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我國從20世紀80年代末到90年代初著(zhù)手進(jìn)行路燈監控管理系統的研究并投入使用，技術(shù)逐漸發(fā)展，實(shí)現了智能化實(shí)施線(xiàn)路管理與調光控制等，路燈的監控能力強，能迅速進(jìn)行系統運作情況的數據采集、數據分析、按照程式規定的條件進(jìn)行系統調控，實(shí)現故障條件判斷進(jìn)行故障定位，通過(guò)降低路燈系統成本，提高系統的監控能力和自動(dòng)化水平，從而實(shí)現故障的快速恢復，減少故障時(shí)間，提高供電照明的可靠性及系統管理水平。
本文論述的集中式供電LED智能照明系統，就是在LED路燈產(chǎn)品大量普及、智能照明系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?chē)娜舾芍返腖ED路燈供應直流電，通過(guò)智能管理實(shí)現安全、可靠穩定供電及二次節能。廣東產(chǎn)品質(zhì)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(kāi)展了一些初步研究，敬請業(yè)界提出寶貴意見(jiàn)。
一、集中式供電LED路燈智能照明控制系統的特點(diǎn)與優(yōu)勢
（一）LED路燈的集中供電與傳統供電系統的比較
1.LED燈具
?。?）傳統交流供電的LED燈具
LED燈具直接連接交流電網(wǎng)，一方面受電網(wǎng)的影響很大，例如電網(wǎng)對燈具的EMC影響和電網(wǎng)傳輸過(guò)來(lái)的雷擊影響;另一方面，每只LED燈具都需有EMC、整流、功率因數校正、濾波、功率驅動(dòng)、逆變降壓、穩電壓輸出或再穩流輸出至LED光源。燈具控制裝置的電路復雜、元器件多，燈具成本高。而且相對而言，安全、EMC問(wèn)題比較突出。這些使LED燈具的可靠性低并影響壽命（例如燈具中有耐受電網(wǎng)電壓的電解電容等元件）。
（2）高電壓直流供電的LED燈具
LED燈具連接在控制柜電源模塊的直流輸出端，一方面，基本不受交流電網(wǎng)對燈具的EMC影響和不受交流電網(wǎng)側傳輸過(guò)來(lái)雷擊的影響（當然也還是需要抵抗雷擊打在直流線(xiàn)路上傳輸過(guò)來(lái)的脈沖影響）;另一方面，每只LED燈具可以不需要EMC、整流、功率因數校正、濾波、功率驅動(dòng)、逆變降壓等電路和元件。簡(jiǎn)單恒壓型的只需很少輔助元器件，直接輸出至串聯(lián)的LED光源，或再加恒流電路輸出恒定電流至串聯(lián)的LED光源更好。如此，燈具控制裝置的電路非常簡(jiǎn)單，可靠性非常高，壽命可以很長(cháng)，這對于使用環(huán)境條件惡劣的道路和隧道照明工程非常有利。復雜一些的智能直流LED燈具還需加上智能接收控制電路及內部智能控制協(xié)議程序，燈具控制裝置的元器件稍多，電路稍復雜，燈具成本稍高。但相對于同類(lèi)的智能交流LED燈具來(lái)說(shuō)，仍然是簡(jiǎn)單得多，可靠性也更高，壽命更長(cháng)，對于道路和隧道照明工程仍然非常有利。
2.控制柜
（1）傳統交流供電的LED燈具控制柜
高壓鈉燈路燈控制柜一般控制幾十只高壓鈉燈路燈，早期簡(jiǎn)單的控制柜由人工進(jìn)行手動(dòng)開(kāi)關(guān)高壓鈉燈路燈;稍復雜一點(diǎn)的節能型高壓鈉燈路燈控制柜由半夜人工進(jìn)行變壓器轉換降低功率;更進(jìn)一步的有接受遠程控制對所有高壓鈉燈路燈或LED燈具進(jìn)行統一自動(dòng)開(kāi)關(guān)或調光控制，或對每只LED燈具進(jìn)行單獨智能控制。
（2）集中高電壓直流供電的LED燈具控制柜
第一，控制柜一般控制幾十只LED燈具，首先把電網(wǎng)交流電源變換為高電壓直流電壓輸出給LED燈具，并且控制柜中含有智能控制電路模塊使其能接受遠程遙控，進(jìn)而控制電源模塊調節輸出直流電壓的大小來(lái)對所有LED燈具進(jìn)行統一自動(dòng)開(kāi)關(guān)及調光，或者復雜一點(diǎn)的智能控制系統能對每只智能LED燈具單獨進(jìn)行多功能智能控制。
