摘 要 采取合理的节能控制措施、正确地运用光源、改善照明环境、实现绿色照明，已成为城市照明技术的重要发展方向。本文分析了我国城市照明节能现状和集中监控系统存在的不足，介绍了我处研制的城市照明节能监控系统的应用情况。
关键词 城市照明 单灯调光 监控系统 精细化管理
自国务院发出“关于做好建设节约型社会近期重点工作的通知”以来，优先启动了绿色照明等7项重点节能项目。“十一五”以来，住房和城乡建设部又制定了《“十二五”城市绿色照明规划纲要》。规划的节能目标是以2010年为基数，年城市照明节电目标为3％，从2011至2015年５年间累计节电15％。规划规定严禁在新建项目中使用高耗、低效照明设施和产品，用两年时间全面淘汰城市照明低效、高耗产品和设施。
采取合理的节能控制措施、正确地运用光源、改善照明环境、实现绿色照明，已成为城市照明技术的重要发展方向。
一、我国城市照明节能现状
我国目前城市照明节能途径主要有两种方式：第一种是在现有照明系统基础上加装节能设备，第二种是采用节能型光源，目前有发展潜力的新型光源有无极灯和ＬＥＤ灯两种，但在光效率、单盏功率、光衰期以及单位照度成本等方面仍无法与高强度气体放电灯相比，大面积推广应用的时机尚未成熟。加装节能设备主要有以下几种技术方式。
1、电磁按时段换档控制方式
目前，市场上大部分照明节能产品都采用传统电磁换档技术，这种产品大约在2003年下半年进入市场。
这种产品的主要缺点为：
（1）灯具寿命缩短。中途换档，由于接触器的切换导致瞬间断流冲击灯具，容易灭灯、烧灯，在节电率高的档位进行切换时，这种损害现象尤为严重；线路末端电压过低，则灯点燃困难。
（2）设备容易烧毁。切换时冲击电网，大功率电感线圈瞬间断路会产生极高的再生电压，导致交流接触器触点飞弧烧损，严重的甚至会击穿变压器绝缘层。
（3）灯具电压随电网电压波动而波动，没有稳压功能。
2、电磁固定降压控制方式
电磁固定降压产品，具有价格便宜，寿命长的优点，只要开机就降压，但这种产品的缺陷比较严重，虽然新的HID灯在稍低于额定电压时也容易点燃，但随着使用时间的延长，在低于额定电压以下点燃会越来越困难，点不着即不断触发，对灯具造成极大损害。
电磁固定降压的缺点是：
（1）灯具的寿命大大缩短；
（2）前半夜由于社会用电负荷大，照明线路电压偏低，电磁固定降压设备开灯就降压，导致照度严重不足，容易引发交通安全事故和治安管理事件；
（3）由于固定降压，电压随电网电压波动而波动，没有稳压功能。
3、可控硅移相调压集中控制方式
这种技术由于谐波污染严重，且无法适应电容补偿后可能出现的容性负载，已基本退出照明节能市场。
4、电磁固定降压与大功率IGBT四象限PWM叠加方式
这种技术首先是由电磁固定降压部分将电压降低到180V左右，再由功率半导体IGBT脉宽调制电路产生一个0～40V的同步叠加电压，获得一个180～220V的稳压调节范围，这是一种无触点的高精度交流自动稳压技术，但IGBT抗冲击能力欠佳，成本高昂，目前市场占有率较小。
5、单灯电磁调压分布控制方式
这种技术分两类，一类是保留HID灯的电感镇流器，外加一个固定降压或分时段降压的自藕变压器，这类产品几乎具有“固定电磁降压/分档降压”的所有缺点，且成本高，性能差。另一类是除去原HID灯的电感镇流器，改用“换档电感镇流器”。由于存在档位开关切换，容易引起灭灯，故障率高，维修成本高。
6、单灯HID电子镇流器控制方式
HID电子镇流器具有启动电流小，电压适应范围广，恒功率控制，具有0.97以上功率因数等技术优势，从技术本身而言，HID电子镇流器是极佳的照明节能技术之一，也是住建部大力推荐的绿色照明技术，但目前国内HID电子镇流器市场萎靡不振，其原因是绝大部分厂家的HID电子镇流器普遍存在寿命短，可靠性低的问题，加上行业相互抄袭现象严重，一些不具备研发能力的厂家为了降低成本，大量使用劣质电子元件进行生产，对市场造成了极大冲击。
二、我国城市照明集中监控现状
我国很多城市已建设了不同时期的照明集中监控系统，尽管所采用的技术多种多样，但其基本功能均围绕着“遥控”、“遥信”、“遥测”来实现，所以照明集中监控系统又常常被称为“三遥”系统。照明集中监控系统是一个多专业交叉的复杂集成系统，涉及到数字测控技术、通信技术、网络技术、软件技术、系统集成技术等，产品的技术水平受厂家自身技术能力及其对城市照明行业的理解能力制约，虽不乏技术先进和制造工艺精良的好产品，但大多数产品仍存在诸多不足之处，主要表现在以下几个方面。
1、系统通信效率不高。采用230MHz无线专网通信技术的产品，其空中速率一般只有1200bps，并且必须采用半双工轮询的方式获取外围设备的运行数据，在系统规模达到几百点时不可避免地要遭遇效率瓶颈。随着GPRS无线公网接入技术的应用，这种状况已得到明显改善。
