集中供电系统在智慧多功能杆设计中的应用

余剑青，初天舒

[上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司深圳分公司，广东 深圳 518000]

1 智慧多功能杆概述

近年来，智慧多功能杆（Intelligent multifunctional pole）逐渐成为智慧交通领域中使用最多的热点设备[1]。在即时通信的基础上，智慧多功能杆集成了多种智能模块以及传感设备，除可调光灯具外，智慧多功能杆将会根据周围环境变化以及智慧交通需求装载不同的智能设备[2]。智慧多功能杆集视频采集、智能照明、慢行服务、移动通信、环境监测、设施监测等诸多功能于一身，是智慧交通建设中不可或缺的重要载体[3]。

工程上一般按照功能将智慧多功能杆分为信控路口智能杆、非信控路口智能杆、路段智能杆三类。根据道路需求配置智能照明、视频采集、5G 微基站、慢行服务设备、车路协同路侧单元、一键呼叫、公共广播等设备，如图1 所示。

图1 智慧多功能杆

智慧多功能杆在“新基建”和智慧交通建设中都扮演着重要角色[4]。一方面，智慧多功能杆具有精确的控制策略和智能调光模式，不仅可以节约电能，同时也可以达到保护环境的目的[5]；另一方面，在城市基础设施建设中统一安装智慧多功能杆，可以对城市公共照明进行统一管理和监控，有效提高城市照明管理效率，降低运营成本。另外，在先进的传感器技术支持下，管理者可针对不同场景进行多种模式的灯光控制，增加城市景观的观赏性，提高城市形象。随着5G 技术的兴起，越来越多的5G 基站投入使用，在智慧多功能杆上挂载5G 微基站通信单元，相较于照明、WiFi 等其他设备，5G 基站具有更大的功率，因此其对电源容量和接口的要求也随之增加。

党的十九大报告指出，要构建清洁低碳、安全高效的现代能源体系。市政设施的供电电源是实现低碳、节能的关键执行者之一。然而，目前路灯供电技术领域仍然存在电源结构不合理、占用空间大、管线复杂等问题。电源系统作为照明工程中的重要组成部分，对能源结构升级转变的影响不可忽视。

虽然智慧多功能杆使城市更加智能化、节能化[6-7]，但是目前的智慧多功能杆系统都存在土地资源空间占有过大的问题。大多数智慧多功能杆采用照明与其他智慧设备各自独立的供电方式，在土地资源日益紧张的情况下，会使供电电缆及管线占用更大的安装空间，且在更换检修时十分不便，降低了工作效率。因此，现阶段亟须设计一种便于安装且节省空间的智慧多功能杆电源，以解决上述问题。

2 集中供电系统在工程实际中的优势分析

目前，市政道路建设中考虑到道路周边地块各种应用场景对于水、电、燃气等需求的日益增加，在道路下方通常会附建有很多给水、燃气、电力通信等市政管道，导致地下管线空间十分拥挤，影响照明管线布置。在满足《城市工程管线综合规划规范》的前提下，智慧多功能杆的管道占有空间较多，严重影响其他管线的敷设，使得其他管线布置时超出道路红线，造成用地紧张问题，如图2 所示。

图2 拥挤的地下管线空间

在传统的智慧多功能杆供电系统设计中，通常采用照明供电与智慧设备供电分离的方式，这在一些规划宽度较小且管线较多的道路中难以实施，给道路建设造成困难。同时，针对不同设备需要多根电源线与其相连接，在道路建设时须穿管道埋入地下。例如，智慧多功能杆通常采用“2+8”模式（2 根路灯供电+8 根智慧设备供电、通信管道），需要敷设10根管道，施工成本大幅增加，使得智慧多功能杆的建设缺乏经济性。智慧多功能杆管道敷设示意图如图3所示。

图3 常规智慧多功能杆埋管示意图

此外，如图4 所示，现有的集中供电系统在道路照明领域应用较少，这些集中供电设备普遍占有空间较大，并且都设置在路灯外，无法从根本上解决地下管线拥挤的问题。

图4 常规路灯集中供电设备

针对以上问题，本文提出一种安装在智慧多功能杆内部的模块化集中供电电源系统，采用交流、直流分别输出的供电策略，集中为照明灯具以及智慧多功能杆挂载的设备供电。此系统既减少了地下埋设的管道数量，又能保证智慧多功能杆挂载的设备供电不受影响，减少施工成本，克服智慧多功能杆电源线路复杂、检修效率低下且照明和智慧设备无法统一供电的问题；同时简化设备的安装与拆卸，提高施工和检修效率。模块化集中供电电源与传统智慧路灯供电电源对比见表1。

表1 模块化集中供电电源与传统智慧路灯电源性能对比

3 集中供电电源模型构建探讨

本文构建的集中供电电源模型以市政箱变经变压器将电压降为220V，并将其分为多路——一部分电路直接用于设备供电，另一部分经整流电路、稳压电路调整后输出直流电压为其他设备供电。电源系统框图如图5 所示。

图5 电源系统框图

电源模型主要由供电主体和供电模块两部分构成。电源主体设置在路灯灯杆的检修门附近，形状为矩形，电源与路灯灯杆两侧要留出适量距离以便于安装、拆卸和维修，如图6 所示。

图6 电源位置示意图

智慧多功能杆在工作时通常会挂载很多智慧设备，需要交流和直流的多个数值的电压输出，因此电源主体应主要起到转换器的作用，根据设备供电不同需求将箱变输入的AC 380 V 电压通过整流电路转化为适应不同设备的AC/DC 供电电压，供电模块概念图如图7 所示。

图7 电源供电模块概念图

电源的供电模块是基于智慧路灯挂载设备的分类进行设计的，共有11 种设备，如图8 所示，出于对工程实际以及设备维护等方面的考虑，额外增加1个应急供电模块，共12 个供电模块。

图8 常规智慧多功能杆挂载设备

电源电路图如图9 所示。电源电路的输入端电源由220 V 交流电经变压器提供，经电源模块主体引出6 路220 V 交流电压，其中5 路分别为照明、5G基站、LED 信息发布屏、一键呼叫电话系统以及应急电源供电，另一路通过KBPC3510 整流桥进行整流，将交流电压整流为直流电压。

图9 集中供电系统电路图

根据智慧多功能杆挂载设备的额定电压（见表2），滤波后的电压经三端稳压器形成稳压直流电源电路，稳压器选用三端稳压器LM7812 和LM7824。整流后的电压分别为24 V 和12 V 的直流电压模块，其中24 V 直流电压模块为监控设备（额定电压为24 V）、环境监测设备供电，12 V 直流电压模块为监控（12 V 额定电压）、无线WiFi、广播等设备供电。

表2 智慧路灯挂载各设备电压及功率

通过该集中供电模型，可以实现在敷设一条供电电缆的情况下，使用一个电源主体为智慧多功能杆上的多种设备供电，释放地下空间，降低设计难度，同时可以将照明工程中管道敷设的费用减少80%，极大地节约了施工成本。

4 结论

本文针对目前智慧多功能杆电源研究现状，提出一种模块化集中供电的电源系统，通过整流电路将各设备供电设计成独立的供电模块，每个模块都可视设备的种类获得不同的输出电压，同时将所有模块集成在一起，优化了电源结构，节约安装空间且安装方便。智慧多功能杆模块化集中供电电源的出现是对传统照明供配电技术的探索和创新，最大程度降低了照明工程的建设成本，对于推动能源革命，节省土地空间，减少施工成本都具有重要意义。