集中供電系統在智慧多功能桿設計中的應用

余劍青，初天舒

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518000]

1 智慧多功能桿概述

近年來，智慧多功能桿（Intelligent multifunctional pole）逐漸成為智慧交通領域中使用最多的熱點設備[1]。在即時通信的基礎上，智慧多功能桿集成了多種智能模塊以及傳感設備，除可調光燈具外，智慧多功能桿將會根據周圍環境變化以及智慧交通需求裝載不同的智能設備[2]。智慧多功能桿集視頻采集、智能照明、慢行服務、移動通信、環境監測、設施監測等諸多功能于一身，是智慧交通建設中不可或缺的重要載體[3]。

工程上一般按照功能將智慧多功能桿分為信控路口智能桿、非信控路口智能桿、路段智能桿三類。根據道路需求配置智能照明、視頻采集、5G 微基站、慢行服務設備、車路協同路側單元、一鍵呼叫、公共廣播等設備，如圖1 所示。

圖1 智慧多功能桿

智慧多功能桿在“新基建”和智慧交通建設中都扮演著重要角色[4]。一方面，智慧多功能桿具有精確的控制策略和智能調光模式，不僅可以節約電能，同時也可以達到保護環境的目的[5]；另一方面，在城市基礎設施建設中統一安裝智慧多功能桿，可以對城市公共照明進行統一管理和監控，有效提高城市照明管理效率，降低運營成本。另外，在先進的傳感器技術支持下，管理者可針對不同場景進行多種模式的燈光控制，增加城市景觀的觀賞性，提高城市形象。隨著5G 技術的興起，越來越多的5G 基站投入使用，在智慧多功能桿上掛載5G 微基站通信單元，相較于照明、WiFi 等其他設備，5G 基站具有更大的功率，因此其對電源容量和接口的要求也隨之增加。

黨的十九大報告指出，要構建清潔低碳、安全高效的現代能源體系。市政設施的供電電源是實現低碳、節能的關鍵執行者之一。然而，目前路燈供電技術領域仍然存在電源結構不合理、占用空間大、管線復雜等問題。電源系統作為照明工程中的重要組成部分，對能源結構升級轉變的影響不可忽視。

雖然智慧多功能桿使城市更加智能化、節能化[6-7]，但是目前的智慧多功能桿系統都存在土地資源空間占有過大的問題。大多數智慧多功能桿采用照明與其他智慧設備各自獨立的供電方式，在土地資源日益緊張的情況下，會使供電電纜及管線占用更大的安裝空間，且在更換檢修時十分不便，降低了工作效率。因此，現階段亟須設計一種便于安裝且節省空間的智慧多功能桿電源，以解決上述問題。

2 集中供電系統在工程實際中的優勢分析

目前，市政道路建設中考慮到道路周邊地塊各種應用場景對于水、電、燃氣等需求的日益增加，在道路下方通常會附建有很多給水、燃氣、電力通信等市政管道，導致地下管線空間十分擁擠，影響照明管線布置。在滿足《城市工程管線綜合規劃規范》的前提下，智慧多功能桿的管道占有空間較多，嚴重影響其他管線的敷設，使得其他管線布置時超出道路紅線，造成用地緊張問題，如圖2 所示。

圖2 擁擠的地下管線空間

在傳統的智慧多功能桿供電系統設計中，通常采用照明供電與智慧設備供電分離的方式，這在一些規劃寬度較小且管線較多的道路中難以實施，給道路建設造成困難。同時，針對不同設備需要多根電源線與其相連接，在道路建設時須穿管道埋入地下。例如，智慧多功能桿通常采用“2+8”模式（2 根路燈供電+8 根智慧設備供電、通信管道），需要敷設10根管道，施工成本大幅增加，使得智慧多功能桿的建設缺乏經濟性。智慧多功能桿管道敷設示意圖如圖3所示。

