摘 要 基于电力载波通信技术的单灯控制系统使得城市照明管理部门降低了照明系统的运营成本，提高了照明工作的服务效率。是实现节能减排、绿色照明的重要手段。
关键词 城市照明 单灯控制系统 载波通讯
道路照明是城市公共设施的组成部分，随着城市化建设步伐的加快，城市建设的发展对道路及景观照明的控制节能提出了新的要求，这使得城市照明管理的难度越来越大，运营成本也越来越高。目前国内照明管理普遍实现的集中控制，已不能满足照明管理部门对城市照明的控制、节能、故障监测、亮灯率等方面提出的更高的管理要求。这就迫切的需要一种更现代化的管理系统平台，来使照明管理部门提高管理效率的同时又可以有效降低运行成本。
因此单灯控制成为了目前路灯应用中可以实现的最佳解决方案之一。进行单灯控制才能较好的实现整个路灯系统的最佳节能和最低维护成本的目标。单灯控制有很多种实现方式，目前流行的有低压电力载波通信（PLC）技术和Zigbee无线通信技术两种方式。
一、电力载波通信技术和Zigbee无线通信技术比较
电力线载波技术即指利用现有的路灯传输电力的线路作为通信信道来传输数字信号，通过LC谐振电路和功率放大电路将信号调制到高频载波上进行传输的一种通信方式。即路灯之间仅使用现有的电力线作为基础架构，就可以实现数据的通信，不需要重新做任何的布线和修改，对输电线也没有任何特殊的要求。
Zigbee通讯技术是利用电磁波信号进行数字信号通信，需在一个路灯段内每一个路灯杆上的路灯镇流器中都内置一个Zigbee无线通信模块，电磁波信号构成一个无线通信子网在自由空间中传播，不需要物理连接线。两种技术的区别如下：
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项目 |
电力线载波技术 |
Zigbee无线通讯技术 |
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安装成本 |
只需安装单灯控制器 |
安装无线智能控制器和天线 |
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传输方式 |
电力线传播 |
无线电传播 |
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抗干扰性 |
不受环境变化影响 |
易受环境变化影响 |
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保密性 |
高，通讯不易破坏 |
低，通讯容易被破坏 |
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信息容量 |
带宽大 |
带宽有限 |
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限制 |
无限制 |
无线电管理局限制 |
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同功率传输质量 |
通讯质量好些 |
通讯质量差些 |
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稳定性 |
稳定 |
易受其他电波干扰 |
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天线 |
不需安装天线 |
需安装天线 |
由上表可以看出两种通讯技术各有优势，但是在成本和稳定性方面，电力载波技术更具优势。通过对两种技术的分析比较，结合无锡实际道路照明分布情况，最终选择采用电力载波单灯控制技术作为试点，在每套路灯含有三个光源的贡湖大道和盛岸路上安装测试。
二、载波单灯控制系统的组成
单灯控制系统是以现有的低压电力线为基础，将单灯控制器安装在每盏路灯内，每个控制器控制三个光源，利用载波通讯技术对每个光源进行状态检测和开关控制，能够及时发现单灯故障及断路等问题。单灯控制系统可以做到按需开闭，达到分散节能，定位方便、节约维修管理、巡查成本，保证亮灯率等目的。系统网络拓扑图如下：
如图可见，单灯控制系统是同传统的路灯监控系统相结合组成的一个完整的监控系统。单灯控制系统作为二级网络系统处于整个完整的监控系统的底层。其主要包括上位机软件、RTU、智能集中器、单灯控制器等组成，采用电力线载波通讯技术实时监测和控制每一盏灯，实现单灯的智能控制，包括实时检测单灯的运行状态电压、电流、消耗功率、功率因数等，实现按需照明，同时在线对单灯故障实现报警如灯具失效等。
