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集中式供電LED路燈智能照明控製係統的特點與優勢

2015-07-29 13:56:44      點擊:

    20世紀80年代之前,我國的公共照明設備普遍處於傳統的電網供電和人工管理模式,路燈的運行狀態主要通過巡線和巡燈的方式來實現,該模式的缺點是成本高、自動化程度低、不能實現本地調控和遠程監控等自動檢測、調光等智能管理。對故障的響應慢,存在發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。

    20世紀80年代之前,我國的公共照明設備普遍處於傳統的電網供電和人工管理模式,路燈的運行狀態主要通過巡線和巡燈的方式來實現,該模式的缺點是成本高、自動化程度低、不能實現本地調控和遠程監控等自動檢測、調光等智能管理。對故障的響應慢,存在發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控管理係統的研究並投入使用,技術逐漸發展,實現了智能化實施線路管理與調光控製等,路燈的監控能力強,能迅速進行係統運作情況的數據采集、數據分析、按照程式規定的條件進行係統調控,實現故障條件判斷進行故障定位,通過降低路燈係統成本,提高係統的監控能力和自動化水平,從而實現故障的快速恢複,減少故障時間,提高供電照明的可靠性及係統管理水平。

    本文論述的集中式供電LED智能照明係統,就是在LED路燈產品大量普及、智能照明係統相對成熟的背景下應運而生的一種管理模式,該模式旨在向周圍的若幹支路的LED路燈供應直流電,通過智能管理實現安全、可靠穩定供電及二次節能。廣東產品質量監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, 敬請業界提出寶貴意見。


     一、集中式供電LED路燈智能照明控製係統的特點與優勢

    (一)LED路燈的集中供電與傳統供電係統的比較

    1. LED燈具

   (1)傳統交流供電的LED燈具

    LED燈具直接連接交流電網,一方麵受電網的影響很大,例如電網對燈具的EMC影響和電網傳輸過來的雷擊影響;另一方麵,每隻LED燈具都需有EMC、整流、功率因數校正、濾波、功率驅動、逆變降壓、穩電壓輸出或再穩流輸出至LED光源。燈具控製裝置的電路複雜、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燈具的可靠性低並影響壽命(例如燈具中有耐受電網電壓的電解電容等元件)。

    (2)高電壓直流供電的LED燈具 

    LED燈具連接在控製櫃電源模塊的直流輸出端, 一方麵, 基本不受交流電網對燈具的EMC影響和不受交流電網側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衝影響); 另一方麵, 每隻LED燈具可以不需要EMC、整流、功率因數校正、濾波、功率驅動、逆變降壓等電路和元件。簡單恒壓型的隻需很少輔助元器件, 直接輸出至串聯的LED光源, 或再加恒流電路輸出恒定電流至串聯的LED光源更好。如此, 燈具控製裝置的電路非常簡單,可靠性非常高,壽命可以很長,這對於使用環境條件惡劣的道路和隧道照明工程非常有利。複雜一些的智能直流LED燈具還需加上智能接收控製電路及內部智能控製協議程序, 燈具控製裝置的元器件稍多,電路稍複雜,燈具成本稍高。但相對於同類的智能交流LED燈具來說, 仍然是簡單得多,可靠性也更高,壽命更長,對於道路和隧道照明工程仍然非常有利。


    2. 控製櫃

   (1)傳統交流供電的LED燈具控製櫃

    高壓鈉燈路燈控製櫃一般控製幾十隻高壓鈉燈路燈, 早期簡單的控製櫃由人工進行手動開關高壓鈉燈路燈;稍複雜一點的節能型高壓鈉燈路燈控製櫃由半夜人工進行變壓器轉換降低功率; 更進一步的有接受遠程控製對所有高壓鈉燈路燈或LED燈具進行統一自動開關或調光控製, 或對每隻LED燈具進行單獨智能控製。

    (2)集中高電壓直流供電的LED燈具控製櫃

    第一, 控製櫃一般控製幾十隻LED燈具, 首先把電網交流電源變換為高電壓直流電壓輸出給LED燈具,並且控製櫃中含有智能控製電路模塊使其能接受遠程遙控, 進而控製電源模塊調節輸出直流電壓的大小來對所有LED燈具進行統一自動開關及調光, 或者複雜一點的智能控製係統能對每隻智能LED燈具單獨進行多功能智能控製。

