智慧城市背景下城市路灯专网的构建与应用探究

臧 锋，王金勇，朱亚著，李锡华

(南京市路灯管理处，江苏 南京 210013)

引言

随着“双碳”目标的提出，城市建设领域各行各业开始陆续发力。在国务院印发的《2030年前碳达峰行动方案》中明确提到实施包括照明、交通在内的城市节能降碳工程；提升变压器等设备能效标准，优化新型基础设施用能结构等[1]。从新基建的电力需求上看，据测算，到“十四五”末，新基建的直接用电需求达6 500亿～7 000亿kW·h，占全社会用电量的7.0%～7.6%，较“十三五”末新增用电需求2 500亿～3 000亿kW·h[2]。巨大的用电需求一方面需要对现有城市配电网的容量、韧性进行升级，另一方面又意味着巨大的节能降碳空间，需要完善城市配电物理网络的同时，更要借助数字化、智能化的手段提高城市各类设施终端的电力利用效率。

从新基建的领域上看，包括5G基站、数据中心、新能源汽车充电桩在内的多基础设施建设与智慧城市建设息息相关，智慧城市涉及的智慧系统和各类智慧设施的稳定高效运行也离不开新基建相关领域的完善和支持。其中各类智慧设施的挂载和运行需要物理空间以及相应的供电和通讯保障，智慧路灯通常被认为是满足智慧城市建设需求的最佳入口[3-5]，然而对于形成的多元化电力负荷，仍需要更集约化的管理和统筹，保证电力系统稳定性的同时促进形成供需的双向互动格局。此外，智慧城市的有效建设对于智慧设施的分布密度也有更高的要求。以通信基站为例，4G基站的覆盖范围超过1 km，而5G基站由于平均能耗更高(高达3.5 kW)，因此只有不足500 m的覆盖范围，在城区热点区域中的实际覆盖半径甚至更小[6]，现有城市末端配电接入能力大多难以满足其分布密度要求。综上所述，未来智慧城市建设需要分布更加密集、容量更加充足、管理更加集约智能的配电网络。

1 路灯专网定义

路灯是城市中分布最广泛的基础设施，同时支撑城市照明的配电设施建设也相对完善。以南京市为例，全市共有609台箱式变电站和2 130台配电箱，供电半径在500～1 000 m之间，初步具有城市级供电“毛细管网”的基础。近年来，南京路灯陆续推进了综合杆改造、LED改造、常火改造、单灯控制等举措，在结合优化电气设计的基础上，进一步为其他用电设施接入预留了容量。此外随着路灯智能机器人等产品的诞生，南京路灯近年来在智慧设施相关算法、技术和平台搭建及运营上，积累了一定的经验[7]。

为了响应国家“双碳”目标号召，结合智慧城市建设需求，我们对现有城市路灯供配电系统升级定义为“路灯专网”，即依托路灯存量设施，完善并优化多级配电设施布局，结合大数据、物联网、人工智能等技术，实现“电力流(供电)、数据流(用电信息)、管理流(控制管理)”相融合的新一代路灯供配电网络。路灯专网旨在搭建并完善百米级末端供电半径的城市中低压配电网，满足城市治理、智慧城市建设过程中所产生的多元化负荷，通过综合管理手段提高用电智能化、数字化水平和终端电力利用效率。

2 路灯专网构建

2.1 整体架构

路灯专网的整体架构分为数据网络和物理网络，如图1所示。数据网络由云端后台、共享中台和智慧前端组成，其中后台和中台主要发挥“大脑”的作用，根据用电设施终端数据反馈做出场景识别和响应，为前端提供控制指令。物理网络是路灯专网的建设主体，由网络中心(综合站)，网络节点(综合箱)和网络末端(功能箱)三层电力设施组成，上游接入市电供电侧，下游接至各个用电需求侧。

图1 路灯专网整体架构Fig.1 Structure of street lighting network

其中，综合站为专网中心供能设施，内置高压舱、配电舱和控制舱三层分区，考虑到现有路灯供配电设施建设的安全性与经济性，供电半径约为800 m。综合箱为专网节点供能设施，内置配电舱和控制舱，覆盖1～2个路口。由于综合箱体积较小，设置灵活度高，可根据实际建设需求适度调整点位。功能箱为专网末端供能设施，内置控制舱，覆盖前后各2～3杆路灯，一般结合照明、智慧城市设备实际负荷布置，并可灵活设置储能舱。针对不同负荷，不同舱位功能有所不同，如配电舱负责为公交站、充电桩等设施提供配电、线路检测、故障保护等服务，控制舱负责为公安、交管、通信基站及智慧城市等弱电设施提供安装接口。物理网络分布结构如图2所示。

