深圳南坪快速路试验段照明智能控制与节能分析

2014-04-09赖常华

照明工程学报 2014年3期

赖常华，夏军

(深圳市灯光环境管理中心，广东深圳 518036)

引言

随着社会的快速发展，“美丽中国”及生态城市的快速建设，城市对道路照明设施的管理要求不断增加，管理部门对照明设施的管理难度也越来越大。同时，节能成为当前节约型社会对照明节能提出的迫切要求，早期的道路照明管理模式已不能适应城市发展的需要，为了提高城市照明管理部门的工作和管理效率，实现人性化的道路照明维护、节能，城市道路照明无线监控管理系统应运而生。

目前，中国的能源利用率仅为30%左右，比发达国家约低10%，产值能耗比世界平均水平高2倍多，成为世界上产值能耗最高的国家之一[1]。城市照明建设与改造中，正大力推广节电新技术新产品。LED 路灯的出现则为降低能源消耗发挥了重要的作用，但是现有的路灯控制技术却成为其节能减排的新瓶颈，而LED 路灯所具有的反应快、低电压控制、频繁点亮熄灭对寿命影响小等优点，为道路照明智能控制技术的采用与推广创造了非常有利条件。通过推广城市绿色照明工程，提高城市景观照明的质量和水平、节约能源、减少污染、缓解电力紧张的矛盾，这是保护环境的明智之举，具有重要的现实意义和深远的历史意义。

1 道路照明的控制技术

最初的照明控制只有开关的控制，从20世纪90年代初，个别城市已经开始考虑在日常的管理上启用城市照明无线监控管理系统，但是受限于当时的计算机技术、无线通信技术、测控技术等，城市照明无线监控管理系统存在一定的技术障碍。当时的城市照明无线监控系统主要通过专用无线网络实现道路路灯遥测、遥控和遥信，简称三遥系统，全国只有少数城市开始使用三遥系统。进入21世纪以来，不论是技术上、应用上还是在经济上都有着飞速的发展，路灯照明控制系统也不再仅仅局限于城市道路的集中监控，已发展成为集城市照明控制、城市照明管理部门管理维护、城市照明管理部门对照明设施的管理分析、城市各个相关部门的快速联动等为一体的综合性城市照明无线监控管理系统[2]。

由于技术的不断更新换代，传统照明控制的问题的长期无法得到解决，各地政府已有充分的认识，并且提出相应的要求和实验方案。以深圳市为例，深圳市灯光环境管理中心在2010年就已经着手新智能控制系统的实验调试，2012年结合广东省普及LED公共照明的契机，提出“建立全市路灯智能管理平台”的方案，打造全市统一的道路照明智能控制平台，目前方案正在试验与实施过程中。当前已运用在道路照明智能控制领域的常用控制技术有电力线载波技术(PLC)、GPRS/CDMA技术、ZigBee技术、DALI技术[3]，此外还有ACN协议、Art Net协议、CEBUS协议、Lonworks协议、Dynet协议、EIB协议和HBS协议等，这些协议在各自的领域均有自己的优势，占据各自的优势市场，所以在短时期内无法将照明智能控制网络统一协议，但是兼容是未来智能控制网络发展的趋势。

2 城市道路照明智能控制的发展趋势

现在的道路照明控制兼容了控制系统、LED、智慧城市、物联网等概念，具体来说是集合了控制、电子、通信三个方面的技术，城市道路照明智能控制随着相关产业技术高速发展，已经打破传统道路照明的观念，城市道路照明智能控制的发展主要趋势为：标准化、网络化、智能化。

(1)标准化

标准化是城市道路照明系统的发展趋势，照明控制系统使用的相关设备非常多，不可能都是一家厂家生产，如果不同厂家只兼容自己厂家的产品，不同厂家的设备无法同时使用，在此看来，尽快起草智能照明控制系统设备的标准化是非常迫在眉睫的事情[4]。而事实上，市场道路照明产品种类繁多，并且很多照明企业也有各自的照明控制系统，各自使用的协议和端口，各个产品之间不能直接实现互通；因此，首先做到城市道路照明控制系统就要考虑到产品兼容控制的问题，统一的平台则能很好的兼顾各方利益，减少因产品不兼容而造成的浪费与不必要的消耗。由此可见，各种厂家的照明控制系统、单灯控制系统及相关内部设备的相互兼容是智能照明发展的趋势。

(2)网络化

照明控制系统离不开通信介质的选择，如无线通信GPRSCDMA、光纤通信、电力线载波通信PLC、现场总线，畅通的通信网络控制也将改变有限网络的局限性，使控制更加的灵活，更加的多样性。由于技术的不断更新发展，网络化的新形态—物联网已经开始运用在城市道路照明系统控制中，物联网是新一代信息技术的重要组成部分。虽然目前国内对物联网也还没有一个统一的标准定义，但从物联网本质上看，物联网是现代信息技术发展到一定阶段后出现的一种聚合性应用与技术提升，将各种感知技术、现代网络技术和人工智能与自动化技术聚合与集成应用，使人与物智慧对话，创造一个智慧的世界，也因此才被称为是信息技术的第三次革命性创新[5]。因此，道路照明智能控制的通信介质也会迎来新的发展趋势，将会数据传递更快，构架方便灵活，安全无干扰，兼容性好，更便于对照明系统的集中管理。

