浅谈城市道路照明的节能管理与控制

摘  要  以深圳南山科技园 LED 路灯智能控制示范工程为例，对城市道路照明控制的主要技术、发展趋势进行分析比较，对智能化管理的道路照明控制运用与发展有着一定的参考价值。

关键词  道路照明;路灯控制;节能

1 控制技术概述

本世纪以来，城市照明不论是技术上、应用上还是在经济上都有着飞速的发展，路灯照明控制系统不再仅仅局限于城市道路的集中监控，而已发展成为集城市照明控制、城市照明管理部门管理维护和分析、城市各个相关部门的快速联动等一体化的综合性城市照明无线监控管理系统［1］。

以深圳市为例，在 2010 年深圳市灯光环境管理中心就已经着手新型智能控制系统的实验调试，2012 年又结合广东省普及 LED 公共照明的契机，市政府提出“建立全市路灯智能管理平台”的方案，打造全市统一的道路照明智能控制平台，该方案正在试验与实施阶段。

2 道路照明主要控制技术

2.1 PLC 技术

Power Line Carrier (PLC) 电力线载波简称PLC 技术，就是运用电力线载波实现信息传递通信方式的统称。该技术是指通过已有电力线将路灯照明系统连成智能照明系统，在电力线上加载不同信号，使用电力线载波特点进行各种信号传输，通过电力线调制解调器的使用，能把不同信号分离出来，把各种不同信号传送到各个不同设备中。该技术最大特点是不需要重新架设网络，只要有电线，就能进行数据传递，同时节省电能，并能延长灯具寿命，降低运行维护成本。完整的电力载波 LED 路灯控制系统，包括主站控制中心(服务器)、基站(集中)控制器、路灯(单灯)控制器、实现基站控制器与路灯网络之间通讯过程的协议软件。当前基于 PLC 的城市道路照明智能控制系统一般是通过 GPRS/CDMA 和PLC 结合的方案来实现的，本文试验段案例正是采用 GPRS/CDMA 和 PLC 结合的方案达成。基于 PLC 技术的路灯系统结构图如图 1 所示。

图 1基于 PLC 技术的路灯系统结构图

2.2 ZigBee 技术

ZigBee、PLC 和 GPRS/CDMA 等智能系统一样，需要 GPRS/CDMA 的网络支持。从结构上不难看出，其结构本身与上述的运行结构类似，但是运行到 ZigBee 子网的时候，只要他们彼此间在网络模块的通信范围内，通过彼此自动寻找，很快就可以形成一个互联互通的 ZigBee 网络，这就是其最大特点——自组织网。其控制系统通过 ZigBee 网络和 GPRS 网络的连通实现远程监控。本系统可分为监控中心、GPRS/CDMA 网络网关和 ZigBee 子网三部分。基于 ZigBee 技术的路灯系统结构图如图 2所示。

图 2基于 ZigBee 技术的路灯系统结构图

值得注意的是，由于 ZigBee 是一种短距离、低功耗的无线通信技术，远距离无线通信采用的GPRS 技术和近距离无线通信采用的 ZigBee 技术互为补充，在扩宽监测范围的同时也提高了监控系统的智能水平。另外，Zigbee 网络可以有 1 个由可多到 65000 个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，在整个网络范围内，每一个 ZigBee 网络数传模块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可根据需要从标准的 75M 无限扩展。通过 Zig

Bee 无线自组织网络将区域内的路灯都组成一个ZigBee 子网，若干个 ZigBee 子网通过 GPRS 网关组成大型路灯网络，在监控中心可以实现对各个 ZigBee 子网中的每个路灯进行无线智能控制。

