城市道路照明管控趨勢與節(jié)能降耗研究
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摘要：城市公共照明需求持續(xù)增加，用電需求不斷增長，在道路照明管理方面的要求更加嚴(yán)格，主管部門要提高重視程度，有效減少能耗。文章分析了當(dāng)前我國城市道路照明存在的不足，闡述了新形勢下道路照明管控的趨勢，并提出了節(jié)能降耗的有效措施，為國民經(jīng)濟(jì)健康穩(wěn)定發(fā)展提供有效幫助。
關(guān)鍵詞：城市道路照明；管控趨勢；節(jié)能降耗
引言
道路照明節(jié)能是一項(xiàng)系統(tǒng)性、復(fù)雜性工程，涵蓋多項(xiàng)內(nèi)容。比如，照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)、高效照明、科學(xué)運(yùn)行方式、靈活運(yùn)管模式等，任何一項(xiàng)內(nèi)容均會對照明節(jié)能產(chǎn)生影響。為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)綠色照明目標(biāo)，應(yīng)該認(rèn)真開展每一項(xiàng)工作，在照明系統(tǒng)建設(shè)初期應(yīng)該認(rèn)真規(guī)劃照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并對后期的運(yùn)行管控工作進(jìn)行更加全面的考慮。
1當(dāng)前我國城市道路照明存在的不足
1.1監(jiān)管方式缺乏先進(jìn)性，維護(hù)成本高
當(dāng)前，道路照明主要采用時鐘控制模式，在陰雨天、重大節(jié)日等時段無法按照需求合理調(diào)整照度，無法控制單燈，并且無法按照重大活動等具體情況對開掛等進(jìn)行及時修改或校時，無法滿足按需照明要求。難以準(zhǔn)確、實(shí)時地查看路燈運(yùn)行情況，控制器損壞時會出現(xiàn)白天亮燈問題，并且無法向監(jiān)控中心進(jìn)行反饋。城市中路燈分布廣、數(shù)量多，主要通過人工巡查方式尋找設(shè)施故障，工作量較大，需要提供人力、物力等資源保障，同時存在盲區(qū)。
1.2能源消耗大
在城市不斷發(fā)展過程中，我國城區(qū)亮化工程與道路照明工程獲得良好發(fā)展機(jī)遇，景觀燈與路燈數(shù)量不斷增加。政府財(cái)政需要為道路照明中的能耗不斷增加支出，與我國低碳環(huán)保、節(jié)能減排政策相悖，難以達(dá)到按需照明要求，電能浪費(fèi)量達(dá)到25%，出現(xiàn)光污染問題，嚴(yán)重影響燈具使用壽命［1］。
1.3設(shè)施損壞造成大范圍停電
照明線纜與照明設(shè)備損壞時有發(fā)生，不僅增加政府經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，同時線纜損壞之后還會造成停電，嚴(yán)重影響交通安全。另外，裸露線纜存在安全隱患，燈桿漏電也會對附近居民的安全構(gòu)成威脅，特別是在雨季，會使觸電的概率增加。
2新形勢下道路管控照明趨勢
隨著城市化進(jìn)程以及城市規(guī)劃速度的加快，城市道路照明管控系統(tǒng)方面的要求不斷增加，趨于自動化和智能化，城市道路照明管控演變過程如下：天文時鐘控制—路燈控制系統(tǒng)三遙控制—光電控制—經(jīng)緯度時間控制—微電腦時控開關(guān)—無線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。其中，天文時鐘控制在具體操作中，將一年四季變化規(guī)律、地球自轉(zhuǎn)原理、繞太陽公轉(zhuǎn)原理等作為依據(jù)，且結(jié)合全球各地區(qū)均具有唯一經(jīng)緯度的原則，計(jì)算這一地區(qū)日出日落時間，并可以人為調(diào)整，人工修整幅度為2h左右，然后設(shè)置路燈開關(guān)時間。這一方法不夠靈活，難以應(yīng)對一些特殊情況；路燈控制系統(tǒng)三遙控制，主要包括遙控、遙測、遙信3個方面。遙控是對路燈開關(guān)實(shí)施遠(yuǎn)程控制；遙測是指遠(yuǎn)程測量路燈配電柜運(yùn)行狀態(tài)、三相主回路電壓電流測量；遙信是指對終端狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測。這一模式節(jié)能效果較好，但智能化水平、抗干擾設(shè)計(jì)、維管等方面有待加強(qiáng)。