地铁直流智能照明系统的调光应用分析

李家旭，李小亚，刘海浪，詹浩杰，韦 晶

(1.广州地铁设计研究院股份有限公司，广东 广州 510010；2.杭州中恒派威电源有限公司，浙江 杭州 310000)

引言

地铁直流智能照明系统采用DC220V的直流电为灯具供电，相对于传统的交流供电方式，可以提高供电线路的安全性，灯具的使用寿命延长，传统灯具在DC220V输入的情况下，也可以兼容正常工作。同时，该系统具备智能调光功能，相对于交流供电方案下的智能调光系统存在较大的差异，利用直流供电系统的特性，通过直流供电线路传递调光指令，实现照明的智能控制。本文主要介绍地铁直流供电下的智能调光通信方案及应用效果。

1 地铁直流智能照明系统的调光方案

1.1 系统架构

地铁直流智能照明系统将直流供电技术与LED智能照明相结合，采用DC220V的直流电为LED灯具供电，并集成智能调光控制功能，利用直流供电线缆传输调光指令，LED灯具端可解析该指令，实现安全供电及智能调光。该系统主要由直流电源柜、LED灯具(含DC-DC电源、LED灯)、直流照明管理平台以及传感器模块组成[1]，如图1所示。

图1 地铁直流智能照明系统架构图

(1)直流电源柜。直流电源柜是该系统的核心单元，主要负责将交流电转换为直流电，为后端的设备功能。直流电源柜具备智能控制功能，包括柜内各个功能模块的状态监测、故障告警、回路控制等，同时具备调光控制功能，该功能与LED灯具端的DC-DC电源联动，实现照明的调光控制。

(2)LED灯具。LED灯具内置DC-DC电源，该单元输入工作电压与直流电源柜的输出电压相匹配。同时，该DC-DC电源内置通信模块，可以与直流电源柜进行通信，实现LED灯亮度的调节。

(3)直流照明管理平台。地铁站的直流智能照明系统的服务器采用本地部署的方式，站内的全部直流电源柜通过以太网通信组网，直流照明管理平台可以实现对全站的直流电源柜。同时，BAS系统与直流照明管理平台相连接，车站控制室实现对直流智能照明系统的实时控制及状态监测。

(4)传感器。地铁照明的智能化控制引入多种类型的传感器，如出入口区域的照度传感器、设备区走道的红外传感器、站台门灯带的光电传感器，根据传感器采集的数据，对照明进行开关及调光控制，实现按需照明。

1.2 系统优势

(1)供电更安全。人触电伤害主要取决于电流强度和时间长度。国标GB/T 13870.1—2008 《电流对人和家畜的效应第1部分通用部分》 中关于交直流电对人体的伤害做了解释，如图2所示。

图2 交直流电对人体的伤害程度

由图2可知，交流电流5 mA以内，人体有感知和不自主的肌肉收缩，但通常没有有害的电生理学效应；直流电流20 mA以内，人体有无意识的肌肉收缩，但通常没有有害电生理学效应。系统采用DC220V直流供电，直流悬浮输出，输出正极和负极均不直接接地，可提高照明用电的安全性[2]。

(2)灯具可靠性更高[3]。当前照明灯具交流电输入，需要使用AC-DC电源，将交流电转换成直流电，此过程存在较高的故障率。直流供电后，照明灯具仅需要使用DC-DC电源即可，用电设备可靠性提高，降低后期设备的运维成本。

(3)电网更纯净。直流供电系统采用集中整流，直流电源柜功率因数可达0.98以上、谐波电流≤5%，可有效提高对电网的利用率，降低对电网的污染。照明灯具使用DC-DC电源，纹波电流极低，无频闪。

1.3 智能调光方案

传统地铁智能调光系统主要使用DALI系统，该系统方案成熟，应用广泛。DALI系统敷设专用的DALI通信线，通过DALI控制器与灯具端的DALI电源形成组网，可对灯具的地址分配，实现照明的广播调光和分组调光[4]。在地铁直流智能照明系统下，存在多种智能调光方案可选，如下将介绍与该系统匹配度较高的三种方案。

(1)曼彻斯特编码通信。直流电源柜具备输出电压的调节能力，因此，可采用输出电压调节变化的方式，形成一串二进制指令，该指令中包含执行功能信息、地址信息和调光亮度信息，通过直流供电线传输给LED灯具，LED灯具端的DC-DC电源内置的通信解码单元进行解码，实现照明的调光控制，如图3所示。

图3 曼彻斯特编码通信示意图

(2)降压式通信。利用直流电源柜的输出电压可调功能，系统可采用输出降压的方式传递调光指令，例如DC300V对应亮度100%，DC250V对应亮度50%，通过直流供电线传输给灯具，灯具侧的DC-DC驱动电源调节电流，实现照明的调光控制，如图4所示。

图4 降压调光曲线

(3)直流电力线载波通信(Power Line Communication)。直流电力线载波通信技术(以下简称“直流PLC”)是利用直流供电线路传递信号，相对于户外照明用的电力线载波技术，该技术不仅可以通过交流线路传递信号，也可以通过直流线路传递信号。末端的DC-DC电源内置直流PLC芯片，可以与直流电源柜中的控制单元进行通信，实现DC-DC电源的单灯控制及故障反馈[6]，如图5所示。

