不间断供电的LED路灯智能控制与管理系统

曹永健，董建宇，杨雨龙，陈程章

(1.四川火石光电有限公司，四川 成都 610054；2.长春市路灯管理处，吉林 长春 130000；3.吉林油田设计院电气室，吉林 松原 131200；4.吉林省照明学会，吉林 长春 130000)

引言

传统的路灯控制方式主要包括“三遥”、“四遥”、“五遥”等[1]，但是它们无法控制单灯，不能远程快速诊断故障，从而影响了路灯维修效率和城市路灯亮灯率。随着通信技术尤其是物联网技术的发展，照明管理开始向智能化、智慧化的方向发展[2-6]。目前较为先进的路灯智能控制通信方式有 PLC(电力线通信)、ZigBee/SigFox/LoRa、2G(GPRS)和NB-IoT。2G(GPRS)通信比较稳定，但已在退网中，不再成为路灯的主要的通信方式。PLC、ZigBee/SigFox/LoRa在高效、安全、可靠和开放方面均存在不足。NB-IoT只消耗大约180 kHz的带宽，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，秉承2G的所有优点，并在技术标准上可向5G平滑演进。NB-IoT在高效、可靠、安全和开放方面占有优势，是智能路灯“互联”的极佳方案。NB-IoT路灯智能控制系统自组网，不需要集中控制器、服务器等，即使某个单灯控制器通信模块出现故障也不影响其他单灯控制器的通信，不影响整体的路灯智能控制与智能管理。NB-IoT物联网是目前路灯智能控制与管理系统的最佳通信方案。

1 智能控制与管理系统的主要功能

1)智能调光控制功能。为了路灯的节能，《城市道路照明设计标准》(CJJ 45—2015)规定[7]：采用双光源灯具照明的道路，可通过深夜关闭一只光源的办法降低路面照明水平。中小城市中的道路可采用关闭不超过半数灯具的方法来降低路面照明水平。关闭部分灯具将导致道路照明出现黑斑现象，均匀度极大地降低，从而影响交通安全。通过智能化控制与管理使每盏灯都亮，但是调低灯具功率来避免黑斑现象，从而实现智能化节能。智能控制与管理系统对外输出的调光信号为幅值10 V的PWM波，并且正向调光，控制器通过控制驱动电源0～10 V(0～5 V)调光对LED路灯进行调光，即当脉宽为0%时，对应最低亮度或关灯(能否关灯取决于电源是否支持)，脉宽为100%时，对应最大亮度。在实际的应用中，用户可以定时地设置LED光源的调光范围，也可以实时设置LED光源的调光范围，从而实现更加人性化的节能。

2)故障定位和诊断功能。路灯管理部门以往在管理路灯时，需要通过人查、车查等方式，必须到达现场才能了解具体的故障点，必须在现场应用工具和高空车辆才能诊断出故障原因；维修后，有时需要多次前往现场了解故障维修的具体情况。智能控制与管理系统可以让路灯的管理更加科学和智能化，可以远程(手机、电脑)了解故障定位，并能够对供电电缆、驱动电源、光源等部分的损坏或故障进行诊断，从而实现快速维修，确保路灯亮灯率。

3)其他功能。随着路灯管理的智能化的应用，路灯智能化控制与智能化管理系统可以拓展很多功能，如空气质量检测、监控、公共信息发布、流量检测、资产管理等。

以上功能中，智能调光是大部分智能控制系统均能实现的，因为它主要是单向通信，即控制中心发送调光指令给单灯控制器或者集中控制器实现调光，无需单灯控制器或者集中控制器回传调光信号给控制中心。但是很多功能，尤其是故障诊断功能则需要单灯控制器把故障信号传输给控制中心，是双向通信，即互联互通。

2 不间断供电的智能控制与管理系统

若采用PLC、ZigBee/SigFox/LoRa、2G(GPRS)通信方式的智能控制系统，集中控制器或者单灯控制器需要有外部供电的情况下方可工作，外部电源为市电电缆或者驱动电源。如此它们便无法真正地进行故障诊断，如市电无法供电或者驱动电源无法供电，单灯控制器或者集中控制器就将无法工作，这时只能做故障定位，而无法实现故障诊断。因此，供电方式某种程度上决定了控制系统是否能够进行故障诊断。不间断供电的智能控制与管理系统可以在市电或者驱动电源无法供电的情况下，正常进行故障诊断和信号传输。

1)技术背景和方案。不间断供电系统由四个模块组成，框架如图1所示。不间断供电技术即不间断电源，一般是指当市电断开后，为所需供电的系统继续供电的装置。不间断供电的路灯单灯控制器，比一般的单灯控制器增加了蓄电模块以及对应的控制模块。对于蓄电模块，其输入端与取电电路的第三输出端电性连接，其输出端与路灯控制系统的第二输入端电性连接，其充电与放电均由内部的控制模块实现。其控制方式为：当接入市电时，控制模块控制取电电路对蓄电模块进行充电，且控制蓄电模块不输出电能，这时由市电直接给单灯控制器供电；当市电没有接入或发生故障时，控制模块控制蓄电模块对单灯控制器进行供电。蓄电模块包括锂电池。

图1 不间断供电框架图Fig.1 Uninterrupted power supply frame diagram

2)取电电路。取电电路(图2)由延时启动电路、降压稳压电路和锂电池充电电路组成，且延时启动电路、降压稳压电路和锂电池充电电路之间电性连接。延时启动电路由依次电性连接的Q1、R13、R14、R15和C15组成，降压稳压电路包括U7，锂电池充电电路包括U8。延时启动电路判断路灯电源模块是否正常启动，当路灯电源模块正常输出电压后，通过三极管转换，转换为控制模块的启动信号。降压稳压电路用于将路灯电源模块输出端的电源稳压为5 V电源，并为锂电池充电电路供电，U7通过DC/DC芯片的5号脚控制U7是否启动。锂电池充电电路负责锂电池充电控制和放电控制，通过控制模块进行自动控制。市电包括220 V交流电。DC/DC芯片型号为TL2575。

图2 取电电路原理图Fig.2 Power circuit schematic

与现有技术相比，本文提出的控制系统的优点是：当路灯市电关闭后，为路灯监控系统提供持续的电源，以便路灯监控系统24 h不间断地监控路灯状态，为智能路灯监控系统提供技术支撑。

3)故障诊断技术方案。通过对供电时段、交流电压、交流电流、直流电压、直流电流的信息来诊断市电电缆故障、驱动电源故障、LED光源故障，从而实现路灯故障的三级诊断。故障诊断根据表1诊断，其中1代表有值，0代表无值(小于额定输入)，×代表忽略。

表1 路灯故障的三级诊断表Table 1 Level 3 diagnostic table for street lamp failure

3 结束语

本文给出了基于NB-IoT物联网通信方案的不间断供电的LED路灯智能控制与管理系统，并给出了通过该系统进行路灯故障诊断的技术方案。综合而言，我们提出的不间断供电的LED路灯智能控制与智能管理系统具有如下优点：①采用NB-IoT物联网通信方案，自建网，网络稳定，单灯故障不影响其他灯具组网；②成本低，系统不需要集中控制器、服务器等，投入成本低；③不间断供电，确保24 h供电，即使市电线缆没有供电也能正常工作；④实现单灯远程功率调节，实现更人性化的节能；⑤实现故障三级诊断，能够诊断单灯不亮时的故障原因，如线缆故障、驱动电源故障、光源故障等。