不间断供电的LED路灯智能控制与管理系统
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２０１９年４月
第３０卷 第２期照明工程学报ＺＨＡＯＭＩＮＧＧＯＮＧＣＨＥＮＧＸＵＥＢＡＯＡｐｒ. ２０１９Ｖｏｌ３０ Ｎｏ２
不间断供电的ＬＥＤ路灯智能控制与管理系统
曹永健１ꎬ董建宇２ꎬ杨雨龙３ꎬ陈程章４
(１四川火石光电有限公司ꎬ四川成都 ６１００５４ꎻ２长春市路灯管理处ꎬ吉林长春 １３００００ꎻ３吉林油田设计院电气室ꎬ吉林松原 １３１２００ꎻ４吉林省照明学会ꎬ吉林长春 １３００００)
摘 要:目前多数智能路灯控制系统采用单供电系统ꎬ难以诊断单灯故障ꎮ本文提出一种采用不间断供电的ＬＥＤ路灯智能控制与管理系统ꎬ即在市电没有供电的情况下控制器内的储能电源也能保证系统实现双向互联通信ꎬ从而实现２４ｈ不间断的故障诊断ꎮ关键词:智能控制ꎻＬＥＤ路灯ꎻ不间断供电ꎻ故障诊断ꎻ节能控制中图分类号:ＴＭ９２３ 文献标识码:Ｂ ＤＯＩ:１０３９６９∕ｊｉｓｓｎ１００４￣４４０Ｘ２０１９０２０１５
ＴｈｅＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＣｏｎｔｒｏｌａｎｄＭａｎａｇｅｍｅｎｔＳｙｓｔｅｍｏｆＬＥＤ
ＳｔｒｅｅｔＬｉｇｈｔｗｉｔｈＵｎｉｎｔｅｒｒｕｐｔｅｄＰｏｗｅｒＳｕｐｐｌｙ
ＣＡＯＹｏｎｇｊｉａｎ１ꎬＤＯＮＧＪｉａｎｙｕ２ꎬＹＡＮＧＹｕｌｏｎｇ３ꎬＣＨＥＮＣｈｅｎｇｚｈａｎｇ４
(１ＳｉｃｈｕａｎＦｉｒｅｓｔｏｎｅＯｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＣｏ.ꎬＬＴＤ.Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００５４ꎬＣｈｉｎａꎻ２ＣｈａｎｇｃｈｕｎＣｉｔｙＳｔｒｅｅｔＬｉｇｈｔＭａｎａｇｅｍｅｎｔＯｆｆｉｃｅꎬＣｈａｎｇｃｈｕｎ １３００００ꎬＣｈｉｎａꎻ３ＪｉｌｉｎＯｉｌｆｉｅｌｄＤｅｓｉｇｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＲｏｏｍꎬＳｏｎｇｙｕａｎ １３１２００ꎬＣｈｉｎａꎻ４ＪｉｌｉｎＰｒｏｖｉｎｃｅＬｉｇｈｔｉｎｇＳｏｃｉｅｔｙꎬＣｈａｎｇｃｈｕｎ １３００００ꎬＣｈｉｎａ)
Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ａｔｐｒｅｓｅｎｔꎬｔｈｅｍａｉｎｆｕｎｃｔｉｏｎｓｏｆｍｏｓｔｅｘｉｓｔｉｎｇｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｓｔｒｅｅｔｌａｍｐｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｓａｒｅｅｎｅｒｇｙｓａｖｉｎｇａｎｄａｓｓｅｔｍａｎａｇｅｍｅｎｔ.Ｂｅｃａｕｓｅｏｆｔｈｅｓｉｎｇｌｅｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｓｙｓｔｅｍꎬｉｔｉｓａｌｍｏｓｔｉｍｐｏｓｓｉｂｌｅｔｏ
ｄｉａｇｎｏｓｅｆａｕｌｔｓｗｈｅｎａｓｉｎｇｌｅｌａｍｐｆａｉｌｓ.Ｔｈｅｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｍａｎａｇｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍｉｎｔｈｉｓ
ｐａｐｅｒａｄｏｐｔｓｕｎｉｎｔｅｒｒｕｐｔｅｄｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ.Ｔｈａｔｉｓꎬｉｎｔｈｅｃａｓｅｔｈａｔｔｈｅｍａｉｎｓｓｕｐｐｌｙｈａｓｎｏｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙꎬ
ｔｈｅｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒａｇｅｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｉｎｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｃａｎｅｎｓｕｒｅｔｈｅｓｙｓｔｅｍｔｏｐｅｒｆｏｒｍｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ
ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎꎬｔｈｅｒｅｂｙａｃｈｉｅｖｉｎｇ２４ｈｕｎｉｎｔｅｒｒｕｐｔｅｄｆａｕｌｔｄｉａｇｎｏｓｉｓ.
