基于集中式直流供电LED智能照明系统的研究

　　引言
　　20世纪80年代之前，我国的公共照明设备普遍处于传统的电网供电和人工管理模式，路灯的运行状态主要通过巡线和巡灯的方式来实现，该模式的缺点是成本高、自动化程度低、不能实现本地调控和远程监控等自动检测、调光等智能管理。对故障的响应慢，存在发生故障时得不到及时维修而造成照明的不便甚至安全隐患等因素。
　　我国从20世纪80年代末到90年代初着手进行路灯监控管理系统的研究并投入使用，技术逐渐发展，实现了智能化实施线路管理与调光控制等，路灯的监控能力强，能迅速进行系统运作情况的数据采集、数据分析、按照程式规定的条件进行系统调控，实现故障条件判断进行故障定位，通过降低路灯系统成本，提高系统的监控能力和自动化水平，从而实现故障的快速恢复，减少故障时间，提高供电照明的可靠性及系统管理水平。
　　本文论述的基于集中式供电LED智能照明系统，就是在LED路灯产品大量普及、智能照明系统相对成熟的背景下应运而生的一种管理模式，该模式旨在向周围的若干支路的LED路灯供应直流电，通过智能管理实现安全、可靠稳定供电及二次节能。广东产品质量监督检验研究院承担了广东省地方标准“集中式供电LED智能照明接口”的起草工作，为此开展了一些初步研究， 敬请业界提出宝贵意见。
　　一、集中式供电LED路灯智能照明控制系统的特点与优势
　　(一)LED路灯的集中供电与传统供电系统的比较
　　1. LED灯具
　　(1)传统交流供电的LED灯具
　　LED灯具直接连接交流电网，一方面受电网的影响很大，例如电网对灯具的EMC影响和电网传输过来的雷击影响;另一方面，每只LED灯具都需有EMC、整流、功率因数校正、滤波、功率驱动、逆变降压、稳电压输出或再稳流输出至LED光源。灯具控制装置的电路复杂、元器件多，灯具成本高。而且相对而言，安全、EMC问题比较突出。这些使LED灯具的可靠性低并影响寿命(例如灯具中有耐受电网电压的电解电容等元件)。
　　(2)高电压直流供电的LED灯具
　　LED灯具连接在控制柜电源模块的直流输出端， 一方面， 基本不受交流电网对灯具的EMC影响和不受交流电网侧传输过来雷击的影响(当然也还是需要抵抗雷击打在直流线路上传输过来的脉冲影响); 另一方面， 每只LED灯具可以不需要EMC、整流、功率因数校正、滤波、功率驱动、逆变降压等电路和元件。简单恒压型的只需很少辅助元器件， 直接输出至串联的LED光源， 或再加恒流电路输出恒定电流至串联的LED光源更好。如此， 灯具控制装置的电路非常简单，可靠性非常高，寿命可以很长，这对于使用环境条件恶劣的道路和隧道照明工程非常有利。复杂一些的智能直流LED灯具还需加上智能接收控制电路及内部智能控制协议程序， 灯具控制装置的元器件稍多，电路稍复杂，灯具成本稍高。但相对于同类的智能交流LED灯具来说， 仍然是简单得多，可靠性也更高，寿命更长，对于道路和隧道照明工程仍然非常有利。
　　2. 控制柜
　　(1)传统交流供电的LED灯具控制柜
　　高压钠灯路灯控制柜一般控制几十只高压钠灯路灯， 早期简单的控制柜由人工进行手动开关高压钠灯路灯;稍复杂一点的节能型高压钠灯路灯控制柜由半夜人工进行变压器转换降低功率; 更进一步的有接受远程控制对所有高压钠灯路灯或LED灯具进行统一自动开关或调光控制， 或对每只LED灯具进行单独智能控制。
　　(2)集中高电压直流供电的LED灯具控制柜
　　第一， 控制柜一般控制几十只LED灯具， 首先把电网交流电源变换为高电压直流电压输出给LED灯具，并且控制柜中含有智能控制电路模块使其能接受远程遥控， 进而控制电源模块调节输出直流电压的大小来对所有LED灯具进行统一自动开关及调光， 或者复杂一点的智能控制系统能对每只智能LED灯具单独进行多功能智能控制。