第二，控制柜的電源模塊可分為單個(gè)大功率電源模塊或多個(gè)小功率電源子模塊的組合。多個(gè)小功率電源子模塊組合的直流輸出又可分為并聯(lián)后統一輸出或各自多路輸出。由于并聯(lián)后統一輸出方式可以做到當其中一個(gè)電源子模塊出現故障時(shí)，熱備份電源子模塊立刻接入輸出線(xiàn)路，既能保證系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(shù)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(xiàn)線(xiàn)路損耗，提高系統整體效率），或安全低電壓例如120V以下（線(xiàn)路和燈具對人體的電氣安全性高一些，但同等負載下電線(xiàn)線(xiàn)路損耗將大很多，線(xiàn)路本身的發(fā)熱多，成本高）。
3.線(xiàn)路
（1）傳統交流供電線(xiàn)路
單相三線(xiàn)（火線(xiàn)、零線(xiàn)和地線(xiàn)），或三相五線(xiàn)（三根火線(xiàn)、零線(xiàn)和地線(xiàn)）供電線(xiàn)路。
（2）集中高電壓直流供電線(xiàn)路
第一，控制柜的輸入端需接交流供電電網(wǎng)，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(wǎng)負載，是比較好的方式。輸出直流供電線(xiàn)路可以是三線(xiàn)（對>120V高電壓直流的正極、負極和地線(xiàn)），或二線(xiàn)（對應于≤120V直流的正極、負極，且滿(mǎn)足安全特低電壓的各項要求時(shí)）。如果同一智能照明工程的相鄰局域網(wǎng)存在另外的交流供電電網(wǎng)接入點(diǎn)，則在LED智能照明系統改造中可利用原交流供電電網(wǎng)的電源線(xiàn)來(lái)作直流輸出線(xiàn)路，否則需要另外布線(xiàn)作輸出直流供電線(xiàn)路。同理，新的工程也是如此。這一點(diǎn)公共樓宇智能照明系統比路燈智能照明系統容易實(shí)現，但還有很多其它問(wèn)題要考慮。
4.智能控制協(xié)議和途徑
（1）遠程電腦與控制柜之間
目前有很多種基于Internet網(wǎng)的二次開(kāi)發(fā)協(xié)議，但還沒(méi)有特別統一專(zhuān)用的。
（2）手機通過(guò)GPRS與控制柜之間
只是用于系統維護人員進(jìn)行個(gè)別數據的設置和反饋信息接收，要想做到對系統進(jìn)行全面、快速、連續的單燈控制在技術(shù)上是不現實(shí)的。更重要的是從公共安全角度出發(fā)，對于路燈、隧道燈及大型樓宇等公共照明場(chǎng)合，應該不允許系統維護人員隨意進(jìn)行手機全面控制。
（3）控制柜與各燈具之間
由控制柜電源模塊受控調節輸出直流電壓大小來(lái)對所有LED燈具進(jìn)行自動(dòng)統一的開(kāi)關(guān)或調光，此時(shí)控制柜與各燈具之間不需要智能控制協(xié)議（此時(shí)，燈具成本最低且最可靠，但不能單獨控制某一個(gè)燈具）。
（4）主控制設備與各燈具之間的協(xié)議和途徑
對于可對每只燈具都能進(jìn)行單獨控制的智能系統，主控制設備與各燈具之間必須有控制協(xié)議和途徑?？刂乒衽c各單燈之間智能控制途徑可采用另布設控制專(zhuān)線(xiàn)、或交流載波、或直流載波、或采用無(wú)線(xiàn)Zigbee。
如果需單獨對每只LED路燈燈具進(jìn)行智能控制，最常用的智能控制協(xié)議有DMX512和DALI兩種。
DMX512控制節點(diǎn)多、速度快、傳輸距離遠，但是只能單向傳輸（如需故障診斷反饋，還需采取其它措施彌補），且協(xié)議沒(méi)有規定具體指令和流程，系統信號分配具有點(diǎn)位多，點(diǎn)位的使用不確定等方面因素。因此，各企業(yè)的系統和燈具從控制角度來(lái)說(shuō)，難以互換通用化。只適合于企業(yè)對保修維護合同期很長(cháng)，或者燈具和系統的可靠性高和壽命長(cháng)的照明工程。因此，從上面分析可知，DAX512很適合用于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，具有全面的功能定義和程序流程，燈具之間有連續的協(xié)議地址。但是DALI控制燈具不多、速度慢、傳輸距離不遠。雖然有很多的明確定義的控制功能及指令，使得從控制角度來(lái)說(shuō)各企業(yè)的系統和燈具容易互換通用化。但內部協(xié)議程序復雜，這一點(diǎn)在道路照明這種不需多種控制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智能照明控制系統的優(yōu)缺點(diǎn)