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｃｏｎｔｒｏｌꎻＬＥＤｓｔｒｅｅｔｌｉｇｈｔꎻｕｎｉｎｔｅｒｒｕｐｔｉｂｌｅｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙꎻｆａｕｌｔｄｉａｇｎｏｓｉｓꎻｅｎｅｒｇｙｓａｖｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌ
引言
传统的路灯控制方式主要包括“三遥”、“四
遥”、“五遥”等[１]ꎬ但是它们无法控制单灯ꎬ不能
远程快速诊断故障ꎬ从而影响了路灯维修效率和城
市路灯亮灯率ꎮ随着通信技术尤其是物联网技术的
发展ꎬ照明管理开始向智能化、智慧化的方向发
展[２－６]ꎮ目前较为先进的路灯智能控制通信方式有ＰＬＣ(电力线通信)、ＺｉｇＢｅｅ/ＳｉｇＦｏｘ/ＬｏＲａ、２Ｇ
(ＧＰＲＳ)和ＮＢ￣ＩｏＴꎮ２Ｇ(ＧＰＲＳ)通信比较稳定ꎬ
但已在退网中ꎬ不再成为路灯的主要的通信方式ꎮＰＬＣ、ＺｉｇＢｅｅ/ＳｉｇＦｏｘ/ＬｏＲａ在高效、安全、可靠和开
放方面均存在不足ꎮＮＢ￣ＩｏＴ只消耗大约１８０ｋＨｚ的
带宽ꎬ可直接部署于ＧＳＭ网络、ＵＭＴＳ网络或ＬＴＥ
网络ꎬ秉承２Ｇ的所有优点ꎬ并在技术标准上可向５Ｇ平滑演进ꎮＮＢ￣ＩｏＴ在高效、可靠、安全和开放
方面占有优势ꎬ是智能路灯“互联”的极佳方案ꎮ６８ 照明工程学报２０１９年４月
ＮＢ￣ＩｏＴ路灯智能控制系统自组网ꎬ不需要集中控制
器、服务器等ꎬ即使某个单灯控制器通信模块出现
故障也不影响其他单灯控制器的通信ꎬ不影响整体
的路灯智能控制与智能管理ꎮＮＢ￣ＩｏＴ物联网是目前
路灯智能控制与管理系统的最佳通信方案ꎮ
１ 智能控制与管理系统的主要功能
１)智能调光控制功能ꎮ为了路灯的节能ꎬ«城
市道路照明设计标准»(ＣＪＪ４５—２０１５)规定[７]:采
用双光源灯具照明的道路ꎬ可通过深夜关闭一只光
源的办法降低路面照明水平ꎮ中小城市中的道路可
采用关闭不超过半数灯具的方法来降低路面照明水
平ꎮ关闭部分灯具将导致道路照明出现黑斑现象ꎬ
均匀度极大地降低ꎬ从而影响交通安全ꎮ通过智能
化控制与管理使每盏灯都亮ꎬ但是调低灯具功率来
避免黑斑现象ꎬ从而实现智能化节能ꎮ智能控制与
管理系统对外输出的调光信号为幅值１０Ｖ的ＰＷＭ
波ꎬ并且正向调光ꎬ控制器通过控制驱动电源０~１０Ｖ(０~５Ｖ)调光对ＬＥＤ路灯进行调光ꎬ即当脉
宽为０％时ꎬ对应最低亮度或关灯(能否关灯取决
于电源是否支持)ꎬ脉宽为１００％时ꎬ对应最大亮
度ꎮ在实际的应用中ꎬ用户可以定时地设置ＬＥＤ光
源的调光范围ꎬ也可以实时设置ＬＥＤ光源的调光范
围ꎬ从而实现更加人性化的节能ꎮ２)故障定位和诊断功能ꎮ路灯管理部门以往在
管理路灯时ꎬ需要通过人查、车查等方式ꎬ必须到达
现场才能了解具体的故障点ꎬ必须在现场应用工具和
高空车辆才能诊断出故障原因ꎻ维修后ꎬ有时需要多
次前往现场了解故障维修的具体情况ꎮ智能控制与管
理系统可以让路灯的管理更加科学和智能化ꎬ可以远
程(手机、电脑)了解故障定位ꎬ并能够对供电电
缆、驱动电源、光源等部分的损坏或故障进行诊断ꎬ
从而实现快速维修ꎬ确保路灯亮灯率ꎮ３)其他功能ꎮ随着路灯管理的智能化的应用ꎬ
路灯智能化控制与智能化管理系统可以拓展很多功
能ꎬ如空气质量检测、监控、公共信息发布、流量
检测、资产管理等ꎮ
以上功能中ꎬ智能调光是大部分智能控制系统
均能实现的ꎬ因为它主要是单向通信ꎬ即控制中心
发送调光指令给单灯控制器或者集中控制器实现调
光ꎬ无需单灯控制器或者集中控制器回传调光信号给控制中心ꎮ但是很多功能ꎬ尤其是故障诊断功能