　　第二， 控制柜的电源模块可分为单个大功率电源模块或多个小功率电源子模块的组合。多个小功率电源子模块组合的直流输出又可分为并联后统一输出或各自多路输出。由于并联后统一输出方式可以做到当其中一个电源子模块出现故障时，热备份电源子模块立刻接入输出线路，既能保证系统在同等功率输出下可靠运行，又可使电源子模块备份数量减至最低。但技术要求较高，例如各电源子模块直流输出电压的误差要尽可能小。直流输出电压可分为高电压直流例如300V(输出高电压可减少电线线路损耗，提高系统整体效率)，或安全低电压例如120V以下(线路和灯具对人体的电气安全性高一些，但同等负载下电线线路损耗将大很多，线路本身的发热多，成本高)。
　　3. 线路
　　(1)传统交流供电线路
　　单相三线(火线、零线和地线) , 或三相五线(三根火线、零线和地线)供电线路。
　　(2)集中高电压直流供电线路
　　第一， 控制柜的输入端需接交流供电电网，可分为单相交流输入或三相交流输入两种。三相交流输入能平衡电网负载， 是比较好的方式。输出直流供电线路可以是三线(对>120V高电压直流的正极、负极和地线)，或二线(对应于≤120V直流的正极、负极，且满足安全特低电压的各项要求时)。如果同一智能照明工程的相邻局域网存在另外的交流供电电网接入点， 则在LED智能照明系统改造中可利用原交流供电电网的电源线来作直流输出线路， 否则需要另外布线作输出直流供电线路。同理， 新的工程也是如此。这一点公共楼宇智能照明系统比路灯智能照明系统容易实现，但还有很多其它问题要考虑。
　　4.智能控制协议和途径
　　(1)远程电脑与控制柜之间
　　目前有很多种基于Internet网的二次开发协议，但还没有特别统一专用的。
　　(2)手机通过GPRS与控制柜之间
　　只是用于系统维护人员进行个别数据的设置和反馈信息接收， 要想做到对系统进行全面、快速、连续的单灯控制在技术上是不现实的。更重要的是从公共安全角度出发， 对于路灯、隧道灯及大型楼宇等公共照明场合， 应该不允许系统维护人员随意进行手机全面控制。
　　(3)控制柜与各灯具之间
　　由控制柜电源模块受控调节输出直流电压大小来对所有LED灯具进行自动统一的开关或调光，此时控制柜与各灯具之间不需要智能控制协议(此时， 灯具成本最低且最可靠，但不能单独控制某一个灯具) .
　　(4)主控制设备与各灯具之间的协议和途径
　　对于可对每只灯具都能进行单独控制的智能系统，主控制设备与各灯具之间必须有控制协议和途径。控制柜与各单灯之间智能控制途径可采用另布设控制专线、或交流载波、或直流载波、或采用无线Zigbee.如果需单独对每只LED路灯灯具进行智能控制，最常用的智能控制协议有DMX512和DALI两种。
　　DMX512控制节点多、速度快、传输距离远， 但是只能单向传输(如需故障诊断反馈，还需采取其它措施弥补)，且协议没有规定具体指令和流程，系统信号分配具有点位多，点位的使用不确定等方面因素。因此，各企业的系统和灯具从控制角度来说，难以互换通用化。只适合于企业对保修维护合同期很长，或者灯具和系统的可靠性高和寿命长的照明工程。因此，从上面分析可知， DAX512很适合用于集中式供电直流智能照明，特别是隧道照明工程中应用。
　　DALI可双向传输，具有全面的功能定义和程序流程，灯具之间有连续的协议地址。但是DALI控制灯具不多、速度慢、传输距离不远。虽然有很多的明确定义的控制功能及指令，使得从控制角度来说各企业的系统和灯具容易互换通用化。但内部协议程序复杂， 这一点在道路照明这种不需多种控制功能的照明工程中使用是大材小用导致灯具成本高。因此，不太适合道路照明包括隧道智能照明。