    第二, 控製櫃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並聯後統一輸出或各自多路輸出。由於並聯後統一輸出方式可以做到當其中一個電源子模塊出現故障時,熱備份電源子模塊立刻接入輸出線路,既能保證係統在同等功率輸出下可靠運行,又可使電源子模塊備份數量減至最低。但技術要求較高,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,提高係統整體效率),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,線路本身的發熱多,成本高)。


    3. 線路

    (1)傳統交流供電線路

    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, 控製櫃的輸入端需接交流供電電網,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(對應於≤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存在另外的交流供電電網接入點, 則在LED智能照明係統改造中可利用原交流供電電網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係統比路燈智能照明係統容易實現,但還有很多其它問題要考慮。


    4.智能控製協議和途徑

    (1)遠程電腦與控製櫃之間

    目前有很多種基於Internet網的二次開發協議,但還沒有特別統一專用的。

    (2)手機通過GPRS與控製櫃之間

    隻是用於係統維護人員進行個別數據的設置和反饋信息接收, 要想做到對係統進行全麵、快速、連續的單燈控製在技術上是不現實的。更重要的是從公共安全角度出發, 對於路燈、隧道燈及大型樓宇等公共照明場合, 應該不允許係統維護人員隨意進行手機全麵控製。

    (3)控製櫃與各燈具之間

    由控製櫃電源模塊受控調節輸出直流電壓大小來對所有LED燈具進行自動統一的開關或調光,此時控製櫃與各燈具之間不需要智能控製協議(此時, 燈具成本最低且最可靠,但不能單獨控製某一個燈具) 。

    (4)主控製設備與各燈具之間的協議和途徑

     對於可對每隻燈具都能進行單獨控製的智能係統,主控製設備與各燈具之間必須有控製協議和途徑。控製櫃與各單燈之間智能控製途徑可采用另布設控製專線、或交流載波、或直流載波、或采用無線Zigbee。


    如果需單獨對每隻LED路燈燈具進行智能控製,最常用的智能控製協議有DMX512和DALI兩種。

    DMX512控製節點多、速度快、傳輸距離遠, 但是隻能單向傳輸(如需故障診斷反饋,還需采取其它措施彌補),且協議沒有規定具體指令和流程,係統信號分配具有點位多,點位的使用不確定等方麵因素。因此,各企業的係統和燈具從控製角度來說,難以互換通用化。隻適合於企業對保修維護合同期很長,或者燈具和係統的可靠性高和壽命長的照明工程。因此,從上麵分析可知, DAX512很適合用於集中式供電直流智能照明,特別是隧道照明工程中應用。

    DALI可雙向傳輸,具有全麵的功能定義和程序流程,燈具之間有連續的協議地址。但是DALI控製燈具不多、速度慢、傳輸距離不遠。雖然有很多的明確定義的控製功能及指令,使得從控製角度來說各企業的係統和燈具容易互換通用化。但內部協議程序複雜, 這一點在道路照明這種不需多種控製功能的照明工程中使用是大材小用導致燈具成本高。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智能照明控製係統的優缺點

    所有燈具的控製裝置(俗稱驅動電源) 不需要“交流—穩定直流”變換這部分功能,而全部由集中在控製櫃的多個大功率電源模塊替代,這樣易於使電源模塊做到高可靠、長壽命、高質量,且可使燈具和係統效率很高, 綜合係統成本下降。

    燈具的控製裝置(驅動電源)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動電源, 驅動電源與LED燈具分離,使燈具發熱減少, 同時驅動電源自身的環境溫度大為降低, 這些使燈具的可靠性可以做得非常高,壽命可以很長, 不存在功率因數問題, 因此供電線路損耗降低。這些對於路燈和隧道工程這種環境惡劣的使用場合非常有利。

    缺點是在路燈應用中除非每隔幾公裏有另外的交流電網供電接入點, 否則除原交流供電電網的電源線之外還需要另行布設直流輸出電源線路。室內應用也有類似問題。此外,如果還需進一步單獨對每個燈具進行智能控製,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專用控製線。


