路灯控制系统应用研究

张利国，时念武

(1.济南市路灯管理处，山东 济南 250001；2.山东泰华电讯有限责任公司，山东 济南 250101)

1 前言

为进一步提高济南市路灯监控管理水平，促进路灯节能工作的顺利实施，济南市路灯管理处针对制约路灯现代化管理的“瓶颈”问题，不断完善系统的各项功能，在现有国内领先水平的监控管理系统基础上，开发、建设、应用具有国内一流水平的路灯单灯控制系统，充分发挥系统在路灯建设、管理、维护、节能工作中的枢纽与核心作用。

济南市现在运行的城市照明监控管理系统自2005年开始建设，2007年建设完成。经过近几年的不断发展与提高，目前在用的RTU(Remote Terminal Units，远程终端单元)达512个，可对全市8万余盏路灯进行集中控制。该系统包括道路照明监控管理调度中心、通信网络、远程智能控制终端及单灯节能控制器、视频监控等部分，具有遥控、遥测、遥调、遥讯、遥视等“五遥”功能，是一个集监测、控制与节能于一体的管理平台，在路灯设施日常管理维护、安全运行、城市防汛抢险与节能控制等方面起到了重要的保障作用。

2 国内发展概况

近几年，国内多个城市建设使用了城市照明监控系统，大多采用无线专网或移动公网进行通信。系统可根据当地的日出日落时间及光照值，采用光控和时控相结合的方法，自动遥控开、关路灯，并能智能遥测现场的工作电压、电流和接触器状态等数据，可对采集到的数据进行分析，自动计算亮灯率，判断城市照明运行情况。这一系统的应用大大提高了城市照明的管理水平，既提高了工作效率同时又降低了管理成本。

但是由于目前的无线监控点基本上都安装于路灯控制箱侧，属于集中监控，可控制到每一个变压器区域及单条线路，但其只能对整条路段的运行情况(包括：电压、电流、功率、温度、接触器状态等)进行检测或控制，还无法细化到控制任意一盏路灯。因此，国内路灯同行都面临着同样一个课题：如何对城市道路中任意一盏路灯进行联网控制和运行状态检测？如何进行数据采集、状态显示及自动报警？如何能够监控任意一盏照明路灯工作状态？单灯控制技术恰恰成为解决这些问题的有效途径。

目前，国内尚没有一个城市大规模开发、应用单灯控制系统。国内现有的单灯控制技术，主要依托于电力线载波技术，受照明线路的长度、属性、分支等很多因素影响，仅有试点安装，没有大规模的成功应用。而济南市开始率先开发、研究、应用单灯控制系统，对全市8万余盏路灯进行单灯控制，实现了对单盏路灯的可靠测控，并有效地进行了节能管理，取得良好的效果。

3 系统应用研究

3.1 系统架构及组成

济南市城市照明智能监控系统由“监控中心、智能监控终端、智能服务器、单灯节能控制终端及电缆被盗报警”五部分组成。系统以GPRS无线通信为主干网，以电力线载波通信为二级子网，是三层结构、两级通信机制的智能照明监控系统。济南市路灯单灯控制系统结构框架如图1所示。

图1 济南市路灯单灯控制系统结构框架Fig.1 Jinan street lamp control system architecture framework

3.2 单灯节能控制终端

单灯节能控制器采用电力线通信技术，监测控制每一杆灯上的每盏灯，实现按需照明，在保证可靠性的前提下，有效地实现照明节能。单灯节能控制器安装在路灯灯杆维修孔内，监视每一个灯源的亮、灭、调光水平，并与智能监控终端和城市照明控制系统构成城市照明监控和节能监控系统，实现路灯节能以及控制、监测和管理的功能。单灯节能控制器通过电力线接收单灯集中器发出的控制命令，并根据控制命令控制对应路灯，是路灯城市照明设备最佳的节能控制器和发展方向(见图2)。

图2 单灯节能控制原理框图Fig.2 Street lamp energy saving control block diagram

3.3 电力线通信研究

路灯线路一旦布线完成，很难再改动。此外要想实现复杂的控制要求时，路灯线路的布线量要大大增加，这使得系统的可靠性下降，一旦出错，线路的检查也相当费时。传统的照明控制系统已无法满足现代路灯管理的需求。

电力线通信(Power Line Communication)简称PLC，是指利用电力线传输数据和语音的一种方式。它以电力线为传输通道，具有通道可靠性高、投资少、见效快、与电网建设同步等得天独厚的优点。以前PLC技术只作为长距离调度的通信手段，随着Internet技术的飞速发展，利用220V低压电力线传输高速数据的价值越来越被人们重视，因为它具有不用布线、覆盖范围广、连接方便的显著特点，被认为是提供“最后一公里”解决方案最具竞争力的技术手段之一。