2． 3 其他协议技术DALI 协议虽然是专用于照明控制的协议，DALI 智能照明系统也可以作为一个独立的系统来运作，但是 DALI 系统的开放性，使得 DALI 系统可以方便的和目前得到广泛应用的建筑物管理系统(如 EIB、Lonworks、LUXMATE 和 BATIBUS 等) 无缝连接。DALI 是一种定义了实现现代电子镇流器和控制模块之间进行数字化通信的接口标准。由于 DALI 具有开放性好，采用数字控制技术，采用DALI 构成的可寻址数字控制系统，具有造价低、易于安装、系统构成灵活、可以级联(组成主/从控制系统)等特点，适用于办公室、学校、住宅等楼宇智能照明控制系统［2］。由于其自身的优势体现在楼宇照明，在道路照明的缺陷明显，目前采用 DALI技术的道路照明控制的运用还是较少。

目前，智能照明控制协议除了上述协议外，还有 ACN 协议、Art Net 协议、CEBUS 协议、Lonworks协议、Dynet 协议、EIB 协议和 HBS 协议。这些协议在各自的领域均有自己的优势，占据各自优势市场，所以在短时期内无法将照明智能控制网络统一协议，但是相信未来智能控制网络发展互相兼容是趋势。

3 城市道路照明智能控制的发展趋势

现在的道路照明控制兼容了控制系统、LED、智慧城市、物联网等概念，具体来说是集合了控制、电子、通信三个方面的技术，城市道路照明智能控制随着相关产业技术高速发展，已经打破传统道路照明的观念，城市道路照明智能控制的发展主要趋势为:标准化、网络化、智能化。

1) 标准化。

标准化是城市道路照明系统的发展趋势，照明控制系统使用的相关设备非常多，不可能都是一家厂家生产，如果不同厂家只兼容自己厂家的产品，不同厂家的设备将无法同时使用，因此，尽快起草智能照明控制系统设备的标准化迫在眉睫［3］。而事实上，市场照明品牌种类繁多，并且很多照明企业也有各自的照明控制系统，各自使用的协议和端口，各个产品之间不能直接实现互通，因此首先做到城市道路照明控制系统就要考虑到产品兼容控制的问题，统一的平台则能很好的兼顾各方利益，减少因产品不兼容而造成的浪费与不必要的消耗。

因此各种厂家的照明控制系统、单灯控制系统及相关内部设备的相互兼容是智能照明发展的趋势。

2) 网络化。

照明控制系统离不开通信介质的选择，如无线通信 GPRS/CDMA、光纤通信、电力线载波通信PLC、现场总线，畅通的通信网络控制也将改变有限网络的局限性，使控制更加的灵活，更加的多样性，其中 ZigBee 就是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术。由于技术的不断更新发展，网络化的新形态——物联网已经开始运用在城市道路照明系统控制中，物联网是新一代信息技术的重要组成部分。虽然目前国内对物联网也还没有一个统一的标准定义，但从物联网本质上看，物联网是现代信息技术发展到一定阶段后出现的一种聚合性应用与技术提升，将各种感知技术、现代网络技术和人工智能与自动化技术聚合与集成应用，使人与物智慧对话，创造一个智慧的世界。因为物联网技术的发展几乎涉及到了信息技术的方方面面，是一种聚合性、系统性的创新应用与发展，也因此才被称为是信息技术的第三次革命性创新［4］。因此，道路照明智能控制的通信介质也会迎来新的发展趋势，将会数据传递更快，构架方便灵活，安全无干扰，兼容性好，更便于对照明系统的集中管理。

3) 智能化。

起初，传统的照明控制系统只为人们在天黑前提供照明的控制开关设备，道路照明控制系统的发展也从机械化发展到当前的自动化，而第三阶段的智能化才刚起步，国内少数的城市正在进行道路照明控制智能化革新的尝试。所谓智能化照明系统，通常讲就是利用现代的计算机技术、网络通讯技术、自动控制技术、微电子技术等多种新科学技术，实现可根据环境变化、客观要求、用户预定需求等条件而自动采集系统中的各种信息，并可对所采集的信息进行相应的逻辑分析、推理、判断，对结果按特定的形式进行存储、显示、传输以及反馈控制等处理以迖到最佳的控制效果的一种智能照明控制系统［5］。随着智能照明控制系统的不断完善，系统中的设备数量和设备品牌种类的不断增加，智能照明控制系统应满足可拓展性的需求，能使新设备、新模块能接入系统中，对于控制系统而言普遍涉及到的一些智能体功能模块，如感知模块、通信接口模块、知识模块、推理机制模块、控制模块。智能化的道路照明控制系统也有了传统控制系统所不能体现的功能，如地理信息功能、变频控制/自动稳压/功率控制功能、调光功能、场景功能、单灯控制、气象联动、多点控制、工况监测、故障自动反馈、统计分析与查询功能、系统自动升级维护与管理功能［6］。由此可见，继第三代智能化之后的城市道路照明智能控制的发展将会更人性化、智能化。

