0 引言

20世紀(jì)80年代之前，我國的公共照明設(shè)備普遍處于傳統(tǒng)的電網(wǎng)供電和人工管理模式，路燈的運(yùn)行狀態(tài)主要通過巡線和巡燈的方式來實(shí)現(xiàn)，該模式的缺點(diǎn)是成本高、自動(dòng)化程度低、不能實(shí)現(xiàn)本地調(diào)控和遠(yuǎn)程監(jiān)控等自動(dòng)檢測、調(diào)光等智能管理。對故障的響應(yīng)慢，存在發(fā)生故障時(shí)得不到及時(shí)維修而造成照明的不便甚至安全隱患等因素。

我國從20世紀(jì)80年代末到90年代初著手進(jìn)行路燈監(jiān)控管理系統(tǒng)的研究并投入使用，技術(shù)逐漸發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了智能化實(shí)施線路管理與調(diào)光控制等，路燈的監(jiān)控能力強(qiáng)，能迅速進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)作情況的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、按照程式規(guī)定的條件進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)控，實(shí)現(xiàn)故障條件判斷進(jìn)行故障定位，通過降低路燈系統(tǒng)成本，提高系統(tǒng)的監(jiān)控能力和自動(dòng)化水平，從而實(shí)現(xiàn)故障的快速恢復(fù)，減少故障時(shí)間，提高供電照明的可靠性及系統(tǒng)管理水平。

本文論述的基于集中式供電LED智能照明系統(tǒng)，就是在LED路燈產(chǎn)品大量普及、智能照明系統(tǒng)相對成熟的背景下應(yīng)運(yùn)而生的一種管理模式，該模式旨在向周圍的若干支路的LED路燈供應(yīng)直流電，通過智能管理實(shí)現(xiàn)安全、可靠穩(wěn)定供電及二次節(jié)能。廣東產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院承擔(dān)了廣東省地方標(biāo)準(zhǔn)“集中式供電LED智能照明接口”的起草工作，為此開展了一些初步研究， 敬請業(yè)界提出寶貴意見。

一、集中式供電LED路燈智能照明控制系統(tǒng)的特點(diǎn)與優(yōu)勢

(一)LED路燈的集中供電與傳統(tǒng)供電系統(tǒng)的比較

1. LED燈具

(1)傳統(tǒng)交流供電的LED燈具

LED燈具直接連接交流電網(wǎng)，一方面受電網(wǎng)的影響很大，例如電網(wǎng)對燈具的EMC影響和電網(wǎng)傳輸過來的雷擊影響;另一方面，每只LED燈具都需有EMC、整流、功率因數(shù)校正、濾波、功率驅(qū)動(dòng)、逆變降壓、穩(wěn)電壓輸出或再穩(wěn)流輸出至LED光源。燈具控制裝置的電路復(fù)雜、元器件多，燈具成本高。而且相對而言，安全、EMC問題比較突出。這些使LED燈具的可靠性低并影響壽命(例如燈具中有耐受電網(wǎng)電壓的電解電容等元件)。

(2)高電壓直流供電的LED燈具

LED燈具連接在控制柜電源模塊的直流輸出端， 一方面， 基本不受交流電網(wǎng)對燈具的EMC影響和不受交流電網(wǎng)側(cè)傳輸過來雷擊的影響(當(dāng)然也還是需要抵抗雷擊打在直流線路上傳輸過來的脈沖影響); 另一方面， 每只LED燈具可以不需要EMC、整流、功率因數(shù)校正、濾波、功率驅(qū)動(dòng)、逆變降壓等電路和元件。簡單恒壓型的只需很少輔助元器件， 直接輸出至串聯(lián)的LED光源， 或再加恒流電路輸出恒定電流至串聯(lián)的LED光源更好。如此， 燈具控制裝置的電路非常簡單，可靠性非常高，壽命可以很長，這對于使用環(huán)境條件惡劣的道路和隧道照明工程非常有利。復(fù)雜一些的智能直流LED燈具還需加上智能接收控制電路及內(nèi)部智能控制協(xié)議程序， 燈具控制裝置的元器件稍多，電路稍復(fù)雜，燈具成本稍高。但相對于同類的智能交流LED燈具來說， 仍然是簡單得多，可靠性也更高，壽命更長，對于道路和隧道照明工程仍然非常有利。

