智慧路灯安全智能供电方案设计

李付伟，朱伟楠，卢 阳，李应飞，马荣兵

(上海五零盛同信息科技有限公司, 上海 200331)

引言

智慧城市需要利用先进的信息技术和完备的基础设施，让城市具有全面感知、资源互联共享、智能协同作用，实现智慧服务和管理，让城市朝着更深层次信息化发展[1]。路灯，在城市中数量众多，是最密集的城市基础设施。因此，具备“有网、有电、有杆”三位一体特点的智慧路灯，成为智慧城市建设中不可或缺的关键节点[2]。随着5G、智慧城市、新基建等建设加速推进，智慧路灯建设掀起一股热潮。2021年4月6日，住建部、网信办等16部门联合发布《关于加快发展数字家庭 提高居民品质的指导意见》，提出鼓励建设智能停车、智能充电、智能灯杆、智能垃圾箱等公共配套设施[3]。2021年11月26日发布的《智慧城市 智慧多功能杆 服务功能与运行管理规范》(GB/T 40994—2021)中明确要求：智慧多功能杆应能为挂载设备提供所需的交流及直流供电接口，宜具备漏电监测、供电监测、远程控制、倾斜监测、积水监测和仓门开关监测等功能[4]。

由于智慧路灯建设是将交警、公安、市政、城管等多个职能部门智能化设备统一建设，如何设计一套满足各类传感设施的安全供电系统，实时监测不同设备的用电状态，采集不同权属部门的设备用电电量等问题至关重要。本文通过对当前智慧路灯建设中存在的问题进行分析，结合未来运营管理需求，给出一种基于智慧灯杆智能控制器的智慧路灯智能供电设计方案。

1 安全智能供电设计的必要性

1.1 供电设计中存在的问题

近年来不少智慧路灯项目主要从完成任务角度来实施，对关键技术问题缺乏通盘考虑，导致电气设计考虑不周全，供电通信配套不完善等技术痛点[5]。常见问题如下：

1)缺乏统一供电规划。当前智慧路灯供电设计多数采用传统路灯建设供电设计模式，结合建设时安装设施设备的供电需求进行设计，未考虑智慧路灯作为未来城市智能化设施重要载体的扩展需求，对预留供电冗余及如何根据需要拓展需求缺乏考虑。

2)无法对不同主体进行单独计量。与传统路灯相比，智慧灯杆集成不同用户的设备，这些设备有市政用电、工业用电、商业用电，隶属于不同管理部门，无法单独计量，常见的通过供电线路进行区分，根据用户不同铺设不同供电线缆，将造成大量资源浪费，成本较高。

3)缺乏供电统一保护问题。智慧灯杆集成大量设备，用电防护等级层次不齐，这些设备若接在电缆上，一旦发生雷击，会造成大量设备故障；同时，一个设备故障短路或者漏电时，会影响整个线路供电安全，供电的安全防护需要统一考虑。

4)缺乏远程管理手段。智慧灯杆集成大量设备，并不是所有设备都需要24 h供电，像LED大屏在深夜无人时需要关闭，灯具白天需要关闭，亮化灯具在重大节日时才需开启，针对这些设备的供电缺乏远程管理手段。

5)缺少对供电环境的动态监测。无论是供电箱体侧或者是杆体侧，要保障供电正常运行需要一个安全稳定的环境。目前供电系统设计多以箱体环境监测为主，缺乏对杆体如倾斜、内部温湿度、积水、震动等环境状态的监控。

1.2 智慧路灯建设供电需求

(1)统一供电规划设计。智慧灯杆建设需要在规划设计时，根据当前用电需求同时结合未来用电需求统筹设计规划，针对智慧灯杆集成的大量传感器设备，根据其供电电压、功率、接口形式、功耗时间曲线、防护等级等参数进行归类区分，统一预留供电接口。

(2)分路用电计量采集。为方便管理和运营，需要单独计量每种设备设施的耗电量，根据设备设施权属单位的不同独立结算用电费用；同时根据各类设备设施能耗情况进行能耗分析，设置相应的节约能耗策略。

(3)统一供电用电保护。为保障各挂载设施设备的用电安全，需要在箱体侧和每个杆体侧设置浪涌防护装置以及漏电保护装置；同时为了避免单个设备短路或者故障对其他设备产生影响，为每个设备供电应采用独立过流、过载、短路保护措施。