　　(二)集中式直流供电LED智能照明控制系统的优缺点
　　所有灯具的控制装置(俗称驱动电源) 不需要“交流-稳定直流”变换这部分功能，而全部由集中在控制柜的多个大功率电源模块替代，这样易于使电源模块做到高可靠、长寿命、高质量，且可使灯具和系统效率很高， 综合系统成本下降。
　　灯具的控制装置(驱动电源)电路可以很简单，元器件可以很少， 灯具成本较低，更重要的是所有灯具可以没有驱动电源， 驱动电源与LED灯具分离，使灯具发热减少， 同时驱动电源自身的环境温度大为降低， 这些使灯具的可靠性可以做得非常高，寿命可以很长， 不存在功率因数问题， 因此供电线路损耗降低。这些对于路灯和隧道工程这种环境恶劣的使用场合非常有利。
　　缺点是在路灯应用中除非每隔几公里有另外的交流电网供电接入点， 否则除原交流供电电网的电源线之外还需要另行布设直流输出电源线路。室内应用也有类似问题。此外，如果还需进一步单独对每个灯具进行智能控制，除非用载波(有交流载波方式，但在集中直流供电方式中不适合;有直流载波方式，但目前专用IC较少)，或者用无线通讯，否则还需要另外布设专用控制线。
　　由上可见， 集中式直流供电智能照明控制系统最大的优点是LED灯具可以做得很简单，从结构上容易做到互换， 因而具有成本低， 高可靠性和长寿命的优点。对于道路和隧道这样的专业人员管理的应用场合， 如果相隔几公里的另一相邻控制柜有另外的交流供电电网接入点且允许的话， 则可在LED路灯智能照明系统改造中直接利用原交流供电电网的电源线来改作直流输出线路， 减少了布线麻烦及成本。否则需要另外布线作输出直流供电线路，这是一个需待解决的问题， 也就是它最大的缺点。
　　对于室内应用，考虑到其它家电例如电冰箱等必须使用交流，所以对于室内家庭照明来说， 除非新建的楼宇另行预埋了照明专用直流线路， 使集中式直流供电LED智能照明控制系统实施工作可以很方便进行，但还需要考虑的、更重要的是直流LED灯和直流LED灯具应从结构上严格确保与目前交流灯和交流灯具不得混用，否则很容易导致重大安全问题。
　　因此， 从各方面综合考虑， 集中式直流供电智能照明控制系统最适合的是隧道照明应用这样的专业应用场合。
　　二、集中供电式LED道路和隧道智能照明控制系统工作原理及关键技术要点
　　(一)工作原理(工作流程)
　　系统正常工作的程序大致如下：上位机系统向各子网络发送系统默认或者设置的初始化参数，并保留上次系统记忆的工作状态(包括故障状态等信息)，然后向各子网络控制器发送请求和接收采集的数据，对接收的数据按照条件判定程序进行判断。当确定有故障发生时，导入故障诊断程序进行准确的故障类型分析和故障定位。完成判定以后修改控制指令，发送指令到指定的终端。接收到故障指令的终端进行相应的状态切换或者开关动作。同时，同步更新系统显示信息。在正常工作期间，在规定的时间间隔内不断进行各种数据采集和程序分析、程序判断和指令发送，监控整个系统按照预定的程序开展工作，直到系统关闭。
　　(二)数据通信
　　集中供电式LED道路和隧道智能照明控制系统的数据通信，除了上面提及的上位机系统与各子网络系统通过Internet网有线数据通讯外，也可通过GPRS无线网络进行数据通讯。此外， 还有手机通过上位机系统管理器、GPRS服务器， 或直接通过带GPRS功能子网络主控制器(电源控制器)、终端控制器(LED路灯或隧道灯灯具控制器)进行数据通讯。
　　一个供电电源、供电线路和连接在其上的各LED路灯或隧道灯灯具负载构成系统的子网络系统，一个上位机控制这样的单个或多个子网络系统。