所有燈具的控制裝置（俗稱(chēng)驅動(dòng)電源）不需要“交流—穩定直流”變換這部分功能，而全部由集中在控制柜的多個(gè)大功率電源模塊替代，這樣易于使電源模塊做到高可靠、長(cháng)壽命、高質(zhì)量，且可使燈具和系統效率很高，綜合系統成本下降。
燈具的控制裝置（驅動(dòng)電源）電路可以很簡(jiǎn)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(méi)有驅動(dòng)電源，驅動(dòng)電源與LED燈具分離，使燈具發(fā)熱減少，同時(shí)驅動(dòng)電源自身的環(huán)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(cháng)，不存在功率因數問(wèn)題，因此供電線(xiàn)路損耗降低。這些對于路燈和隧道工程這種環(huán)境惡劣的使用場(chǎng)合非常有利。
缺點(diǎn)是在路燈應用中除非每隔幾公里有另外的交流電網(wǎng)供電接入點(diǎn)，否則除原交流供電電網(wǎng)的電源線(xiàn)之外還需要另行布設直流輸出電源線(xiàn)路。室內應用也有類(lèi)似問(wèn)題。此外，如果還需進(jìn)一步單獨對每個(gè)燈具進(jìn)行智能控制，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(zhuān)用IC較少），或者用無(wú)線(xiàn)通訊，否則還需要另外布設專(zhuān)用控制線(xiàn)。
由上可見(jiàn)，集中式直流供電智能照明控制系統最大的優(yōu)點(diǎn)是LED燈具可以做得很簡(jiǎn)單，從結構上容易做到互換，因而具有成本低，高可靠性和長(cháng)壽命的優(yōu)點(diǎn)。對于道路和隧道這樣的專(zhuān)業(yè)人員管理的應用場(chǎng)合，如果相隔幾公里的另一相鄰控制柜有另外的交流供電電網(wǎng)接入點(diǎn)且允許的話(huà)，則可在LED路燈智能照明系統改造中直接利用原交流供電電網(wǎng)的電源線(xiàn)來(lái)改作直流輸出線(xiàn)路，減少了布線(xiàn)麻煩及成本。否則需要另外布線(xiàn)作輸出直流供電線(xiàn)路，這是一個(gè)需待解決的問(wèn)題，也就是它最大的缺點(diǎn)。
對于室內應用，考慮到其它家電例如電冰箱等必須使用交流，所以對于室內家庭照明來(lái)說(shuō)，除非新建的樓宇另行預埋了照明專(zhuān)用直流線(xiàn)路，使集中式直流供電LED智能照明控制系統實(shí)施工作可以很方便進(jìn)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(wèn)題。
因此，從各方面綜合考慮，集中式直流供電智能照明控制系統最適合的是隧道照明應用這樣的專(zhuān)業(yè)應用場(chǎng)合。
二、集中供電式LED道路和隧道智能照明控制系統工作原理及關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)
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系統正常工作的程序大致如下：上位機系統向各子網(wǎng)絡(luò )發(fā)送系統默認或者設置的初始化參數，并保留上次系統記憶的工作狀態(tài)（包括故障狀態(tài)等信息），然后向各子網(wǎng)絡(luò )控制器發(fā)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(jìn)行判斷。當確定有故障發(fā)生時(shí)，導入故障診斷程序進(jìn)行準確的故障類(lèi)型分析和故障定位。完成判定以后修改控制指令，發(fā)送指令到指定的終端。接收到故障指令的終端進(jìn)行相應的狀態(tài)切換或者開(kāi)關(guān)動(dòng)作。同時(shí)，同步更新系統顯示信息。在正常工作期間，在規定的時(shí)間間隔內不斷進(jìn)行各種數據采集和程序分析、程序判斷和指令發(fā)送，監控整個(gè)系統按照預定的程序開(kāi)展工作，直到系統關(guān)閉。
