4G网络的路灯智能综合管控系统研究与应用

2020-08-03田守安周永刚李松翰

自动化仪表 2020年7期

田守安,周永刚,李松翰

(中工武大设计研究有限公司，湖北武汉 430074)

0 引言

随着城市的发展，照明设施数量越来越多。如何有效管理城市照明设施，是行业主管部门所面临的难题。由于维护工作量大、维护成本昂贵、安全隐患多且不易察觉等问题，给路灯管理带来巨大困难。以往过于被动、无监控的传统路灯管理模式已满足不了现代化城市照明管理的需要。因此，建立一种全新的管理模式和平台来推动城市路灯照明管理工作的发展已迫在眉睫。

4G无线网络技术和集成电路的发展使路灯的智能管控成为可能。利用4G无线网络，能够实现远端现场数据采集处理和自动化控制，实时监测路灯状态、地理信息等数据。通过本文设计的系统，将采集到的信息状态很好地显示在各种终端上，便于路灯管理部门进行管理和决策，具备良好的可行性与实用性。

1 路灯智能管控系统建设的重要意义

1.1 提升科学管理能力

建立区域路灯智能化管控模式，通过系统集成，将日常的工作化繁为简。可实行单灯控制，根据管理需要和现场情况的变化，及时调整路灯开启状态和时间[1]，实现按需照明。

1.2 节约电能支出

路灯智能管控系统,通过现地控制器对路灯开关灯时间、功率等进行调整,满足不同区域或同一区域不同时段照度需求变化的要求,节约电能,实现节能减排。

1.3 降低运维成本

采用智能化监控模式，以智能化监测平台取代传统巡查，实现故障自动报警。平台自动生成报表并通知相关责任人，以实现故障路灯精准定位，大大提高了工作效率，降低了维护成本。

1.4 减少经济损失，降低安全隐患

当发生灯杆漏电、线路破损、电缆盗割等现象时，值班工作人员会在第一时间接到短信报警通知，方便工作人员及时处理，也避免了裸露电线对行人造成的安全隐患。

2 系统组成

路灯智能综合管控系统主要由监控中心、集中控制箱及现地控制器等组成，形成了一个树型网络拓扑结构[2]。系统拓扑图如图1所示。

图1 系统拓扑图

2.1 系统硬件设计

2.1.1 系统硬件结构

系统硬件应符合城市路灯工程的要求，满足所要求的各项指标。系统硬件结构如图2所示。

图2 系统硬件结构图

2.1.2 监控系统配置

监控系统主要由工作站、服务器、防火墙、计算机端管理软件、集中控制器、终端(单灯)控制器等组成[3]，工作站、服务器、防火墙等位于中控室内，集中控制器安装在户外路灯专用控制柜(或箱变)内，终端控制器安装在路灯灯杆上。服务器与集中控制器之间、集中控制器与终端控制器之间均利用通信基站，通过4G无线网路技术进行通信，服务器通过RS-485方式接入路由，与监控中心工作站进行通信。如果把监控系统比作学校，集中控制器则充当着“班主任”的作用。它主要负责接收并执行工作站管理人员利用管理软件发布的指令，对每个终端(单灯)控制器进行控制，从而控制其对应路灯的开闭状态[4]，同时收集整理路灯定位信息、耗电量、开闭状态信号及其他监测数据，上传至服务器，供管理者和工作人员及时查看。

后台系统由服务器、工控机、显示系统等组成局域网。其中，两台工控机采用1+1备份工作方式，并外接打印机、全球定位系统(global positioning system,GPS)校时、监控软件、光照度仪以及其他通信设备等。该系统由不间断电源(uninterruptible power supply,UPS)供电。

后台系统配套专业信息管理系统(management information system,MIS)和路灯管控自动化软件系统(office automation system,OAS)。数据库系统采用常规的SQLServer数据库[5]，以便不同权限、不同级别的管理人员操作。系统可实时采集数据，同步处理，对路灯实施各种指令控制并接受远程监测。

搭载地理信息系统(geographic information system,GIS)平台，创建区域范围内道路及路灯布置地理信息数据库，统一编码，精准掌握路灯地理位置。一旦接收到故障信号或其他异常信息，系统能迅速准确定位路灯所在位置，实现时报时修的维护管理机制。