则需要单灯控制器把故障信号传输给控制中心ꎬ是
双向通信ꎬ即互联互通ꎮ
２ 不间断供电的智能控制与管理系统
若采用ＰＬＣ、ＺｉｇＢｅｅ/ＳｉｇＦｏｘ/ＬｏＲａ、２Ｇ(ＧＰＲＳ)
通信方式的智能控制系统ꎬ集中控制器或者单灯控
制器需要有外部供电的情况下方可工作ꎬ外部电源
为市电电缆或者驱动电源ꎮ如此它们便无法真正地
进行故障诊断ꎬ如市电无法供电或者驱动电源无法
供电ꎬ单灯控制器或者集中控制器就将无法工作ꎬ
这时只能做故障定位ꎬ而无法实现故障诊断ꎮ因此ꎬ
供电方式某种程度上决定了控制系统是否能够进行
故障诊断ꎮ不间断供电的智能控制与管理系统可以
在市电或者驱动电源无法供电的情况下ꎬ正常进行
故障诊断和信号传输ꎮ１)技术背景和方案ꎮ不间断供电系统由四个
模块组成ꎬ框架如图１所示ꎮ不间断供电技术即不
间断电源ꎬ一般是指当市电断开后ꎬ为所需供电的
系统继续供电的装置ꎮ不间断供电的路灯单灯控制
器ꎬ比一般的单灯控制器增加了蓄电模块以及对应
的控制模块ꎮ对于蓄电模块ꎬ其输入端与取电电路
的第三输出端电性连接ꎬ其输出端与路灯控制系统
的第二输入端电性连接ꎬ其充电与放电均由内部的
控制模块实现ꎮ其控制方式为:当接入市电时ꎬ控
制模块控制取电电路对蓄电模块进行充电ꎬ且控制
蓄电模块不输出电能ꎬ这时由市电直接给单灯控制
器供电ꎻ当市电没有接入或发生故障时ꎬ控制模块
控制蓄电模块对单灯控制器进行供电ꎮ蓄电模块包
括锂电池ꎮ
图１ 不间断供电框架图Ｆｉｇ１ Ｕｎｉｎｔｅｒｒｕｐｔｅｄｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｆｒａｍｅｄｉａｇｒａｍ第３０卷第２期曹永健等:不间断供电的ＬＥＤ路灯智能控制与管理系统６９ ２)取电电路ꎮ取电电路(图２)由延时启动电
路、降压稳压电路和锂电池充电电路组成ꎬ且延时
启动电路、降压稳压电路和锂电池充电电路之间电
性连接ꎮ延时启动电路由依次电性连接的Ｑ１、Ｒ１３、Ｒ１４、Ｒ１５和Ｃ１５组成ꎬ降压稳压电路包括
Ｕ７ꎬ锂电池充电电路包括Ｕ８ꎮ延时启动电路判断
路灯电源模块是否正常启动ꎬ当路灯电源模块正常输出电压后ꎬ通过三极管转换ꎬ转换为控制模块的
启动信号ꎮ降压稳压电路用于将路灯电源模块输出
端的电源稳压为５Ｖ电源ꎬ并为锂电池充电电路供
电ꎬＵ７通过ＤＣ/ＤＣ芯片的５号脚控制Ｕ７是否启
动ꎮ锂电池充电电路负责锂电池充电控制和放电控
制ꎬ通过控制模块进行自动控制ꎮ市电包括２２０Ｖ
交流电ꎮＤＣ/ＤＣ芯片型号为ＴＬ２５７５ꎮ
图２ 取电电路原理图Ｆｉｇ２ Ｐｏｗｅｒｃｉｒｃｕｉｔｓｃｈｅｍａｔｉｃ
与现有技术相比ꎬ本文提出的控制系统的优点
是:当路灯市电关闭后ꎬ为路灯监控系统提供持续
的电源ꎬ以便路灯监控系统２４ｈ不间断地监控路灯
状态ꎬ为智能路灯监控系统提供技术支撑ꎮ３)故障诊断技术方案ꎮ通过对供电时段、交流电压、交流电流、直流电压、直流电流的信息来
诊断市电电缆故障、驱动电源故障、ＬＥＤ光源故
障ꎬ从而实现路灯故障的三级诊断ꎮ故障诊断根据
表１诊断ꎬ其中１代表有值ꎬ０代表无值(小于额
定输入)ꎬ×代表忽略ꎮ表１ 路灯故障的三级诊断表Ｔａｂｌｅ１ Ｌｅｖｅｌ３ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃｔａｂｌｅｆｏｒｓｔｒｅｅｔｌａｍｐｆａｉｌｕｒｅ
供电时段交流电压交流电流直流电压直流电流故障原因０××××正常工作１１１１１正常工作１０×××市电供电异常１１０１０路灯ＬＥＤ模组异常１１０００路灯电源模块输入开路１１１１０路灯ＬＥＤ模组异常１１１００路灯电源模块工作异常
