LED直流集中供電在隧道照明中的應用研究

葉宗勇

（江西方興科技股份有限公司，江西 南昌 330000）

0 引言

供電距離長、負載高是公路交通供電的主要特點。隨著智慧高速的推進，對電網供電的安全性和穩定性提出了更高的要求，且將提高轉換效率和降低環境污染作為智能綠色節能交通的主要目標。隧道機電設備包括LED 照明、安防、災備、廣播、監控、通信等設備，營運單位不僅要確保其安全、穩定、可靠運行，還要實現智能控制，以及環保節能按需供電。因此，需要在隧道照明領域合理應用安全、經濟、節能、智能控制的供電技術[1]。

1 LED 直流集中供電整體解決方案

提出采用集中供電技術為隧道內的機電設備供電，以保證機電設備的運行可靠性，并改善現有機電設備在AC 到DC、DC 到DC 兩級變換過程中，AC/DC驅動器電解電容器件所帶來的影響。通過直流集中供電的方式，在地面上將交流電整流成直流輸出，這樣在隧道機電設備端僅需一個DC/DC 一級變換。同時，由于電路結構簡單，機電設備驅動電源效率可達95%以上，能夠大幅提高設備的可靠性。此外，采用直流集中供電還能在實現節能減排的同時，便利地面維修，有效降低后期運營成本。同時，通過提供直流集中供電柜，可將所有電源供應、外部接口、智能控制整合于此平臺，為未來智能交通預留接口，具備較強的擴充性。

2 隧道照明對LED 燈光源的要求

2.1 隧道的“黑洞效應”與“白洞效應”

當駕駛員駕車由洞外明亮的自然光環境駛入隧道時，光亮度會發生較大的變化。在短時間內，人眼對光線會有一個暗適應的過程，一開始會感覺洞口光線暗淡，不容易察覺障礙物，隧道就像一個巨大的“黑洞”，而光線突然變弱，這種現象被稱為“黑洞效應”。相反，當駕駛員適應了洞內的低亮度后，駛出隧道時，洞外的亮度又會顯得很高，此時同樣會有一個明適應的過程，感覺洞外很刺眼，這被稱為“白洞效應”。以上效應都屬于負面的現象，會嚴重影響駕駛員的安全。

為了解決這種情況，國家標準規定了隧道不同區段的亮度值。通過對隧道內部照明的精確控制，可以在進出隧道時緩解“黑洞效應”和“白洞效應”，讓駕駛員的視覺適應更加平穩，提高隧道內部行車的安全性。

2.2 單向行車隧道照明

單向行車隧道的區間段可分為接近段、入口段、過渡段、中間段、出口段及洞外引道。各段的照明亮度值不一樣，入口段與過渡段的亮度需要平滑過渡[2-3]。

2.3 雙向行車隧道照明

雙向行車隧道的區間段可分為接近段、入口段、過渡段、中間段、出口段及洞外引道。各段照明亮度均不一樣，且由于是雙向行車隧道，所以兩端都需要有平滑過渡曲線。

3 LED 直流集中供電解決方案構成

LED 直流集中供電解決方案包括集中供電系統、LED 直流驅動器、調光控制、系統管理平臺、手機APP控制幾個部分，整個系統架構如圖1 所示。

圖1 系統架構

3.1 集中供電電源系統

集中供電電源系統的主要功能是將交流整流成直流輸出，同時控制調光，且能將各模組工作狀態、故障信息及時上報。

3.2 LED 直流驅動器

LED 直流驅動器是恒流輸出，負責為燈具供電、調節光信號、指揮燈具遠程開關及調光。

3.3 調光控制

該解決方案的調光方式是一種低頻率的載波，只有10Hz，因而具有極強的抗干擾能力。

3.3.1 直流電力信號調制技術

直流集中供電照明采用直流電力信號調制技術實現調光控制。

3.3.2 隧道中各區段亮度設計

隧道照明在白天時耗能最大，所以必須實現智能調光，設計時應遵循如下原則：

選取2017年6月～2018年6月醫院收治且確診為STEM1的≥75歲的患者35例作為高齡組，另選取＜75歲的患者35例作為對照組。本研究經我院倫理委員會批準。所有入選者均知情同意并簽訂知情同意書。納入標準：①均符合STEM I診斷標準者；②自愿參加本研究者；③無其他系統疾病者；④精神正常者。排除標準：①冠狀動脈畸形者；②因多發性大動脈炎導致的急性ST段抬高型者；③合并嚴重感染者；④存在凝血、纖溶障礙者；⑤合并嚴重心肝腎重要臟器功能障礙者。

