李家旭，李小亞，劉海浪，詹浩杰，韋 晶

(1.廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣東 廣州 510010；2.杭州中恒派威電源有限公司，浙江 杭州 310000)

引言

地鐵直流智能照明系統(tǒng)采用DC220V的直流電為燈具供電，相對(duì)于傳統(tǒng)的交流供電方式，可以提高供電線(xiàn)路的安全性，燈具的使用壽命延長(zhǎng)，傳統(tǒng)燈具在DC220V輸入的情況下，也可以兼容正常工作。同時(shí)，該系統(tǒng)具備智能調(diào)光功能，相對(duì)于交流供電方案下的智能調(diào)光系統(tǒng)存在較大的差異，利用直流供電系統(tǒng)的特性，通過(guò)直流供電線(xiàn)路傳遞調(diào)光指令，實(shí)現(xiàn)照明的智能控制。本文主要介紹地鐵直流供電下的智能調(diào)光通信方案及應(yīng)用效果。

1 地鐵直流智能照明系統(tǒng)的調(diào)光方案

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

地鐵直流智能照明系統(tǒng)將直流供電技術(shù)與LED智能照明相結(jié)合，采用DC220V的直流電為L(zhǎng)ED燈具供電，并集成智能調(diào)光控制功能，利用直流供電線(xiàn)纜傳輸調(diào)光指令，LED燈具端可解析該指令，實(shí)現(xiàn)安全供電及智能調(diào)光。該系統(tǒng)主要由直流電源柜、LED燈具(含DC-DC電源、LED燈)、直流照明管理平臺(tái)以及傳感器模塊組成[1]，如圖1所示。

圖1 地鐵直流智能照明系統(tǒng)架構(gòu)圖

(1)直流電源柜。直流電源柜是該系統(tǒng)的核心單元，主要負(fù)責(zé)將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，為后端的設(shè)備功能。直流電源柜具備智能控制功能，包括柜內(nèi)各個(gè)功能模塊的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障告警、回路控制等，同時(shí)具備調(diào)光控制功能，該功能與LED燈具端的DC-DC電源聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)照明的調(diào)光控制。

(2)LED燈具。LED燈具內(nèi)置DC-DC電源，該單元輸入工作電壓與直流電源柜的輸出電壓相匹配。同時(shí)，該DC-DC電源內(nèi)置通信模塊，可以與直流電源柜進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)LED燈亮度的調(diào)節(jié)。

(3)直流照明管理平臺(tái)。地鐵站的直流智能照明系統(tǒng)的服務(wù)器采用本地部署的方式，站內(nèi)的全部直流電源柜通過(guò)以太網(wǎng)通信組網(wǎng)，直流照明管理平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)全站的直流電源柜。同時(shí)，BAS系統(tǒng)與直流照明管理平臺(tái)相連接，車(chē)站控制室實(shí)現(xiàn)對(duì)直流智能照明系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制及狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

(4)傳感器。地鐵照明的智能化控制引入多種類(lèi)型的傳感器，如出入口區(qū)域的照度傳感器、設(shè)備區(qū)走道的紅外傳感器、站臺(tái)門(mén)燈帶的光電傳感器，根據(jù)傳感器采集的數(shù)據(jù)，對(duì)照明進(jìn)行開(kāi)關(guān)及調(diào)光控制，實(shí)現(xiàn)按需照明。

1.2 系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

(1)供電更安全。人觸電傷害主要取決于電流強(qiáng)度和時(shí)間長(zhǎng)度。國(guó)標(biāo)GB/T 13870.1—2008 《電流對(duì)人和家畜的效應(yīng)第1部分通用部分》 中關(guān)于交直流電對(duì)人體的傷害做了解釋?zhuān)鐖D2所示。

