智慧路灯照明配电问题的研究

李凌郁

（北京市城市照明管理中心，北京 100078）

我国的现代化建设不断取得新成果，各种各样的先进技术手段如同雨后春笋般涌现，为城市地区基础设施建设提供了新的可能性。智慧路灯就是其中比较具有代表性的技术产物之一，根据智慧路灯照明功能的实际需求，保证智慧路灯配电系统的稳定性，是确保其稳定运行的必然选择。但是，在实际工作中，智慧路灯照明配电系统仍然存在一定的不足之处亟待解决，在这种情况下，对本课题进行深入研究，具有一定的现实意义。

1 智慧路灯照明设施概述

近年来，我国城市化建设不断取得新的成果，城市地区基础设施建设水平自然也随之不断提升，各种各样的先进设备被大批量地应用到城区建设中，有效地提升了城市地区人民群众的居住体验和生活质量。路灯作为城市夜间照明的主要设施，在人民群众的生产生活中扮演着极为重要的角色，保证路灯设备正常稳定运行，是确保夜间出行安全的必然选择。随着智能化技术的不断发展，基于智能技术的全新路灯设备应运而生，其能够结合不同区域对照明设备的不同需求，实现差异化的功能设备集成，在保证照明设备基础功能的同时，通过LED 显示屏、监控摄像机、紧急报警终端、对讲机、无线AP 装置、道路积水监控装置等一系列设备，实现多样化功能，使路灯成为城市地区道路监测、报警预警的重要装置。在智慧路灯设备中，用电负荷最大的设备包括路灯灯具及LED 显示屏，其他设备虽然也有用电需求，但是其用电负荷非常小，在确定智慧路灯照明配电系统方案的过程中，设计人员应将重点放在路灯照明及LED 显示屏的需求上。另外，还要考虑不同设备的功能与其安装位置的关系，对不同设备之间的空间位置进行妥善安排，避免集成设备影响路灯的照明功能。比如，在设计智慧路灯照明配电的过程中，工作人员应对路灯路由位置、LED 灯箱的垂直投影位置等进行妥善考量，在保证顺利配电的基础上提升二者的协同效果，使智慧路灯的功能得到充分发挥。在过去的很长一段时间里，我国城市地区的路灯都只拥有夜间照明的功能，这在一定程度上影响了城市地区道路管理效果，造成了路灯设备资源的浪费，而在合理应用智慧路灯的情况下，上述问题都得到了妥善解决，因此要结合实际工作经验，对智慧路灯照明配电系统进行深入研究。

2 智慧路灯照明配电系统要点

2.1 高压系统设计

城市智慧路灯照明系统基本上都配备有预装式箱式变电站进行供电，而在高压侧配电柜通常采用环网柜实现功能，目前常见的箱式变电站主要可以分成终端型箱式变电站与环网供电箱站两种，其功能性各有不同，设计人员应根据具体需求进行选择。在城市智慧路灯照明系统设计过程中，工作人员应严格遵守《20kV 及以下变电所设计规范》的相关要求，合理确定高压系统设计方案，在妥善选择变电站的基础上，在电源侧增加隔离开关。这样一来，在进行检修或者线路超负荷的情况下，其电源侧的开关将会自动断开以保证设备及人员安全。另外，近年来，城市10kV配电网络中电缆使用量越来越大，10kV 配电系统的单相接地故障电容电流也随之不断提升，很多地区的电力部门都根据实际情况对配电系统进行了调整，将由电缆线路构成的配电系统接地形式由不接地、消弧线圈接地改为小电阻接地，这在一定程度上保证了高压系统的安全性。

2.2 低压侧配电形式设计

结合城市智慧路灯照明系统的负荷性质及养护单位等来看，智慧照明的系统负荷主要可以分成路灯照明负荷与智慧设施负荷两部分，在实际工作中，普通道路上的的智慧照明设施负荷通常是三级负荷，工作人员应根据这一负荷标准选择最佳的低压侧配电形式。为了降低智慧路灯照明系统的配电成本，可在与有关单位进行妥善沟通的情况下，选用箱式变电站为智慧路灯进行供电，同时通过链式配电的配电方式保证配电效果，箱式变电站可设置在主要干道的交叉口处，起到保证供电负荷中心稳定性的效果，在此基础上，通过电缆向不同方向道路上的智慧路灯及其配套设备进行供电，另外，还需要根据照明设施和其他设施的不同需求，合理选择不同的供电电缆安装方式，确保每个供电回路的供电距离都能保持在最合理的长度。同时，工作人员还需要在对电缆载流量、回路电压降、出线断路器的灵敏度进行综合分析的基础上，合理选用树干式供电等供电方法，从而确保智慧路灯供电的安全性和稳定性。特别需要提到的是，考虑到智慧路灯的功能越来越丰富、各种设备的用电负荷基本趋同，目前也有技术人员提出了两种设施合并供电的思路，但是受限于不同负荷产权单位不一致、合并后回路负荷过大等问题的影响，目前这种供配电模式仍然没有得到大范围的应用。

