LED直流集中供电在隧道照明中的应用研究

叶宗勇

（江西方兴科技股份有限公司，江西 南昌 330000）

0 引言

供电距离长、负载高是公路交通供电的主要特点。随着智慧高速的推进，对电网供电的安全性和稳定性提出了更高的要求，且将提高转换效率和降低环境污染作为智能绿色节能交通的主要目标。隧道机电设备包括LED 照明、安防、灾备、广播、监控、通信等设备，营运单位不仅要确保其安全、稳定、可靠运行，还要实现智能控制，以及环保节能按需供电。因此，需要在隧道照明领域合理应用安全、经济、节能、智能控制的供电技术[1]。

1 LED 直流集中供电整体解决方案

提出采用集中供电技术为隧道内的机电设备供电，以保证机电设备的运行可靠性，并改善现有机电设备在AC 到DC、DC 到DC 两级变换过程中，AC/DC驱动器电解电容器件所带来的影响。通过直流集中供电的方式，在地面上将交流电整流成直流输出，这样在隧道机电设备端仅需一个DC/DC 一级变换。同时，由于电路结构简单，机电设备驱动电源效率可达95%以上，能够大幅提高设备的可靠性。此外，采用直流集中供电还能在实现节能减排的同时，便利地面维修，有效降低后期运营成本。同时，通过提供直流集中供电柜，可将所有电源供应、外部接口、智能控制整合于此平台，为未来智能交通预留接口，具备较强的扩充性。

2 隧道照明对LED 灯光源的要求

2.1 隧道的“黑洞效应”与“白洞效应”

当驾驶员驾车由洞外明亮的自然光环境驶入隧道时，光亮度会发生较大的变化。在短时间内，人眼对光线会有一个暗适应的过程，一开始会感觉洞口光线暗淡，不容易察觉障碍物，隧道就像一个巨大的“黑洞”，而光线突然变弱，这种现象被称为“黑洞效应”。相反，当驾驶员适应了洞内的低亮度后，驶出隧道时，洞外的亮度又会显得很高，此时同样会有一个明适应的过程，感觉洞外很刺眼，这被称为“白洞效应”。以上效应都属于负面的现象，会严重影响驾驶员的安全。

为了解决这种情况，国家标准规定了隧道不同区段的亮度值。通过对隧道内部照明的精确控制，可以在进出隧道时缓解“黑洞效应”和“白洞效应”，让驾驶员的视觉适应更加平稳，提高隧道内部行车的安全性。

2.2 单向行车隧道照明

单向行车隧道的区间段可分为接近段、入口段、过渡段、中间段、出口段及洞外引道。各段的照明亮度值不一样，入口段与过渡段的亮度需要平滑过渡[2-3]。

2.3 双向行车隧道照明

双向行车隧道的区间段可分为接近段、入口段、过渡段、中间段、出口段及洞外引道。各段照明亮度均不一样，且由于是双向行车隧道，所以两端都需要有平滑过渡曲线。

3 LED 直流集中供电解决方案构成

LED 直流集中供电解决方案包括集中供电系统、LED 直流驱动器、调光控制、系统管理平台、手机APP控制几个部分，整个系统架构如图1 所示。

图1 系统架构

3.1 集中供电电源系统

集中供电电源系统的主要功能是将交流整流成直流输出，同时控制调光，且能将各模组工作状态、故障信息及时上报。

3.2 LED 直流驱动器

LED 直流驱动器是恒流输出，负责为灯具供电、调节光信号、指挥灯具远程开关及调光。

3.3 调光控制

该解决方案的调光方式是一种低频率的载波，只有10Hz，因而具有极强的抗干扰能力。

3.3.1 直流电力信号调制技术

直流集中供电照明采用直流电力信号调制技术实现调光控制。

3.3.2 隧道中各区段亮度设计

隧道照明在白天时耗能最大，所以必须实现智能调光，设计时应遵循如下原则：

选取2017年6月～2018年6月医院收治且确诊为STEM1的≥75岁的患者35例作为高龄组，另选取＜75岁的患者35例作为对照组。本研究经我院伦理委员会批准。所有入选者均知情同意并签订知情同意书。纳入标准：①均符合STEM I诊断标准者；②自愿参加本研究者；③无其他系统疾病者；④精神正常者。排除标准：①冠状动脉畸形者；②因多发性大动脉炎导致的急性ST段抬高型者；③合并严重感染者；④存在凝血、纤溶障碍者；⑤合并严重心肝肾重要脏器功能障碍者。