图2 物理网络分布结构Fig.2 Distribution structure of physics network

2.2 箱网搭建

箱网搭建主要指结合道路等级、用电需求等因素，合理规划建设各级配电设施，从而促使电力资源下沉，是路灯专网的物理基础和空间前提。

由于城市建设的快速发展，现有的城市配电设施难以满足城市用电的需求。尤其对于新规划的城市用地，通常存在电源点分布不合理、分布密度不够，造成取电困难、用电手续复杂等问题[8]。对于老城区道路，由于缺乏统一的配电规划管理，常常会出现通信运营商、交通、公安系统等各投资方或用电单位重复建设配电箱、线井等设施的情况，未能高效统筹地上地下空间利用，有碍市容美化的同时也带来建设成本浪费和运维难度增加的问题。

根据上述架构，将逐步完善各级配电设施建设，构建配电箱网：对于大型路口，根据已有路灯箱式变合理改造升级，建设为综合能源站，设计容量为250～400 kVA，为公安、交管系统、5G基站以及充电桩等设备供电；对于中小型路口，新增建设综合能源分支箱，设计容量为30～50 kW；此外根据道路、规划等实际情况，在路口、公交站台等区域结合各类设施实际用电需求增建功能箱，设计容量为10～20 kW。此外，对于智慧路灯终端依循“就近接电”的原则接入能源箱或功能箱，保障其挂载设备的用电需求，最大程度上提高城市公共基础用电终端的分布密度，通过分级配电和集中供电为下一步城市公共用电综合管理(包括监测、预警、调控、分析等功能)奠定物理基础。

2.3 能源通讯网搭建

能源网和通讯网的搭建是“三网贯通”的重要组成部分。如果把各类用电设备比作是城市建设的细胞的话，那么能源网就是输送营养的“血管网”，而通讯网则是疏通指令的 “脉络网”。

目前城市内配电设施建设主体多元，配电容量有所不同，例如交通信号灯所需配电箱容量通常为5 kW，通信基站所需容量与不同运营商、不同基站类型有关。已有配电设施在面临用电业务拓展时容易出现容量预留不足，同时各自相对独立的供电线路造成管理困难，无法灵活取用，对电网的稳定安全运行存在一定的冲击。此外，城市电网公司的规划管理工作通常限于35 kW以上的电网规划，10 kW以下的电网规划的建设发展相对滞后。然而由于高损耗的变压站较多、设备老化和负荷超载等情况较为普遍，造成我国城市中低压配电网损耗占到配电网线损的60%，亟需对现有中低压配电网规划合理升级。

除了电力这张“血管网”继续升级以外，智慧城市建设形成的百万数量级的终端设备同样需要密集高效的通讯 “脉络网”。随着社会经济的发展，通讯需求的主体已从传统的公用或专用通信业务逐步扩展到智慧城市应用的方方面面，包括城市治理、公共服务、社区生活等。巨大的通讯需求需要对路由、光纤等资源进行新增扩建，同时和市政设施充分融合、共享，实现资源的灵活布置和集约使用。南京路灯在各级配电设施、路灯杆件设计建设中对光纤、管道等通讯空间做出充分预留，能够满足未来大量城市终端设备的接入需求。

根据上述路灯专网架构，为了搭建和畅通能源网络，将采取以下两种方式满足城市各类建设形成的容量需求。第一，在传统路灯的基础上开展LED节能改造，加上针对不同路段、不同时段的智能调光策略，在满足城市照明的基础上有效降低照明负荷，从而释放容量空间。根据实验数据表明，同等照度标准下，LED灯具相比于传统高压钠灯的耗电量下降了40%。在此基础上，综合考虑不同路段的道路等级、车流人流情况，利用单灯控制器实行分级调光后，可进一步节能约30%。第二，在电气设计阶段充分考虑后期容量预留以及相应的管道、线缆预留，通过自有专利技术将传统路灯箱式变及线缆升级为智慧城市用电的综合能源站，统筹和灵活使用箱式变容量空间，满足用电需求，避免出现负荷超载，降低城市中低压配电网的线损。

除了上述的配电网容量问题，路灯专网还需要实现能源综合管理。当前大多数箱式变仅能监测内部电压、电流等参数。在路灯专网架构下，将结合智慧路灯等各类终端，在物理层面上需要对强电弱电进行分舱设计，避免信号干扰；在数字层面上需要对接入的各类用电设备的电力参数进行监测、跟踪、分析、预警等，充分发挥中台和后台的算力支持、算法支持，并通过调节三相平衡，滤除谐波等手段进一步提升配电网系统的稳定性、灵活性、经济性、环保性。

对于通讯需求，基于前期光纤、线孔预留，按照相关建设标准要求，通过对路由、光纤、网线、无线节点等资源的集约利用，疏通智慧城市的通讯 “脉络网”。此外，考虑到各类设备产品的“即插即用”要求，在路灯专网架构中，对各级箱式变、路灯终端统一了接口标准化、模块化设计和数据库、协议标准化要求。通过规定统一通信制式、统一通信协议等方式接入各类用电设备，实现功能整合、数据整合，从而保证专网的集成能力。通讯网络的搭建将为后期大数据、人工智能等技术的融合以及中台、后台的完备升级提供稳定、安全、便捷的数据和通信支持。同时将路灯专网纳入现有城市照明智能化系统，构建数据互通、互知的城市综合管理体系。

