變色溫LED自適應照明控制系統在隧道節能中的應用

王 琥

(廣西交投科技有限公司，廣西 南寧 530009)

0 引言

隨著“一帶一路”倡議和《國家高速公路網規劃》的實施，高速公路建設行業正以前所未有的速度推進，有力地促進了我國經濟發展和社會進步。廣西高速公路網規劃中提出，至2030年建設建成高速公路里程數突破1.5萬km。而廣西地處喀斯特地貌，地形地貌多以山丘為主。隨著高速公路里程數的推進，隧道的里程數也將逐步攀升。然而隧道的運營管養花費巨大，30%～40%的花費集中在電力照明系統中[1-2]，負擔沉重。同時，廣西多數隧道照明系統老舊，電能浪費嚴重，且不滿足當前行車安全要求。因此，對隧道照明節能系統的研究不僅對節能減排有很大功效，對于行車安全也能起到保障作用。

通過對廣西區內高速公路隧道照明現狀的大量調研可發現，隧道照明耗能十分嚴重，極大增加了運營成本。主要原因為：(1)隧道照明燈具選擇不合理[3-4]，高消耗的燈具如鈉燈仍在大量使用；(2)隧道照明控制系統的控制方式過于陳舊，主要采用的控制方式有手動開關控制、分時控制和分級控制[5-6]，白天時段隧道幾乎是100%處于照亮狀態，形成巨大的能源浪費。鑒于以上隧道照明系統問題，本文從多方面節能措施進行隧道照明系統的改造，提出了一種變色溫LED自適應照明控制系統，在梧州倒水隧道進行試點試驗并進行相應的分析。

1 自適應照明控制系統總框架節能設計

1.1 自適應照明控制系統總體架構

自適應照明控制系統主要由供電系統和調光系統組成，如圖1所示。供電系統將電網交流電經過逆變轉換成直流高壓(380 V)輸出，在變色溫燈處由DC/DC轉換成變色溫燈具額定電壓。自適應照明控制系統主要由數據采集模塊、控制模塊和變色溫燈具組成。數據采集模塊由洞外亮度計采集數據后，送至集中控制器進行分析，按調光策略對每一個燈具調光控制器下發命令，控制燈具電流，完成燈具調光，實現洞內照度隨著洞外亮度的變化而變化的目標。

圖1 隧道照明控制系統框架圖

根據圖1所示系統構架可知，可從光源類型、供電方式、控制策略三方面進行隧道照明的節能和行車安全性能改善。

1.2 光源的選擇

在燈具的選擇上主要考慮以下幾個具體的指標，主要包括能耗性能、色溫和使用壽命等因素[7-9]。能耗性能在節能上具有極高價值意義；色溫對行車安全、駕駛員行車舒適度起到關鍵作用；燈具壽命關乎工程成本，對運營期維護成本的降低具有指導意義。本文主要采用廣西高速公路隧道工程常用的鈉燈、普通LED和變色溫燈三種燈具進行對比。

(1)在能耗方面，滿足單位面積照度要求的情況下，所需的鈉燈功率大于普通LED，而變色溫燈具所需的功率略低于普通LED燈。

(2)在色溫性能上，鈉燈主要偏向暖色調，色溫低、偏黃、不舒適；普通LED主要偏向冷色調，色溫高、偏白、不舒適；變色溫燈具主要由3 000 K和6 500 K兩種色溫芯片組成，通過兩芯片的顯色比例可實現3 000～6 000 K的任意色溫調節，如圖2所示。變色溫燈具可根據洞外的自然光色溫/照度變化實現洞內的色溫/照度變化，從而為后期的調光提供硬件基礎。

圖2 色溫變化曲線圖

(3)在使用壽命上，鈉燈平均是2 000 Hrs，普通LED和變色溫燈具平均是5 000 Hrs；鈉燈光衰比較大，在使用2 000 h后，光衰約為30%，而普通LED和變色溫燈約為1%。