光電控制，主要使用光信號的作用進(jìn)行光源開啟、明暗程度調(diào)節(jié)等方面的控制。具體操作時，使用光敏元件進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將光信號轉(zhuǎn)化為電流，并利用放大器和控制器等控制光源。這一控制模式的精準(zhǔn)度、光電轉(zhuǎn)化效率等方面有待提升。經(jīng)緯度時間控制，主要依據(jù)每個地區(qū)經(jīng)緯度唯一的原則，計(jì)算不同地區(qū)日出和日落時間，并針對性修正，設(shè)置路燈開閉時間。有關(guān)方面的經(jīng)緯度時控開關(guān)可以與時間控制結(jié)合在一起，并隨季節(jié)變化自動調(diào)整開關(guān)時間，體現(xiàn)路燈開關(guān)管控的智能化。微電腦時控開關(guān)，在組成方面，以單片微處理器作為核心，并配套設(shè)置相應(yīng)的電子電路，組成電源開關(guān)控制裝置，可以將天或者星期作為周期，實(shí)現(xiàn)多時段循環(huán)控制，便于使用，成本較低。無線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要以電力線載波通訊作為核心技術(shù)，對路燈的開關(guān)、工作狀態(tài)等進(jìn)行監(jiān)測和控制，系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)包括主動詢問功能、主動控制功能、自動控制功能、報(bào)警功能、顯示功能、數(shù)據(jù)存儲功能、查詢功能、曲線報(bào)表功能、遠(yuǎn)程維護(hù)功能、拓展功能等，還具有效率高、低成本的優(yōu)勢。此外，在傳感技術(shù)快速發(fā)展推動下，照明管控進(jìn)入全新階段，即自動控制，借助光控、聲控以及其他傳感器對周邊信息進(jìn)行感知，進(jìn)而自動關(guān)閉或是啟動照明燈具。與傳統(tǒng)手動控制相比，自動控制的效率與靈活性得到有效提升，同時擴(kuò)大了控制范圍，然而無法進(jìn)行調(diào)光，在復(fù)雜環(huán)境中難以滿足照明需要。近年來，網(wǎng)絡(luò)通信與計(jì)算機(jī)技術(shù)促使照明控制開始朝著智能化方向發(fā)展。借助智能控制、傳感采集以及微處理等技術(shù)向核心控制器傳輸傳感器收集的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行處理，有效控制照明燈具，能夠根據(jù)具體照明需求進(jìn)行智能控制，可以對照明系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，然而無法進(jìn)行深層處理。當(dāng)前，社會經(jīng)濟(jì)在發(fā)展過程中對于能源問題的重視程度不斷提升，而我國幅員遼闊、城市發(fā)展迅速，因此傳統(tǒng)道路照明管控模式已經(jīng)不適應(yīng)現(xiàn)代化管理需要。照明設(shè)施越來越多，民眾不僅要求路燈具有良好照明功能，同時還需要保證維護(hù)及時性與照明舒適度，充分體現(xiàn)“人本”理念，因此在照明管控方面，節(jié)能照明與智慧照明已經(jīng)成為主要發(fā)展趨勢。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷引入，促使照明管理工作更加高效和便捷，有效實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗目標(biāo)。借助科學(xué)制定管理策略，促使照明管理不斷朝著智能化與智慧化方向發(fā)展［2］。
3路燈節(jié)能降耗措施
3.1材料節(jié)能降耗
在路燈節(jié)能降耗措施制定時，可以通過材料節(jié)能實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，具體包括以下兩個方面。一是使用LED燈具節(jié)能。在實(shí)踐過程中，隨著城市化建設(shè)的加快，城市系統(tǒng)的規(guī)模和耗電量與日俱增，為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能減耗的目標(biāo)，可以將傳統(tǒng)的鈉燈更換為LED燈，從而減少能源消耗。LED節(jié)能特性表現(xiàn)為：①發(fā)光效率較高，鈉燈為90~140lm/W，LED燈則為50~200lm/W；②光源耗電量較少，LED單管功率為0.03~0.06W，在直流驅(qū)動模式下，單管驅(qū)動電壓為1.5~3.5V。