    由上可見, 集中式直流供電智能照明控製係統最大的優點是LED燈具可以做得很簡單,從結構上容易做到互換, 因而具有成本低, 高可靠性和長壽命的優點。對於道路和隧道這樣的專業人員管理的應用場合, 如果相隔幾公裏的另一相鄰控製櫃有另外的交流供電電網接入點且允許的話, 則可在LED路燈智能照明係統改造中直接利用原交流供電電網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。

    對於室內應用,考慮到其它家電例如電冰箱等必須使用交流,所以對於室內家庭照明來說, 除非新建的樓宇另行預埋了照明專用直流線路, 使集中式直流供電LED智能照明控製係統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燈具應從結構上嚴格確保與目前交流燈和交流燈具不得混用,否則很容易導致重大安全問題。

    因此, 從各方麵綜合考慮, 集中式直流供電智能照明控製係統最適合的是隧道照明應用這樣的專業應用場合。


    二、集中供電式LED道路和隧道智能照明控製係統工作原理及關鍵技術要點

    (一)工作原理(工作流程)

    係統正常工作的程序大致如下:上位機係統向各子網絡發送係統默認或者設置的初始化參數,並保留上次係統記憶的工作狀態(包括故障狀態等信息),然後向各子網絡控製器發送請求和接收采集的數據,對接收的數據按照條件判定程序進行判斷。當確定有故障發生時,導入故障診斷程序進行準確的故障類型分析和故障定位。完成判定以後修改控製指令,發送指令到指定的終端。接收到故障指令的終端進行相應的狀態切換或者開關動作。同時,同步更新係統顯示信息。在正常工作期間,在規定的時間間隔內不斷進行各種數據采集和程序分析、程序判斷和指令發送,監控整個係統按照預定的程序開展工作,直到係統關閉。

    (二)數據通信

    集中供電式LED道路和隧道智能照明控製係統的數據通信,除了上麵提及的上位機係統與各子網絡係統通過Internet網有線數據通訊外,也可通過GPRS無線網絡進行數據通訊。此外, 還有手機通過上位機係統管理器、GPRS服務器, 或直接通過帶GPRS功能子網絡主控製器(電源控製器)、終端控製器(LED路燈或隧道燈燈具控製器)進行數據通訊。


    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成係統的子網絡係統,一個上位機控製這樣的單個或多個子網絡係統。

    具有雙向通訊功能的子網絡係統中的子網絡控製器(在上麵提到的控製櫃內)通過智能控製途徑(控製專線、或交流載波;或直流載波、或采用無線Zigbee),以程序規定的時間周期詢問處於子網絡中的每一個LED路燈或隧道燈燈具的工作狀態(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(包括電源輸入、輸出電壓和電流及功率),判定子網絡中各部件是否發生異常,然後將係統中各LED路燈或隧道燈燈具及電源工作的狀態信息(包括診斷出來的故障信息)通過Internet或GPRS調製解調器發送到上位機,同時接收來自上位機的命令,把數據信息采集和處理的結果發送到各終端控製器上。


    (三)故障管理

    1.故障種類

    集中供電式LED路燈或隧道燈智能照明控製係統的故障大致可分為通信故障和供電線路故障兩種。供電線路故障可分為電網故障、LED電源故障、供電線路故障、單個LED路燈或隧道燈燈具故障。通信故障又可分解為上位機故障、LED電源控製器故障、單個LED路燈故障。概括為下述的七種故障:電網故障、電源故障、上位機故障、電源控製器故障、供電線路故障、單個路燈故障、路燈控製器故障。

    2.係統檢測

    集中供電式LED路燈或隧道燈智能照明控製係統通過係統檢測,采集各工作環節的信號作為判斷故障的信息來源,信號值的判斷結果將作為係統故障的依據。

    3.故障診斷與分析

    通信係統按照係統設定的時間間隔檢測各節點信息是否正常,如信息交換超過設定時間,則認為通信係統發生故障,將節點故障信息發送給上位機。子網絡的控製器具有錯誤報告功能,當上位機收到各子網絡的信息後,不斷的進行分析狀態信息,根據既定的故障條件,判斷是否存在故障。如有故障,則通過GPRS發送給維護人員手機。


