張利國(guó)，時(shí)念武

(1.濟(jì)南市路燈管理處，山東 濟(jì)南 250001；2.山東泰華電訊有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南 250101)

1 前言

為進(jìn)一步提高濟(jì)南市路燈監(jiān)控管理水平，促進(jìn)路燈節(jié)能工作的順利實(shí)施，濟(jì)南市路燈管理處針對(duì)制約路燈現(xiàn)代化管理的“瓶頸”問(wèn)題，不斷完善系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，在現(xiàn)有國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平的監(jiān)控管理系統(tǒng)基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)、建設(shè)、應(yīng)用具有國(guó)內(nèi)一流水平的路燈單燈控制系統(tǒng)，充分發(fā)揮系統(tǒng)在路燈建設(shè)、管理、維護(hù)、節(jié)能工作中的樞紐與核心作用。

濟(jì)南市現(xiàn)在運(yùn)行的城市照明監(jiān)控管理系統(tǒng)自2005年開(kāi)始建設(shè)，2007年建設(shè)完成。經(jīng)過(guò)近幾年的不斷發(fā)展與提高，目前在用的RTU(Remote Terminal Units，遠(yuǎn)程終端單元)達(dá)512個(gè)，可對(duì)全市8萬(wàn)余盞路燈進(jìn)行集中控制。該系統(tǒng)包括道路照明監(jiān)控管理調(diào)度中心、通信網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程智能控制終端及單燈節(jié)能控制器、視頻監(jiān)控等部分，具有遙控、遙測(cè)、遙調(diào)、遙訊、遙視等“五遙”功能，是一個(gè)集監(jiān)測(cè)、控制與節(jié)能于一體的管理平臺(tái)，在路燈設(shè)施日常管理維護(hù)、安全運(yùn)行、城市防汛搶險(xiǎn)與節(jié)能控制等方面起到了重要的保障作用。

2 國(guó)內(nèi)發(fā)展概況

近幾年，國(guó)內(nèi)多個(gè)城市建設(shè)使用了城市照明監(jiān)控系統(tǒng)，大多采用無(wú)線專網(wǎng)或移動(dòng)公網(wǎng)進(jìn)行通信。系統(tǒng)可根據(jù)當(dāng)?shù)氐娜粘鋈章鋾r(shí)間及光照值，采用光控和時(shí)控相結(jié)合的方法，自動(dòng)遙控開(kāi)、關(guān)路燈，并能智能遙測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的工作電壓、電流和接觸器狀態(tài)等數(shù)據(jù)，可對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，自動(dòng)計(jì)算亮燈率，判斷城市照明運(yùn)行情況。這一系統(tǒng)的應(yīng)用大大提高了城市照明的管理水平，既提高了工作效率同時(shí)又降低了管理成本。

但是由于目前的無(wú)線監(jiān)控點(diǎn)基本上都安裝于路燈控制箱側(cè)，屬于集中監(jiān)控，可控制到每一個(gè)變壓器區(qū)域及單條線路，但其只能對(duì)整條路段的運(yùn)行情況(包括：電壓、電流、功率、溫度、接觸器狀態(tài)等)進(jìn)行檢測(cè)或控制，還無(wú)法細(xì)化到控制任意一盞路燈。因此，國(guó)內(nèi)路燈同行都面臨著同樣一個(gè)課題：如何對(duì)城市道路中任意一盞路燈進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)控制和運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)？如何進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)顯示及自動(dòng)報(bào)警？如何能夠監(jiān)控任意一盞照明路燈工作狀態(tài)？單燈控制技術(shù)恰恰成為解決這些問(wèn)題的有效途徑。

目前，國(guó)內(nèi)尚沒(méi)有一個(gè)城市大規(guī)模開(kāi)發(fā)、應(yīng)用單燈控制系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的單燈控制技術(shù)，主要依托于電力線載波技術(shù)，受照明線路的長(zhǎng)度、屬性、分支等很多因素影響，僅有試點(diǎn)安裝，沒(méi)有大規(guī)模的成功應(yīng)用。而濟(jì)南市開(kāi)始率先開(kāi)發(fā)、研究、應(yīng)用單燈控制系統(tǒng)，對(duì)全市8萬(wàn)余盞路燈進(jìn)行單燈控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)單盞路燈的可靠測(cè)控，并有效地進(jìn)行了節(jié)能管理，取得良好的效果。