綜上所述，變色溫燈具具有以下幾個優點：

(1)照明舒適度高，可實現洞內亮度和色溫隨洞外亮度的變化而變化，使洞內外具有良好的一致性，有效提升了駕駛人員的舒適度，保障了隧道行車安全。

(2)預期節能效果最為明顯，特別是相對于廣西區內正大量服役的鈉燈而言，是鈉燈的最佳替代者。

(3)使用壽命長，色衰低。

1.3 供電系統的選擇

隧道照明供電系統主要有兩種模式，即交流供電方式和直流供電方式。目前廣西使用LED燈具的隧道多采用交流供電方式。在供電方式的選擇上，主要考慮以下幾個因素，包括線損、功率因數、可控可調性等[10-11]?，F對交流、直流供電之間進行對比。

(1)在線損方面，相同的電壓下進行測試，電壓和電流的關系如表1所示。由表1可知，直流流經LED的電流約為交流供電的50%，因此，對于同等供電線路長度和同等負載的情況，交流供電線損約為直流供電線損的兩倍。

表1 交直流供電下U-I關系表

(2)在功率因數上，交流供電工作下的LED功率因數一般只有0.5～0.6[11]。同時，由于LED工作原理的特殊性，單個LED在交流供電方式下會產生很多奇數高次諧波，從而導致電流變形。但隧道中的燈具數以千計，當接入多個LED燈具后，整個線路將會產生大量的奇數高次諧波，嚴重影響線路的電能質量并影響電網，造成能源的浪費。而在使用高壓直流供電的方式下，可以通過功率因數校正(PFC)改善整條供電系統的諧波性能，提高功率因數，達到節約電能的目的。

(3)在交流供電的方式下，無法通過無極控制的方式使得LED平滑調光，從而導致無法在隧道照明中按需調節亮度，造成電能的浪費。而在直流供電的方式下，可通過直流電壓的平滑控制，實現LED燈具的無極線性調光、階梯調光、準線性調光等多樣化控制。

為了在同等的測試條件下，對比計量交流和直流兩種供電方式的電量差異，采取在同等負荷的LED燈具、同等的運行環境與工況下，分別計量交流和直流供電時，相同運行時間后的耗電量。

測試條件為：20盞60 W燈具，計1.2 kW；測試設備包括：直流供電柜、直流電量測試終端(350 V/3 A)、霍爾傳感器輸入(30 A/3 V)、交流電表(220 V/5 A)；分別在不同時段進行長時間測試。測試結果如表2所示。

表2 交流、直流供電條件下試驗結果對比表

通過試驗結果分析可得：

①直流供電下：

24 h用電量：28.226 kW·h；

平均每小時用電量：1.176 kW·h。

②交流供電下：

24 h用電量：29.35 kW·h；

平均每小時用電量：1.223 kW·h。

經直流供電與交流供電運行同時間后的電量數據對比分析后，發現直流供電24 h用電量比交流供電節約了1.124 kW·h，平均每小時節約電量約0.047 kW·h，節能率約為3.8%。

綜上所述，直流供電主要有線損更小、功率因數更高、可實現平滑調光等優點，本項目將采用直流供電的方式。針對單燈控制所耗控制器多的情況，從成本角度考慮，本文傾向于高壓直流供電。供電系統如圖3所示。

圖3 直流供電框架圖

1.4 自適應照明控制策略

本文將洞外的亮度分為多個等級，最高等級取隧道照明設計文件中的設計亮度值，洞外亮度為0～1 050 cd左右，按150 cd分為7個等級，>1 050 cd的部分，按1 000 cd到設計均值按線性劃分為3個等級。洞內亮度按相應等級，根據《公路隧道設計規范 第二冊 交通工程與附屬設施》中照明設施部分的規定進行折減計算，相應地等間距劃分十個等級一一對應洞外照度。隧道一般分為入口段、過渡段、中間段和出口段，一一對亮度進行劃分并對應洞外亮度，以便控制系統調取參數使用。