2.1.3 控制系统配置

①集中控制器。

集中控制器是智能路灯照明系统中的重要中间单元，向下收集各点数据并传达控制指令，向上与监控中心通信，接收指令以及反馈相关数据信息。对照明线路进行回路控制，实时监控线路的电量信息；同时，通过电力线宽带载波通信方式与线路上的终端进行通信，控制终端的开关灯操作，并接收终端上传的灯具状态和电量数据信息。集中控制器提供了以太网连接和无线通信，方便监控中心远程对其监控和操作[6]。

集中控制器能测量电力数据和后台遥控开关灯，并具有多路控制输出。每路控制操作及时间设置均相互独立。

②单灯控制器。

单灯控制器通过电力线宽带载波通信技术与智能监控终端进行通信，实现对每一盏灯的监控。单灯控制器在灯杆门内安装，无需布线，安装方便。灯具到路灯控制柜端的通信采用电力线宽带载波通信，路灯电源线作为电力线宽带载波通信的载体，无需另设电缆[7]。

单灯控制是由单灯控制器对具备可调光路灯进行控制的方式。其采用高性能单片机硬件平台，以先进的电能计量芯片和微控制器为核心[8]，结合宽带电力线载波通信技术研制而成。这样可实现电量测量、开关灯控制、亮度控制、状态检测、载波通信等功能。

2.2 智慧路灯综合管控平台设计

2.2.1 功能结构

监控系统主要由设备监控、管理配置、报警预警、GIS管理、数据管理、短信管理等功能组成。功能结构如图3所示。

图3 功能结构图

2.2.2 设备监控

①实时运行状态监测：对每个回路、每盏路灯的开闭状态、电量、异常状态进行实时监控，随时可通过指定客户端分级查看数据。

②遥控：对系统内的所有照明控制点能按预定程序进行区域控制、回路控制、单灯控制。

③遥测：增设光检模块电路、红外检测模块电路等智能化模块[9]，采集系统内的所有照明控制点包括回路电流、回路电压、有功功率、功率因数等运行数据，供管理人员随时查阅。