3 系統(tǒng)應(yīng)用研究

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)及組成

濟(jì)南市城市照明智能監(jiān)控系統(tǒng)由“監(jiān)控中心、智能監(jiān)控終端、智能服務(wù)器、單燈節(jié)能控制終端及電纜被盜報(bào)警”五部分組成。系統(tǒng)以GPRS無(wú)線通信為主干網(wǎng)，以電力線載波通信為二級(jí)子網(wǎng)，是三層結(jié)構(gòu)、兩級(jí)通信機(jī)制的智能照明監(jiān)控系統(tǒng)。濟(jì)南市路燈單燈控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

圖1 濟(jì)南市路燈單燈控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架Fig.1 Jinan street lamp control system architecture framework

3.2 單燈節(jié)能控制終端

單燈節(jié)能控制器采用電力線通信技術(shù)，監(jiān)測(cè)控制每一桿燈上的每盞燈，實(shí)現(xiàn)按需照明，在保證可靠性的前提下，有效地實(shí)現(xiàn)照明節(jié)能。單燈節(jié)能控制器安裝在路燈燈桿維修孔內(nèi)，監(jiān)視每一個(gè)燈源的亮、滅、調(diào)光水平，并與智能監(jiān)控終端和城市照明控制系統(tǒng)構(gòu)成城市照明監(jiān)控和節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)路燈節(jié)能以及控制、監(jiān)測(cè)和管理的功能。單燈節(jié)能控制器通過(guò)電力線接收單燈集中器發(fā)出的控制命令，并根據(jù)控制命令控制對(duì)應(yīng)路燈，是路燈城市照明設(shè)備最佳的節(jié)能控制器和發(fā)展方向(見(jiàn)圖2)。

圖2 單燈節(jié)能控制原理框圖Fig.2 Street lamp energy saving control block diagram

3.3 電力線通信研究

路燈線路一旦布線完成，很難再改動(dòng)。此外要想實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制要求時(shí)，路燈線路的布線量要大大增加，這使得系統(tǒng)的可靠性下降，一旦出錯(cuò)，線路的檢查也相當(dāng)費(fèi)時(shí)。傳統(tǒng)的照明控制系統(tǒng)已無(wú)法滿足現(xiàn)代路燈管理的需求。

電力線通信(Power Line Communication)簡(jiǎn)稱PLC，是指利用電力線傳輸數(shù)據(jù)和語(yǔ)音的一種方式。它以電力線為傳輸通道，具有通道可靠性高、投資少、見(jiàn)效快、與電網(wǎng)建設(shè)同步等得天獨(dú)厚的優(yōu)點(diǎn)。以前PLC技術(shù)只作為長(zhǎng)距離調(diào)度的通信手段，隨著Internet技術(shù)的飛速發(fā)展，利用220V低壓電力線傳輸高速數(shù)據(jù)的價(jià)值越來(lái)越被人們重視，因?yàn)樗哂胁挥貌季€、覆蓋范圍廣、連接方便的顯著特點(diǎn)，被認(rèn)為是提供“最后一公里”解決方案最具競(jìng)爭(zhēng)力的技術(shù)手段之一。

因此利用電力線通信的路燈單燈節(jié)能控制系統(tǒng)，利用路燈原有的供電線路，不用單獨(dú)布線，具有安裝方便、維護(hù)簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)控制可靠性高、節(jié)能效果顯著等特點(diǎn)。

3.3.1 路燈電力線阻抗特性

輸入阻抗是表征低壓電力線傳輸?shù)闹匾獏?shù)，它能否與發(fā)送機(jī)的輸出阻抗相匹配，直接關(guān)系到發(fā)送機(jī)的效率與網(wǎng)絡(luò)所獲得的輸入功率，同時(shí)也將影響接受機(jī)所接受的輸入功率。由于路燈電力線分布電感和補(bǔ)償電容的影響，輸入阻抗隨著頻率的增大而減小。同時(shí)，由于負(fù)載類型的不同，使不同頻率的阻抗變化也不同，所以實(shí)際情況非常復(fù)雜。