2 試點測試及分析

本文以梧柳路(梧州至柳州)倒水隧道為試點工程，于隧道洞外安裝環境亮度采集模塊，在變電所內安裝直流供電檢測系統和集中控制器模塊，在洞內安裝可變色溫燈具，并對安裝調試完成后的系統進行亮度等相關測試。

2.1 工程概況

倒水隧道左洞長度335 m，右洞長305 m。其洞外亮度取值均為3 000 cd/m2，洞外亮度折減系數為0.035。原設計該隧道主體照明采用LED燈具200 W、160 W和100 W作為加強照明，60 W作為基本照明，基本照明燈距為16 m，兩側交錯布置。采用變色溫燈具新設計方案為：入口段1、入口段2設計采用120 W-LED變色溫燈，過渡段1、過渡段2設計采用60 W-LED變色溫燈作為加強回路照明，基本照明使用60 W-LED變色溫燈照明，間距為12 m。隧道采用兩階段控制，白天采用自適應控制調節燈光，晚上采用時序控制。洞外亮度上限值按設計文件取3 000 cd/m2。

2.2 變色溫燈設計效果分析

按照時序控制方法：(1)白天模式：隧道加強照明全開，基本照明(含應急照明)全開，全年平均按10 h；(2)晨暮模式：隧道加強照明開一半，基本照明(含應急照明)全開，全年平均按4 h；(3)夜間模式：隧道加強照明全關，基本照明(含應急照明)開一半，全年平均按10 h。新舊方案負載對比如表3所示。

表3 新舊設計方案負載功率對比表

新舊方案的能耗對比如下：

Wnew=[(6.06+74.04)×10+6.06×0.5×10+(0.5×74.04+6.06)×4]×365=366 321.3(kW·h)；

Wold=399 675(kW·h)；

則年耗電節約比例為：

R=Wold-Wnew/Wold=8.34%

從以上數據可以分析出，在同樣滿足隧道照明要求的情況下，變色溫燈具可以通過合理的搭配組合，減小照明回路設計的冗余，降低整個照明系統的負荷，達到節能效果。

2.3 變色溫燈具及直流供電效果分析

為了有效驗證變色溫技術方案與直流供電對隧道照明運營帶來的節能效果，對同等長度的倒水隧道、烈村隧道在同一天進行了相關數據的采集測試。其中烈村隧道為采用交流供電下的常規LED可調光燈具，倒水隧道為采用高壓直流供電下的變色溫燈具。耗電對比如表4所示。

表4 交直流耗電對比表

由表4可知，直流供電的實際耗電量比交流供電少Wc=48.6-36.6=12.0(kW·h)。

直流供電的實際耗電量比交流供電少12.0 kW·h，節能效率η=12.0÷48.6=24.7%。

2.4 自適應控制系統的效果分析

2.4.1 自適應調光系統節能分析

分別測試倒水隧道右洞加強照明回路自動光控與左洞加強回路固定功率(100%)下的用電數據，如表5所示。

表5 調光系統耗電對比表

由表5可知，節電效率η=(36.648-31.580)/36.648=13.38%。

2.4.2 自適應調光系統控制效果

對倒水隧道洞外亮度及入口段亮度進行24 h監測，圖4所示即為1 d隧道洞內(入口段)和隧道洞外亮度的變化趨勢。從圖4可知，洞內亮度可以跟蹤洞外亮度趨勢，達到自適應控制的效果。

(a)洞外亮度24 h變化曲線

3 結語

本文設計了一種變色溫LED自適應隧道照明控制系統，對傳統隧道照明缺陷進行改進，給出了具體的多方面節能措施方案。該系統簡單經濟、穩定可靠、實時性好，在降低隧道耗能和運營成本方面有較強的推廣價值。