（二）數據通信
集中供電式LED道路和隧道智能照明控制系統的數據通信，除了上面提及的上位機系統與各子網(wǎng)絡(luò )系統通過(guò)Internet網(wǎng)有線(xiàn)數據通訊外，也可通過(guò)GPRS無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行數據通訊。此外，還有手機通過(guò)上位機系統管理器、GPRS服務(wù)器，或直接通過(guò)帶GPRS功能子網(wǎng)絡(luò )主控制器（電源控制器）、終端控制器（LED路燈或隧道燈燈具控制器）進(jìn)行數據通訊。
一個(gè)供電電源、供電線(xiàn)路和連接在其上的各LED路燈或隧道燈燈具負載構成系統的子網(wǎng)絡(luò )系統，一個(gè)上位機控制這樣的單個(gè)或多個(gè)子網(wǎng)絡(luò )系統。
具有雙向通訊功能的子網(wǎng)絡(luò )系統中的子網(wǎng)絡(luò )控制器（在上面提到的控制柜內）通過(guò)智能控制途徑（控制專(zhuān)線(xiàn)、或交流載波;或直流載波、或采用無(wú)線(xiàn)Zigbee），以程序規定的時(shí)間周期詢(xún)問(wèn)處于子網(wǎng)絡(luò )中的每一個(gè)LED路燈或隧道燈燈具的工作狀態(tài)（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(shí)），同時(shí)檢測供電電源的工作狀態(tài)（包括電源輸入、輸出電壓和電流及功率），判定子網(wǎng)絡(luò )中各部件是否發(fā)生異常，然后將系統中各LED路燈或隧道燈燈具及電源工作的狀態(tài)信息（包括診斷出來(lái)的故障信息）通過(guò)Internet或GPRS調制解調器發(fā)送到上位機，同時(shí)接收來(lái)自上位機的命令，把數據信息采集和處理的結果發(fā)送到各終端控制器上。
（三）故障管理
1.故障種類(lèi)
集中供電式LED路燈或隧道燈智能照明控制系統的故障大致可分為通信故障和供電線(xiàn)路故障兩種。供電線(xiàn)路故障可分為電網(wǎng)故障、LED電源故障、供電線(xiàn)路故障、單個(gè)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電源控制器故障、單個(gè)LED路燈故障。概括為下述的七種故障：電網(wǎng)故障、電源故障、上位機故障、電源控制器故障、供電線(xiàn)路故障、單個(gè)路燈故障、路燈控制器故障。
2.系統檢測
集中供電式LED路燈或隧道燈智能照明控制系統通過(guò)系統檢測，采集各工作環(huán)節的信號作為判斷故障的信息來(lái)源，信號值的判斷結果將作為系統故障的依據。
3.故障診斷與分析
通信系統按照系統設定的時(shí)間間隔檢測各節點(diǎn)信息是否正常，如信息交換超過(guò)設定時(shí)間，則認為通信系統發(fā)生故障，將節點(diǎn)故障信息發(fā)送給上位機。子網(wǎng)絡(luò )的控制器具有錯誤報告功能，當上位機收到各子網(wǎng)絡(luò )的信息后，不斷的進(jìn)行分析狀態(tài)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(guò)GPRS發(fā)送給維護人員手機。
電網(wǎng)故障的判斷：來(lái)自電網(wǎng)的故障有可能是電網(wǎng)停電或者波動(dòng)，通過(guò)對采集到的三相電壓的波動(dòng)上下限值進(jìn)行條件判定可以判斷。
電源故障：通過(guò)判斷電源的電壓值是否處于正常值期間范圍內來(lái)判斷。
路燈故障：通過(guò)判斷路燈電流幅值來(lái)判斷。
4.故障處理
由故障診斷和分析得出結果后，通過(guò)系統的故障管理辦法，自動(dòng)快速分析的種類(lèi)和位置，給出維修意見(jiàn)。并且故障設定有響應優(yōu)先級。這有助于故障快速得到處理，降低故障時(shí)間，提高故障維修效率，從而根本上提高了系統的管理和服務(wù)水平。
