設(shè)施重要載體的擴展需求，對預(yù)留供電冗余及如何根據(jù)需要拓展需求缺乏考慮。

2)無法對不同主體進行單獨計量。與傳統(tǒng)路燈相比，智慧燈桿集成不同用戶的設(shè)備，這些設(shè)備有市政用電、工業(yè)用電、商業(yè)用電，隸屬于不同管理部門，無法單獨計量，常見的通過供電線路進行區(qū)分，根據(jù)用戶不同鋪設(shè)不同供電線纜，將造成大量資源浪費，成本較高。

3)缺乏供電統(tǒng)一保護問題。智慧燈桿集成大量設(shè)備，用電防護等級層次不齊，這些設(shè)備若接在電纜上，一旦發(fā)生雷擊，會造成大量設(shè)備故障；同時，一個設(shè)備故障短路或者漏電時，會影響整個線路供電安全，供電的安全防護需要統(tǒng)一考慮。

4)缺乏遠程管理手段。智慧燈桿集成大量設(shè)備，并不是所有設(shè)備都需要24 h供電，像LED大屏在深夜無人時需要關(guān)閉，燈具白天需要關(guān)閉，亮化燈具在重大節(jié)日時才需開啟，針對這些設(shè)備的供電缺乏遠程管理手段。

5)缺少對供電環(huán)境的動態(tài)監(jiān)測。無論是供電箱體側(cè)或者是桿體側(cè)，要保障供電正常運行需要一個安全穩(wěn)定的環(huán)境。目前供電系統(tǒng)設(shè)計多以箱體環(huán)境監(jiān)測為主，缺乏對桿體如傾斜、內(nèi)部溫濕度、積水、震動等環(huán)境狀態(tài)的監(jiān)控。

1.2 智慧路燈建設(shè)供電需求

(1)統(tǒng)一供電規(guī)劃設(shè)計。智慧燈桿建設(shè)需要在規(guī)劃設(shè)計時，根據(jù)當(dāng)前用電需求同時結(jié)合未來用電需求統(tǒng)籌設(shè)計規(guī)劃，針對智慧燈桿集成的大量傳感器設(shè)備，根據(jù)其供電電壓、功率、接口形式、功耗時間曲線、防護等級等參數(shù)進行歸類區(qū)分，統(tǒng)一預(yù)留供電接口。

(2)分路用電計量采集。為方便管理和運營，需要單獨計量每種設(shè)備設(shè)施的耗電量，根據(jù)設(shè)備設(shè)施權(quán)屬單位的不同獨立結(jié)算用電費用；同時根據(jù)各類設(shè)備設(shè)施能耗情況進行能耗分析，設(shè)置相應(yīng)的節(jié)約能耗策略。

(3)統(tǒng)一供電用電保護。為保障各掛載設(shè)施設(shè)備的用電安全，需要在箱體側(cè)和每個桿體側(cè)設(shè)置浪涌防護裝置以及漏電保護裝置；同時為了避免單個設(shè)備短路或者故障對其他設(shè)備產(chǎn)生影響，為每個設(shè)備供電應(yīng)采用獨立過流、過載、短路保護措施。

(4)遠程控制管理。為避免能源浪費以及提高管理效率，需要為每個設(shè)備設(shè)施供電回路遠程實現(xiàn)供電開啟或關(guān)閉，同時可為每個供電回路設(shè)置供電開啟和關(guān)閉策略，遠程采集和監(jiān)控每個設(shè)備用電狀態(tài)，動態(tài)監(jiān)測到設(shè)備出現(xiàn)過載、過流、欠載、短路等用電故障并及時告警。

(5)動態(tài)環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測。為保障箱體內(nèi)安裝及桿體掛載各類設(shè)施設(shè)備正常運營，需要實時監(jiān)測箱體內(nèi)溫度、濕度、水浸、煙感等環(huán)境狀態(tài)，根據(jù)需求及時排風(fēng)降溫及告警；需要實時監(jiān)測桿體傾斜震動狀態(tài)，一旦桿體出現(xiàn)傾斜有傾覆危險及時告警。

2 供電方案設(shè)計

2.1 智能供電系統(tǒng)架構(gòu)

供電系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示，分為變壓器至綜合機箱、綜合機箱至燈桿、燈桿至設(shè)備三層供電結(jié)構(gòu)。從專用變壓器二次輸出側(cè)引入一路380VAC供電電纜至綜合機箱，綜合機箱根據(jù)需要的供電回路方向和數(shù)量，分別引出380VAC 24 h供電纜至每個內(nèi)安裝的智慧燈桿智能控制器，智能控制器輸出220VAC、24VAC、48VDC、12VDC、5VDC不同電壓等級回路供給桿體上掛載各類設(shè)備。

圖1 供電系統(tǒng)架構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of power supply system architecture