地铁照明场景需要实现分区调光控制，不同区域执行不同的调光亮度。由于地铁站内长期有工作人员，因此通过单灯控制功能获取单灯故障状态的需求并非必要功能。由表1四种通信方式对比可知，曼彻斯特编码通信方式可以满足地铁照明的需求，且成本适中，是较佳的调光方案。

图5 PLC通信示意图

表1 通信方式对比

2 曼彻斯特编码通信

2.1 编码定义

曼彻斯特编码通过高低电平进行二进制编码，但是并未设定绝对高电平和绝对的低电平，而是取的相对差值。

低电平 = 高电平-10 V

(1)

系统处于正常工作状态时，直流电源柜输出的母线电压为高电平，如当前输出电压为DC220 V时，则高电平是DC220 V，低电平是DC210 V。在远距离传输下，即使末端压降，但是高低电平的10 V差值依然存在，保障了指令识别的可靠。

“1”： 100 ms高电平+100 ms低电平

“0”：100 ms低电平+100 ms高电平

根据地铁照明场景的需求，定义一帧曼彻斯特编码有以下几部分：起始位、功能码、模式码、分区码、数据码、校验码等。

(1)起始位：标志数据传输开始；

(2)功能码：此条指令的功能含义，如模式配置、模式切换、实时调光、快捷模式等；

(3)模式码：此条指令的模式类型，如高峰模式、平峰模式、全亮模式、清扫模式、停运模式、火灾模式、自定义模式等；

(4)分区码：对应DC-DC电源设定的地址，不同区域设定不同的地址，实现分区调光；

(5)数据码：DC-DC电源需要执行或存储的亮度值；

(6)结束位：标志数据传输结束。

2.2 编码范例

(1)实时调光。分区1调光50%编码表如表2所示，图6为其对应的波形图。

(2)模式配置。分区1高峰模式烧录亮度70%的编码表如表3所示，图7为其对应的波形图。

表2 分区1调光50%编码表

图6 分区1调光50%波形图

表3 分区1高峰模式烧录亮度70%编码表

图7 分区1高峰模式烧录亮度70%波形图

(3)模式切换。切换至高峰模式的编码表如表4所示，图8为其对应的波形图。

(4)快捷模式。切换至快捷模式1的编码表如表5所示，图9为其对应的波形图。

表4 切换至高峰模式编码表

表5 切换至快捷模式1编码表

图8 切换至高峰模式波形图

图9 切换至快捷码1波形图

3 智能照明应用效果

地铁照明根据照明区域、灯具类型可以分为出入口照明、公共区照明、设备区照明、导向照明、广告照明等[6](图10和图11)。直流智能照明系统根据综合监控中心及车站控制室下发的运行时间表，对照明进行模式切换、实时调光及回路开关等控制。

图10 站厅层区域分布图

图11 站台层区域分布

(1)出入口照明。

出入口区域可分为飞顶、扶梯、过道等区域，对这三个区域的照明分别设定1、2、3地址，进行分区控制。

为实现按需照明，在飞顶区域设置照度传感器，飞顶区域的照明开关及亮度调节与环境照度进行联动。当环境照度越高，该区域的照明通过实时调光指令对分区1进行调光亮度降低或调光关灯；当环境照度越低，该区域的照明通过实时调光指令对分区1进行调光亮度提升。

扶梯区域和过道区域可根据时间表进行高峰、平峰、停运等场景模式进行切换，不同模式下预存初始亮度值，可快速进行模式切换。

(2)公共区照明。

公共区照明可分为站厅层非付费区、站厅层付费区、站台层候车区、站台门灯带等区域。其中站厅层非付费区、站厅层付费区、站台层公共区以场景模式切换的方式运行(表6)。

表6 运行区域不同模式下的预设亮度值

在高峰模式和平峰模式下，站台门灯带照明的开启和关闭与微波传感器状态联动，微波传感器安装在轨行区列车停靠后的尾端，监测列车进站状态，当列车进站，站台门灯带照明开启，当列车离站，站台门灯带照明关闭。

(3)设备区照明。

设备区照明分区室内照明和走道照明。室内照明处于长亮状态，由室内面板开关控制。走道照明与红外传感器状态进行联动，当走道有人时，通过快捷码调光的方式，将照明亮度调节至80%；当走道无人时，通过快捷码调光的方式，将照明亮度调节至30%，实现节约能耗。

4 总结

地铁直流智能照明系统目前已在苏州地铁5号线全线应用，照明控制通信方式采用曼彻斯特编码通信方式，利用直流供电线路传递调光指令，实现照明的智能控制。相对于交流供电方案下采用的DALI调光系统，省去通信线缆的敷设，降低施工难度。同时，通过传感器与直流电源柜的联动实现按需照明、人性化照明。相信在未来，直流智能照明凭借其调光控制简单、供电安全、延长后端用电设备寿命等优势，在地铁项目中将有越来越多的应用。