3.3.2 電力線信號(hào)干擾特性

電力線干擾可分為非人為干擾和人為干擾。非人為干擾指的是一些自然現(xiàn)象，如雷電，在電力線上引起的干擾。人為干擾則是由連接在電力線上的用電設(shè)備產(chǎn)生的，并對(duì)數(shù)據(jù)通信有嚴(yán)重影響如廣告燈箱、車(chē)站公交站牌等。

3.3.3 電力線信號(hào)的衰減特性

信號(hào)在低壓電力線上的衰減是低壓電力線通信遇到的另一個(gè)實(shí)際問(wèn)題。路燈低壓電力線是一根非均勻分布的傳輸線，路燈的負(fù)載在這根線上任意位置隨機(jī)的接入或斷開(kāi)，因此信號(hào)在電力線的傳輸必然存在衰減，由于存在駐波、反射等復(fù)雜現(xiàn)象，使信號(hào)的衰減隨距離的變化關(guān)系變得相當(dāng)復(fù)雜，有可能出現(xiàn)近距離點(diǎn)的衰減比遠(yuǎn)離點(diǎn)的衰減還大的現(xiàn)象。

3.3.4 單燈自由算法設(shè)計(jì)

由于電力線通信信號(hào)的傳輸隨著輸電網(wǎng)信號(hào)負(fù)荷的變化而呈現(xiàn)時(shí)變性和隨機(jī)性，集中控制器與單燈節(jié)能控制器的通信路由需要隨電力線信道環(huán)境的變化而變化，因此需要設(shè)計(jì)合適的路由算法在單燈控制器各節(jié)點(diǎn)間的傳輸。

本系統(tǒng)根據(jù)蟻群算法結(jié)合路燈電力線分布的實(shí)際特點(diǎn)，稱為自適應(yīng)動(dòng)態(tài)路由算法，不受距離和單燈節(jié)能控制器位置的影響，實(shí)時(shí)更新路燈每個(gè)箱變的路由信息，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，具有可靠性高、速度快、無(wú)需人工干預(yù)等特點(diǎn)。

4 路燈單燈控制系統(tǒng)主要功能

4.1 遙控功能

遙控是整個(gè)路燈單燈控制系統(tǒng)所有功能中最重要的部分。系統(tǒng)投入運(yùn)行后，可提升照明的效果，達(dá)到既保證照明，又節(jié)約能源，關(guān)鍵是系統(tǒng)的遙控功能設(shè)計(jì)合理，控制方案豐富多樣。

路燈單燈控制系統(tǒng)采用時(shí)控和光控相結(jié)合的照明控制方案。該方案基于智能控制理念，以當(dāng)?shù)?65天日出日落的時(shí)間作為基本條件，設(shè)定一個(gè)有效的開(kāi)/關(guān)燈時(shí)間，在此時(shí)段內(nèi)根據(jù)光照度的具體情況自動(dòng)執(zhí)行相應(yīng)的開(kāi)/關(guān)燈命令，若該時(shí)段結(jié)束時(shí)光控仍未起作用，則在該時(shí)段結(jié)束時(shí)，監(jiān)控終端自動(dòng)按時(shí)控方式開(kāi)/關(guān)燈。另外，在異常天氣光照度嚴(yán)重不足時(shí)，系統(tǒng)可以進(jìn)行人工開(kāi)關(guān)燈控制，既保證了系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)系統(tǒng)也具有了適應(yīng)天氣變化的靈活性。

4.2 單燈控制功能

通過(guò)電力線載波通訊技術(shù)，用戶無(wú)需單獨(dú)布線即可實(shí)現(xiàn)單燈的智能控制，包括實(shí)時(shí)檢測(cè)單燈的運(yùn)行狀態(tài)、電壓、電流、消耗功率、功率因數(shù)、燈具點(diǎn)燃時(shí)長(zhǎng)等，可以對(duì)單燈開(kāi)/關(guān)實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制，實(shí)現(xiàn)真正的按需照明，同時(shí)在線對(duì)單燈故障(如補(bǔ)償電容損壞、燈具失效等)實(shí)現(xiàn)報(bào)警。

系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對(duì)單燈的開(kāi)關(guān)控制，顯示方式可以通過(guò)列表或城市地理信息系統(tǒng)(GIS)直觀顯示，如圖3、圖4、圖5所示。