2.2 綜合機箱供電設(shè)計

綜合機箱內(nèi)部供電設(shè)計如圖2所示，綜合機箱采用5倉體設(shè)計，分為綜合配電倉、信號機控制倉、交通匯聚設(shè)施倉、公安匯聚設(shè)施倉、其他匯聚設(shè)施倉；變壓器二次側(cè)引入380VAC至綜合機箱內(nèi)綜合配電倉體的三相斷路器總閘，由三相斷路器總閘分別引至交流接觸器和斷路器，交流接觸器用以控制回路供電通斷，斷路器用以控制回路過載保護及手動通斷，斷路器一部分回路通過電纜引至每根智慧燈桿給桿體掛載設(shè)備供電，另一部分引至其他匯聚倉體給倉體內(nèi)匯聚設(shè)備供電。

圖2 綜合機箱配電示意圖Fig.2 Power distribution diagram of integrated cabinet

綜合機箱內(nèi)安裝回路控制終端，本文選用上海五零盛同信息科技有限公司的WJ3006回路控制終端，利用該設(shè)備遠程控制回路接觸器通斷，實時監(jiān)測每個回路電壓、電流、功率、漏電電流，根據(jù)監(jiān)測到實時數(shù)據(jù)判斷分析箱體供電是否正常，監(jiān)測到回路有過壓、過流、漏電、斷電等情況及時上報故障；實時監(jiān)測各回路剩余漏電電流，監(jiān)測到回路有漏電上報告警至系統(tǒng)平臺或直接斷開接觸器，確保回路供電安全；將箱體電子門鎖接至回路控制終端，遠程控制每個倉體開關(guān)，監(jiān)測每個獨立分倉倉門是否開啟，監(jiān)測箱體溫度濕度，根據(jù)箱體溫度濕度自動控制箱體排風(fēng)扇開啟和關(guān)閉。

2.3 桿體側(cè)供電設(shè)計

桿體側(cè)供電系統(tǒng)示意如圖3所示，綜合機箱的380VAC電源引至桿體側(cè)智慧燈桿智能控制器，智能控制器降壓整流處理后分別輸出交流220VAC、24VAC,直流48VDC、12VDC、5VDC；交流220VAC輸出電源可以給智慧燈桿掛載交流設(shè)備供電，如：通信基站、戶外信息屏、LED燈具等設(shè)備；直流48VDC給桿體掛載直流48 V設(shè)備供電，如：Wi-Fi基站AP、戶外廣播等；直流12VDC給桿體掛載直流12 V設(shè)備供電，如：攝像頭、交換機、一鍵報警、路側(cè)RSU、環(huán)境監(jiān)測、氣象監(jiān)測等；交流24VAC給桿體側(cè)掛載視頻監(jiān)控球機使用；直流5VDC給桿體掛載需要5V供電傳感器使用。

圖3 桿體側(cè)系統(tǒng)供電示意圖Fig.3 Power supply diagram of intelligent street lamp side system

在供電安全方面，通過智慧燈桿智能控制器一方面為各類不同供電電壓等級的掛載設(shè)備供電，另一方面實時監(jiān)測各類掛載設(shè)備供電電壓、電流、功率等狀態(tài)，監(jiān)測到設(shè)備過流、過載、短路等供電異常，及時斷開供電輸出，避免一個掛載設(shè)備損壞對其他設(shè)備產(chǎn)生影響。

在能耗節(jié)約方面，通過智能控制器根據(jù)需要為每個供電設(shè)備設(shè)置供電時段策略，如：LED燈具根據(jù)日出日落配置日落開燈、日出關(guān)燈或根據(jù)車流、人流狀態(tài)調(diào)整燈具亮度，戶外信息屏可配置深夜關(guān)閉策略，根據(jù)需要精準(zhǔn)控制實現(xiàn)節(jié)能。

在精細管理方面，通過智能控制器實時監(jiān)測每個掛載設(shè)備用電狀態(tài)，通過狀態(tài)分析設(shè)備是否正常，實時監(jiān)測每個設(shè)備消耗電量，用以掛載設(shè)備用戶電費結(jié)算；實時監(jiān)測桿體內(nèi)積水，一旦桿體內(nèi)出現(xiàn)積水立即告警并關(guān)斷用電設(shè)備，確保供電安全；實時監(jiān)測桿體傾斜及震動，桿體因外部原因?qū)е聝A斜碰撞及時告警；實時監(jiān)測桿體及設(shè)備倉體內(nèi)溫度和濕度變化，根據(jù)溫度和濕度變化啟動排濕散熱風(fēng)機；外接電子門鎖，通過系統(tǒng)平臺遠程開鎖，實時監(jiān)測門鎖狀態(tài)，記錄開鎖人員等。通過以上功能提高管理精細化和智能化水平。