三、實(shí)例介紹
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集中式供電LED路燈智能照明控制系統由電源模塊、控制器、顯示器、GPRS模塊、電量采集模塊、機柜組成。輸入采用三相四線(xiàn)交流供電另加保護地線(xiàn)，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(gè)電源模塊并聯(lián)輸出正極、負極直流電另加保護地線(xiàn)。電源模塊可熱插拔，并設置有一個(gè)備份熱電源模塊。
系統屬于通過(guò)調節直流電壓大小達到所有LED路燈統一調光目的的簡(jiǎn)單型集中式直流供電LED路燈智能照明控制系統，它不能對某個(gè)LED路燈燈具進(jìn)行單獨控制。
（二）系統結構示意圖
（三）系統電氣接口
電網(wǎng)與供電配電控制柜之間: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并聯(lián)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(xiàn)路與LED路燈之間：在直流線(xiàn)路的正、負極和保護地線(xiàn)上連接不超過(guò)控制柜中各電源模塊總功率的LED路燈數量，并連接好正負極和保護地線(xiàn)。
（四）系統特點(diǎn)
1.電源模塊的組合使系統最大容量為15000W，三相323V～475V寬交流輸入電壓范圍。
2.電源模塊采用有源功率因數校正技術(shù)，功率因數≥0.92，減少了交流電網(wǎng)的運營(yíng)費用。
3.電源模塊采用高頻軟開(kāi)關(guān)PWM控制變換技術(shù)，減少了開(kāi)關(guān)損耗，提高了整機效率（≥92%）;低電磁干擾，不影響安裝在機柜里面的其它控制系統。
4.系統采用高精度的均流和熱備份的技術(shù)，提高了系統的可靠性，減少了設備的日常維護工作。
5.系統采用了智能風(fēng)冷，加熱和除濕技術(shù)，保證了電器元件的可靠工作環(huán)境，故障率低，可靠性高。
6.電源模塊采用熱插拔技術(shù)，可以在線(xiàn)安裝或更換。
7.電源模塊具有交流輸入過(guò)壓、過(guò)流，直流輸出過(guò)壓、過(guò)流及短路保護和散熱器超溫等保護功能。
8.系統采用可編程控制器控制，觸摸屏顯示和GPRS遠程控制，便于用戶(hù)掌握使用、查詢(xún)和設置參數。系統集計算機技術(shù)、智能控制技術(shù)、數據采集技術(shù)、通信技術(shù)于一體，既可實(shí)現系統的自我測試、自動(dòng)診斷、自動(dòng)控制，又可以實(shí)現供電系統的遙測、遙信、遙控。
9.可根據當地的經(jīng)緯度，系統自動(dòng)計算每天日出日落時(shí)間，實(shí)現自動(dòng)開(kāi)關(guān)燈。還可以分時(shí)段設定亮度值，實(shí)現定時(shí)分時(shí)調光功能，從而實(shí)現更人性化的管理，提高節能效果。
10.系統通過(guò)移動(dòng)運營(yíng)商的平臺的GPRS通訊功能，使系統運行信息和故障信息及時(shí)地反饋到客戶(hù)維護人員手中，從而實(shí)現快速處理故障的功能。
11.具有完善的防雷保護措施。
（五）電源系統主要技術(shù)指標
四、總結
本文論述的集中式直流供電的LED智能照明系統，是LED智能照明的一種新型供電技術(shù)，其優(yōu)勢是提高了LED燈具及智能照明系統集中供電的可靠性，降低運營(yíng)成本，管理智能化而實(shí)現了節能環(huán)保的用電理念。
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[3] 馬小軍，智能照明控制系統[M]，東南大學(xué)出版社，2009
[4] 鄒吉平，基于現場(chǎng)總線(xiàn)的智能照明控制系統分析與應用[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智能照明系統產(chǎn)品使用說(shuō)明書(shū)
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