圖2 交直流電對(duì)人體的傷害程度

由圖2可知，交流電流5 mA以?xún)?nèi)，人體有感知和不自主的肌肉收縮，但通常沒(méi)有有害的電生理學(xué)效應(yīng)；直流電流20 mA以?xún)?nèi)，人體有無(wú)意識(shí)的肌肉收縮，但通常沒(méi)有有害電生理學(xué)效應(yīng)。系統(tǒng)采用DC220V直流供電，直流懸浮輸出，輸出正極和負(fù)極均不直接接地，可提高照明用電的安全性[2]。

(2)燈具可靠性更高[3]。當(dāng)前照明燈具交流電輸入，需要使用AC-DC電源，將交流電轉(zhuǎn)換成直流電，此過(guò)程存在較高的故障率。直流供電后，照明燈具僅需要使用DC-DC電源即可，用電設(shè)備可靠性提高，降低后期設(shè)備的運(yùn)維成本。

(3)電網(wǎng)更純凈。直流供電系統(tǒng)采用集中整流，直流電源柜功率因數(shù)可達(dá)0.98以上、諧波電流≤5%，可有效提高對(duì)電網(wǎng)的利用率，降低對(duì)電網(wǎng)的污染。照明燈具使用DC-DC電源，紋波電流極低，無(wú)頻閃。

1.3 智能調(diào)光方案

傳統(tǒng)地鐵智能調(diào)光系統(tǒng)主要使用DALI系統(tǒng)，該系統(tǒng)方案成熟，應(yīng)用廣泛。DALI系統(tǒng)敷設(shè)專(zhuān)用的DALI通信線(xiàn)，通過(guò)DALI控制器與燈具端的DALI電源形成組網(wǎng)，可對(duì)燈具的地址分配，實(shí)現(xiàn)照明的廣播調(diào)光和分組調(diào)光[4]。在地鐵直流智能照明系統(tǒng)下，存在多種智能調(diào)光方案可選，如下將介紹與該系統(tǒng)匹配度較高的三種方案。

(1)曼徹斯特編碼通信。直流電源柜具備輸出電壓的調(diào)節(jié)能力，因此，可采用輸出電壓調(diào)節(jié)變化的方式，形成一串二進(jìn)制指令，該指令中包含執(zhí)行功能信息、地址信息和調(diào)光亮度信息，通過(guò)直流供電線(xiàn)傳輸給LED燈具，LED燈具端的DC-DC電源內(nèi)置的通信解碼單元進(jìn)行解碼，實(shí)現(xiàn)照明的調(diào)光控制，如圖3所示。

圖3 曼徹斯特編碼通信示意圖

(2)降壓式通信。利用直流電源柜的輸出電壓可調(diào)功能，系統(tǒng)可采用輸出降壓的方式傳遞調(diào)光指令，例如DC300V對(duì)應(yīng)亮度100%，DC250V對(duì)應(yīng)亮度50%，通過(guò)直流供電線(xiàn)傳輸給燈具，燈具側(cè)的DC-DC驅(qū)動(dòng)電源調(diào)節(jié)電流，實(shí)現(xiàn)照明的調(diào)光控制，如圖4所示。

圖4 降壓調(diào)光曲線(xiàn)

(3)直流電力線(xiàn)載波通信(Power Line Communication)。直流電力線(xiàn)載波通信技術(shù)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“直流PLC”)是利用直流供電線(xiàn)路傳遞信號(hào)，相對(duì)于戶(hù)外照明用的電力線(xiàn)載波技術(shù)，該技術(shù)不僅可以通過(guò)交流線(xiàn)路傳遞信號(hào)，也可以通過(guò)直流線(xiàn)路傳遞信號(hào)。末端的DC-DC電源內(nèi)置直流PLC芯片，可以與直流電源柜中的控制單元進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)DC-DC電源的單燈控制及故障反饋[6]，如圖5所示。