第一，加強段照明應根據洞外亮度儀所偵測的值和交通流量變化，對入口段、過渡段和出口段設計針對性的調光方案，也可按洞外亮度分級及取值進行12級組合。

第二，基本段照明應根據交通流量變化，按規定的亮度值設計調光方案[4]。

3.4 系統管理平臺

系統管理平臺是重要的智能控制后臺。使用者遠程登錄系統管理平臺后，可對現場使用的電源柜及燈具進行各種智能控制，如遠程開關燈、調節亮度，以實現節能、時間策略設定、報警顯示、故障偵測、能耗管理、資產管理等。整個系統管理平臺通過科學的節能管理方法、智能控制手段，能夠實現真正意義上的按需供電及智慧照明。

3.5 手機APP 控制

提供手機APP（見圖2）遠程控制，方便用戶自如操作。

圖2 手機APP 界面

開始連接時，提供服務器的IP 地址，選擇站點，之后便可遠程控制燈具開關，調整亮度。

3.6 系統散熱設計

系統散熱設計（見圖3）能夠滿足模塊內部器件、系統內機電器件溫升的要求，能利用風扇調速，有效延長風扇的使用壽命及降低系統噪聲。在系統工作滿載、環境溫度50℃的條件下可長期穩定運行。

圖3 系統散熱設計

4 LED 直流集中供電系統優勢

目前，隧道內絕大多數照明及控制方式均為交流方案，即交流直接輸出到燈具，燈具中有AC/DC 驅動器供電，但這種分布式的供電方式弊端較多。

4.1 交流供電、直流集中供電方案比對

燈具光源通常有較長的壽命，可能會持續5～10年。燈具故障通常是因為電源出現問題，電解電容是電源故障的主要原因。隨著時間推移，電解液會干涸，導致容值受影響，進而影響電器性能，使得電源過熱并發生故障。此外，由于燈具通常安裝在較高位置，如路燈，若發生故障，需要使用登高車進行更換，人力成本往往比電源成本高得多[5-6]。

目前，市場上常見的傳統智能控制方式是采用0～10V 模擬量來控制，每個AC/DC 電源模塊都配備一根0～10V 調光線，這些調光線會被連接到控制器進行集中控制。然而，這種方式需要單獨拉線會增加成本。還有無線控制方式，但目前這種方式被認為信號不穩定，且在一些地方可能無法接收到無線信號，會影響通信的穩定性。

PLC 電力載波方式是將PLC 模塊內置在AC/DC電源中。該方式無需單獨拉信號線，而是利用動力電纜進行信號控制。然而，PLC 載波的頻率大約在幾十到幾百kHz 之間，有時會受到干擾。例如，在隧道照明中，為了通風可能使用大功率的風機，有的功率高達15kW 或30kW。風機啟動時，瞬間的沖擊電流會產生較大的噪聲干擾，進而使調光受到干擾。此外，在城市中，各種不同頻率的信號相互交錯，幾十kHz 的頻率也會受到干擾。將PLC 應用于遠程抄表時，有時信號也不能及時返回。

而集中供電方案的總體思路是將容易故障的器件，如AC/DC 整流器、電解電容等集中放置在地面上，便于維護和管理，并采用可插板式直流模塊，便于更換。燈具的電源僅需進行一級變換DC/DC，此部分常常采用高效率的Buck 降壓拓撲結構，電路簡單，同時使用固態電容或長效電解電容，能提升電源壽命。

此外，直流集中供電解決方案在動力電纜上調制了一個低頻率信號，到達燈具的驅動器后，由驅動器中的MCU 根據預設的協議調節電源的輸出電流大小，從而實現調光。這種低頻載波方式的頻率只有10Hz，因為頻率較低，所以很難受到干擾。經過大量測試得出，發出10000 個數據包，只有1 個丟包，軟件還采用了重發機制來彌補，基本不會再出現丟包問題[7]。

綜合以上優勢可以看出，相較于交流供電，直流集中供電解決方案在延長燈具壽命、維護便捷和智能控制等方面有更多優勢。

4.2 直流集中供電系統優勢總結

通過對直流集中供電系統的設計與實踐分析可以了解，在隧道工程照明系統中，直流集中供電系統具有安全可靠、調光節能、穩定抗擾、可遠程監控、節省線纜等優勢。

5 結語

總體來說，LED 直流集中供電技術在隧道照明領域的應用呈現出明顯的優勢和潛力。通過前文的研究，可以看到這一技術在節能、安全性、可靠性等方面的顯著優勢。隨著能源環保理念的不斷深入，LED 直流集中供電在隧道照明中的推廣將為節能減排目標的實現提供有力支持。今后，還要加大力度對LED 直流集中供電技術進行研究，不斷探索該技術的可行性與兼容性，同時要結合以往工程經驗與國內外先進理念，對LED 直流集中供電技術運用方式進行優化，為隧道照明的效能提升、能源節約和環保作出積極貢獻。