因此利用电力线通信的路灯单灯节能控制系统，利用路灯原有的供电线路，不用单独布线，具有安装方便、维护简单、实时控制可靠性高、节能效果显著等特点。

3.3.1 路灯电力线阻抗特性

输入阻抗是表征低压电力线传输的重要参数，它能否与发送机的输出阻抗相匹配，直接关系到发送机的效率与网络所获得的输入功率，同时也将影响接受机所接受的输入功率。由于路灯电力线分布电感和补偿电容的影响，输入阻抗随着频率的增大而减小。同时，由于负载类型的不同，使不同频率的阻抗变化也不同，所以实际情况非常复杂。

3.3.2 电力线信号干扰特性

电力线干扰可分为非人为干扰和人为干扰。非人为干扰指的是一些自然现象，如雷电，在电力线上引起的干扰。人为干扰则是由连接在电力线上的用电设备产生的，并对数据通信有严重影响如广告灯箱、车站公交站牌等。

3.3.3 电力线信号的衰减特性

信号在低压电力线上的衰减是低压电力线通信遇到的另一个实际问题。路灯低压电力线是一根非均匀分布的传输线，路灯的负载在这根线上任意位置随机的接入或断开，因此信号在电力线的传输必然存在衰减，由于存在驻波、反射等复杂现象，使信号的衰减随距离的变化关系变得相当复杂，有可能出现近距离点的衰减比远离点的衰减还大的现象。

3.3.4 单灯自由算法设计

由于电力线通信信号的传输随着输电网信号负荷的变化而呈现时变性和随机性，集中控制器与单灯节能控制器的通信路由需要随电力线信道环境的变化而变化，因此需要设计合适的路由算法在单灯控制器各节点间的传输。

本系统根据蚁群算法结合路灯电力线分布的实际特点，称为自适应动态路由算法，不受距离和单灯节能控制器位置的影响，实时更新路灯每个箱变的路由信息，达到实时监测每个节点的状态和数据，具有可靠性高、速度快、无需人工干预等特点。

4 路灯单灯控制系统主要功能

4.1 遥控功能

遥控是整个路灯单灯控制系统所有功能中最重要的部分。系统投入运行后，可提升照明的效果，达到既保证照明，又节约能源，关键是系统的遥控功能设计合理，控制方案丰富多样。

路灯单灯控制系统采用时控和光控相结合的照明控制方案。该方案基于智能控制理念，以当地365天日出日落的时间作为基本条件，设定一个有效的开/关灯时间，在此时段内根据光照度的具体情况自动执行相应的开/关灯命令，若该时段结束时光控仍未起作用，则在该时段结束时，监控终端自动按时控方式开/关灯。另外，在异常天气光照度严重不足时，系统可以进行人工开关灯控制，既保证了系统的可靠性，同时系统也具有了适应天气变化的灵活性。

4.2 单灯控制功能

通过电力线载波通讯技术，用户无需单独布线即可实现单灯的智能控制，包括实时检测单灯的运行状态、电压、电流、消耗功率、功率因数、灯具点燃时长等，可以对单灯开/关实现节能控制，实现真正的按需照明，同时在线对单灯故障(如补偿电容损坏、灯具失效等)实现报警。

系统可以实现远程对单灯的开关控制，显示方式可以通过列表或城市地理信息系统(GIS)直观显示，如图3、图4、图5所示。

图3 RTU开关灯设置Fig.3 RTU light ON/OFF setting

图4 单灯运行方式设置Fig.4 Street lamp operation mode setting

图5 路灯地理信息系统Fig.5 Street lighting geographic information system

4.3 移动终端查询控制功能

系统平台支持移动式办公工作模式即坐席或值班人员采用PDA手持监控终端的方式，如图6所示，即可实现“三遥”功能(遥控、遥信、遥测)，以及日常的业务管理，包括用户认证模块及监控管理、维护管理、GIS管理、设备管理、设备运行参数管理、系统管理等。检修人员在手持终端输入设施编码，即可与后台系统通信、查询及回传设施有关资料。

图6 PDA手持监控终端Fig.6 PDA monitor terminal

5 路灯单灯控制系统主要构成

5.1 LMC1010智能监控终端(图7)

该终端选用最新32位ARM Cortex M3工业控制级芯片和嵌入式实时操作系统，先进的电能测量计量专用芯片，大容量存储器技术，允许在-40℃～+80℃的环境温度下的连续运行，实现交流采样，交流电流、电压采集精度优于0.5%。