    電網故障的判斷:來自電網的故障有可能是電網停電或者波動,通過對采集到的三相電壓的波動上下限值進行條件判定可以判斷。

    電源故障:通過判斷電源的電壓值是否處於正常值期間範圍內來判斷。

    路燈故障:通過判斷路燈電流幅值來判斷。

   4.故障處理

   由故障診斷和分析得出結果後,通過係統的故障管理辦法,自動快速分析的種類和位置,給出維修意見。並且故障設定有響應優先級。這有助於故障快速得到處理,降低故障時間,提高故障維修效率,從而根本上提高了係統的管理和服務水平。


    三、實例介紹

    (一)係統介紹

    集中式供電LED路燈智能照明控製係統由電源模塊、控製器、顯示器、GPRS模塊、電量采集模塊、機櫃組成。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、變換為穩定的直流電,多個電源模塊並聯輸出正極、負極直流電另加保護地線。電源模塊可熱插拔,並設置有一個備份熱電源模塊。

    係統屬於通過調節直流電壓大小達到所有LED路燈統一調光目的的簡單型集中式直流供電LED路燈智能照明控製係統,它不能對某個LED路燈燈具進行單獨控製。

    (二)係統結構示意圖


    (三)係統電氣接口

    電網與供電配電控製櫃之間: 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並聯單路輸出,最大300V的直流可調壓電壓, 電壓的高低也就是調光量的大小。

    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製櫃中各電源模塊總功率的LED路燈數量,並連接好正負極和保護地線。


    (四)係統特點

    1.電源模塊的組合使係統最大容量為15000W, 三相323V~475V寬交流輸入電壓範圍。

    2.電源模塊采用有源功率因數校正技術,功率因數≥0.92, 減少了交流電網的運營費用。

    3.電源模塊采用高頻軟開關PWM控製變換技術,減少了開關損耗,提高了整機效率(≥92%) ;低電磁幹擾,不影響安裝在機櫃裏麵的其它控製係統。

    4.係統采用高精度的均流和熱備份的技術,提高了係統的可靠性,減少了設備的日常維護工作。

    5.係統采用了智能風冷,加熱和除濕技術,保證了電器元件的可靠工作環境,故障率低,可靠性高。

    6.電源模塊采用熱插拔技術,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.係統采用可編程控製器控製,觸摸屏顯示和GPRS遠程控製,便於用戶掌握使用、查詢和設置參數。係統集計算機技術、智能控製技術、數據采集技術、通信技術於一體,既可實現係統的自我測試、自動診斷、自動控製,又可以實現供電係統的遙測、遙信、遙控。

    9.可根據當地的經緯度,係統自動計算每天日出日落時間,實現自動開關燈。還可以分時段設定亮度值,實現定時分時調光功能,從而實現更人性化的管理,提高節能效果。

    10.係統通過移動運營商的平台的GPRS通訊功能,使係統運行信息和故障信息及時地反饋到客戶維護人員手中,從而實現快速處理故障的功能。

    11.具有完善的防雷保護措施。


     (五)電源係統主要技術指標

    四、總結

    本文論述的集中式直流供電的LED智能照明係統,是LED智能照明的一種新型供電技術,其優勢是提高了LED燈具及智能照明係統集中供電的可靠性, 降低運營成本, 管理智能化而實現了節能環保的用電理念。

    [1] 楊軍平等,LED智能照明控製係統的設計[J],電子 產品世界,2009(06)

    [2] 王平,通信用UPS供電係統與高壓直流供電係統應用問題探討[C],2010通信電源學術研討會論文集, 142-150

    [3] 馬小軍,智能照明控製係統[M],東南大學出版社,2009

    [4] 鄒吉平,基於現場總線的智能照明控製係統分析與應用[J],燈與照明,2005(03)

    [5] 廣州奧迪通用照明有限公司的集中式直流供電LED智能照明係統產品使用說明書(本文選自《半導體照明》雜誌第39期)