4 运行案例

2012 年，深圳市灯光环境管理中心在对南山区的科技园片区 LED 路灯试验段、深圳南坪快速路试验段进行调试安装，作为路灯智能控制示范工程进行运行测试试验。通过工程验证路灯智能控制系统定时开关控制、定时智能调光、路灯电气参数采集、灯况监控、故障报警等功能，并检验该系统电力载波通信的可靠性，为深圳城市道路照明智能控制与节能提供可参考的技术方案。

4.1 项目概况

试验灯组:深圳南山科技园北区科技中二路、高新中三道科技中二路 18 盏灯，高新中三道 16 盏灯，共 34 盏灯。现场布灯及回路分配如图 3 所示。

图 3现场布灯及回路分配示意图

?  4.2 控制方案

定时开关控制:该工程共 34 盏灯全部采用智能控制系统定时开关灯功能实现定时开关控制，拟设计每天 18∶00 开灯，6∶00 关灯(系统支持远程集中调整定时开关时间设置，可根据季节不同适当调整);间隔开关控制:科技中二路 18 盏灯拟采用分时段间隔开关控制方式达到节能减排目的;拟设计每天半夜 12∶00 后间隔开关;智能调光控制:高新中三道 16 盏灯拟采用分时段智能调光控制方式达到节能减排目的;拟设计每天半夜 12∶00 至凌晨 3∶00 调整为 70% 亮度，凌晨 3∶00 至凌晨 6∶00 调整为 50%亮度。

4.3 节能能效分析

间隔开关控制与智能调光控制节能能效分析如表所示。

     间隔开关控制与智能调光控制节能能效分析

4.4 系统架构

该系统主要由主站系统(服务器)、集中控制器、单灯控制器组成。集中控制器和单灯控制器通过电力线载波进行通信，集中器到主站系统通过GPＲS 连接。主站系统作为服务端，集中控制器作为客户端，上电后，集中器自动根据配置文件中配置的服务器 IP，登录到服务器。

5 结语

该案例工程投入正式运营至今 1年多时间，运行稳定，电力载波及无线通信良好，各控制功能正常，电气参数采集及功能操作实时性较好，间隔开关和智能调光节能方式通过该系统可以正常实现，节能效果明显;灯具及电源运行稳定，除模拟故障测试期间的故障报警外，日常无报警产生，无系统误报情况;综合情况表现良好，运行稳定［7］。该对智能化管理的道路照明智能控制运用与发展有着一定的参考价值，具有良好发展前景。                                   摘自《照明工程学报》

参考文献

［1］储昭兵． 基于 GPRS 城市照明无线监控系统［D］． 上海交通大学，2009．

［2］毛周明，金鹏，詹文平． 城市道路照明智能监控技术［M］． 北京:清华大学出版，．

［3］张建碧． 智能照明控制系统发展趋势［J］． 无线互联科技，2013，(5):47，75．

［4］平青． 基于物联网技术的城市照明控制系统［D］． 苏州大学，2010．

［5］闫展坤． 智能照明控制系统研究［D］． 浙江大学，2013．

［6］李冰冰． 城市路灯智能监控与节能控制系统的研究［D］． 合肥工业大学，2010．

［7］深圳市灯光环境管理中心，深圳华智测控技术有限公司． 深圳南山科技园北区 LED 路灯智能控制示范工程报告［Ｒ］． 2013．