徐凱凱

（杭州蕭山交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司,浙江 杭州 311203）

0 引言

隧道照明系統(tǒng)的電費(fèi)在公路運(yùn)營費(fèi)中占比較高，為響應(yīng)節(jié)能降耗的號召，在公路隧道照明領(lǐng)域推廣智能節(jié)電技術(shù)，對降低公路運(yùn)維成本和節(jié)約電能有積極幫助。一套完整的隧道照明智能節(jié)電系統(tǒng)至少由五部分組成，即用于前端信息的數(shù)據(jù)采集器（亮度檢測器、車輛檢測器），用于傳輸采集信息無線通信網(wǎng)絡(luò)，用于分析信息的計(jì)算機(jī)，用于調(diào)壓穩(wěn)壓的節(jié)電控制柜以及用于控制輸出的單燈控制器。這樣就能實(shí)時采集隧道內(nèi)的信息，然后根據(jù)實(shí)際情況靈活調(diào)節(jié)電壓，最終在滿足照明需要的前提下最大程度上減少電能消耗。

1 公路隧道照明智能節(jié)電方案的設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該文設(shè)計(jì)的公路隧道照明智能節(jié)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。該系統(tǒng)以光照亮度、車流量以及照明系統(tǒng)回路設(shè)備的輸出電氣參數(shù)作為采集對象，每隔一定時間將采集到的數(shù)據(jù)信息通過GPRS通信網(wǎng)絡(luò)上傳到監(jiān)控中心的計(jì)算機(jī)中[1]。利用計(jì)算機(jī)展開數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、分析，按照既定程序產(chǎn)生相應(yīng)的調(diào)控指令，并將該指令發(fā)送給節(jié)電控制柜，實(shí)現(xiàn)自動調(diào)壓，從而使單燈控制器對照明燈具進(jìn)行自動調(diào)光。亮度檢測器再次采集亮度數(shù)據(jù)，反饋到計(jì)算機(jī)監(jiān)控中心，形成閉環(huán)，達(dá)到平衡。這樣一來，隧道內(nèi)的照明燈具始終在設(shè)定的電壓上工作，既可以取得節(jié)電效果，同時還能避免電壓劇烈波動加速照明燈具的損耗。

圖1 公路隧道照明節(jié)電及監(jiān)控管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 硬件設(shè)備選型與設(shè)計(jì)

1.2.1 節(jié)電控制柜

節(jié)電控制柜是隧道照明節(jié)電系統(tǒng)中的核心設(shè)備，主要功能是根據(jù)電網(wǎng)電壓、照明負(fù)載等情況，實(shí)行分相穩(wěn)壓調(diào)壓、分相采樣和輸出電壓控制。在隧道照明節(jié)電系統(tǒng)中引入節(jié)電控制柜后，可以極大地增加照明燈具可承受的電壓變化范圍，輸入電壓可在200～300 V之間變化，輸出電壓可穩(wěn)定在200～240 V之間，穩(wěn)壓精度能夠達(dá)到±1%[2]。節(jié)電控制柜的工作原理如圖2所示。

圖2 節(jié)電控制柜原理圖

在隧道照明智能節(jié)電系統(tǒng)開始運(yùn)行后，將采集到的輸出電壓與控制電路的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行對比。根據(jù)對比結(jié)果輸出相應(yīng)的控制信號，并利用調(diào)壓電路實(shí)現(xiàn)無極調(diào)壓。如果輸出電壓低于基準(zhǔn)電壓，則通過調(diào)壓電路進(jìn)行升壓，反之則需要降壓。在調(diào)壓過程中，補(bǔ)償電路也會提供補(bǔ)償電壓，達(dá)到穩(wěn)定電壓的效果，最終輸出合理的電壓值。另外，節(jié)電控制柜還具有欠壓或過壓保護(hù)功能，當(dāng)檢測到照明系統(tǒng)處于欠電壓或過電壓狀態(tài)，節(jié)電控制柜能夠自動投切到“旁路”狀態(tài)，對回路直接進(jìn)行電網(wǎng)供電，這樣既可以滿足燈具照明需要，同時還能實(shí)現(xiàn)對電路的保護(hù)作用。

1.2.2 單燈控制器

單燈控制器由開關(guān)電路、采集電路和ZigBee通信電路組成。其中，ZigBee作為一種近距離、低功耗的雙向無線通信技術(shù)，除了支持自動轉(zhuǎn)送其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的傳送數(shù)據(jù)外，還具有容量大（最多可接入255臺設(shè)備）、組網(wǎng)靈活等優(yōu)點(diǎn)。單燈控制器的技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 單燈控制器技術(shù)參數(shù)