2.3 低压断路器设计

目前，绝大多数地区的智慧路灯都是通过箱式变电站进行供电，其在保证照明系统正常运行的基础上，也能够为道路交通信号系统、电子警察系统以及公安监控预留电源等提供电能保障。为了进一步提升城市智慧路灯照明系统的稳定性，工作人员还需要根据智慧路灯的实际情况和用电负荷等，对低压断路器进行妥善选择，利用最符合实际需求的低压受总断路器、照明回路总断路器、智慧设施回路总断路器、照明出线断路器以及智慧设施出线断路器设备，保证城市智慧路灯照明系统的设计质量。其中，低压断路器作为最重要的断路器设备之一，必然也需要得到应有的重视，常见的低压断路器一般可以分为框架断路器、塑壳断路器以及微型断路器，工作人员可以结合箱式变电站的容量差异，对框架断路器或塑壳断路器进行筛选，比如，在箱式变电站的容量比较小、供电回路不长的情况下，工作人员就可以选用微型断路器作为低压断路器，在保证其质量的基础上，即可确保其灵敏性和综合应用效益。具体来说，还需要考虑以下两方面问题：（1）断路器脱扣器脱扣电流的整定。为了确保低压断路器能够发挥应有的作用，工作人员应结合实际工作经验对断路器进行整定，分别整定受总断路器、照明总断路器及智慧设施总断路器对长延时和短延时等，同时还需要对出线断路器进行整定，通过对长延时和瞬时脱扣的有效整定，确保其能满足短路故障灵敏度要求并及时断开。（2）合理选择断路器极限短路分断能力。断路器分断能力可以分为额定极限短路分断能力与额定运行短路分断能力等，在设计出线断路器的过程中，工作人员应根据出线断路器位置的最大预期短路电流，确定符合实际需求的断路器的额定极限短路分断能力，同时还需要对受总断路器及照明出线总断路器进行选择，确保智慧路灯配电系统的稳定性。除此之外，还需要根据受总开关、照明总回路开关、出线开关的安装位置，对其各处的预期短路电流有效值进行精确计算，并根据无限大系统变压器低压出口处的预期短路电流有效值进行校验，为后续工作打下坚实的基础。

2.4 配电节能降损设计

随着城市化、现代化建设的不断推进，人们对生活质量的要求持续提升，拥有更加丰富功能的智慧路灯越来越受到认可和关注，在这种情况下，对智慧路灯照明配电系统进行节能降损设计势在必行。（1）科学使用变压器。变压器是智慧路灯照明配电系统中不可或缺的重要组成部分，工作人员应采取具体问题具体分析的方法，根据智慧路灯照明系统的实际需求和应用情况选择不同的变压器和更灵活的接线方法，保证变压器的运行效率，达到智慧路灯照明配电系统节能降损的目的。从实际情况来看，部分地区在进行智慧路灯照明配电系统变压器降损设计的基础上，确实取得了提高供电效率、减少损耗、降低供电企业的功耗等积极成果。另外，变电站在运行过程中不可避免地会消耗无功功率，这导致大量的功率损耗问题，不符合智慧路灯照明配电系统设计的要求。在这种情况下，工作人员应在高压侧安装电容补偿器，从而为变压器提供有效保护，避免其不必要的耗电问题。除此之外，为确保智慧路灯照明配电系统运行效果，还需要考虑变压器本身的节能效果，根据智慧路灯照明配电系统的实际运行情况，对其中高耗能的变压器进行处理，利用低耗能的变压器对其进行替换，从而打造智慧路灯照明配电系统低耗能环境。（2）有效管理配电线路。我国的供电网络非常复杂、供电系统管理难度非常大，特别是在智慧路灯照明配电系统这类基础性配电线路中，更是存在许多管理责任落实不够到位的情况，这无端地提升了配电线路的能耗管理难度，导致了一定的电能浪费问题，与智慧路灯照明配电系统节能降损需求不符。因此，在今后的工作中，要建立定期管理模式，每隔一段时间进行一次配电线路转化升级工作，从而保证配电线路管理效果。（3）提升供电线路的功率也是保证智慧路灯照明配电系统运行效率的必然选择。不同的用户有着截然不同的用电需求，形成的供电负荷自然也截然不同，在此基础上其形成的电流、对配电线路的需求也千差万别，比如，在智慧路灯照明配电系统中，其电流大小、线路需求就有一定的特殊性。工作人员要从用电功率角度出发去分析，合理选用电容补偿设备对配电线路进行补充，并在功率较低的地区设置电容补偿设备，达到平衡差异电流的效果，避免线损问题。更重要的是，工作人员应根据智慧路灯照明配电系统实际运行情况对配电线路进行调压改造，从而确保智慧路灯照明配电系统的电压稳定性，尽最大可能避免不必要的线损问题，保证智慧路灯照明配电系统设计的综合效益。在进行线路改造的过程中，工作人员还需要适当增加导线截面，从而降低其出现配电线路线损问题的可能性。