图7 LMC1010智能监控终端Fig.7 LMC1010 intelligent monitoring terminal

照明智能监控终端(RTU)集照明遥测、遥信、遥控、节能控制、电缆防盗报警、载波通信与远程通信接口于一体。通过交流采样的方法完成现场电流、电压及有功功率、功率因数等数据的采集、运算、处理、存储、显示；并根据调度端的命令，完成数据的传送和对各种城市照明灯的控制；当现场发生故障、盗窃或数据超限时能主动报警，保证系统安全正常运行；当与调度端通信中断时，可根据存储的开/关灯最后时限自动独立运行，绝对保证路灯运行的可靠性。智能控制终端(RTU)根据不同要求，可灵活配置，以满足各种城市照明灯的控制方案。

5.2 LSC7210智能集中器(图8)

LSC7210智能集中器是连接智能监控终端与单灯控制节能终端的中枢。智能集中器与智能监控终端采用电力线通信，二者一起安装于路灯变压器侧或配电控制箱内，通过电力线载波通信方式与每一个单灯控制节能终端通信，动态的监测每个灯源的运行状况，并通过智能监控终端向监控中心实时传输数据。LSC7210智能集中器结合了时间调度、报警发生器、日志和电力线网络管理控制器。

图8 LSC7210智能集中器Fig.8 LSC7210 intelligent concentrator

5.3 LOC7700单灯控制节能终端(图9)

LOC7700单灯节能控制器采用国外最先进的单片机控制技术和神经元芯片技术，监测控制每一杆灯，实现按需照明，在保证可靠性的前提下，有效地实现照明节能。LOC7700单灯节能控制器通过电力线接收LSC7210智能服务器发出的控制命令，并根据控制命令控制对应路灯，是路灯、广告灯箱、霓虹灯等城市照明设备最佳的节能控制器。

图9 LOC7700单灯控制节能终端Fig.9 LOC7700 street lamp control terminal

6 系统运行性能测试及应用成果

6.1 单灯控制节电率试验段测试效果

2010年11月，我们对位于济南市美里路的05310001号RTU控制区域的72盏路灯的单灯控制器进行了工程验收，分别测试了手动全部亮灯、全部关灯、隔一亮一、隔二亮一、随机编组开关灯、开关任一指定路灯等功能，完全实现了“按需照明”，效果良好。节电率测试结果如表1所示。

6.2 使用单灯控制技术后节约电费理论测算

截止目前，济南市共有100670盏路灯，安装单灯控制器23675个，可对39280盏路灯进行单灯控制，按每年亮灯4000小时，定时关闭13093盏灯，每天关闭7小时，400W和250W路灯按平均300W进行计算，每年节约电费：13093×0.3kW×7h×365×0.8234元/(kW·h)=826万元。

6.3 实际应用节电情况

经过一年多的实际应用，单灯控制系统不但提高了路灯管理水平，而且节能效果显著，表2是我们2012年第四季度用电量的部分统计数据。

表1 美里路单灯节电率测试表Table 1 Street lamp electricity saving

表2 2012年第四季度用电量节能数据Table 2 Electricity saving in the fourth season of 2012

6.4 节电情况分析

节能减排工作是国家一项大政方针，路灯行业也不例外。根据《“十二五”城市绿色照明规划纲要》的有关目标，到“十二五”期末，城市照明节电率要达到15%。而路灯行业目前大多采用“半夜灯”、使用LED灯具等方式节能，节电率不高，照明效果亦受影响。而济南市采用路灯单灯控制系统后，不仅取得了较高的节电率38.56%，而且，促进了路灯“亮灯率”的提升，提高了管理水平。

7 结论

济南路灯控制系统通过控制中心能对城市道路中任意一个照明路灯进行控制和运行状态检测,并具有数据采集、状态显示及报警功能，可按照使用需求,在确保车辆行人安全的前提下,任意组合控制路灯灯开/关/调光水平的工作状态，实时测量每盏的电压、电流、灯功率、功率因数灯状态，实现按需照明。在保证实现照明节能的同时增强光源的使用寿命，并对故障的灯进行报警，减低人工夜间巡检的工作量，提高亮灯率，提高路灯行业的信息化管理水平，达到精细化管理的目的。基于目前济南市城市照明现状，我们开发、研究、应用的路灯单灯控制系统，实现了“按需照明、精细管理”的理念，使得路灯行业的控制水平取得质的飞跃与提高，为大幅度提高路灯节能工作水平打下了坚实的基础，必将会取得良好的社会效益、经济效益和管理效益。

[1] 齐淑清.电力线通信(PLC)技术与应用[M].北京：中国电力出版社，2005.

[2] 张华.城市照明设计与施工[M].北京：中国建筑工业出版社,2012.

[3] 张锡平.路灯单灯控制系统[C].2010年中国道路照明论坛论文集，2010.