2.4 大数据、人工智能等技术应用

大数据、人工智能、物联网等技术既是新基建的重要组成部分，也是推进智慧城市建设的重要“武器”。随着城市的飞速发展，城市治理中面临着来自不同维度的爆炸式增长的运营数据，亟需更加科学高效的技术手段进行数据挖掘、关联分析，搭建稳健、准确的智慧模型为城市治理提供事件分析、研判、预测等决策支持。

对于城市用电而言，负荷预测、调节对于配电网的稳定性和能效至关重要。在路灯专网架构下，建立专网整体的云端后台和中台等“大脑”以及各级配电设施内嵌的前端“小脑”，通过各级配电设施覆盖感知设备，获取各类设备用电的实时参数数据，利用机器学习、深度学习等算法，对路灯专网各级数据分析、拟合，根据不同设定目标，得出优化策略，向终端下达控制指令，实现配电网的负荷预测、平衡，容量调度和相关事件的响应等，促进配电侧和用户侧供需的双向互动，提高供电服务和管理水平。

边缘计算技术也是路灯专网的重要技术之一。南京路灯所研发的路灯智能机器人内部集成了供电、通讯脉络以及大量感知设备，基于内嵌的人工智能算法，能够根据不同交通应用场景，发挥感知、执行、分析多种功能，实现前端自治。对于路灯专网中的配电设备和智能终端，同样也可以通过边缘计算技术实现不同场景的识别、需求分析，从而在数据源头执行更加优化的供电通讯策略，避免延迟影响，提升整体智能化水平。

通过智慧城市后台和路灯专网各级设施的中台这颗 “大脑”，加上设备前端这颗“小脑”，以更加全面智能的感知手段充分考虑应用场景和实际需求，基于人工智能、大数据等技术实现更高效、更智慧、更灵活的调控，从而发掘和释放城市运营数据的潜在价值。

3 路灯专网功能

3.1 深化照明体系

路灯专网是传统城市路灯供配电系统在新基建背景下的技术升级。根据高效节能的建设标准，通过更加科学合理的专网规划设计，实现城市中低压配电规划的集约化、网格化建设和管理，减少各类城市公用设施建设施工的成本和过程碳排放，对城市美化和地上地下空间资源统筹利用发挥重要贡献。

通过打造路灯专网，将充分挖掘并发挥城市路灯设施的存量优势，以技术手段构建城市配用电的“毛细管网”，进一步推动城市照明行业的主动转型和技术革新。

3.2 服务智慧城市

路灯专网是顺应智慧城市发展，连接整合产业、技术、管理等要素的智慧中枢。依托在城市中广泛分布的路灯设施，能够大大提升城市中低压配电设施的密度，便于各类城市智慧设施的用电、通讯接入。同时通过建立统一的云端后台，结合专网各级设施的数据中台和智能前端，利用物联网、大数据等技术，实现智慧化、数字化、轻量化的用电管理，有效促进城市供电侧和用户侧的供需双向互动格局，提高城市配电网运行的稳定性，与此同时集约化的建设管理将大大减少城市照明与智慧城市设施的运维成本。

通过路灯专网的构建，将充分调动行业内产品研发、技术升级的积极性和创造性，催生更新的建设标准，促进相关产业链上下游流动互补，融合跨行业产业生态，打通智慧城市建设的市场壁垒，为智慧城市建设提供更优质的服务和管理。

3.3 激发运营价值

路灯专网是智慧城市运营中各方基础设施用电数据的监管平台。相比于以往的多元化投资建设主体模式，路灯专网通过现有城市路灯供配电系统的延伸、升级，为各类城市用电终端提供更集约、更灵活、更轻量化的用电服务，大大提高设施、资源集中度，拓宽智慧城市建设的运营空间。以数据流作为提供服务流的重要依据，有效支撑“数字中国”发展战略，发挥数据作为生产要素的重要作用，盘活智慧城市各方资源，充分释放数据价值，辅助智慧城市运营发挥更大的社会效益和经济效益，破解当前智慧城市建设可持续运营的困境。

4 结语与展望

面对新基建和智慧城市建设的不断推动，如何有效促进城市现有公共基础设施升级改造，通过技术、管理赋能满足日益增长的各类需求是城市管理者和建设参与者努力的重要方向。本文基于现有城市路灯供配电系统，提出了“路灯专网”的定义，从箱网搭建，能源通讯网络搭建和物联网、大数据等技术的应用多个方面阐述了路灯专网的整体架构。后期随着直流供电、储能等技术的进步，路灯专网的节能效益和应急能力将进一步完善，同时随着物联网、大数据等技术的升级，路灯专网的数字化、智能化水平和综合管理能力也将大大提升，逐渐成为智慧城市建设运营的重要组成部分和核心产业平台。