(4)远程控制管理。为避免能源浪费以及提高管理效率，需要为每个设备设施供电回路远程实现供电开启或关闭，同时可为每个供电回路设置供电开启和关闭策略，远程采集和监控每个设备用电状态，动态监测到设备出现过载、过流、欠载、短路等用电故障并及时告警。

(5)动态环境状态监测。为保障箱体内安装及杆体挂载各类设施设备正常运营，需要实时监测箱体内温度、湿度、水浸、烟感等环境状态，根据需求及时排风降温及告警；需要实时监测杆体倾斜震动状态，一旦杆体出现倾斜有倾覆危险及时告警。

2 供电方案设计

2.1 智能供电系统架构

供电系统整体架构如图1所示，分为变压器至综合机箱、综合机箱至灯杆、灯杆至设备三层供电结构。从专用变压器二次输出侧引入一路380VAC供电电缆至综合机箱，综合机箱根据需要的供电回路方向和数量，分别引出380VAC 24 h供电缆至每个内安装的智慧灯杆智能控制器，智能控制器输出220VAC、24VAC、48VDC、12VDC、5VDC不同电压等级回路供给杆体上挂载各类设备。

图1 供电系统架构示意图Fig.1 Schematic diagram of power supply system architecture

2.2 综合机箱供电设计

综合机箱内部供电设计如图2所示，综合机箱采用5仓体设计，分为综合配电仓、信号机控制仓、交通汇聚设施仓、公安汇聚设施仓、其他汇聚设施仓；变压器二次侧引入380VAC至综合机箱内综合配电仓体的三相断路器总闸，由三相断路器总闸分别引至交流接触器和断路器，交流接触器用以控制回路供电通断，断路器用以控制回路过载保护及手动通断，断路器一部分回路通过电缆引至每根智慧灯杆给杆体挂载设备供电，另一部分引至其他汇聚仓体给仓体内汇聚设备供电。

图2 综合机箱配电示意图Fig.2 Power distribution diagram of integrated cabinet

综合机箱内安装回路控制终端，本文选用上海五零盛同信息科技有限公司的WJ3006回路控制终端，利用该设备远程控制回路接触器通断，实时监测每个回路电压、电流、功率、漏电电流，根据监测到实时数据判断分析箱体供电是否正常，监测到回路有过压、过流、漏电、断电等情况及时上报故障；实时监测各回路剩余漏电电流，监测到回路有漏电上报告警至系统平台或直接断开接触器，确保回路供电安全；将箱体电子门锁接至回路控制终端，远程控制每个仓体开关，监测每个独立分仓仓门是否开启，监测箱体温度湿度，根据箱体温度湿度自动控制箱体排风扇开启和关闭。

2.3 杆体侧供电设计

杆体侧供电系统示意如图3所示，综合机箱的380VAC电源引至杆体侧智慧灯杆智能控制器，智能控制器降压整流处理后分别输出交流220VAC、24VAC,直流48VDC、12VDC、5VDC；交流220VAC输出电源可以给智慧灯杆挂载交流设备供电，如：通信基站、户外信息屏、LED灯具等设备；直流48VDC给杆体挂载直流48 V设备供电，如：Wi-Fi基站AP、户外广播等；直流12VDC给杆体挂载直流12 V设备供电，如：摄像头、交换机、一键报警、路侧RSU、环境监测、气象监测等；交流24VAC给杆体侧挂载视频监控球机使用；直流5VDC给杆体挂载需要5V供电传感器使用。

图3 杆体侧系统供电示意图Fig.3 Power supply diagram of intelligent street lamp side system

在供电安全方面，通过智慧灯杆智能控制器一方面为各类不同供电电压等级的挂载设备供电，另一方面实时监测各类挂载设备供电电压、电流、功率等状态，监测到设备过流、过载、短路等供电异常，及时断开供电输出，避免一个挂载设备损坏对其他设备产生影响。

在能耗节约方面，通过智能控制器根据需要为每个供电设备设置供电时段策略，如：LED灯具根据日出日落配置日落开灯、日出关灯或根据车流、人流状态调整灯具亮度，户外信息屏可配置深夜关闭策略，根据需要精准控制实现节能。