2、软件水平较低。城市照明集中监控的技术发展至今已有近20年历史，开发商频繁地在不同的时间进入或者退出这个行业，能持之以恒的毕竟是少数，软件开发不同于其它技术的开发，一个软件开发的成果如需要不断地被继承，则要求开发人员严格按照软件工程的规范来进行，否则软件的持续升级就会对开发人员产生绝对的依赖性，厂商常因为软件开发人员的流动无法进行升级而不得不从头开始，一套应用软件从开发到成熟常常需要数年时间，如果开发商经常不得不进行低水平的重复工作，其软件水平难以获得实质性的提升。
3、系统功能有局限性。目前市场上的照明集中监控产品虽然在硬件结构方面存在较大差异，但在实现“三遥”基本功能方面并无实质性差别。目前，我国城市照明集中监控的基本理念，仍停留在基于开关控制、电参数测量采集以及一些简单的配电故障报警这一层面上，对更加细致的信息［如电缆状态（防盗）、灯状态等］，无法给出准确的信息。
三、节能监控技术新突破
经过长时间的调查研究，桂林市城市照明管理处于2005年初提出了研制高效城市照明节能监控系统的构想，确定以单灯调光技术为突破口，并联合桂林市本地高新技术企业和科研单位进行技术攻关，经过几年艰苦努力，新一代产品LightMaster的核心部分是高强度气体放电灯智能调光模块，由于采用了独特的变频临界触发技术，基本攻克了传统HID电子镇流器寿命短、可靠性低等技术难题，并在此基础上进行了高级应用的扩展。LightMaster调光技术具有以下特点：
1、LightMaster调光模块采用临界触发技术，在驱动功率管时产生极为陡峭的波形信号，这种技术特性使得功率管的发热量大为减少，在敞开式条件下甚至可以不需要散热器进行辅助散热；而传统HID电子镇流器自身功耗一般都在10％以上，LightMaster临界触发电路可以将这一指标降低到７％以下。
2、由于场效应功率管的导通控制电压阀值只有几伏，电路在上下臂交越时一旦遭受意外干扰，极有可能导致双管同时导通而烧毁；临界触发技术利用半导体ＰＮ结的临界导通条件，在波形的上升和下降沿接近零点的区域自然产生一个死区回避区间，此区间内两个功率管同时处于截止状态，传统的HID电子镇流器大多数不具备这个技术特性。
3、LightMaster临界触发电路具有深度负反馈的特性，当灯回路发生短路时功率输出将呈现恒流特性，具有极强的瞬间过载保护能力。
4、由于在降低功率管自身功耗和提高过载保护能力方面有明显改善，从器件选型方面考虑，对功率管的耐压和抗热冲击方面的要求有所放宽，Light-Master调光模块因此选用塑封功率管来提高电路的环境防护等级，实践证明，采用塑封功率管和不完全灌封工艺相结合，设备可以长时间在结露环境下正常使用；传统HID电子镇流器多采用上下盖方式的铝合金壳体结构，不具备密封防潮能力，一旦结露，在功率管的散热脚与壳体之间容易产生放电击穿现象，导致设备毁坏。
5、LightMaster的临界触发电路核心器件采用大规模可编程逻辑电路，与主控单片机利用数字指令进行协调，其出错的概率远低于由单片机与模拟放大电路构成的脉冲发生器，这是解决可靠性问题的关键技术之一。
6、由于发热量减少，设备温升较低，电路中使用的电解电容寿命得到延长。电解电容在高温环境下电解液被加速蒸发，是导致传统HID电子镇流器过早失效的主要原因之一。
7、LightMaster临界触发电路是一种可进行变频输出的复杂电路，改变输出频率即可改变输出功率，实现调光控制。
8、设备在应用中由于经常会根据需要进行变频调光，避免了长时间工作在某一固定频率上有可能引发共振的潜在威胁。
9、LightMaster调光模块电源输入端设计了防雷保护电路，能有效抵御感应雷击的破坏，而传统HID电子镇流器多数不具备这重保护，在应用中常会因遭受雷击出现大面积损坏。
在EMC设计方面，LightMaster建立在实验的基础上进行逐步优化，通过数十次排版比对，获得了较好的元器件匹配和电路布局方案，良好的电磁环境为高性能单片机的应用提供了条件，LightMaster调光模块所具有的灯寿命检测、多通道通信寻址以及复杂属性控制等高级功能，正是基于高性能单片机来实现的。
四、城市照明精细化管理目标的实现
LightMaster调光技术的突破，改变了HID电子镇流器寿命短可靠性差的现状，不仅为城市照明提供了很大的节能空间，同时为城市照明的精细化管理提供了技术准备。
1、精细管理之按需照明
据调查，我国大多数城市在午夜１２点后，道路上人员稀少。即使是在繁华的广州市市区，后半夜时车辆和行人都大大减少，在这情况下道路上仍然保持较高的照度显然没有必要。同时，在后半夜因电网电压普遍升高，路灯的功率负荷高于额定值，超负荷运行减少了路灯的使用寿命，增加了路灯照明设施的维护成本。