单灯控制系统的智能集中器以32位 ARM核为主控CPU，以美国埃施朗公司电力线载波芯片为通信CPU，实现与单灯的载波通讯。主控芯片采用当前流行的嵌入式实时操作系统，实现多任务的处理、调度、同步和互斥。单灯控制器以32位 ARM核为主控CPU，主控CPU负责电压、电流、功率因数和电能量采集，通信CPU负责电力线数据收发，实现与智能集中器的通讯，两个CPU的架构实现负载均衡，使单灯控制器具有较强的计算能力和通讯能力。
智能嵌入式软件采用动态蚁群算法，具有正反馈、分布式计算和富于建设性的贪婪启发式搜索的特点，具有较高的动态路由搜索准确度和效率，组网方式采用自动组网的方式，达到能根据电力载波通信网络的负荷动态调整路由寻址算法。
三、系统功能设计与实现原理
基于电力载波技术的单灯控制系统是一个集成化的解决方案，可以实现节约能源成本，降低系统维护成本，同时构建一个完备的监控网络，依托网络可以实时获取环境数据，实现对网络上的任意设备的控制。系统主要实现以下功能：
1、单灯系统不仅可以对每一个单灯测控点设定其独立的开关灯控制方案，也可以对几个相关联的点或者所有的单灯测控点设定共同的开关灯控制方案。可选开关控制方案众多：“全开”、“仅开快车道”、“仅开慢车道”、“间隔亮灯”等等，可按需按道路情况分时段设定，目前试点路段采用11点后仅开快车道一火光源的节能模式。
2、可监测电压电流，自动识别单灯的报警和故障，由于每一盏灯运行时，都有一个固定的工作电流，不同功率的灯，有其不同的工作电流，但其值是基本恒定的。因此，系统通过检测该灯的实际工作电流，再比对其额定电流，检查比较，就可以来判断该灯工作状态，从而减少人员夜间巡逻，节约人力成本；
3、灵活的单灯数据巡测方式：用户可以自由设定单灯的亮灭状态、详细数据、故障数据的巡测方式；
4、可以根据单个路灯的使用时间数据，实现灯具的预维护方案，使得路灯时刻工作在最佳状态。
5、简洁明了的数据信息显示方式：单灯各种数据信息以列表格式分栏显示；其中包括每个单灯系统设定的方案信息，每个单灯系统各个采集时间段灭灯数据，电压电流模拟量数据，开关量状态信息等等；在查询界面，还可以可按所选日期查询历史数据。
6、故障信息统计：灭灯故障，通信故障等。
7、可根据单灯在道路的实际位置，在地图上标示相关单灯，动态显示单灯的运行状况，实现图形化的操作界面。
四、单灯控制系统的应用意义
1、控制方式灵活：一般城市半夜灯节能采取了关闭一部分接触器来达到关闭一部分路灯的效果，这就对路灯线路要求严格，需分清每个接触器所接管的路灯，以避免进入半夜灯状态后单相线路负荷过重或三相严重不平衡导致线路故障。采用了单灯控制后，可以根据实际情况制定符合需要的关闭方案；甚至对于单个路灯上的快车道，慢车道及景观灯都可以制定相关的开关模式；对于某些特殊功能的路灯，比如带有调光功能的LED路灯，还可以附加调光输出控制来进行节能；有些人流车流量变化差异大的路段还可以采用黎明前恢复亮灯等模式。
2、节能降耗效果显著，减少二氧化碳排放，提高绿色照明指标：
以试点路段为例，每套路灯含有1火250W和2火150W的光源，每天6点开灯，11点实行节能模式，早上6点关灯为例，如果采用下半夜只保留250W光源的节能方式，其节电率可以达到约31%，节能效果显著。在非重要路段甚至还可以采用隔二亮一的控制方式达到更大的节能效益。
3、单灯故障监测，地理定位，减少巡修成本：单灯控制系统在实际施工过程中必须涉及到道路的每一个灯杆，因此对于每个路灯灯杆都可以获得他固有的地理位置信息、内部接入电源相序、所安装灯具类型等等，在实施过程中把这些积累的信息输入到计算机监控软件中，即可形成现场路灯信息档案库，软件处理报警故障信息时，对应提供相关信息即可快速定位故障点，故障类型，方便维修人员快速查找和解决路灯故障。
五、结束语
电力载波技术的单灯控制系统，已经能够有效地对路灯的工作状态进行监控。实践证明，它具有造价低廉，安装简单，传输线路广泛等优点。不但可以节能，还可以实时检测每盏灯的运行状态，可以在最短时间内发现故障，使得故障能够得到及时处理。单灯控制系统的应用加强了城市照明管理的手段和方法，提高了城市照明管理的工作效率，值得推广使用。
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