地鐵照明場(chǎng)景需要實(shí)現(xiàn)分區(qū)調(diào)光控制，不同區(qū)域執(zhí)行不同的調(diào)光亮度。由于地鐵站內(nèi)長(zhǎng)期有工作人員，因此通過(guò)單燈控制功能獲取單燈故障狀態(tài)的需求并非必要功能。由表1四種通信方式對(duì)比可知，曼徹斯特編碼通信方式可以滿(mǎn)足地鐵照明的需求，且成本適中，是較佳的調(diào)光方案。

圖5 PLC通信示意圖

表1 通信方式對(duì)比

2 曼徹斯特編碼通信

2.1 編碼定義

曼徹斯特編碼通過(guò)高低電平進(jìn)行二進(jìn)制編碼，但是并未設(shè)定絕對(duì)高電平和絕對(duì)的低電平，而是取的相對(duì)差值。

低電平 = 高電平-10 V

(1)

系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時(shí)，直流電源柜輸出的母線(xiàn)電壓為高電平，如當(dāng)前輸出電壓為DC220 V時(shí)，則高電平是DC220 V，低電平是DC210 V。在遠(yuǎn)距離傳輸下，即使末端壓降，但是高低電平的10 V差值依然存在，保障了指令識(shí)別的可靠。

“1”： 100 ms高電平+100 ms低電平

“0”：100 ms低電平+100 ms高電平

根據(jù)地鐵照明場(chǎng)景的需求，定義一幀曼徹斯特編碼有以下幾部分：起始位、功能碼、模式碼、分區(qū)碼、數(shù)據(jù)碼、校驗(yàn)碼等。

(1)起始位：標(biāo)志數(shù)據(jù)傳輸開(kāi)始；

(2)功能碼：此條指令的功能含義，如模式配置、模式切換、實(shí)時(shí)調(diào)光、快捷模式等；

(3)模式碼：此條指令的模式類(lèi)型，如高峰模式、平峰模式、全亮模式、清掃模式、停運(yùn)模式、火災(zāi)模式、自定義模式等；

(4)分區(qū)碼：對(duì)應(yīng)DC-DC電源設(shè)定的地址，不同區(qū)域設(shè)定不同的地址，實(shí)現(xiàn)分區(qū)調(diào)光；

(5)數(shù)據(jù)碼：DC-DC電源需要執(zhí)行或存儲(chǔ)的亮度值；

(6)結(jié)束位：標(biāo)志數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束。

2.2 編碼范例

(1)實(shí)時(shí)調(diào)光。分區(qū)1調(diào)光50%編碼表如表2所示，圖6為其對(duì)應(yīng)的波形圖。

(2)模式配置。分區(qū)1高峰模式燒錄亮度70%的編碼表如表3所示，圖7為其對(duì)應(yīng)的波形圖。

表2 分區(qū)1調(diào)光50%編碼表

圖6 分區(qū)1調(diào)光50%波形圖

表3 分區(qū)1高峰模式燒錄亮度70%編碼表

圖7 分區(qū)1高峰模式燒錄亮度70%波形圖

(3)模式切換。切換至高峰模式的編碼表如表4所示，圖8為其對(duì)應(yīng)的波形圖。

(4)快捷模式。切換至快捷模式1的編碼表如表5所示，圖9為其對(duì)應(yīng)的波形圖。

表4 切換至高峰模式編碼表

表5 切換至快捷模式1編碼表

圖8 切換至高峰模式波形圖

圖9 切換至快捷碼1波形圖

3 智能照明應(yīng)用效果

地鐵照明根據(jù)照明區(qū)域、燈具類(lèi)型可以分為出入口照明、公共區(qū)照明、設(shè)備區(qū)照明、導(dǎo)向照明、廣告照明等[6](圖10和圖11)。直流智能照明系統(tǒng)根據(jù)綜合監(jiān)控中心及車(chē)站控制室下發(fā)的運(yùn)行時(shí)間表，對(duì)照明進(jìn)行模式切換、實(shí)時(shí)調(diào)光及回路開(kāi)關(guān)等控制。

