基于集中式直流供電LED智能照明系統(tǒng)的研究

　　0 引言

　　20世紀(jì)80年代之前，我國(guó)的公共照明設(shè)備普遍處于傳統(tǒng)的電網(wǎng)供電和人工管理模式，路燈的運(yùn)行狀態(tài)主要通過(guò)巡線和巡燈的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，該模式的缺點(diǎn)是成本高、自動(dòng)化程度低、不能實(shí)現(xiàn)本地調(diào)控和遠(yuǎn)程監(jiān)控等自動(dòng)檢測(cè)、調(diào)光等智能管理。對(duì)故障的響應(yīng)慢，存在發(fā)生故障時(shí)得不到及時(shí)維修而造成照明的不便甚至安全隱患等因素。

　　我國(guó)從20世紀(jì)80年代末到90年代初著手進(jìn)行路燈監(jiān)控管理系統(tǒng)的研究并投入使用，技術(shù)逐漸發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了智能化實(shí)施線路管理與調(diào)光控制等，路燈的監(jiān)控能力強(qiáng)，能迅速進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)作情況的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、按照程式規(guī)定的條件進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)控，實(shí)現(xiàn)故障條件判斷進(jìn)行故障定位，通過(guò)降低路燈系統(tǒng)成本，提高系統(tǒng)的監(jiān)控能力和自動(dòng)化水平，從而實(shí)現(xiàn)故障的快速恢復(fù)，減少故障時(shí)間，提高供電照明的可靠性及系統(tǒng)管理水平。

　　本文論述的基于集中式供電LED智能照明系統(tǒng)，就是在LED路燈產(chǎn)品大量普及、智能照明系統(tǒng)相對(duì)成熟的背景下應(yīng)運(yùn)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(yīng)直流電，通過(guò)智能管理實(shí)現(xiàn)安全、可靠穩(wěn)定供電及二次節(jié)能。廣東產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院承擔(dān)了廣東省地方標(biāo)準(zhǔn)“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(qǐng)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(tǒng)的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)

　　（一）LED路燈的集中供電與傳統(tǒng)供電系統(tǒng)的比較

　　1. LED燈具

　?。?）傳統(tǒng)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(duì)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(shù)校正、濾波、功率驅(qū)動(dòng)、逆變降壓、穩(wěn)電壓輸出或再穩(wěn)流輸出至LED光源。燈具控制裝置的電路復(fù)雜、元器件多，燈具成本高。而且相對(duì)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）。

　?。?）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(duì)燈具的EMC影響和不受交流電網(wǎng)側(cè)傳輸過(guò)來(lái)雷擊的影響（當(dāng)然也還是需要抵抗雷擊打在直流線路上傳輸過(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(shù)校正、濾波、功率驅(qū)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(zhǎng)，這對(duì)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(fù)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(nèi)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(fù)雜，燈具成本稍高。但相對(duì)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(zhǎng)，對(duì)于道路和隧道照明工程仍然非常有利。

　　2. 控制柜

　?。?）傳統(tǒng)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(fù)雜一點(diǎn)的節(jié)能型高壓鈉燈路燈控制柜由半夜人工進(jìn)行變壓器轉(zhuǎn)換降低功率； 更進(jìn)一步的有接受遠(yuǎn)程控制對(duì)所有高壓鈉燈路燈或LED燈具進(jìn)行統(tǒng)一自動(dòng)開(kāi)關(guān)或調(diào)光控制， 或?qū)γ恐籐ED燈具進(jìn)行單獨(dú)智能控制。

　?。?）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(yuǎn)程遙控， 進(jìn)而控制電源模塊調(diào)節(jié)輸出直流電壓的大小來(lái)對(duì)所有LED燈具進(jìn)行統(tǒng)一自動(dòng)開(kāi)關(guān)及調(diào)光， 或者復(fù)雜一點(diǎn)的智能控制系統(tǒng)能對(duì)每只智能LED燈具單獨(dú)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(tǒng)一輸出或各自多路輸出。由于并聯(lián)后統(tǒng)一輸出方式可以做到當(dāng)其中一個(gè)電源子模塊出現(xiàn)故障時(shí)，熱備份電源子模塊立刻接入輸出線路，既能保證系統(tǒng)在同等功率輸出下可靠運(yùn)行，又可使電源子模塊備份數(shù)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線路損耗，提高系統(tǒng)整體效率），或安全低電壓例如120V以下（線路和燈具對(duì)人體的電氣安全性高一些，但同等負(fù)載下電線線路損耗將大很多，線路本身的發(fā)熱多，成本高）。

