徐凱凱

（杭州蕭山交通規(guī)劃設計研究院有限公司,浙江 杭州 311203）

0 引言

隧道照明系統(tǒng)的電費在公路運營費中占比較高，為響應節(jié)能降耗的號召，在公路隧道照明領域推廣智能節(jié)電技術，對降低公路運維成本和節(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絡，用于分析信息的計算機，用于調壓穩(wěn)壓的節(jié)電控制柜以及用于控制輸出的單燈控制器。這樣就能實時采集隧道內的信息，然后根據(jù)實際情況靈活調節(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)電方案的設計

1.1 系統(tǒng)結構設計

該文設計的公路隧道照明智能節(jié)電系統(tǒng)結構組成如圖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通信網絡上傳到監(jiān)控中心的計算機中[1]。利用計算機展開數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、分析，按照既定程序產生相應的調控指令，并將該指令發(fā)送給節(jié)電控制柜，實現(xiàn)自動調壓，從而使單燈控制器對照明燈具進行自動調光。亮度檢測器再次采集亮度數(shù)據(jù)，反饋到計算機監(jiān)控中心，形成閉環(huán)，達到平衡。這樣一來，隧道內的照明燈具始終在設定的電壓上工作，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)結構圖

1.2 硬件設備選型與設計

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)中的核心設備，主要功能是根據(jù)電網電壓、照明負載等情況，實行分相穩(wěn)壓調壓、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)開始運行后，將采集到的輸出電壓與控制電路的基準電壓進行對比。根據(jù)對比結果輸出相應的控制信號，并利用調壓電路實現(xiàn)無極調壓。如果輸出電壓低于基準電壓，則通過調壓電路進行升壓，反之則需要降壓。在調壓過程中，補償電路也會提供補償電壓，達到穩(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功能，當檢測到照明系統(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)，對回路直接進行電網供電，這樣既可以滿足燈具照明需要，同時還能實現(xiàn)對電路的保護作用。

1.2.2 單燈控制器

單燈控制器由開關電路、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，除了支持自動轉送其他網絡節(jié)點的傳送數(shù)據(jù)外，還具有容量大（最多可接入255臺設備）、組網靈活等優(yōu)點。單燈控制器的技術參數(shù)見表1。

表1 單燈控制器技術參數(shù)

1.3 軟件設計與實現(xiàn)

1.3.1 軟件功能與業(yè)務流程

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

圖3 軟件設計流程圖

為避免誤操作和越權操作，對軟件系統(tǒng)的登錄界面進行了安全權限設計。工作人員必須輸入正確的賬戶名和密碼，并且經過系統(tǒng)的后臺驗證通過后，方可進入到

1.3.2 系統(tǒng)通信設計

該系統(tǒng)的通信模塊按照通信距離的不同主要分為2種：一種是用于隧道內數(shù)據(jù)采集，采集對象主要包括隧道洞內外的光照亮度、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?，即隧道設備與監(jiān)控中心計算機之間傳遞數(shù)據(jù)、指令。在該系統(tǒng)的通信設計中，數(shù)據(jù)采集通信采用的是ZigBee技術，在短距離通信環(huán)境下具有低功耗、低延遲、低成本的特點。在ZigBee網絡結構方面，可供選擇的有星形、樹形、網絡3種常見的類型，該文選擇樹形結構，可以保證ZigBee網絡中任意兩個節(jié)點之間進行通信，這樣當系統(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，從而提高了節(jié)點利用率，保證了通信的時效性[3]。

數(shù)據(jù)傳輸和指令傳達采用的是GPRS通信，這里以指令傳達為例，其通信流程為：由監(jiān)控中心計算機發(fā)出的調節(jié)指令，首先通過交換機傳遞到光發(fā)送器上。然后再經過執(zhí)行TCP/IP協(xié)議的光纖網絡，將該控制指令發(fā)送到位于隧道內的光接收器上。該指令順利接收后，控制信號經RS232或RS485以太網數(shù)據(jù)包發(fā)送至相應的串口服務器，最終由該服務器完成對照明節(jié)電控制柜的調節(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，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)點信息、照明燈具查詢等。選擇功能模塊后，跳轉至子界面，可詳細顯示參數(shù)信息或實時數(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)網絡傳輸圖

2 公路隧道照明節(jié)電技術的應用實例

2.1 工程概況

03省道蕭山義橋至樓塔段改建工程，項目位于浙江省杭州市蕭山區(qū)，該工程于河上鎮(zhèn)境內設置了2處分離式隧道，共長1 687 m。隧道凈高7.82 m，凈寬14.75 m，設計時速為80 km。根據(jù)中華人民共和國《公路隧道照明設計細則》（JTG/T D70/2—01—2014），洞內隧道照明劃分為入口段、過渡段、基本段、出口段。該項目根據(jù)洞外亮度、隧道斷面、設計時速、交通量等綜合計算，對隧道LED燈進行了配光設計[4]。全線雙側布置，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供電，電壓通常在240～260 V，因此在實際運行中容易發(fā)生高壓現(xiàn)象，除了會造成電能的浪費外，LED燈長時間處于高電壓狀態(tài)運行也會縮短其使用壽命，增加了后期的維護成本。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)間內運行，從而達到節(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30.2 kW，右幅功率合計30.2 kW；河上二號隧道左幅功率合計31.4 kW，右幅功率合計30.2 kW?？紤]到后期可能會有擴建需要，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整需要。

現(xiàn)場安裝，施工人員檢查設備工況，參考設計圖紙確定安裝位置，節(jié)電控制柜需要安裝在箱式變壓器附近。安裝完畢后，再進行電纜敷設。該工程為了確保應急供電，在變壓器配電柜內配備10 kVA UPS電源一臺。配電箱進線主電纜采用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、空氣開關等設備的安裝。

現(xiàn)場調試，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，實時檢測過往隧道車輛；有車輛過往，隧道內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。遠程監(jiān)控模式：系統(tǒng)檢測到照明線路故障時，自動報警并切換旁路線路提供照明工作；通過遠程監(jiān)控平臺實現(xiàn)遙測、遙控、遙信等功能[5]。

2.3 應用效果

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日安裝完畢并進行調試，經調試該系統(tǒng)可以穩(wěn)定運行。為了驗證隧道照明智能節(jié)電系統(tǒng)的實際應用效果，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月進行對比，觀察該公路隧道的節(jié)電效果。結果如表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)電率達到了20.14%，節(jié)電效益顯著。

3 結語

公路隧道照明系統(tǒng)耗電高、電能浪費嚴重，已成為公路管理中必須要解決的問題。該文設計的公路隧道照明智能節(jié)電系統(tǒng)，融合了計算機控制、ZigBee無線通信、傳感器數(shù)據(jù)采集等技術，可以實現(xiàn)對隧道內照明信息的實時采集，然后由計算機下達調控指令，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，也在保障隧道內行車安全和降低公路運維成本上達到了雙贏。