2. 控制柜

(1)傳統(tǒng)交流供電的LED燈具控制柜

高壓鈉燈路燈控制柜一般控制幾十只高壓鈉燈路燈， 早期簡單的控制柜由人工進(jìn)行手動(dòng)開關(guān)高壓鈉燈路燈;稍復(fù)雜一點(diǎn)的節(jié)能型高壓鈉燈路燈控制柜由半夜人工進(jìn)行變壓器轉(zhuǎn)換降低功率; 更進(jìn)一步的有接受遠(yuǎn)程控制對所有高壓鈉燈路燈或LED燈具進(jìn)行統(tǒng)一自動(dòng)開關(guān)或調(diào)光控制， 或?qū)γ恐籐ED燈具進(jìn)行單獨(dú)智能控制。

(2)集中高電壓直流供電的LED燈具控制柜

第一， 控制柜一般控制幾十只LED燈具， 首先把電網(wǎng)交流電源變換為高電壓直流電壓輸出給LED燈具，并且控制柜中含有智能控制電路模塊使其能接受遠(yuǎn)程遙控， 進(jìn)而控制電源模塊調(diào)節(jié)輸出直流電壓的大小來對所有LED燈具進(jìn)行統(tǒng)一自動(dòng)開關(guān)及調(diào)光， 或者復(fù)雜一點(diǎn)的智能控制系統(tǒng)能對每只智能LED燈具單獨(dú)進(jìn)行多功能智能控制。

第二， 控制柜的電源模塊可分為單個(gè)大功率電源模塊或多個(gè)小功率電源子模塊的組合。多個(gè)小功率電源子模塊組合的直流輸出又可分為并聯(lián)后統(tǒng)一輸出或各自多路輸出。由于并聯(lián)后統(tǒng)一輸出方式可以做到當(dāng)其中一個(gè)電源子模塊出現(xiàn)故障時(shí)，熱備份電源子模塊立刻接入輸出線路，既能保證系統(tǒng)在同等功率輸出下可靠運(yùn)行，又可使電源子模塊備份數(shù)量減至最低。但技術(shù)要求較高，例如各電源子模塊直流輸出電壓的誤差要盡可能小。直流輸出電壓可分為高電壓直流例如300V(輸出高電壓可減少電線線路損耗，提高系統(tǒng)整體效率)，或安全低電壓例如120V以下(線路和燈具對人體的電氣安全性高一些，但同等負(fù)載下電線線路損耗將大很多，線路本身的發(fā)熱多，成本高)。

3. 線路

(1)傳統(tǒng)交流供電線路

單相三線(火線、零線和地線) , 或三相五線(三根火線、零線和地線)供電線路。

(2)集中高電壓直流供電線路

第一， 控制柜的輸入端需接交流供電電網(wǎng)，可分為單相交流輸入或三相交流輸入兩種。三相交流輸入能平衡電網(wǎng)負(fù)載， 是比較好的方式。輸出直流供電線路可以是三線(對>120V高電壓直流的正極、負(fù)極和地線)，或二線(對應(yīng)于≤120V直流的正極、負(fù)極，且滿足安全特低電壓的各項(xiàng)要求時(shí))。如果同一智能照明工程的相鄰局域網(wǎng)存在另外的交流供電電網(wǎng)接入點(diǎn)， 則在LED智能照明系統(tǒng)改造中可利用原交流供電電網(wǎng)的電源線來作直流輸出線路， 否則需要另外布線作輸出直流供電線路。同理， 新的工程也是如此。這一點(diǎn)公共樓宇智能照明系統(tǒng)比路燈智能照明系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)，但還有很多其它問題要考慮。

4.智能控制協(xié)議和途徑

(1)遠(yuǎn)程電腦與控制柜之間

目前有很多種基于Internet網(wǎng)的二次開發(fā)協(xié)議，但還沒有特別統(tǒng)一專用的。

(2)手機(jī)通過GPRS與控制柜之間

只是用于系統(tǒng)維護(hù)人員進(jìn)行個(gè)別數(shù)據(jù)的設(shè)置和反饋信息接收， 要想做到對系統(tǒng)進(jìn)行全面、快速、連續(xù)的單燈控制在技術(shù)上是不現(xiàn)實(shí)的。更重要的是從公共安全角度出發(fā)， 對于路燈、隧道燈及大型樓宇等公共照明場合， 應(yīng)該不允許系統(tǒng)維護(hù)人員隨意進(jìn)行手機(jī)全面控制。

(3)控制柜與各燈具之間

由控制柜電源模塊受控調(diào)節(jié)輸出直流電壓大小來對所有LED燈具進(jìn)行自動(dòng)統(tǒng)一的開關(guān)或調(diào)光，此時(shí)控制柜與各燈具之間不需要智能控制協(xié)議(此時(shí)， 燈具成本最低且最可靠，但不能單獨(dú)控制某一個(gè)燈具) .