1.3 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.3.1 軟件功能與業(yè)務(wù)流程

位于監(jiān)控中心的計(jì)算機(jī)是隧道照明智能節(jié)電系統(tǒng)的上位機(jī)，可完成數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、分析，以及自動/手動調(diào)壓等功能。該系統(tǒng)基于C++編寫上位機(jī)控制程序，完成人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

圖3 軟件設(shè)計(jì)流程圖

為避免誤操作和越權(quán)操作，對軟件系統(tǒng)的登錄界面進(jìn)行了安全權(quán)限設(shè)計(jì)。工作人員必須輸入正確的賬戶名和密碼，并且經(jīng)過系統(tǒng)的后臺驗(yàn)證通過后，方可進(jìn)入到

1.3.2 系統(tǒng)通信設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的通信模塊按照通信距離的不同主要分為2種：一種是用于隧道內(nèi)數(shù)據(jù)采集，采集對象主要包括隧道洞內(nèi)外的光照亮度、車流量信息、隧道照明回路電壓信息等；另一種是用于異地傳輸?shù)耐ㄐ?，即隧道設(shè)備與監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)之間傳遞數(shù)據(jù)、指令。在該系統(tǒng)的通信設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)采集通信采用的是ZigBee技術(shù)，在短距離通信環(huán)境下具有低功耗、低延遲、低成本的特點(diǎn)。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方面，可供選擇的有星形、樹形、網(wǎng)絡(luò)3種常見的類型，該文選擇樹形結(jié)構(gòu)，可以保證ZigBee網(wǎng)絡(luò)中任意兩個節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行通信，這樣當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)大流量數(shù)據(jù)時，就可以將冗余數(shù)據(jù)分配給另一個節(jié)點(diǎn)，從而提高了節(jié)點(diǎn)利用率，保證了通信的時效性[3]。

數(shù)據(jù)傳輸和指令傳達(dá)采用的是GPRS通信，這里以指令傳達(dá)為例，其通信流程為：由監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)發(fā)出的調(diào)節(jié)指令，首先通過交換機(jī)傳遞到光發(fā)送器上。然后再經(jīng)過執(zhí)行TCP/IP協(xié)議的光纖網(wǎng)絡(luò)，將該控制指令發(fā)送到位于隧道內(nèi)的光接收器上。該指令順利接收后，控制信號經(jīng)RS232或RS485以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包發(fā)送至相應(yīng)的串口服務(wù)器，最終由該服務(wù)器完成對照明節(jié)電控制柜的調(diào)節(jié)，以控制單燈控制器更改照明燈具的輸入電壓、控制照明燈具的亮度與亮滅。由于該傳輸距離較遠(yuǎn)，為降低通信傳輸過程中信號的衰減，提高信號抵抗干擾能力，必須要選擇GPRS通信模式。指令傳達(dá)流程如圖4所示。該軟件系統(tǒng)的主界面。該軟件系統(tǒng)的主界面包括多個功能模塊，如照明控制方式、照明控制方案、節(jié)點(diǎn)信息、照明燈具查詢等。選擇功能模塊后，跳轉(zhuǎn)至子界面，可詳細(xì)顯示參數(shù)信息或?qū)崟r數(shù)據(jù)。例如選擇“故障日志”功能模塊后，工作人員可以按照時間順序查看最近一段時間系統(tǒng)發(fā)生的故障，以及故障處理狀態(tài)、故障處理時間等。

圖4 公路隧道照明節(jié)電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸圖

2 公路隧道照明節(jié)電技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例

2.1 工程概況

03省道蕭山義橋至樓塔段改建工程，項(xiàng)目位于浙江省杭州市蕭山區(qū)，該工程于河上鎮(zhèn)境內(nèi)設(shè)置了2處分離式隧道，共長1 687 m。隧道凈高7.82 m，凈寬14.75 m，設(shè)計(jì)時速為80 km。根據(jù)中華人民共和國《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T D70/2—01—2014），洞內(nèi)隧道照明劃分為入口段、過渡段、基本段、出口段。該項(xiàng)目根據(jù)洞外亮度、隧道斷面、設(shè)計(jì)時速、交通量等綜合計(jì)算，對隧道LED燈進(jìn)行了配光設(shè)計(jì)[4]。全線雙側(cè)布置，入口段LED燈功率采用150 W，過渡段采用100 W，基本段采用70 W，出口段采用100 W。全線隧道設(shè)置LED燈共968盞。

