基于集中式直流供電LED智能照明系統(tǒng)的研究

0 引言

20世紀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，路燈的運行狀態(tài)主要通過巡線和巡燈的方式來實現(xiàn)，該模式的缺點是成本高、自動化程度低、不能實現(xiàn)本地調(diào)控和遠程監(jiān)控等自動檢測、調(diào)光等智能管理。對故障的響應(yīng)慢，存在發(fā)生故障時得不到及時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80年代末到90年代初著手進行路燈監(jiān)控管理系統(tǒng)的研究并投入使用，技術(shù)逐漸發(fā)展，實現(xiàn)了智能化實施線路管理與調(diào)光控制等，路燈的監(jiān)控能力強，能迅速進行系統(tǒng)運作情況的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、按照程式規(guī)定的條件進行系統(tǒng)調(diào)控，實現(xiàn)故障條件判斷進行故障定位，通過降低路燈系統(tǒng)成本，提高系統(tǒng)的監(jiān)控能力和自動化水平，從而實現(xiàn)故障的快速恢復(fù)，減少故障時間，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)督檢驗研究院承擔了廣東省地方標準“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、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、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行手動開關(guān)高壓鈉燈路燈;稍復(fù)雜一點的節(jié)能型高壓鈉燈路燈控制柜由半夜人工進行變壓器轉(zhuǎn)換降低功率; 更進一步的有接受遠程控制對所有高壓鈉燈路燈或LED燈具進行統(tǒng)一自動開關(guān)或調(diào)光控制， 或?qū)γ恐籐ED燈具進行單獨智能控制。

(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程遙控， 進而控制電源模塊調(diào)節(jié)輸出直流電壓的大小來對所有LED燈具進行統(tǒng)一自動開關(guān)及調(diào)光， 或者復(fù)雜一點的智能控制系統(tǒng)能對每只智能LED燈具單獨進行多功能智能控制。

第二， 控制柜的電源模塊可分為單個大功率電源模塊或多個小功率電源子模塊的組合。多個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其中一個電源子模塊出現(xiàn)故障時，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、負極和地線)，或二線(對應(yīng)于≤120V直流的正極、負極，且滿足安全特低電壓的各項要求時)。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， 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。這一點公共樓宇智能照明系統(tǒng)比路燈智能照明系統(tǒng)容易實現(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)手機通過GPRS與控制柜之間

只是用于系統(tǒng)維護人員進行個別數(shù)據(jù)的設(shè)置和反饋信息接收， 要想做到對系統(tǒng)進行全面、快速、連續(xù)的單燈控制在技術(shù)上是不現(xiàn)實的。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)維護人員隨意進行手機全面控制。

(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燈具進行自動統(tǒng)一的開關(guān)或調(diào)光，此時控制柜與各燈具之間不需要智能控制協(xié)議(此時， 燈具成本最低且最可靠，但不能單獨控制某一個燈具) .

(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行單獨控制的智能系統(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.如果需單獨對每只LED路燈燈具進行智能控制，最常用的智能控制協(xié)議有DMX512和DALI兩種。

DMX512控制節(jié)點多、速度快、傳輸距離遠， 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)，且協(xié)議沒有規(guī)定具體指令和流程，系統(tǒng)信號分配具有點位多，點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。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

所有燈具的控制裝置(俗稱驅(qū)動電源) 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)動電源， 驅(qū)動電源與LED燈具分離，使燈具發(fā)熱減少， 同時驅(qū)動電源自身的環(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， 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，如果還需進一步單獨對每個燈具進行智能控制，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。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，這是一個需待解決的問題， 也就是它最大的缺點。[!--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)實施工作可以很方便進行，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

(一)工作原理(工作流程)

系統(tǒng)正常工作的程序大致如下：上位機系統(tǒng)向各子網(wǎng)絡(luò)發(fā)送系統(tǒng)默認或者設(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行判斷。當確定有故障發(fā)生時，導(dǎo)入故障診斷程序進行準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行相應(yīng)的狀態(tài)切換或者開關(guān)動作。同時，同步更新系統(tǒng)顯示信息。在正常工作期間，在規(guī)定的時間間隔內(nèi)不斷進行各種數(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)進行數(shù)據(jù)通訊。此外， 還有手機通過上位機系統(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)進行數(shù)據(jù)通訊。

一個供電電源、供電線路和連接在其上的各LED路燈或隧道燈燈具負載構(gòu)成系統(tǒng)的子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，一個上位機控制這樣的單個或多個子網(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)定的時間周期詢問處于子網(wǎng)絡(luò)中的每一個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， 當燈具具有智能及自檢功能時)，同時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，同時接收來自上位機的命令，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、機柜組成。輸入采用三相四線交流供電另加保護地線， 電源模塊把三相交流電整流、濾波、變換為穩(wěn)定的直流電，多個電源模塊并聯(lián)輸出正極、負極直流電另加保護地線。電源模塊可熱插拔，并設(shè)置有一個備份熱電源模塊。

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LED路燈燈具進行單獨控制。

(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、負極和保護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，并連接好正負極和保護地線。

(四)系統(tǒng)特點

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)的運營費用。

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，提高了整機效率(≥92%) ;低電磁干擾，不影響安裝在機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)備的日常維護工作。

5.系統(tǒng)采用了智能風冷，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、過流及短路保護和散熱器超溫等保護功能。

8.系統(tǒng)采用可編程控制器控制，觸摸屏顯示和GPRS遠程控制，便于用戶掌握使用、查詢和設(shè)置參數(shù)。系統(tǒng)集計算機技術(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，既可實現(xiàn)系統(tǒng)的自我測試、自動診斷、自動控制，又可以實現(xiàn)供電系統(tǒng)的遙測、遙信、遙控。

9.可根據(jù)當?shù)氐慕?jīng)緯度，系統(tǒng)自動計算每天日出日落時間，實現(xiàn)自動開關(guān)燈。還可以分時段設(shè)定亮度值，實現(xiàn)定時分時調(diào)光功能，從而實現(xiàn)更人性化的管理，提高節(jié)能效果。

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

(五)電源系統(tǒng)主要技術(shù)指標

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， 降低運營成本， 管理智能化而實現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保的用電理念。