3 工程實例

3.1 項目概況

本實例位于雄安新區(qū)，項目名稱為“雄安站樞紐片區(qū)市政道路(一期)工程”，包含地面道路共5條，分別為N1(K1～E1)、N9(K1～昝白公路)、E3(N1～N9)、E4(N1～N10)、E5(N1～N9)，全長9.83 km。項目包含地面道路的全線信號燈、照明工程、監(jiān)控工程、智能桿柱工程。項目采用智慧燈桿模式建設(shè)，涉及所有智能設(shè)施均依托綜合桿柱進行掛載和建設(shè)。

3.2 供電設(shè)計

道路照明負荷等級為三級，按照市政設(shè)施用電電源統(tǒng)籌設(shè)置的原則，綜合管廊、道路照明、景觀照明、交通監(jiān)控、雨水調(diào)蓄共用電源，在高鐵片區(qū)結(jié)合綜合管廊設(shè)置17座地下變電所，各變電所0.4 kV供電半徑不超過750 m，要求各供電回路電壓降小于5%，保證正常運行情況下照明燈具端電壓應(yīng)維持在額定電壓的90%～105%。變電所設(shè)計內(nèi)容納入綜合管廊工程。

一期工程地面道路分別由綜合管廊3#、4#、5#、6#、7#、12#、14#、17#分變電所供電。綜合桿柱、交通信號控制機等統(tǒng)一由綜合電源箱供電，箱內(nèi)進線端設(shè)置計量裝置和回路控制終端裝置，配電圖如圖4所示。從管廊分變電所引入380 V電源分為兩路，一路給桿柱及其掛載設(shè)備供電，一路給交通信號機和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備供電。

圖4 綜合電源箱配電圖Fig.4 Distribution diagram of integrated power box

在桿體側(cè)除無需供電、通信的道路標(biāo)識牌桿柱，其余桿柱內(nèi)均設(shè)置智能控制供電模塊，由其負責(zé)桿柱上設(shè)備的分路供電保護、計量、控制、通信等功能，桿體側(cè)接線示意如圖5所示。

圖5 桿體側(cè)供電接線示意圖Fig.5 Schematic diagram of power supply wiring at smart street lamp side

3.3 實施效果

本工程實例采用三級供電系統(tǒng)設(shè)計，綜合配電箱為照明、交通、公安、城管、移動通信等各權(quán)屬單位的設(shè)備設(shè)施提供統(tǒng)一的回路供電，并通過WJ3006照明回路監(jiān)控終端實時監(jiān)測各回路供電狀態(tài)，監(jiān)測各供電回路供電電壓、電流、功率、電量、漏電流等數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)了各類設(shè)施設(shè)備供電的統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一設(shè)計、統(tǒng)一供電、統(tǒng)一控制、統(tǒng)一監(jiān)測。

桿體側(cè)通過桿柱電源管理模塊，實現(xiàn)對桿體上掛載各類設(shè)施設(shè)備的供電、保護、計量、監(jiān)測任務(wù)，同時監(jiān)測內(nèi)環(huán)境狀態(tài)，預(yù)留擴展供電及監(jiān)測接口，方便后期設(shè)備掛載拓展，并通過后臺管理軟件實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的實施監(jiān)測。現(xiàn)場效果如圖6所示，后臺管理軟件如圖7所示。

圖6 現(xiàn)場效果圖及桿體側(cè)智能控制器效果圖Fig.6 Effect drawing of intelligent street lamp and intelligent controller

4 結(jié)論與展望

在新基建、5G、智慧城市建設(shè)的風(fēng)潮下，國內(nèi)各個城市開展基于城市照明的智慧燈桿建設(shè)、智慧城市體系的設(shè)計，開展共桿、共箱、共管等新基建的分步實施[6]，智慧燈桿建設(shè)是未來城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要方向和趨勢。依托智慧燈桿構(gòu)建的供電網(wǎng)絡(luò)是智慧城市的動力系統(tǒng)，供電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計至關(guān)重要。智慧燈桿國家標(biāo)準(zhǔn)明確了對智慧燈桿的供電智能化管理要求，通過綜合機箱與桿體側(cè)兩級配電管理設(shè)計，可有效解決智慧燈桿在建設(shè)、管理、運維、運營方面存在的問題，本文所述的智能供電設(shè)計具有以下特點：

1)實現(xiàn)了綜合機箱的箱體側(cè)及桿體側(cè)不同設(shè)備、不同權(quán)屬單位統(tǒng)一供電設(shè)計；

2)實現(xiàn)不同設(shè)備權(quán)屬單位分路用電計量采集設(shè)計；

3)系統(tǒng)性解決了各類設(shè)備漏電、過載、過流、短路等常見故障監(jiān)測、監(jiān)控、保護問題，解決了設(shè)備間用電異常相互影響問題；

4)實現(xiàn)綜合箱體及桿體側(cè)供電策略控制，根據(jù)需要配置供電策略，實現(xiàn)遠程管理節(jié)約能耗；

5)實現(xiàn)綜合配電箱及桿體動環(huán)監(jiān)測，實時監(jiān)測綜合箱體及桿體各種環(huán)境參數(shù)及安全狀態(tài)，提高精細化管理水平。