在同樣照明效果下，耗電量為鈉燈的十分之一。二是使用材料節(jié)能。在使用材料節(jié)能方面，為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能減耗的目標(biāo)，應(yīng)在滿足使用要求的前提下，盡量選擇一些自身能耗較低的材料，并降低材料的使用量。例如在材料選擇方面，鋼芯高導(dǎo)電率硬鋁絞線、鋁合金芯鋁絞線、全鋁合金絞線皆屬于節(jié)能型材料，電氣和機(jī)械性能基本相同，節(jié)能效果良好。在材料使用方面，應(yīng)合理設(shè)置路燈數(shù)量，科學(xué)布線，盡量減少材料使用量，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目標(biāo)。
3.2平臺節(jié)能降耗
新形勢下城市道路照明管控平臺的建設(shè)，應(yīng)體現(xiàn)節(jié)能降耗理念，從而提升設(shè)計(jì)的合理性。一是控制系統(tǒng)選擇。通過上述研究，城市道路照明管控系統(tǒng)較多，且各有優(yōu)缺點(diǎn)，從節(jié)能降耗和控制效果等角度分析，應(yīng)盡量選擇無線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，可以減少連接線路材料的使用量和電損耗量。除此以外，對于控制平臺運(yùn)行所需能源，可以使用太陽能、風(fēng)能等，并設(shè)置相應(yīng)的儲能裝置，保證能量供給，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)約電能的目標(biāo)。新時期背景下，可以對道路照明管控平臺實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成，即同一個管理軟件層面實(shí)現(xiàn)不同功能控制需求，形成大融合的集成控制，減少設(shè)備數(shù)量，節(jié)能效果明顯。二是有效使用5G多功能智慧路燈桿。5G多功能智慧路燈桿，屬于智慧路燈系統(tǒng)建設(shè)中的重要內(nèi)容，具有節(jié)能、環(huán)保、智能化控制等方面的特點(diǎn)。其系統(tǒng)組成主要包括感知輸出設(shè)備、通信控制設(shè)備、數(shù)據(jù)指令流程。其中，感知輸出設(shè)備負(fù)責(zé)對前端數(shù)據(jù)進(jìn)行感知和輸出，具體由照明燈、傳感器、一鍵報(bào)警器、攝像頭、音頻廣播、LED屏等組成。通信控制設(shè)備負(fù)責(zé)對輸出設(shè)備數(shù)據(jù)采集、通信和控制等進(jìn)行感知，具體可以選擇路燈專用網(wǎng)關(guān)、RTU等。數(shù)據(jù)指令流程是指將通信控制設(shè)備下端與感知輸出設(shè)備通過RS232、RS485等接口相連，從而進(jìn)行設(shè)備控制和數(shù)據(jù)采集，在通信設(shè)備上行方面，可以選擇4G、有線等與平臺建立連接關(guān)系，實(shí)現(xiàn)信息實(shí)時傳輸。在照明系統(tǒng)控制方面，采取單燈/燈群控制模式，一些城市采用集中控制模式，把單燈控制器（控制終端）向燈桿進(jìn)行延伸，能夠?qū)崿F(xiàn)分別控制單盞燈具的目的，充分實(shí)現(xiàn)精細(xì)化可通知目標(biāo)，能夠改變控制對象，完全突破接線方式與線路布局的限制，促使多控制策略的執(zhí)行更加便捷與靈活，通過延伸控制終端為節(jié)能降耗提供良好發(fā)展空間。單燈控制模式能夠剔除臺區(qū)供電范圍中有關(guān)地段，不采用半夜燈工作模式，對于其他路段采用半夜燈模式不會產(chǎn)生影響。另外，單燈控制模式能夠?qū)崿F(xiàn)任意分區(qū)組與分時目標(biāo)，有效強(qiáng)化節(jié)能效率［3］。5G多功能智慧路燈桿可以根據(jù)場景需求進(jìn)行節(jié)能控制策略制定，延長燈具使用壽命，實(shí)現(xiàn)智能化節(jié)能。與此同時，還可以對設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)測，并及時告警，及時進(jìn)行調(diào)控和管理。除此以外，還可以對比分析燈具能耗情況、亮燈率、故障率等情況，優(yōu)化相應(yīng)的節(jié)能管理策略。
3.3分布式路燈節(jié)能控制