圖3 RTU開(kāi)關(guān)燈設(shè)置Fig.3 RTU light ON/OFF setting

圖4 單燈運(yùn)行方式設(shè)置Fig.4 Street lamp operation mode setting

圖5 路燈地理信息系統(tǒng)Fig.5 Street lighting geographic information system

4.3 移動(dòng)終端查詢控制功能

系統(tǒng)平臺(tái)支持移動(dòng)式辦公工作模式即坐席或值班人員采用PDA手持監(jiān)控終端的方式，如圖6所示，即可實(shí)現(xiàn)“三遙”功能(遙控、遙信、遙測(cè))，以及日常的業(yè)務(wù)管理，包括用戶認(rèn)證模塊及監(jiān)控管理、維護(hù)管理、GIS管理、設(shè)備管理、設(shè)備運(yùn)行參數(shù)管理、系統(tǒng)管理等。檢修人員在手持終端輸入設(shè)施編碼，即可與后臺(tái)系統(tǒng)通信、查詢及回傳設(shè)施有關(guān)資料。

圖6 PDA手持監(jiān)控終端Fig.6 PDA monitor terminal

5 路燈單燈控制系統(tǒng)主要構(gòu)成

5.1 LMC1010智能監(jiān)控終端(圖7)

該終端選用最新32位ARM Cortex M3工業(yè)控制級(jí)芯片和嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，先進(jìn)的電能測(cè)量計(jì)量專用芯片，大容量存儲(chǔ)器技術(shù)，允許在-40℃～+80℃的環(huán)境溫度下的連續(xù)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)交流采樣，交流電流、電壓采集精度優(yōu)于0.5%。

圖7 LMC1010智能監(jiān)控終端Fig.7 LMC1010 intelligent monitoring terminal

照明智能監(jiān)控終端(RTU)集照明遙測(cè)、遙信、遙控、節(jié)能控制、電纜防盜報(bào)警、載波通信與遠(yuǎn)程通信接口于一體。通過(guò)交流采樣的方法完成現(xiàn)場(chǎng)電流、電壓及有功功率、功率因數(shù)等數(shù)據(jù)的采集、運(yùn)算、處理、存儲(chǔ)、顯示；并根據(jù)調(diào)度端的命令，完成數(shù)據(jù)的傳送和對(duì)各種城市照明燈的控制；當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生故障、盜竊或數(shù)據(jù)超限時(shí)能主動(dòng)報(bào)警，保證系統(tǒng)安全正常運(yùn)行；當(dāng)與調(diào)度端通信中斷時(shí)，可根據(jù)存儲(chǔ)的開(kāi)/關(guān)燈最后時(shí)限自動(dòng)獨(dú)立運(yùn)行，絕對(duì)保證路燈運(yùn)行的可靠性。智能控制終端(RTU)根據(jù)不同要求，可靈活配置，以滿足各種城市照明燈的控制方案。

5.2 LSC7210智能集中器(圖8)

LSC7210智能集中器是連接智能監(jiān)控終端與單燈控制節(jié)能終端的中樞。智能集中器與智能監(jiān)控終端采用電力線通信，二者一起安裝于路燈變壓器側(cè)或配電控制箱內(nèi)，通過(guò)電力線載波通信方式與每一個(gè)單燈控制節(jié)能終端通信，動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)每個(gè)燈源的運(yùn)行狀況，并通過(guò)智能監(jiān)控終端向監(jiān)控中心實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。LSC7210智能集中器結(jié)合了時(shí)間調(diào)度、報(bào)警發(fā)生器、日志和電力線網(wǎng)絡(luò)管理控制器。

圖8 LSC7210智能集中器Fig.8 LSC7210 intelligent concentrator

5.3 LOC7700單燈控制節(jié)能終端(圖9)

LOC7700單燈節(jié)能控制器采用國(guó)外最先進(jìn)的單片機(jī)控制技術(shù)和神經(jīng)元芯片技術(shù)，監(jiān)測(cè)控制每一桿燈，實(shí)現(xiàn)按需照明，在保證可靠性的前提下，有效地實(shí)現(xiàn)照明節(jié)能。LOC7700單燈節(jié)能控制器通過(guò)電力線接收LSC7210智能服務(wù)器發(fā)出的控制命令，并根據(jù)控制命令控制對(duì)應(yīng)路燈，是路燈、廣告燈箱、霓虹燈等城市照明設(shè)備最佳的節(jié)能控制器。

