智慧路燈照明配電問題的研究

李凌郁

（北京市城市照明管理中心，北京 100078）

我國的現代化建設不斷取得新成果，各種各樣的先進技術手段如同雨后春筍般涌現，為城市地區基礎設施建設提供了新的可能性。智慧路燈就是其中比較具有代表性的技術產物之一，根據智慧路燈照明功能的實際需求，保證智慧路燈配電系統的穩定性，是確保其穩定運行的必然選擇。但是，在實際工作中，智慧路燈照明配電系統仍然存在一定的不足之處亟待解決，在這種情況下，對本課題進行深入研究，具有一定的現實意義。

1 智慧路燈照明設施概述

近年來，我國城市化建設不斷取得新的成果，城市地區基礎設施建設水平自然也隨之不斷提升，各種各樣的先進設備被大批量地應用到城區建設中，有效地提升了城市地區人民群眾的居住體驗和生活質量。路燈作為城市夜間照明的主要設施，在人民群眾的生產生活中扮演著極為重要的角色，保證路燈設備正常穩定運行，是確保夜間出行安全的必然選擇。隨著智能化技術的不斷發展，基于智能技術的全新路燈設備應運而生，其能夠結合不同區域對照明設備的不同需求，實現差異化的功能設備集成，在保證照明設備基礎功能的同時，通過LED 顯示屏、監控攝像機、緊急報警終端、對講機、無線AP 裝置、道路積水監控裝置等一系列設備，實現多樣化功能，使路燈成為城市地區道路監測、報警預警的重要裝置。在智慧路燈設備中，用電負荷最大的設備包括路燈燈具及LED 顯示屏，其他設備雖然也有用電需求，但是其用電負荷非常小，在確定智慧路燈照明配電系統方案的過程中，設計人員應將重點放在路燈照明及LED 顯示屏的需求上。另外，還要考慮不同設備的功能與其安裝位置的關系，對不同設備之間的空間位置進行妥善安排，避免集成設備影響路燈的照明功能。比如，在設計智慧路燈照明配電的過程中，工作人員應對路燈路由位置、LED 燈箱的垂直投影位置等進行妥善考量，在保證順利配電的基礎上提升二者的協同效果，使智慧路燈的功能得到充分發揮。在過去的很長一段時間里，我國城市地區的路燈都只擁有夜間照明的功能，這在一定程度上影響了城市地區道路管理效果，造成了路燈設備資源的浪費，而在合理應用智慧路燈的情況下，上述問題都得到了妥善解決，因此要結合實際工作經驗，對智慧路燈照明配電系統進行深入研究。

2 智慧路燈照明配電系統要點

2.1 高壓系統設計

城市智慧路燈照明系統基本上都配備有預裝式箱式變電站進行供電，而在高壓側配電柜通常采用環網柜實現功能，目前常見的箱式變電站主要可以分成終端型箱式變電站與環網供電箱站兩種，其功能性各有不同，設計人員應根據具體需求進行選擇。在城市智慧路燈照明系統設計過程中，工作人員應嚴格遵守《20kV 及以下變電所設計規范》的相關要求，合理確定高壓系統設計方案，在妥善選擇變電站的基礎上，在電源側增加隔離開關。這樣一來，在進行檢修或者線路超負荷的情況下，其電源側的開關將會自動斷開以保證設備及人員安全。另外，近年來，城市10kV配電網絡中電纜使用量越來越大，10kV 配電系統的單相接地故障電容電流也隨之不斷提升，很多地區的電力部門都根據實際情況對配電系統進行了調整，將由電纜線路構成的配電系統接地形式由不接地、消弧線圈接地改為小電阻接地，這在一定程度上保證了高壓系統的安全性。

2.2 低壓側配電形式設計

結合城市智慧路燈照明系統的負荷性質及養護單位等來看，智慧照明的系統負荷主要可以分成路燈照明負荷與智慧設施負荷兩部分，在實際工作中，普通道路上的的智慧照明設施負荷通常是三級負荷，工作人員應根據這一負荷標準選擇最佳的低壓側配電形式。為了降低智慧路燈照明系統的配電成本，可在與有關單位進行妥善溝通的情況下，選用箱式變電站為智慧路燈進行供電，同時通過鏈式配電的配電方式保證配電效果，箱式變電站可設置在主要干道的交叉口處，起到保證供電負荷中心穩定性的效果，在此基礎上，通過電纜向不同方向道路上的智慧路燈及其配套設備進行供電，另外，還需要根據照明設施和其他設施的不同需求，合理選擇不同的供電電纜安裝方式，確保每個供電回路的供電距離都能保持在最合理的長度。同時，工作人員還需要在對電纜載流量、回路電壓降、出線斷路器的靈敏度進行綜合分析的基礎上，合理選用樹干式供電等供電方法，從而確保智慧路燈供電的安全性和穩定性。特別需要提到的是，考慮到智慧路燈的功能越來越豐富、各種設備的用電負荷基本趨同，目前也有技術人員提出了兩種設施合并供電的思路，但是受限于不同負荷產權單位不一致、合并后回路負荷過大等問題的影響，目前這種供配電模式仍然沒有得到大范圍的應用。