　　3. 線路

　　（1）傳統(tǒng)交流供電線路

　　單相三線（火線、零線和地線） ， 或三相五線（三根火線、零線和地線）供電線路。

　?。?）集中高電壓直流供電線路

　　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(fù)載， 是比較好的方式。輸出直流供電線路可以是三線（對(duì)》120V高電壓直流的正極、負(fù)極和地線），或二線（對(duì)應(yīng)于≤120V直流的正極、負(fù)極，且滿(mǎn)足安全特低電壓的各項(xiàng)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(tǒng)改造中可利用原交流供電電網(wǎng)的電源線來(lái)作直流輸出線路， 否則需要另外布線作輸出直流供電線路。同理， 新的工程也是如此。這一點(diǎn)公共樓宇智能照明系統(tǒng)比路燈智能照明系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)，但還有很多其它問(wèn)題要考慮。

　　4.智能控制協(xié)議和途徑

　?。?）遠(yuǎn)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(tǒng)一專(zhuān)用的。

　　（2）手機(jī)通過(guò)GPRS與控制柜之間

　　只是用于系統(tǒng)維護(hù)人員進(jìn)行個(gè)別數(shù)據(jù)的設(shè)置和反饋信息接收， 要想做到對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全面、快速、連續(xù)的單燈控制在技術(shù)上是不現(xiàn)實(shí)的。更重要的是從公共安全角度出發(fā)， 對(duì)于路燈、隧道燈及大型樓宇等公共照明場(chǎng)合， 應(yīng)該不允許系統(tǒng)維護(hù)人員隨意進(jìn)行手機(jī)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(diào)節(jié)輸出直流電壓大小來(lái)對(duì)所有LED燈具進(jìn)行自動(dòng)統(tǒng)一的開(kāi)關(guān)或調(diào)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(dú)控制某一個(gè)燈具） 。

　?。?）主控制設(shè)備與各燈具之間的協(xié)議和途徑

　　對(duì)于可對(duì)每只燈具都能進(jìn)行單獨(dú)控制的智能系統(tǒng)，主控制設(shè)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(shè)控制專(zhuān)線、或交流載波、或直流載波、或采用無(wú)線Zigbee.如果需單獨(dú)對(duì)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(jié)點(diǎn)多、速度快、傳輸距離遠(yuǎn)， 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(bǔ)），且協(xié)議沒(méi)有規(guī)定具體指令和流程，系統(tǒng)信號(hào)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(tǒng)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(duì)保修維護(hù)合同期很長(zhǎng)，或者燈具和系統(tǒng)的可靠性高和壽命長(zhǎng)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(yīng)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(xù)的協(xié)議地址。但是DALI控制燈具不多、速度慢、傳輸距離不遠(yuǎn)。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(tǒng)和燈具容易互換通用化。但內(nèi)部協(xié)議程序復(fù)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(dǎo)致燈具成本高。因此，不太適合道路照明包括隧道智能照明。

　?。ǘ┘惺街绷鞴╇奓ED智能照明控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)

　　所有燈具的控制裝置（俗稱(chēng)驅(qū)動(dòng)電源） 不需要“交流-穩(wěn)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(zhǎng)壽命、高質(zhì)量，且可使燈具和系統(tǒng)效率很高， 綜合系統(tǒng)成本下降。

　　燈具的控制裝置（驅(qū)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(qū)動(dòng)電源， 驅(qū)動(dòng)電源與LED燈具分離，使燈具發(fā)熱減少， 同時(shí)驅(qū)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(zhǎng)， 不存在功率因數(shù)問(wèn)題， 因此供電線路損耗降低。這些對(duì)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(yīng)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)的電源線之外還需要另行布設(shè)直流輸出電源線路。室內(nèi)應(yīng)用也有類(lèi)似問(wèn)題。此外，如果還需進(jìn)一步單獨(dú)對(duì)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)線通訊，否則還需要另外布設(shè)專(zhuān)用控制線。

　　由上可見(jiàn)， 集中式直流供電智能照明控制系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)是LED燈具可以做得很簡(jiǎn)單，從結(jié)構(gòu)上容易做到互換， 因而具有成本低， 高可靠性和長(zhǎng)壽命的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于道路和隧道這樣的專(zhuān)業(yè)人員管理的應(yīng)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(tǒng)改造中直接利用原交流供電電網(wǎng)的電源線來(lái)改作直流輸出線路， 減少了布線麻煩及成本。否則需要另外布線作輸出直流供電線路，這是一個(gè)需待解決的問(wèn)題， 也就是它最大的缺點(diǎn)。

　　對(duì)于室內(nèi)應(yīng)用，考慮到其它家電例如電冰箱等必須使用交流，所以對(duì)于室內(nèi)家庭照明來(lái)說(shuō)， 除非新建的樓宇另行預(yù)埋了照明專(zhuān)用直流線路， 使集中式直流供電LED智能照明控制系統(tǒng)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(yīng)從結(jié)構(gòu)上嚴(yán)格確保與目前交流燈和交流燈具不得混用，否則很容易導(dǎo)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(tǒng)最適合的是隧道照明應(yīng)用這樣的專(zhuān)業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合。