圖10 站廳層區(qū)域分布圖

圖11 站臺(tái)層區(qū)域分布

(1)出入口照明。

出入口區(qū)域可分為飛頂、扶梯、過(guò)道等區(qū)域，對(duì)這三個(gè)區(qū)域的照明分別設(shè)定1、2、3地址，進(jìn)行分區(qū)控制。

為實(shí)現(xiàn)按需照明，在飛頂區(qū)域設(shè)置照度傳感器，飛頂區(qū)域的照明開(kāi)關(guān)及亮度調(diào)節(jié)與環(huán)境照度進(jìn)行聯(lián)動(dòng)。當(dāng)環(huán)境照度越高，該區(qū)域的照明通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)光指令對(duì)分區(qū)1進(jìn)行調(diào)光亮度降低或調(diào)光關(guān)燈；當(dāng)環(huán)境照度越低，該區(qū)域的照明通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)光指令對(duì)分區(qū)1進(jìn)行調(diào)光亮度提升。

扶梯區(qū)域和過(guò)道區(qū)域可根據(jù)時(shí)間表進(jìn)行高峰、平峰、停運(yùn)等場(chǎng)景模式進(jìn)行切換，不同模式下預(yù)存初始亮度值，可快速進(jìn)行模式切換。

(2)公共區(qū)照明。

公共區(qū)照明可分為站廳層非付費(fèi)區(qū)、站廳層付費(fèi)區(qū)、站臺(tái)層候車(chē)區(qū)、站臺(tái)門(mén)燈帶等區(qū)域。其中站廳層非付費(fèi)區(qū)、站廳層付費(fèi)區(qū)、站臺(tái)層公共區(qū)以場(chǎng)景模式切換的方式運(yùn)行(表6)。

表6 運(yùn)行區(qū)域不同模式下的預(yù)設(shè)亮度值

在高峰模式和平峰模式下，站臺(tái)門(mén)燈帶照明的開(kāi)啟和關(guān)閉與微波傳感器狀態(tài)聯(lián)動(dòng)，微波傳感器安裝在軌行區(qū)列車(chē)停靠后的尾端，監(jiān)測(cè)列車(chē)進(jìn)站狀態(tài)，當(dāng)列車(chē)進(jìn)站，站臺(tái)門(mén)燈帶照明開(kāi)啟，當(dāng)列車(chē)離站，站臺(tái)門(mén)燈帶照明關(guān)閉。

(3)設(shè)備區(qū)照明。

設(shè)備區(qū)照明分區(qū)室內(nèi)照明和走道照明。室內(nèi)照明處于長(zhǎng)亮狀態(tài)，由室內(nèi)面板開(kāi)關(guān)控制。走道照明與紅外傳感器狀態(tài)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，當(dāng)走道有人時(shí)，通過(guò)快捷碼調(diào)光的方式，將照明亮度調(diào)節(jié)至80%；當(dāng)走道無(wú)人時(shí)，通過(guò)快捷碼調(diào)光的方式，將照明亮度調(diào)節(jié)至30%，實(shí)現(xiàn)節(jié)約能耗。

4 總結(jié)

地鐵直流智能照明系統(tǒng)目前已在蘇州地鐵5號(hào)線(xiàn)全線(xiàn)應(yīng)用，照明控制通信方式采用曼徹斯特編碼通信方式，利用直流供電線(xiàn)路傳遞調(diào)光指令，實(shí)現(xiàn)照明的智能控制。相對(duì)于交流供電方案下采用的DALI調(diào)光系統(tǒng)，省去通信線(xiàn)纜的敷設(shè)，降低施工難度。同時(shí)，通過(guò)傳感器與直流電源柜的聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)按需照明、人性化照明。相信在未來(lái)，直流智能照明憑借其調(diào)光控制簡(jiǎn)單、供電安全、延長(zhǎng)后端用電設(shè)備壽命等優(yōu)勢(shì)，在地鐵項(xiàng)目中將有越來(lái)越多的應(yīng)用。