路燈節(jié)能主要通過分布式與集中式，其中分布式控制能夠控制單盞路燈電壓，有效防止發(fā)生首端電壓比額定電壓高的問題。分布式路燈控制系統(tǒng)屬于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，在節(jié)能控制與路燈管理等方面具有良好應(yīng)用效果，核心環(huán)節(jié)是監(jiān)管中心系統(tǒng)、監(jiān)控終端、控制器等［4］?？刂破魍ㄟ^分布式模式進(jìn)行安裝，對各盞路燈進(jìn)行有效控制，主要是由監(jiān)控終端展開管控，1條路燈主要由1個監(jiān)控終端與不同控制器構(gòu)成，通信方式采用電力線、無線與有線等不同方式。1個城市道路照明是由若干條路燈構(gòu)成，并通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)控制與管理。路燈監(jiān)管中心與控制終端可以選擇有線通信，借助此種方法可以對道路照明展開數(shù)字化管理、監(jiān)測與控制。邳州市采用該方式，電壓調(diào)節(jié)范圍為220~60V，有效提高控制系統(tǒng)調(diào)壓以及自動穩(wěn)壓等功能，借助有效控制區(qū)域內(nèi)路燈照度，促使城市照度得到充分優(yōu)化，有效提高電能消耗合理性，節(jié)能效果超過25%。通過軟啟動方式，充分控制燈泡受到電流浪涌沖擊的影響，燈泡使用壽命延長4倍左右。另外，借助電力電子技術(shù)達(dá)到了零電流與零電壓目的，充分延長控制器中繼電器使用期限，保證電氣壽命達(dá)到機(jī)械壽命狀態(tài)，有效延長系統(tǒng)使用期限。路燈終端與控制器工作溫度為-30~80℃，無故障時間的MTBF超出50000h。
3.4精細(xì)化控制通信保障
要想保證照明系統(tǒng)的節(jié)能效果，需要保證運(yùn)行控制的精細(xì)性與靈活性，“按需照明”一般通過把臺區(qū)控制終端向燈桿延伸的方式實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，能夠控制單盞燈具，這是實(shí)現(xiàn)照明地段分組、時段分組等方面策略的基礎(chǔ)保障，不僅能夠滿足“按需照明”需求，同時能夠有效滿足節(jié)能需要［5］。在延伸控制終端過程中，主要問題為需要制定低運(yùn)行成本與低投入的通信方案，現(xiàn)階段單燈控制器與集中控制器主要通過微功率無線或是PLC等技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)通信。因?yàn)榈缆氛彰骰旧喜捎肏ID光源，鎮(zhèn)流器類型以及燈具種類較多，同時還存在補(bǔ)償電容，均會對微功率無線與PLC通信方式的可靠性產(chǎn)生影響，通信狀態(tài)無法保證照明環(huán)節(jié)中控制過程要求得到滿足，進(jìn)而無法順暢傳達(dá)控制指令，無法有效執(zhí)行控制策略，影響最終節(jié)能質(zhì)量。以互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的路燈節(jié)能方案相比其他照明系統(tǒng)，主要是在單燈控制器和臺區(qū)集中器的通信方式上存在差異。采用WPLC技術(shù)可有效提高通信可靠性與穩(wěn)定性，進(jìn)而提高控制過程中的流暢性與精準(zhǔn)性。WPLC技術(shù)簡介：首先調(diào)制信號特征，持續(xù)時間低于1.2ms，頻譜保持在200~550Hz，其中315Hz是密度最大點(diǎn)；其次，調(diào)制信號傳輸，在15Hz時，頻譜是6倍的工頻，電力線傳輸?shù)乃p度較低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于PLC衰減度，頻譜相應(yīng)的1/4波長最長能夠達(dá)到375km，遠(yuǎn)高于路燈配線長度，并且能夠避免出現(xiàn)駐波現(xiàn)象，補(bǔ)償電容與分布參數(shù)不會影響調(diào)制信號。綜上所述，實(shí)施節(jié)能降耗規(guī)劃工作是為了響應(yīng)我國“低碳生活、節(jié)能減排”的發(fā)展理念，減少資源消耗，控制二氧化碳排放，進(jìn)一步樹立“科技環(huán)保，提高能源利用率”的城市形象。在實(shí)際工作中，可以使用LED光源、5G多功能智慧路桿、集成控制平臺、精細(xì)化控制通信保障、分布式路燈節(jié)能控制等策略提高照明管控效果，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目標(biāo)。
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作者：馬連曄 單位：江蘇省邳州市燈橋管理處