第一，加强段照明应根据洞外亮度仪所侦测的值和交通流量变化，对入口段、过渡段和出口段设计针对性的调光方案，也可按洞外亮度分级及取值进行12级组合。

第二，基本段照明应根据交通流量变化，按规定的亮度值设计调光方案[4]。

3.4 系统管理平台

系统管理平台是重要的智能控制后台。使用者远程登录系统管理平台后，可对现场使用的电源柜及灯具进行各种智能控制，如远程开关灯、调节亮度，以实现节能、时间策略设定、报警显示、故障侦测、能耗管理、资产管理等。整个系统管理平台通过科学的节能管理方法、智能控制手段，能够实现真正意义上的按需供电及智慧照明。

3.5 手机APP 控制

提供手机APP（见图2）远程控制，方便用户自如操作。

图2 手机APP 界面

开始连接时，提供服务器的IP 地址，选择站点，之后便可远程控制灯具开关，调整亮度。

3.6 系统散热设计

系统散热设计（见图3）能够满足模块内部器件、系统内机电器件温升的要求，能利用风扇调速，有效延长风扇的使用寿命及降低系统噪声。在系统工作满载、环境温度50℃的条件下可长期稳定运行。

图3 系统散热设计

4 LED 直流集中供电系统优势

目前，隧道内绝大多数照明及控制方式均为交流方案，即交流直接输出到灯具，灯具中有AC/DC 驱动器供电，但这种分布式的供电方式弊端较多。

4.1 交流供电、直流集中供电方案比对

灯具光源通常有较长的寿命，可能会持续5～10年。灯具故障通常是因为电源出现问题，电解电容是电源故障的主要原因。随着时间推移，电解液会干涸，导致容值受影响，进而影响电器性能，使得电源过热并发生故障。此外，由于灯具通常安装在较高位置，如路灯，若发生故障，需要使用登高车进行更换，人力成本往往比电源成本高得多[5-6]。

目前，市场上常见的传统智能控制方式是采用0～10V 模拟量来控制，每个AC/DC 电源模块都配备一根0～10V 调光线，这些调光线会被连接到控制器进行集中控制。然而，这种方式需要单独拉线会增加成本。还有无线控制方式，但目前这种方式被认为信号不稳定，且在一些地方可能无法接收到无线信号，会影响通信的稳定性。

PLC 电力载波方式是将PLC 模块内置在AC/DC电源中。该方式无需单独拉信号线，而是利用动力电缆进行信号控制。然而，PLC 载波的频率大约在几十到几百kHz 之间，有时会受到干扰。例如，在隧道照明中，为了通风可能使用大功率的风机，有的功率高达15kW 或30kW。风机启动时，瞬间的冲击电流会产生较大的噪声干扰，进而使调光受到干扰。此外，在城市中，各种不同频率的信号相互交错，几十kHz 的频率也会受到干扰。将PLC 应用于远程抄表时，有时信号也不能及时返回。

而集中供电方案的总体思路是将容易故障的器件，如AC/DC 整流器、电解电容等集中放置在地面上，便于维护和管理，并采用可插板式直流模块，便于更换。灯具的电源仅需进行一级变换DC/DC，此部分常常采用高效率的Buck 降压拓扑结构，电路简单，同时使用固态电容或长效电解电容，能提升电源寿命。

此外，直流集中供电解决方案在动力电缆上调制了一个低频率信号，到达灯具的驱动器后，由驱动器中的MCU 根据预设的协议调节电源的输出电流大小，从而实现调光。这种低频载波方式的频率只有10Hz，因为频率较低，所以很难受到干扰。经过大量测试得出，发出10000 个数据包，只有1 个丢包，软件还采用了重发机制来弥补，基本不会再出现丢包问题[7]。

综合以上优势可以看出，相较于交流供电，直流集中供电解决方案在延长灯具寿命、维护便捷和智能控制等方面有更多优势。

4.2 直流集中供电系统优势总结

通过对直流集中供电系统的设计与实践分析可以了解，在隧道工程照明系统中，直流集中供电系统具有安全可靠、调光节能、稳定抗扰、可远程监控、节省线缆等优势。

5 结语

总体来说，LED 直流集中供电技术在隧道照明领域的应用呈现出明显的优势和潜力。通过前文的研究，可以看到这一技术在节能、安全性、可靠性等方面的显著优势。随着能源环保理念的不断深入，LED 直流集中供电在隧道照明中的推广将为节能减排目标的实现提供有力支持。今后，还要加大力度对LED 直流集中供电技术进行研究，不断探索该技术的可行性与兼容性，同时要结合以往工程经验与国内外先进理念，对LED 直流集中供电技术运用方式进行优化，为隧道照明的效能提升、能源节约和环保作出积极贡献。