　　具有双向通讯功能的子网络系统中的子网络控制器(在上面提到的控制柜内)通过智能控制途径(控制专线、或交流载波;或直流载波、或采用无线Zigbee)，以程序规定的时间周期询问处于子网络中的每一个LED路灯或隧道灯灯具的工作状态(包括输入和输出电压、电流等， 当灯具具有智能及自检功能时)，同时检测供电电源的工作状态(包括电源输入、输出电压和电流及功率)，判定子网络中各部件是否发生异常，然后将系统中各LED路灯或隧道灯灯具及电源工作的状态信息(包括诊断出来的故障信息)通过Internet或GPRS调制解调器发送到上位机，同时接收来自上位机的命令，把数据信息采集和处理的结果发送到各终端控制器上。
　　三、实例介绍
　　(一)系统介绍
　　集中式供电LED路灯智能照明控制系统由电源模块、控制器、显示器、GPRS模块、电量采集模块、机柜组成。输入采用三相四线交流供电另加保护地线， 电源模块把三相交流电整流、滤波、变换为稳定的直流电，多个电源模块并联输出正极、负极直流电另加保护地线。电源模块可热插拔，并设置有一个备份热电源模块。
　　系统属于通过调节直流电压大小达到所有LED路灯统一调光目的的简单型集中式直流供电LED路灯智能照明控制系统，它不能对某个LED路灯灯具进行单独控制。
　　(二)系统结构示意图

　　(三)系统电气接口
　　电网与供电配电控制柜之间： 380V(±10%)、50Hz 三相交流输入至各电源模块，各电源模块的输入端有EMC措施; 输入端和输出端都有完善的抗雷击措施。
　　各电源模块的输出端并联单路输出，最大300V的直流可调压电压， 电压的高低也就是调光量的大小。
　　直流线路与LED路灯之间：在直流线路的正、负极和保护地线上连接不超过控制柜中各电源模块总功率的LED路灯数量，并连接好正负极和保护地线。
　　(四)系统特点
　　1.电源模块的组合使系统最大容量为15000W, 三相323V~475V宽交流输入电压范围。
　　2.电源模块采用有源功率因数校正技术，功率因数≥0.92, 减少了交流电网的运营费用。
　　3.电源模块采用高频软开关PWM控制变换技术，减少了开关损耗，提高了整机效率(≥92%) ;低电磁干扰，不影响安装在机柜里面的其它控制系统。
　　4.系统采用高精度的均流和热备份的技术，提高了系统的可靠性，减少了设备的日常维护工作。
　　5.系统采用了智能风冷，加热和除湿技术，保证了电器元件的可靠工作环境，故障率低，可靠性高。
　　6.电源模块采用热插拔技术，可以在线安装或更换。
　　7.电源模块具有交流输入过压、过流，直流输出过压、过流及短路保护和散热器超温等保护功能。
　　8.系统采用可编程控制器控制，触摸屏显示和GPRS远程控制，便于用户掌握使用、查询和设置参数。系统集计算机技术、智能控制技术、数据采集技术、通信技术于一体，既可实现系统的自我测试、自动诊断、自动控制，又可以实现供电系统的遥测、遥信、遥控。
　　9.可根据当地的经纬度，系统自动计算每天日出日落时间，实现自动开关灯。还可以分时段设定亮度值，实现定时分时调光功能，从而实现更人性化的管理，提高节能效果。
　　10.系统通过移动运营商的平台的GPRS通讯功能，使系统运行信息和故障信息及时地反馈到客户维护人员手中，从而实现快速处理故障的功能。
　　(五)电源系统主要技术指标

　　四、总结
　　本文论述的集中式直流供电的LED智能照明系统，是LED智能照明的一种新型供电技术，其优势是提高了LED灯具及智能照明系统集中供电的可靠性， 降低运营成本， 管理智能化而实现了节能环保的用电理念。




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