2.5 配电箱智能化改造设计

除了要做好智慧路灯照明配电系统的高压系统设计、低压侧配电形式设计、低压断路器设计以及配电节能降损设计外，要想确保智慧路灯照明配电系统的稳定性，工作人员还需要对其配电箱进行智能化改造设计。具体来说，路灯照明配电箱的智能化改造应从以下几方面入手。

（1）配电箱智能系统网络结构。为了确保智慧路灯照明配电系统能够正常运行，需要对其进行监控管理，即借助主控制器与传感器等设备，对智慧路灯照明配电箱的门锁状态、温湿度状态、水浸状态、电流电压、倾斜碰撞和配电开关状态进行监控，在GPRS 和5G 技术的支持下，将监控数据直接传输到云平台上，从而实现智慧路灯照明配电箱的集中监控管理目标。从实际应用情况来看，智慧路灯照明配电箱监控管理系统（拓扑结构见图1）能够实时监测配电箱的状态，在保证照明设备、供电设备和其他设备运行安全方面发挥了不可替代的积极作用，在智慧路灯照明配电箱出现门未关闭、非法开启、箱内浸水、温湿度异常等问题的情况下，系统将能够第一时间进行报警，保证工作人员第一时间接收到报警信息，确保智慧路灯照明配电系统的安全性。

图1 智能配电箱网络拓扑结构

（2）对智能配电箱几个关键功能模块进行优化设计。①智能云控电子锁。智能云控电子锁是智慧路灯照明配电系统优化设计的重要对象，其能够对配电箱的箱门进行有效控制，在防潮、防水、防锈、防爆破坏等方面有不可忽视的优势功能，还能够根据工作人员的需求和习惯，通过不同方式进行开启，比如，手机、IC 卡等都能成为开门的设备，这提升了智慧路灯照明配电系统管理的便利性。②摄像头。摄像头能保证智慧路灯照明配电系统的安全性，在不法分子非法进行开箱的情况下，摄像头将会自动启动并对开箱人员进行拍照或者录像，工作人员可通过云平台和App 等查看拍摄结果，这解决了过去配电系统不安全的问题。③水浸状态监测。智慧路灯照明配电系统的运行效果很大程度上受到水分的影响，而水浸状态监测设备则能够在水接触到传感器的情况下进行报警，便于工作人员及时进行处理和修复，保证智慧路灯照明配电系统的稳定性。④箱体倾斜监测。智慧路灯照明配电箱在使用中可能会发生松动、倾斜等情况，这不利于系统安全，在合理应用箱体倾斜监测设备的情况下，其将会自动报警以便于整修。

3 结语

为了更进一步提升城市地区夜间照明效果、优化道路管理效果等，部分地区开始利用智慧路灯取代原有的传统路灯，其确实发挥了应有的积极作用。但是，与此同时，传统的配电系统设计方案显然已经不再具有合理性，工作人员应根据实际情况，对智慧路灯照明配电系统的高压系统设计、低压侧配电形式设计、低压断路器设计、配电节能降损设计、配电箱智能化改造设计要点进行细致研究。在此基础上，根据智慧路灯照明配电系统运行中的实际情况，对其他的设计要点和问题进行分析，是未来工作的重中之重。