(4)主控制設(shè)備與各燈具之間的協(xié)議和途徑

對于可對每只燈具都能進(jìn)行單獨(dú)控制的智能系統(tǒng)，主控制設(shè)備與各燈具之間必須有控制協(xié)議和途徑?？刂乒衽c各單燈之間智能控制途徑可采用另布設(shè)控制專線、或交流載波、或直流載波、或采用無線Zigbee.如果需單獨(dú)對每只LED路燈燈具進(jìn)行智能控制，最常用的智能控制協(xié)議有DMX512和DALI兩種。

DMX512控制節(jié)點(diǎn)多、速度快、傳輸距離遠(yuǎn)， 但是只能單向傳輸(如需故障診斷反饋，還需采取其它措施彌補(bǔ))，且協(xié)議沒有規(guī)定具體指令和流程，系統(tǒng)信號分配具有點(diǎn)位多，點(diǎn)位的使用不確定等方面因素。因此，各企業(yè)的系統(tǒng)和燈具從控制角度來說，難以互換通用化。只適合于企業(yè)對保修維護(hù)合同期很長，或者燈具和系統(tǒng)的可靠性高和壽命長的照明工程。因此，從上面分析可知， DAX512很適合用于集中式供電直流智能照明，特別是隧道照明工程中應(yīng)用。

DALI可雙向傳輸，具有全面的功能定義和程序流程，燈具之間有連續(xù)的協(xié)議地址。但是DALI控制燈具不多、速度慢、傳輸距離不遠(yuǎn)。雖然有很多的明確定義的控制功能及指令，使得從控制角度來說各企業(yè)的系統(tǒng)和燈具容易互換通用化。但內(nèi)部協(xié)議程序復(fù)雜， 這一點(diǎn)在道路照明這種不需多種控制功能的照明工程中使用是大材小用導(dǎo)致燈具成本高。因此，不太適合道路照明包括隧道智能照明。

(二)集中式直流供電LED智能照明控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)

所有燈具的控制裝置(俗稱驅(qū)動(dòng)電源) 不需要“交流-穩(wěn)定直流”變換這部分功能，而全部由集中在控制柜的多個(gè)大功率電源模塊替代，這樣易于使電源模塊做到高可靠、長壽命、高質(zhì)量，且可使燈具和系統(tǒng)效率很高， 綜合系統(tǒng)成本下降。

燈具的控制裝置(驅(qū)動(dòng)電源)電路可以很簡單，元器件可以很少， 燈具成本較低，更重要的是所有燈具可以沒有驅(qū)動(dòng)電源， 驅(qū)動(dòng)電源與LED燈具分離，使燈具發(fā)熱減少， 同時(shí)驅(qū)動(dòng)電源自身的環(huán)境溫度大為降低， 這些使燈具的可靠性可以做得非常高，壽命可以很長， 不存在功率因數(shù)問題， 因此供電線路損耗降低。這些對于路燈和隧道工程這種環(huán)境惡劣的使用場合非常有利。

缺點(diǎn)是在路燈應(yīng)用中除非每隔幾公里有另外的交流電網(wǎng)供電接入點(diǎn)， 否則除原交流供電電網(wǎng)的電源線之外還需要另行布設(shè)直流輸出電源線路。室內(nèi)應(yīng)用也有類似問題。此外，如果還需進(jìn)一步單獨(dú)對每個(gè)燈具進(jìn)行智能控制，除非用載波(有交流載波方式，但在集中直流供電方式中不適合;有直流載波方式，但目前專用IC較少)，或者用無線通訊，否則還需要另外布設(shè)專用控制線。