④遥信:监测系统内的各照明控制点的当前状态及接收报警信息。

⑤手/自动遥控：不同区域对照明控制的要求不尽相同，在区域范围内实现群控和组控。

⑥自动巡检和抽检：能按设定的时间周期自动，进行定时/不定时巡检照明监控点的状态和主要参数，发现异常状态及时反馈至监控中心。

2.2.3 管理配置

(1)终端参数管理。

①终端参数设置。

终端参数设置实现远程对现场监控终端的基础参数、测量参数置、开关量参数等的设置功能。

②终端参数读取。

终端参数读取实现远程对现场监控终端的基础参数、报警参数、控制回路参数、测量参数等读取功能。

(2)时间管理。

①开关灯时间预案管理。

对日常开关灯、节日开关灯、政务要求开关灯时间管理并形成预案模式，为日常维护管理提供准确、快捷的操作方式。

②终端开关灯时间管理。

终端开关灯时间管理实现远程管理终端全时域、等亮度开关灯时间管理。

③开关灯控制管理

开关灯控制管理对现场的自动化监控系统远程控制，并具备集中控制、单点、单回路控制、设定预案控制等功能。

2.2.4 报警预警

①报警告知。

系统报警的原因可能包括：路灯白天开启、夜间熄灭的异亮状态、线路故障等。

②智能预警。

系统硬件自定义报警项，用户在创建灯杆或控制柜模板时可对其开闭规律等进行设置，也可根据所采集数据，由用户进行软件配置生成智能预警项。

③紧急求救报警。

在每盏灯杆处适当位置增设紧急按钮[9-10]，一旦发生事故，按下该按钮，信号可直接传至监控中心，便于相关管理人员及时处理。

2.2.5 GIS管理

从城市发展的需要出发，通过构建一个以GIS技术为基础的城市照明管理系统，共享实时信息和数据，优化管理流程，可有效解决城市照明管理中的诸多问题，提高维护工作效率。

①定位与快速查找。

箱变、路灯控制箱、各馈线回路、灯杆、灯具、镇流器、控制器等设施均能在GIS上直观体现，相应设施均能够实现独立分层显示。

②物理从属关系体现。

按照变压器、配电箱、供电线路、灯杆、灯具的顺序体现相应从属关系，当相应设施或供电回路发生变化时，系统进行相应调整。

③状态直观显示。

设施的基本信息以及状态信息均能够直观展现,对于告警类信息能够及时突出显示。

④GIS统计与分析。

按照区域、道路等进行设施及状态的分类统计及汇总。分析故障高发路段，有利于迅速查处问题、减少故障发生。

2.2.6 数据管理

①自动计算亮灯率。

在每盏路灯基座处设有单灯状态监测模块，能够自动识别开闭状态。

②查询终端运行状态。

监控中心可通过后台查询路灯及控制箱、控制器等设施各种实时状态，包括路灯的开闭状态、手/自动开关的位置、箱变及控制箱的温度、各馈线回路的电气参数是否正常等。

③查询分析及报表。

查询分析的主要内容包括：实时监测的电气参数、故障报警信号、路灯亮灯率、系统运营效率分析等；对照明监控点每个馈线回路、每个时间段的数据进行分级分权限查询、分析；对每天路灯的开闭时间、环境因素(温度、湿度、照度等)和日照长度时间等进行记录，供管理人员随时查询、分析。查询分析的结果可以以报表的方式输出[11]。

④远程抄表。

监控中心可以远程抄回照明监控站的数字电表数据并保存备查。子站能根据主站的指令，自动对具有远程抄表功能的数字电能表进行抄表。

⑤实时监控汇总。

对监控管理平台内各控制点的开关量、开灯时间、开闭次数、终端运行信号、终端温度等进行汇总管理。

2.2.7 历史数据分析

①历史参数分析。

在历史参数分析平台，对各控制点的参数进行管理，实现专业数据分析功能，历史参数确保为连续的数据。

②历史参数数据查询导出。

历史参数数据查询导出可查询分析平台内的所有控制点在一定时间内保存的数据，随时导出并打印报表，方便查阅。

③历史参数管理。

通过城市路灯管控平台，对现场监控终端的历史数据进行管理，实现现场监控终端通信一次即可采集到终端内的历史数据，确保后台历史数据的连续。

④历史亮灯率分析。

历史亮灯率分析形成平台内各控制点的亮灯率分析管理，实现专业数据分析功能。

2.2.8 短信管理

①短信值班管理。

通过短信值班管理，在无人值守的情况下，现场终端能主动把当前的报警、报告状态通过短信的形式发送到值班人员手机上。

②短信报表管理。

短信报表管理对平台内的短信报警、报告、收发信息分类型进行报表管理。

2.2.9 移动端管理

该功能基于手机操作系统，集单灯控制、设备运行监控、线路检测、故障报警、人员定位等功能为一体[12]。

3 应用及效果

3.1 应用

2019年初，武汉市某区进行了4G网络路灯智能管控系统改造，对18 000余盏区管路灯进行集中控制改造，以满足远程集中控制要求；另对部分道路的高压钠灯进行发光二极管(light emitting diode,LED)单灯控制改造，满足单灯控制功能；新建智能路灯照明监控中心；对路灯加装号码牌。

3.1.1 照明监控中心建设

①安装一组12块液晶拼接大屏作为显示系统，用于城市照明设备的管理、集中调度及监控指挥。

②建设监控指挥中心，包括计算机、网络设备、机房服务器、UPS设备等。

③对路灯监控中心办公室进行装修，配备满足需要的音响系统、指挥操作台、座椅以及电气、线材等办公设施。

3.1.2 路灯集中控制管理器

在每台路灯箱变附近，新建安装路灯集中控制柜终端。电源取自路灯箱变，控制箱采用落地式安装，实现路灯的集中控制、监控功能，进行远程本地设防、撤防，实现报警功能。集中控制器与后续安装的单灯控制器通过电力线宽带载波进行通信。

3.1.3 单灯控制器

对部分道路的高压钠灯进行单灯控制改造，在每盏路灯内安装单灯控制器。

3.1.4 智能路灯综合管控平台

通过前端智能传感器对路灯照明设备的运行状态进行监控，并通过计算机管理软件平台，结合节能减排指标，实施“照明能源管理”战略布置，实现动态、智能、灵活的节能规划。

3.2 效果

武汉市某区进行了4G网络路灯智能综合管控系统的建设,并于2019年6月投入运行，运行正常有效；提高了路灯管理水平；使路灯拥有唯一的“身份证”；平均节省电费约30%；运维人员由“人工巡检”改为“值班等待报警”，节约了路灯管理维护成本；降低能耗；降低二氧化碳排放；响应了国家提倡的节能减排号召。

运行中实现了国庆节、军运会等重大节日根据需要进行了亮灯情况的调整和重要路段单灯进行控制的需求。智能管控系统50次实时监测到路灯故障，并实现故障路灯精准定位。工作人员根据报警及时对故障进行了处理，避免了路灯大面积停电。其中，5次监测到灯杆漏电、线路破损、电缆盗割等情况，系统报警及时，减少了经济损失，降低了安全隐患。