該工程河上一號隧道、河上二號隧道照明用電為市網(wǎng)供電，電壓通常在240～260 V，因此在實(shí)際運(yùn)行中容易發(fā)生高壓現(xiàn)象，除了會造成電能的浪費(fèi)外，LED燈長時間處于高電壓狀態(tài)運(yùn)行也會縮短其使用壽命，增加了后期的維護(hù)成本。尤其在后半夜，該公路隧道的通車率較低。綜合上述因素，需要引進(jìn)隧道照明智能節(jié)電控制系統(tǒng)，通過分時段、分區(qū)域的自動調(diào)節(jié)電壓，在滿足照明需求、滿足安全行車需要的前提下，使LED燈始終處于合理的電壓區(qū)間內(nèi)運(yùn)行，從而達(dá)到節(jié)約用電、延長燈具使用壽命的效果。

2.2 現(xiàn)場安裝與調(diào)試

河上一號隧道、河上二號隧道左右兩幅均采用6條回路供電。河上一號隧道左幅功率合計(jì)30.2 kW，右幅功率合計(jì)30.2 kW；河上二號隧道左幅功率合計(jì)31.4 kW，右幅功率合計(jì)30.2 kW。考慮到后期可能會有擴(kuò)建需要，因此增加一定的裕量，該2處隧道兩幅各配置了100 kVA的節(jié)電控制柜，以滿足隧道常開照明燈具的電壓調(diào)整需要。

現(xiàn)場安裝，施工人員檢查設(shè)備工況，參考設(shè)計(jì)圖紙確定安裝位置，節(jié)電控制柜需要安裝在箱式變壓器附近。安裝完畢后，再進(jìn)行電纜敷設(shè)。該工程為了確保應(yīng)急供電，在變壓器配電柜內(nèi)配備10 kVA UPS電源一臺。配電箱進(jìn)線主電纜采用YJ V22-1 kV-4×50+1×25 mm2電纜，基本燈回路采用ZR-YJ V-1 kV-5×16 mm2電纜，加強(qiáng)燈回路采用ZR-YJ V-1 kV-5×25 mm2電纜。在電纜未通電的情況下，依次完成單燈控制器、空氣開關(guān)等設(shè)備的安裝。

現(xiàn)場調(diào)試，隧道照明分智能節(jié)電控制和普通（手動）控制。智能節(jié)電控制模式分白晝節(jié)能和夜間節(jié)能模式。白晝節(jié)能模式：系統(tǒng)通過車輛檢測裝置，實(shí)時檢測過往隧道車輛；有車輛過往，隧道內(nèi)LED燈照度自動匹配隧道口亮度檢測器提供照明；無車輛過往則降功率照明，以有效提高隧道燈具照明利用率。夜間節(jié)能模式：系統(tǒng)停止車輛檢測功能，隧道燈以固定功率降壓工作。遠(yuǎn)程監(jiān)控模式：系統(tǒng)檢測到照明線路故障時，自動報(bào)警并切換旁路線路提供照明工作；通過遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺實(shí)現(xiàn)遙測、遙控、遙信等功能[5]。

2.3 應(yīng)用效果

于2020年11月2日開始安裝隧道照明智能節(jié)電系統(tǒng)，于12月18日安裝完畢并進(jìn)行調(diào)試，經(jīng)調(diào)試該系統(tǒng)可以穩(wěn)定運(yùn)行。為了驗(yàn)證隧道照明智能節(jié)電系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果，分別選取了普通控制的2021年3月和智能節(jié)電控制的2021年5月進(jìn)行對比，觀察該公路隧道的節(jié)電效果。結(jié)果如表2所示。

表2 節(jié)電效果對比

根據(jù)上表，該工程隧道照明采用普通控制時，該隧道每個月的總用電量為31 858.7 kW·h，采用智能節(jié)電控制時，每月總用電量為25 441.7 W·h，每月可節(jié)約用電6 417 kW·h；日平均用電量也從1 027.7 kW·h降低到820.7 kW·h，平均節(jié)電率達(dá)到了20.14%，節(jié)電效益顯著。

3 結(jié)語

公路隧道照明系統(tǒng)耗電高、電能浪費(fèi)嚴(yán)重，已成為公路管理中必須要解決的問題。該文設(shè)計(jì)的公路隧道照明智能節(jié)電系統(tǒng)，融合了計(jì)算機(jī)控制、ZigBee無線通信、傳感器數(shù)據(jù)采集等技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對隧道內(nèi)照明信息的實(shí)時采集，然后由計(jì)算機(jī)下達(dá)調(diào)控指令，利用節(jié)電控制柜、單燈控制器完成對照明燈具輸入電壓的控制，進(jìn)而改變燈具的亮度、控制燈具的亮滅。在滿足照明需求的前提下，最大程度節(jié)約電能。同時，也在保障隧道內(nèi)行車安全和降低公路運(yùn)維成本上達(dá)到了雙贏。