直流供电智能照明系统在道路照明中的应用

陈智刚，陈健豪

（1.中建照明有限公司，广东深圳，518000；2.广西科技大学，广西柳州，545000）

目前我国路灯监控管理系统的普及率较低，大部分道路照明都尚处于传统的定时钟控和人工巡检的控制管理模式，路灯覆盖面广，不仅耗费大量的人力物力，而且实时性很差，效率低，并且道路照明系统庞大且复杂，各种漏电、短路、跳闸、电缆和灯具破损等故障发生时不能及时有效维修。此外，照明系统现有的220V 交流供电技术成熟，但仍存在供电效率低、谐波含量大以及电解电容易损坏的不足，不仅减少了LED 灯的使用寿命，影响照明系统的可靠性，还大大增加了运营维护的成本。

1 直流供电智能照明系统

直流供电智能照明系统采用直流集中供电模式，调光方式采用低频宽带电力载波信号，实现供电与调光一体化。将传统LED 灯具内的AC/DC 整流模块统一前置于直流供电控制柜中，把交流电转换为高压直流[1]，做N+X 冗余，以直流电形式进行电气传输至LED 灯，再进行DC/DC 变换获得所需的电压电流，减少谐波电流，延长LED 灯寿命，提高了照明系统的可靠性，并整合了大功率电源模组、智能控制器和绝缘检测装置，安全、经济、高效运行，不仅加强数据信息收集能力，还能灵活控制供配电，有利于节能管理。如图1 所示。

图1 直流供电智能照明系统结构图

■1.1 智能控制

智能控制器作为主控单元，控制照明系统的方法包括网页服务端和移动终端，智能控制器负责管理系统工作模式和实时监控直流供电控制柜内各单元器的运行状态，包括LED 灯的开关及调光、监控电压电流、功率因数、能效分析、故障监测、漏电预警等。同时，它也是完全替代本地触摸显示控制屏幕的一种工具，克服触摸屏寿命短、触摸失灵、温度上升造成的不稳定、维护成本高等瓶颈。此外，保留通信接口，便于设备在脱机状态下，由本地工业计算机管理控制。

网页服务端：具有独立的控制界面，采用GPRS 或者WLAN 通信方式连接智能控制器即可实现网页操作，实现远程监控、灯光开关及调光、设置参数，故障报警等功能，并可优化功能程序和扩大存储空间，具有数据分析能力和良好的扩充性。

移动终端：通过智能手机或平板电能专用APP 对智能控制器进行远程操作，根据具体使用场景对控制层面进行灵活灯光组合配置，比如应用不同控制策略，设置运行参数，大大增强了运维操控的方便性，还可实现二次节电。

■1.2 可靠性

(1)自适应阻抗匹配耦合器

针对电力线网络中，各种电气元件随机连接的不同网络节点（接入点）和输入阻抗具有位置和时变特性而导致收、发信机的输出和输入阻抗不匹配和信号传输质量降低的问题[2]，自适应阻抗匹配耦合器根据直流电力线信道不同的阻抗值（而不是平均电力线阻抗），动态选择最佳的耦合变压器匝数比，提高阻抗匹配的准确性，且在匹配频率处实现最大功率传输，提高功率增益。该自适应阻抗匹配耦合器改善通信的可靠性和稳定性。阻抗匹配耦合器方案比较见表1。

表1 阻抗匹配耦合器方案比较

(2)直流双极性供电系统

直流供电系统的主接线型式包括双极性和单极性。针对直流供电系统的安全性、可靠性、供电能力、经济性和运行灵活性，采用双极性系统[3]，负载交错分布在两极，其中一极不受停电影响，提高了供电可靠性，同时，避免因照明缺失直接或间接造成交通事故，提高道路安全性。为适应智慧城市建设，双极性供电系统提供了两种电压等级，无须接入变换器，既降低了成本又提高供电的灵活性，也为电动汽车充电提供条件。两种主接线类型的供电系统方案比较见表2，双极性接线原理图如图2 表示。

图2 双极性接线原理图

表2 两种主接线类型的供电系统方案比较

(3)强电直流载波调光

利用已经铺设好的电力线作为信号传输通道进行数据传输和信息交换，用特定程序控制直流母线电压来传递指令信号，后端DC/DC 电源模块解析信号，不需要重新架设网络，节约成本，具有可靠性高、造价低、效率高、可与电网建设同步等优点[4]。选择宽带电力载波通信的方式实现单灯控制及调光，通信速率高，丢包率低，距离远，快速、可靠、精确地响应系统信号，达到预期的使用效果，节约、节能、实用、经济。

表3

不同的传输方式均有各自的优势与缺陷，而实际的系统设计过程中我们需要考虑实际的环境、功能要求等因素来对此进行选择和设计。一个完善的直流智能照明系统需要依据实际条件做到造价适中、通信稳定可靠、具有完整的对所有管辖的路灯的监控、管理和控制的能力，还要便于后期扩容和维护。

■1.3 安全性

现有交流供电采用220V 三相TN 系统，触电情形为人体触碰任一相线，产生触电电流大，接触电压等于220V的电源电压。而双极TN系统接地，P极或M极发生接地故障后，人体直接触碰N 极，会产生较小触电电流，但接触电压并未发生变化，接触电压等于电源电压。其安全性优于原有的交流电供电系统。

进一步，双极TN 系统接地，可接入绝缘检测装置，能及时准确获得电力网中的故障点位置及其故障原因，保障电网安全运行，提高维修人员工作效率，加快了电缆抢修和灯具维护更新，此有助于恢复道路正常照明，提高道路安全保障。

2 直流供电智能照明系统的优势

（1）智能化水平高。按需照明，对道路照明系统实施远程网络监控管理，可实现 LED 灯开关、调光亮度、亮灯率监控、能效分析、参数设置等，还可对系统运行状态进行数据采集和分析，对短路，漏电，故障点位置等不确定情况，做出及时判断和决策，并反馈智能控制器后台系统，用户可通过网页端和移动端对道路照明系统做出相应控制策略，且可实现二次节能。

（2）可靠性好。自适应阻抗匹配耦合器的抗干扰能力高，保证信号功率传输稳定，提高系统通信可靠性；冗余备份，电源模块发生故障时，系统仍不间断地正常运行；采用直流集中供电方式，解决LED 灯具使用寿命较短问题，提高灯具可靠性。

（3）安全性好。降低路灯在通电状态下的安全风险，双极TN 接地，触电情形为只触碰N 极，且直流电对人体损害作用比交流电小。

（4）扩充性好。双极性供电系统可供两种电压等级，便于搭配其他设备；道路两侧灯具的直流电源还可为电动汽车充电提供便利。

（5）成本低。采用铺设好的电力线，无须再消耗人力物力去敷设网线和网络架设；通过系统反馈的故障情况，有利于降低人工巡检带来的时间、人力成本。

3 展望

照明光源更新换代之后，5G 互联网高速发展时代为传统照明行业指出一条前景光明的道路，随着中国城镇进入城市化高速发展阶段，道路智能照明必然成为核心重点。在道路智能照明方面，未来发展趋势围绕智慧城市，以城市道路照明和城市夜景照明为应用场景，以多功能智慧杆为载体，提供智能电网、能源互联网，共享实时信息和数据，建立大数据处理平台，提升智能化管理水平，信息化管理水平与节能控制，与智慧交通、智慧安防等有机结合，支持电动汽车充电、手机充电、通讯等功能，加速了传统照明技术的改革创新。智能照明使得LED 灯超越光源的功能，实现人、环境与AI 照明协调发展。