按需照明的实质就是根据市民的活动规律（包括行人和车流量的变化）定制相适应的调光控制方案，在满足市民生活需求并保证社会治安需求为基本前提下提供合适的照度。LightMaster Vax城市照明节能监控系统提供了调光方案的定制工具，管理者可以根据现场调查的结果，定制多达八个时段的调光任务，由于LightMaster Vax已经建立了从互联网到路灯杆的高速数据链路，所定制的这些任务可通过远程下载到调光信息模块，每天自动循环执行。当需求发生变化，管理者可以定制新的调光任务并重新下载。
LightMaster Vax的调光输出并不受电压波动的影响，同时具有半功率预热启动的功能，这些技术措施均能很好地对灯具进行保护。
2、精细管理之调度监控
LightMaster Vax具有连接到路灯杆的双向高速数据通信能力和高度智能化的调光控制技术，可以完成以下精确调度及数据采集：
任意一盏灯的调光控制，包括单灯以一种或多种应用属性定义的分组灯饰等；
单灯工作状态，包含正常熄灯、正常任意功率输出（50%～100％）；
单灯故障状态，包含灯开路故障、灯短路故障、灯失效、灯老化（提醒）等；
扩展的检测，这项检测主要是用在电缆防盗检测中。
LightMaster Vax具有快速并且精确的调度功能，可利用互联网从远程对城市联网的所有单灯进行调光控制；引入了“属性管理”的理念，将“分组属性”、“位置属性”、“名称属性”、“方位属性”、“应用属性”作为可以进行模糊查询的条件，能迅速生成执行调度任务的成员队列。LightMaster Vax正在构建强大的数据处理平台，以便能高效地对海量的单灯数据进行分析，同时嵌入了网络ＧＩＳ引擎，可以在全球范围内对路灯设备进行精确定位并覆盖卫星影像。
3、精细管理之目标实现
通过对上述数据的分析形成低成本和高效率的管理规范，如在日常管理中占据很大比重的灯具维护工作，由于系统能采集到每天的单灯工作状态，能筛选和定位故障灯具，所以能生成和打印出精确的检修清单，而不再需要维修部门每天晚上开车出去巡查，也不需要在白天检修时将整条街道的灯开亮，LightMaster Vax的单灯寿命检测功能甚至可以对老化严重的灯具进行甄别，生成老化灯具的更换清单。
（1）经济效益分析
实现按需照明的调光控制及精细管理，可以获得显著的经济效益，LightMaster Vax的技术节能的节省率一般大于或等于20％，管理节能的节省率大于或等于10％，即总的节省效率大于或等于30％，以一个城市20000盏灯（高强度放电灯为主），每年的照明电费1000万，如果节省率按照30％计算，一年节省电费200万元。
20000只灯具，如果没有采用调光系统之前，光源的平均寿命约为2年左右，以飞利浦250W高压钠灯平均单价70元计算，每年更换灯管的费用大约是70万元，采用调光节能监控系统后，由于降低了启动冲击并消除了电压过高对灯的损害，寿命可以延长到原来的两倍以上，年节约材料费35万元，加上车辆使用费及劳动力成本，减少5000盏灯的安装，另外可至少节约25万元，两项共节约60万元。
通过以上计算，年电费一千万元规模的城市，采用调光节能监控系统后每年可以节省电费和维护费约360万元。
以此推算，在一些大型城市，如郑州市一年电费约5000万元，成都市一年电费约8000万元，如使用调光节能监控系统，每年将产生约2000万元和3000万元的巨大经济效益。
（2）社会效益分析
LightMaster Vax按需照明最显著的贡献就是减少了光污染，从而就减少能源的浪费，达到节能减排的目的。
据统计，2006年全国发电总量2.83万亿kWh，其中火电占83.2％，水电占14.7％，同时，火力发电厂所使用的燃料基本上都是煤炭，只有小部分的天然气和石油，全国煤炭消费总量的49％用于发电。一方面，电与标煤的等价值折算系数为：1kWh电＝0.4kg标准煤，而1kg原煤＝0.7143kg标准煤。另一方面，每节约1kWh，就相应节约了0.4kg标准煤，同时减少污染排放0.272kg碳粉尘、0.997kg二氧化碳（CO2）、0.03kg二氧化硫（SO2）、0.015kg氮氧化物（NOX）。
以桂林市为例，用于城市照明电量为年1440万kWh，如采用调光节能监控系统，每年可以节约用电量约480万kWh，相当于减少CO2排放量4786t，减少粉尘排放量1300t，减少SO2排放量144t，减少氮氧化物排放量72t。
因此，依托单灯调光监控节能技术，全面实现城市照明精细化管理目标是我国城市照明管理走科学发展道路的重要保证。