(3)智能化

起初的传统照明控制系统只为人们在天黑前提供照明的控制开关设备，道路照明控制系统的发展也从机械化发展到当前的自动化，而控制系统的智能化才是刚起步的阶段，国内少数的城市正在进行道路照明控制智能化革新的尝试，所谓智能化照明系统，通常讲就是利用现代的计算机技术、网络通讯技术、自动控制技术、微电子技术等多种新科学技术，实现可根据环境变化、客观要求、用户定制需求等条件而自动采集系统中的各种信息，并可对所采集的信息进行相应的逻辑分析、推理、判断，对结果按特定的形式进行存储、显示、传输以及反馈控制等处理以迖到最佳的控制效果的一种智能照明控制系统[6]。随着智能照明控制系统的不断完善，系统中的设备数量和设备品牌种类的不断增加，智能照明控制系统应满足可拓展性的需求，能使新设备、新模块能接入系统中，对于控制系统而言普遍涉及到的一些智能体功能模块，如感知模块、通信接口模块、知识模块、推理机制模块、控制模块。智能化的道路照明控制系统也有了传统控制系统所不能体现的功能，如地理信息功能、变频控制、自动稳压、功率控制功能、调光功能、场景功能、单灯控制、气象联动、多点控制、工况监测、故障自动反馈、统计分析与查询功能、系统自动升级维护与管理功能[7]。由此可见，继智能化之后的城市道路照明智能控制的发展，同样将会以更加人性化、智能化为准的趋势。

3 深圳南坪快速路试验段照明案例

深圳市灯光环境管理中心自2012年起，对广东省深圳市南山区的科技园片区LED路灯试验段、深圳南坪快速路试验段进行调试安装，作为路灯智能控制示范工程进行运行测试试验。通过工程验证路灯智能控制系统定时开关控制、定时智能调光、路灯电气参数采集、灯况监控、故障报警等功能，并检验该系统电力载波通信的可靠性，为深圳城市道路照明智能控制与节能提供可参考的技术方案。

(1)项目概况

本项目案例位置位于南坪快速牛咀大桥段(见图1)；配电回路由6X和7X(其中6X回路加装交流互感器、智能电表)组成；灯杆编号7675121-7675147和7675149-7675169；灯杆数量为48，路灯数量为49，杆距是40米；路灯配电为三相回路，单相负载；物联网通讯技术采用低压电力线载波(NB-PLC)；从工勘、施工、试运行到运行的周期为四个月。

图1 南坪快速牛咀大桥段Fig.1 Nanping express way

(2)照明智能控制系统架构

南坪快速单灯控制系统主要由主站系统(服务器)、集中控制器、单灯控制器及RS-485多功能电表等外设组成。

集中控制器和单灯控制器选择电力线载波进行通信，集中器到主站系统通过GPRS连接。主站系统作为服务端，集中控制器作为客户端，上电后，集中器自动根据配置文件中配置的服务器IP，登录到服务器。集中控制器通过RS-485总线连接多功能电表，实现6X回路的电参数采集。

主站系统采用B/S架构，用户可以通过任一网络终端，如电脑、平板、手机根据授权登录系统并进行相应操作或查看相关数据。以便于实时、共同、全方位监测系统运行状况。

(3)照明智能控制通信技术的选择

本项目所选择的路灯为中间布灯，且呈明显的长距离直线分布，这并不是无线通信技术(如Zigbee)最理想的网络拓扑结构，从路灯单灯系统角度来看，电力载波由于其通过路灯供电电缆传输信号，免布线的同时对于供配电回路、相位等有天然的监测能力，是目前路灯单灯领域应用最多的技术，因此本次项目的通信方式采用电力载波加GPRS的方式。

同时，针对国内电网情况比较复杂，高衰减、低阻抗、谐波干扰、几乎不可预测的拓扑结构是电力载波通信面临的最大挑战问题。虽然衰减和干扰本身最终都影响信噪比，但电力线上的衰减具有时变位置相关和随机猝发等特点，危害更大。因此，为保证电力载波通信能够长时间稳定工作于路灯线路上，因此本次试验路段选择的载波通信技术满足下面两个要求：

①投入使用后，随环境、时间的变化，工作频点可在40kHz～500kHz范围内自适应调整，具备网络维护机制，可自动选择最佳工作频点进行通信，以避免路灯线缆老化、负载接入退出、维修维护引起线路变化等情况所造成的影响；

②投入使用后，通信速率、调制方式可根据现场使用情况进行调整；

③快速组网，现场组网时间2分钟，可以达到“即插即用”的效果，减少施工投入，具备网络自愈功能，一个节点的通讯通信故障，不会影响其它节点的通讯。

(4)道路照明系统功能性测试

我们对该道路照明系统进行了功能性测试，测试结果见表1。

表1 系统功能性测试结果Table 1 Functional test result

(5)项目综合评价

该案例工程投入正式运营至今一年多时间，运行稳定；电力载波及无线通信良好，各控制功能正常，电气参数采集及功能操作实时性较好；开关和智能调光节能方式通过该系统可以正常实现，节能效果明显；灯具及电源运行稳定，除模拟故障测试期间的故障报警，以及安装固定问题导致进水等，日常无报警产生，无系统误报情况；综合情况表现良好，运行稳定。