由上可見， 集中式直流供電智能照明控制系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)是LED燈具可以做得很簡單，從結(jié)構(gòu)上容易做到互換， 因而具有成本低， 高可靠性和長壽命的優(yōu)點(diǎn)。對于道路和隧道這樣的專業(yè)人員管理的應(yīng)用場合， 如果相隔幾公里的另一相鄰控制柜有另外的交流供電電網(wǎng)接入點(diǎn)且允許的話， 則可在LED路燈智能照明系統(tǒng)改造中直接利用原交流供電電網(wǎng)的電源線來改作直流輸出線路， 減少了布線麻煩及成本。否則需要另外布線作輸出直流供電線路，這是一個(gè)需待解決的問題， 也就是它最大的缺點(diǎn)。[!--empirenews.page--]

對于室內(nèi)應(yīng)用，考慮到其它家電例如電冰箱等必須使用交流，所以對于室內(nèi)家庭照明來說， 除非新建的樓宇另行預(yù)埋了照明專用直流線路， 使集中式直流供電LED智能照明控制系統(tǒng)實(shí)施工作可以很方便進(jìn)行，但還需要考慮的、更重要的是直流LED燈和直流LED燈具應(yīng)從結(jié)構(gòu)上嚴(yán)格確保與目前交流燈和交流燈具不得混用，否則很容易導(dǎo)致重大安全問題。

因此， 從各方面綜合考慮， 集中式直流供電智能照明控制系統(tǒng)最適合的是隧道照明應(yīng)用這樣的專業(yè)應(yīng)用場合。

二、集中供電式LED道路和隧道智能照明控制系統(tǒng)工作原理及關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)

(一)工作原理(工作流程)

系統(tǒng)正常工作的程序大致如下：上位機(jī)系統(tǒng)向各子網(wǎng)絡(luò)發(fā)送系統(tǒng)默認(rèn)或者設(shè)置的初始化參數(shù)，并保留上次系統(tǒng)記憶的工作狀態(tài)(包括故障狀態(tài)等信息)，然后向各子網(wǎng)絡(luò)控制器發(fā)送請求和接收采集的數(shù)據(jù)，對接收的數(shù)據(jù)按照條件判定程序進(jìn)行判斷。當(dāng)確定有故障發(fā)生時(shí)，導(dǎo)入故障診斷程序進(jìn)行準(zhǔn)確的故障類型分析和故障定位。完成判定以后修改控制指令，發(fā)送指令到指定的終端。接收到故障指令的終端進(jìn)行相應(yīng)的狀態(tài)切換或者開關(guān)動(dòng)作。同時(shí)，同步更新系統(tǒng)顯示信息。在正常工作期間，在規(guī)定的時(shí)間間隔內(nèi)不斷進(jìn)行各種數(shù)據(jù)采集和程序分析、程序判斷和指令發(fā)送，監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)按照預(yù)定的程序開展工作，直到系統(tǒng)關(guān)閉。

(二)數(shù)據(jù)通信

集中供電式LED道路和隧道智能照明控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信，除了上面提及的上位機(jī)系統(tǒng)與各子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通過Internet網(wǎng)有線數(shù)據(jù)通訊外，也可通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。此外， 還有手機(jī)通過上位機(jī)系統(tǒng)管理器、GPRS服務(wù)器， 或直接通過帶GPRS功能子網(wǎng)絡(luò)主控制器(電源控制器)、終端控制器(LED路燈或隧道燈燈具控制器)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。

一個(gè)供電電源、供電線路和連接在其上的各LED路燈或隧道燈燈具負(fù)載構(gòu)成系統(tǒng)的子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，一個(gè)上位機(jī)控制這樣的單個(gè)或多個(gè)子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

具有雙向通訊功能的子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的子網(wǎng)絡(luò)控制器(在上面提到的控制柜內(nèi))通過智能控制途徑(控制專線、或交流載波;或直流載波、或采用無線Zigbee)，以程序規(guī)定的時(shí)間周期詢問處于子網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)LED路燈或隧道燈燈具的工作狀態(tài)(包括輸入和輸出電壓、電流等， 當(dāng)燈具具有智能及自檢功能時(shí))，同時(shí)檢測供電電源的工作狀態(tài)(包括電源輸入、輸出電壓和電流及功率)，判定子網(wǎng)絡(luò)中各部件是否發(fā)生異常，然后將系統(tǒng)中各LED路燈或隧道燈燈具及電源工作的狀態(tài)信息(包括診斷出來的故障信息)通過Internet或GPRS調(diào)制解調(diào)器發(fā)送到上位機(jī)，同時(shí)接收來自上位機(jī)的命令，把數(shù)據(jù)信息采集和處理的結(jié)果發(fā)送到各終端控制器上。