圖9 LOC7700單燈控制節(jié)能終端Fig.9 LOC7700 street lamp control terminal

6 系統(tǒng)運(yùn)行性能測(cè)試及應(yīng)用成果

6.1 單燈控制節(jié)電率試驗(yàn)段測(cè)試效果

2010年11月，我們對(duì)位于濟(jì)南市美里路的05310001號(hào)RTU控制區(qū)域的72盞路燈的單燈控制器進(jìn)行了工程驗(yàn)收，分別測(cè)試了手動(dòng)全部亮燈、全部關(guān)燈、隔一亮一、隔二亮一、隨機(jī)編組開(kāi)關(guān)燈、開(kāi)關(guān)任一指定路燈等功能，完全實(shí)現(xiàn)了“按需照明”，效果良好。節(jié)電率測(cè)試結(jié)果如表1所示。

6.2 使用單燈控制技術(shù)后節(jié)約電費(fèi)理論測(cè)算

截止目前，濟(jì)南市共有100670盞路燈，安裝單燈控制器23675個(gè)，可對(duì)39280盞路燈進(jìn)行單燈控制，按每年亮燈4000小時(shí)，定時(shí)關(guān)閉13093盞燈，每天關(guān)閉7小時(shí)，400W和250W路燈按平均300W進(jìn)行計(jì)算，每年節(jié)約電費(fèi)：13093×0.3kW×7h×365×0.8234元/(kW·h)=826萬(wàn)元。

6.3 實(shí)際應(yīng)用節(jié)電情況

經(jīng)過(guò)一年多的實(shí)際應(yīng)用，單燈控制系統(tǒng)不但提高了路燈管理水平，而且節(jié)能效果顯著，表2是我們2012年第四季度用電量的部分統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

表1 美里路單燈節(jié)電率測(cè)試表Table 1 Street lamp electricity saving

表2 2012年第四季度用電量節(jié)能數(shù)據(jù)Table 2 Electricity saving in the fourth season of 2012

6.4 節(jié)電情況分析

節(jié)能減排工作是國(guó)家一項(xiàng)大政方針，路燈行業(yè)也不例外。根據(jù)《“十二五”城市綠色照明規(guī)劃綱要》的有關(guān)目標(biāo)，到“十二五”期末，城市照明節(jié)電率要達(dá)到15%。而路燈行業(yè)目前大多采用“半夜燈”、使用LED燈具等方式節(jié)能，節(jié)電率不高，照明效果亦受影響。而濟(jì)南市采用路燈單燈控制系統(tǒng)后，不僅取得了較高的節(jié)電率38.56%，而且，促進(jìn)了路燈“亮燈率”的提升，提高了管理水平。

7 結(jié)論

濟(jì)南路燈控制系統(tǒng)通過(guò)控制中心能對(duì)城市道路中任意一個(gè)照明路燈進(jìn)行控制和運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè),并具有數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)顯示及報(bào)警功能，可按照使用需求,在確保車(chē)輛行人安全的前提下,任意組合控制路燈燈開(kāi)/關(guān)/調(diào)光水平的工作狀態(tài)，實(shí)時(shí)測(cè)量每盞的電壓、電流、燈功率、功率因數(shù)燈狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)按需照明。在保證實(shí)現(xiàn)照明節(jié)能的同時(shí)增強(qiáng)光源的使用壽命，并對(duì)故障的燈進(jìn)行報(bào)警，減低人工夜間巡檢的工作量，提高亮燈率，提高路燈行業(yè)的信息化管理水平，達(dá)到精細(xì)化管理的目的。基于目前濟(jì)南市城市照明現(xiàn)狀，我們開(kāi)發(fā)、研究、應(yīng)用的路燈單燈控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了“按需照明、精細(xì)管理”的理念，使得路燈行業(yè)的控制水平取得質(zhì)的飛躍與提高，為大幅度提高路燈節(jié)能工作水平打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，必將會(huì)取得良好的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和管理效益。

[1] 齊淑清.電力線通信(PLC)技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：中國(guó)電力出版社，2005.

[2] 張華.城市照明設(shè)計(jì)與施工[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2012.

[3] 張錫平.路燈單燈控制系統(tǒng)[C].2010年中國(guó)道路照明論壇論文集，2010.