圖3 常規智慧多功能桿埋管示意圖

此外，如圖4 所示，現有的集中供電系統在道路照明領域應用較少，這些集中供電設備普遍占有空間較大，并且都設置在路燈外，無法從根本上解決地下管線擁擠的問題。

圖4 常規路燈集中供電設備

針對以上問題，本文提出一種安裝在智慧多功能桿內部的模塊化集中供電電源系統，采用交流、直流分別輸出的供電策略，集中為照明燈具以及智慧多功能桿掛載的設備供電。此系統既減少了地下埋設的管道數量，又能保證智慧多功能桿掛載的設備供電不受影響，減少施工成本，克服智慧多功能桿電源線路復雜、檢修效率低下且照明和智慧設備無法統一供電的問題；同時簡化設備的安裝與拆卸，提高施工和檢修效率。模塊化集中供電電源與傳統智慧路燈供電電源對比見表1。

表1 模塊化集中供電電源與傳統智慧路燈電源性能對比

3 集中供電電源模型構建探討

本文構建的集中供電電源模型以市政箱變經變壓器將電壓降為220V，并將其分為多路——一部分電路直接用于設備供電，另一部分經整流電路、穩壓電路調整后輸出直流電壓為其他設備供電。電源系統框圖如圖5 所示。

圖5 電源系統框圖

電源模型主要由供電主體和供電模塊兩部分構成。電源主體設置在路燈燈桿的檢修門附近，形狀為矩形，電源與路燈燈桿兩側要留出適量距離以便于安裝、拆卸和維修，如圖6 所示。

圖6 電源位置示意圖

智慧多功能桿在工作時通常會掛載很多智慧設備，需要交流和直流的多個數值的電壓輸出，因此電源主體應主要起到轉換器的作用，根據設備供電不同需求將箱變輸入的AC 380 V 電壓通過整流電路轉化為適應不同設備的AC/DC 供電電壓，供電模塊概念圖如圖7 所示。

圖7 電源供電模塊概念圖

電源的供電模塊是基于智慧路燈掛載設備的分類進行設計的，共有11 種設備，如圖8 所示，出于對工程實際以及設備維護等方面的考慮，額外增加1個應急供電模塊，共12 個供電模塊。

圖8 常規智慧多功能桿掛載設備

電源電路圖如圖9 所示。電源電路的輸入端電源由220 V 交流電經變壓器提供，經電源模塊主體引出6 路220 V 交流電壓，其中5 路分別為照明、5G基站、LED 信息發布屏、一鍵呼叫電話系統以及應急電源供電，另一路通過KBPC3510 整流橋進行整流，將交流電壓整流為直流電壓。

圖9 集中供電系統電路圖

根據智慧多功能桿掛載設備的額定電壓（見表2），濾波后的電壓經三端穩壓器形成穩壓直流電源電路，穩壓器選用三端穩壓器LM7812 和LM7824。整流后的電壓分別為24 V 和12 V 的直流電壓模塊，其中24 V 直流電壓模塊為監控設備（額定電壓為24 V）、環境監測設備供電，12 V 直流電壓模塊為監控（12 V 額定電壓）、無線WiFi、廣播等設備供電。

表2 智慧路燈掛載各設備電壓及功率

通過該集中供電模型，可以實現在敷設一條供電電纜的情況下，使用一個電源主體為智慧多功能桿上的多種設備供電，釋放地下空間，降低設計難度，同時可以將照明工程中管道敷設的費用減少80%，極大地節約了施工成本。

4 結論

本文針對目前智慧多功能桿電源研究現狀，提出一種模塊化集中供電的電源系統，通過整流電路將各設備供電設計成獨立的供電模塊，每個模塊都可視設備的種類獲得不同的輸出電壓，同時將所有模塊集成在一起，優化了電源結構，節約安裝空間且安裝方便。智慧多功能桿模塊化集中供電電源的出現是對傳統照明供配電技術的探索和創新，最大程度降低了照明工程的建設成本，對于推動能源革命，節省土地空間，減少施工成本都具有重要意義。