2.3 低壓斷路器設計

目前，絕大多數地區的智慧路燈都是通過箱式變電站進行供電，其在保證照明系統正常運行的基礎上，也能夠為道路交通信號系統、電子警察系統以及公安監控預留電源等提供電能保障。為了進一步提升城市智慧路燈照明系統的穩定性，工作人員還需要根據智慧路燈的實際情況和用電負荷等，對低壓斷路器進行妥善選擇，利用最符合實際需求的低壓受總斷路器、照明回路總斷路器、智慧設施回路總斷路器、照明出線斷路器以及智慧設施出線斷路器設備，保證城市智慧路燈照明系統的設計質量。其中，低壓斷路器作為最重要的斷路器設備之一，必然也需要得到應有的重視，常見的低壓斷路器一般可以分為框架斷路器、塑殼斷路器以及微型斷路器，工作人員可以結合箱式變電站的容量差異，對框架斷路器或塑殼斷路器進行篩選，比如，在箱式變電站的容量比較小、供電回路不長的情況下，工作人員就可以選用微型斷路器作為低壓斷路器，在保證其質量的基礎上，即可確保其靈敏性和綜合應用效益。具體來說，還需要考慮以下兩方面問題：（1）斷路器脫扣器脫扣電流的整定。為了確保低壓斷路器能夠發揮應有的作用，工作人員應結合實際工作經驗對斷路器進行整定，分別整定受總斷路器、照明總斷路器及智慧設施總斷路器對長延時和短延時等，同時還需要對出線斷路器進行整定，通過對長延時和瞬時脫扣的有效整定，確保其能滿足短路故障靈敏度要求并及時斷開。（2）合理選擇斷路器極限短路分斷能力。斷路器分斷能力可以分為額定極限短路分斷能力與額定運行短路分斷能力等，在設計出線斷路器的過程中，工作人員應根據出線斷路器位置的最大預期短路電流，確定符合實際需求的斷路器的額定極限短路分斷能力，同時還需要對受總斷路器及照明出線總斷路器進行選擇，確保智慧路燈配電系統的穩定性。除此之外，還需要根據受總開關、照明總回路開關、出線開關的安裝位置，對其各處的預期短路電流有效值進行精確計算，并根據無限大系統變壓器低壓出口處的預期短路電流有效值進行校驗，為后續工作打下堅實的基礎。

2.4 配電節能降損設計

隨著城市化、現代化建設的不斷推進，人們對生活質量的要求持續提升，擁有更加豐富功能的智慧路燈越來越受到認可和關注，在這種情況下，對智慧路燈照明配電系統進行節能降損設計勢在必行。（1）科學使用變壓器。變壓器是智慧路燈照明配電系統中不可或缺的重要組成部分，工作人員應采取具體問題具體分析的方法，根據智慧路燈照明系統的實際需求和應用情況選擇不同的變壓器和更靈活的接線方法，保證變壓器的運行效率，達到智慧路燈照明配電系統節能降損的目的。從實際情況來看，部分地區在進行智慧路燈照明配電系統變壓器降損設計的基礎上，確實取得了提高供電效率、減少損耗、降低供電企業的功耗等積極成果。另外，變電站在運行過程中不可避免地會消耗無功功率，這導致大量的功率損耗問題，不符合智慧路燈照明配電系統設計的要求。在這種情況下，工作人員應在高壓側安裝電容補償器，從而為變壓器提供有效保護，避免其不必要的耗電問題。除此之外，為確保智慧路燈照明配電系統運行效果，還需要考慮變壓器本身的節能效果，根據智慧路燈照明配電系統的實際運行情況，對其中高耗能的變壓器進行處理，利用低耗能的變壓器對其進行替換，從而打造智慧路燈照明配電系統低耗能環境。（2）有效管理配電線路。我國的供電網絡非常復雜、供電系統管理難度非常大，特別是在智慧路燈照明配電系統這類基礎性配電線路中，更是存在許多管理責任落實不夠到位的情況，這無端地提升了配電線路的能耗管理難度，導致了一定的電能浪費問題，與智慧路燈照明配電系統節能降損需求不符。因此，在今后的工作中，要建立定期管理模式，每隔一段時間進行一次配電線路轉化升級工作，從而保證配電線路管理效果。（3）提升供電線路的功率也是保證智慧路燈照明配電系統運行效率的必然選擇。不同的用戶有著截然不同的用電需求，形成的供電負荷自然也截然不同，在此基礎上其形成的電流、對配電線路的需求也千差萬別，比如，在智慧路燈照明配電系統中，其電流大小、線路需求就有一定的特殊性。工作人員要從用電功率角度出發去分析，合理選用電容補償設備對配電線路進行補充，并在功率較低的地區設置電容補償設備，達到平衡差異電流的效果，避免線損問題。更重要的是，工作人員應根據智慧路燈照明配電系統實際運行情況對配電線路進行調壓改造，從而確保智慧路燈照明配電系統的電壓穩定性，盡最大可能避免不必要的線損問題，保證智慧路燈照明配電系統設計的綜合效益。在進行線路改造的過程中，工作人員還需要適當增加導線截面，從而降低其出現配電線路線損問題的可能性。

