基于集中式直流供電LED智能照明系統(tǒng)的研究

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

我國從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，實現(xiàn)了智能化實施線路管理與調(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，實現(xiàn)故障條件判斷進(jìn)行故障定位，通過降低路燈系統(tǒng)成本，提高系統(tǒng)的監(jiān)控能力和自動化水平，從而實現(xiàn)故障的快速恢復(fù)，減少故障時間，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)相對成熟的背景下應(yīng)運而生的一種管理模式，該模式旨在向周圍的若干支路的LED路燈供應(yīng)直流電，通過智能管理實現(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，為此開展了一些初步研究， 敬請業(yè)界提出寶貴意見。

一、集中式供電LED路燈智能照明控制系統(tǒng)的特點與優(yōu)勢

(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

(1)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)對燈具的EMC影響和電網(wǎng)傳輸過來的雷擊影響;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、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。而且相對而言，安全、EMC問題比較突出。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(cè)傳輸過來雷擊的影響(當(dāng)然也還是需要抵抗雷擊打在直流線路上傳輸過來的脈沖影響); 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、逆變降壓等電路和元件。簡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單，可靠性非常高，壽命可以很長，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(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。但相對于同類的智能交流LED燈具來說， 仍然是簡單得多，可靠性也更高，壽命更長，對于道路和隧道照明工程仍然非常有利。

2. 控制柜

(1)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， 早期簡單的控制柜由人工進(jìn)行手動開關(guān)高壓鈉燈路燈;稍復(fù)雜一點的節(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)程控制對所有高壓鈉燈路燈或LED燈具進(jìn)行統(tǒng)一自動開關(guān)或調(diào)光控制， 或?qū)γ恐籐ED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(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對所有LED燈具進(jìn)行統(tǒng)一自動開關(guān)及調(diào)光， 或者復(fù)雜一點的智能控制系統(tǒng)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大功率電源模塊或多個小功率電源子模塊的組合。多個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)其中一個電源子模塊出現(xiàn)故障時，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。

(2)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>120V高電壓直流的正極、負(fù)極和地線)，或二線(對應(yīng)于≤120V直流的正極、負(fù)極，且滿足安全特低電壓的各項要求時)。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， 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。這一點公共樓宇智能照明系統(tǒng)比路燈智能照明系統(tǒng)容易實現(xiàn)，但還有很多其它問題要考慮。

4.智能控制協(xié)議和途徑

(1)遠(yuǎn)程電腦與控制柜之間

目前有很多種基于Internet網(wǎng)的二次開發(fā)協(xié)議，但還沒有特別統(tǒng)一專用的。

(2)手機(jī)通過GPRS與控制柜之間

只是用于系統(tǒng)維護(hù)人員進(jìn)行個別數(shù)據(jù)的設(shè)置和反饋信息接收， 要想做到對系統(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對所有LED燈具進(jìn)行自動統(tǒng)一的開關(guān)或調(diào)光，此時控制柜與各燈具之間不需要智能控制協(xié)議(此時， 燈具成本最低且最可靠，但不能單獨控制某一個燈具) .

(4)主控制設(shè)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(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)控制專線、或交流載波、或直流載波、或采用無線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(jié)點多、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)議沒有規(guī)定具體指令和流程，系統(tǒng)信號分配具有點位多，點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說，難以互換通用化。只適合于企業(yè)對保修維護(hù)合同期很長，或者燈具和系統(tǒng)的可靠性高和壽命長的照明工程。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，使得從控制角度來說各企業(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。

(二)集中式直流供電LED智能照明控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點

所有燈具的控制裝置(俗稱驅(qū)動電源) 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大功率電源模塊替代，這樣易于使電源模塊做到高可靠、長壽命、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)動電源)電路可以很簡單，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有驅(qū)動電源， 驅(qū)動電源與LED燈具分離，使燈具發(fā)熱減少， 同時驅(qū)動電源自身的環(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， 不存在功率因數(shù)問題， 因此供電線路損耗降低。這些對于路燈和隧道工程這種環(huán)境惡劣的使用場合非常有利。

缺點是在路燈應(yīng)用中除非每隔幾公里有另外的交流電網(wǎng)供電接入點， 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)用也有類似問題。此外，如果還需進(jìn)一步單獨對每個燈具進(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，但目前專用IC較少)，或者用無線通訊，否則還需要另外布設(shè)專用控制線。

由上可見， 集中式直流供電智能照明控制系統(tǒng)最大的優(yōu)點是LED燈具可以做得很簡單，從結(jié)構(gòu)上容易