三、實(shí)例介紹

(一)系統(tǒng)介紹

集中式供電LED路燈智能照明控制系統(tǒng)由電源模塊、控制器、顯示器、GPRS模塊、電量采集模塊、機(jī)柜組成。輸入采用三相四線交流供電另加保護(hù)地線， 電源模塊把三相交流電整流、濾波、變換為穩(wěn)定的直流電，多個(gè)電源模塊并聯(lián)輸出正極、負(fù)極直流電另加保護(hù)地線。電源模塊可熱插拔，并設(shè)置有一個(gè)備份熱電源模塊。

系統(tǒng)屬于通過調(diào)節(jié)直流電壓大小達(dá)到所有LED路燈統(tǒng)一調(diào)光目的的簡單型集中式直流供電LED路燈智能照明控制系統(tǒng)，它不能對某個(gè)LED路燈燈具進(jìn)行單獨(dú)控制。

(二)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

(三)系統(tǒng)電氣接口

電網(wǎng)與供電配電控制柜之間： 380V(±10%)、50Hz 三相交流輸入至各電源模塊，各電源模塊的輸入端有EMC措施; 輸入端和輸出端都有完善的抗雷擊措施。

各電源模塊的輸出端并聯(lián)單路輸出，最大300V的直流可調(diào)壓電壓， 電壓的高低也就是調(diào)光量的大小。

直流線路與LED路燈之間：在直流線路的正、負(fù)極和保護(hù)地線上連接不超過控制柜中各電源模塊總功率的LED路燈數(shù)量，并連接好正負(fù)極和保護(hù)地線。

(四)系統(tǒng)特點(diǎn)

1.電源模塊的組合使系統(tǒng)最大容量為15000W, 三相323V~475V寬交流輸入電壓范圍。

2.電源模塊采用有源功率因數(shù)校正技術(shù)，功率因數(shù)≥0.92, 減少了交流電網(wǎng)的運(yùn)營費(fèi)用。

3.電源模塊采用高頻軟開關(guān)PWM控制變換技術(shù)，減少了開關(guān)損耗，提高了整機(jī)效率(≥92%) ;低電磁干擾，不影響安裝在機(jī)柜里面的其它控制系統(tǒng)。

4.系統(tǒng)采用高精度的均流和熱備份的技術(shù)，提高了系統(tǒng)的可靠性，減少了設(shè)備的日常維護(hù)工作。

5.系統(tǒng)采用了智能風(fēng)冷，加熱和除濕技術(shù)，保證了電器元件的可靠工作環(huán)境，故障率低，可靠性高。

6.電源模塊采用熱插拔技術(shù)，可以在線安裝或更換。

7.電源模塊具有交流輸入過壓、過流，直流輸出過壓、過流及短路保護(hù)和散熱器超溫等保護(hù)功能。

8.系統(tǒng)采用可編程控制器控制，觸摸屏顯示和GPRS遠(yuǎn)程控制，便于用戶掌握使用、查詢和設(shè)置參數(shù)。系統(tǒng)集計(jì)算機(jī)技術(shù)、智能控制技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)、通信技術(shù)于一體，既可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自我測試、自動(dòng)診斷、自動(dòng)控制，又可以實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)的遙測、遙信、遙控。

9.可根據(jù)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)緯度，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算每天日出日落時(shí)間，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開關(guān)燈。還可以分時(shí)段設(shè)定亮度值，實(shí)現(xiàn)定時(shí)分時(shí)調(diào)光功能，從而實(shí)現(xiàn)更人性化的管理，提高節(jié)能效果。

10.系統(tǒng)通過移動(dòng)運(yùn)營商的平臺的GPRS通訊功能，使系統(tǒng)運(yùn)行信息和故障信息及時(shí)地反饋到客戶維護(hù)人員手中，從而實(shí)現(xiàn)快速處理故障的功能。

(五)電源系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)

四、總結(jié)

本文論述的集中式直流供電的LED智能照明系統(tǒng)，是LED智能照明的一種新型供電技術(shù)，其優(yōu)勢是提高了LED燈具及智能照明系統(tǒng)集中供電的可靠性， 降低運(yùn)營成本， 管理智能化而實(shí)現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保的用電理念。