2.5 配電箱智能化改造設計

除了要做好智慧路燈照明配電系統的高壓系統設計、低壓側配電形式設計、低壓斷路器設計以及配電節能降損設計外，要想確保智慧路燈照明配電系統的穩定性，工作人員還需要對其配電箱進行智能化改造設計。具體來說，路燈照明配電箱的智能化改造應從以下幾方面入手。

（1）配電箱智能系統網絡結構。為了確保智慧路燈照明配電系統能夠正常運行，需要對其進行監控管理，即借助主控制器與傳感器等設備，對智慧路燈照明配電箱的門鎖狀態、溫濕度狀態、水浸狀態、電流電壓、傾斜碰撞和配電開關狀態進行監控，在GPRS 和5G 技術的支持下，將監控數據直接傳輸到云平臺上，從而實現智慧路燈照明配電箱的集中監控管理目標。從實際應用情況來看，智慧路燈照明配電箱監控管理系統（拓撲結構見圖1）能夠實時監測配電箱的狀態，在保證照明設備、供電設備和其他設備運行安全方面發揮了不可替代的積極作用，在智慧路燈照明配電箱出現門未關閉、非法開啟、箱內浸水、溫濕度異常等問題的情況下，系統將能夠第一時間進行報警，保證工作人員第一時間接收到報警信息，確保智慧路燈照明配電系統的安全性。

圖1 智能配電箱網絡拓撲結構

（2）對智能配電箱幾個關鍵功能模塊進行優化設計。①智能云控電子鎖。智能云控電子鎖是智慧路燈照明配電系統優化設計的重要對象，其能夠對配電箱的箱門進行有效控制，在防潮、防水、防銹、防爆破壞等方面有不可忽視的優勢功能，還能夠根據工作人員的需求和習慣，通過不同方式進行開啟，比如，手機、IC 卡等都能成為開門的設備，這提升了智慧路燈照明配電系統管理的便利性。②攝像頭。攝像頭能保證智慧路燈照明配電系統的安全性，在不法分子非法進行開箱的情況下，攝像頭將會自動啟動并對開箱人員進行拍照或者錄像，工作人員可通過云平臺和App 等查看拍攝結果，這解決了過去配電系統不安全的問題。③水浸狀態監測。智慧路燈照明配電系統的運行效果很大程度上受到水分的影響，而水浸狀態監測設備則能夠在水接觸到傳感器的情況下進行報警，便于工作人員及時進行處理和修復，保證智慧路燈照明配電系統的穩定性。④箱體傾斜監測。智慧路燈照明配電箱在使用中可能會發生松動、傾斜等情況，這不利于系統安全，在合理應用箱體傾斜監測設備的情況下，其將會自動報警以便于整修。

3 結語

為了更進一步提升城市地區夜間照明效果、優化道路管理效果等，部分地區開始利用智慧路燈取代原有的傳統路燈，其確實發揮了應有的積極作用。但是，與此同時，傳統的配電系統設計方案顯然已經不再具有合理性，工作人員應根據實際情況，對智慧路燈照明配電系統的高壓系統設計、低壓側配電形式設計、低壓斷路器設計、配電節能降損設計、配電箱智能化改造設計要點進行細致研究。在此基礎上，根據智慧路燈照明配電系統運行中的實際情況，對其他的設計要點和問題進行分析，是未來工作的重中之重。