在精细管理方面，通过智能控制器实时监测每个挂载设备用电状态，通过状态分析设备是否正常，实时监测每个设备消耗电量，用以挂载设备用户电费结算；实时监测杆体内积水，一旦杆体内出现积水立即告警并关断用电设备，确保供电安全；实时监测杆体倾斜及震动，杆体因外部原因导致倾斜碰撞及时告警；实时监测杆体及设备仓体内温度和湿度变化，根据温度和湿度变化启动排湿散热风机；外接电子门锁，通过系统平台远程开锁，实时监测门锁状态，记录开锁人员等。通过以上功能提高管理精细化和智能化水平。

3 工程实例

3.1 项目概况

本实例位于雄安新区，项目名称为“雄安站枢纽片区市政道路(一期)工程”，包含地面道路共5条，分别为N1(K1～E1)、N9(K1～昝白公路)、E3(N1～N9)、E4(N1～N10)、E5(N1～N9)，全长9.83 km。项目包含地面道路的全线信号灯、照明工程、监控工程、智能杆柱工程。项目采用智慧灯杆模式建设，涉及所有智能设施均依托综合杆柱进行挂载和建设。

3.2 供电设计

道路照明负荷等级为三级，按照市政设施用电电源统筹设置的原则，综合管廊、道路照明、景观照明、交通监控、雨水调蓄共用电源，在高铁片区结合综合管廊设置17座地下变电所，各变电所0.4 kV供电半径不超过750 m，要求各供电回路电压降小于5%，保证正常运行情况下照明灯具端电压应维持在额定电压的90%～105%。变电所设计内容纳入综合管廊工程。

一期工程地面道路分别由综合管廊3#、4#、5#、6#、7#、12#、14#、17#分变电所供电。综合杆柱、交通信号控制机等统一由综合电源箱供电，箱内进线端设置计量装置和回路控制终端装置，配电图如图4所示。从管廊分变电所引入380 V电源分为两路，一路给杆柱及其挂载设备供电，一路给交通信号机和网络设备供电。

图4 综合电源箱配电图Fig.4 Distribution diagram of integrated power box

在杆体侧除无需供电、通信的道路标识牌杆柱，其余杆柱内均设置智能控制供电模块，由其负责杆柱上设备的分路供电保护、计量、控制、通信等功能，杆体侧接线示意如图5所示。

图5 杆体侧供电接线示意图Fig.5 Schematic diagram of power supply wiring at smart street lamp side

3.3 实施效果

本工程实例采用三级供电系统设计，综合配电箱为照明、交通、公安、城管、移动通信等各权属单位的设备设施提供统一的回路供电，并通过WJ3006照明回路监控终端实时监测各回路供电状态，监测各供电回路供电电压、电流、功率、电量、漏电流等数据信息，实现了各类设施设备供电的统一规划、统一设计、统一供电、统一控制、统一监测。

杆体侧通过杆柱电源管理模块，实现对杆体上挂载各类设施设备的供电、保护、计量、监测任务，同时监测内环境状态，预留扩展供电及监测接口，方便后期设备挂载拓展，并通过后台管理软件实现对现场设备的实施监测。现场效果如图6所示，后台管理软件如图7所示。

图6 现场效果图及杆体侧智能控制器效果图Fig.6 Effect drawing of intelligent street lamp and intelligent controller

4 结论与展望

在新基建、5G、智慧城市建设的风潮下，国内各个城市开展基于城市照明的智慧灯杆建设、智慧城市体系的设计，开展共杆、共箱、共管等新基建的分步实施[6]，智慧灯杆建设是未来城市基础设施建设的重要方向和趋势。依托智慧灯杆构建的供电网络是智慧城市的动力系统，供电网络设计至关重要。智慧灯杆国家标准明确了对智慧灯杆的供电智能化管理要求，通过综合机箱与杆体侧两级配电管理设计，可有效解决智慧灯杆在建设、管理、运维、运营方面存在的问题，本文所述的智能供电设计具有以下特点：

1)实现了综合机箱的箱体侧及杆体侧不同设备、不同权属单位统一供电设计；

2)实现不同设备权属单位分路用电计量采集设计；

3)系统性解决了各类设备漏电、过载、过流、短路等常见故障监测、监控、保护问题，解决了设备间用电异常相互影响问题；

4)实现综合箱体及杆体侧供电策略控制，根据需要配置供电策略，实现远程管理节约能耗；

5)实现综合配电箱及杆体动环监测，实时监测综合箱体及杆体各种环境参数及安全状态，提高精细化管理水平。