葉宗勇

（江西方興科技股份有限公司，江西 南昌 330000）

0 引言

供電距離長(zhǎng)、負(fù)載高是公路交通供電的主要特點(diǎn)。隨著智慧高速的推進(jìn)，對(duì)電網(wǎng)供電的安全性和穩(wěn)定性提出了更高的要求，且將提高轉(zhuǎn)換效率和降低環(huán)境污染作為智能綠色節(jié)能交通的主要目標(biāo)。隧道機(jī)電設(shè)備包括LED 照明、安防、災(zāi)備、廣播、監(jiān)控、通信等設(shè)備，營(yíng)運(yùn)單位不僅要確保其安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行，還要實(shí)現(xiàn)智能控制，以及環(huán)保節(jié)能按需供電。因此，需要在隧道照明領(lǐng)域合理應(yīng)用安全、經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、智能控制的供電技術(shù)[1]。

1 LED 直流集中供電整體解決方案

提出采用集中供電技術(shù)為隧道內(nèi)的機(jī)電設(shè)備供電，以保證機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行可靠性，并改善現(xiàn)有機(jī)電設(shè)備在AC 到DC、DC 到DC 兩級(jí)變換過(guò)程中，AC/DC驅(qū)動(dòng)器電解電容器件所帶來(lái)的影響。通過(guò)直流集中供電的方式，在地面上將交流電整流成直流輸出，這樣在隧道機(jī)電設(shè)備端僅需一個(gè)DC/DC 一級(jí)變換。同時(shí)，由于電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，機(jī)電設(shè)備驅(qū)動(dòng)電源效率可達(dá)95%以上，能夠大幅提高設(shè)備的可靠性。此外，采用直流集中供電還能在實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的同時(shí)，便利地面維修，有效降低后期運(yùn)營(yíng)成本。同時(shí)，通過(guò)提供直流集中供電柜，可將所有電源供應(yīng)、外部接口、智能控制整合于此平臺(tái)，為未來(lái)智能交通預(yù)留接口，具備較強(qiáng)的擴(kuò)充性。

2 隧道照明對(duì)LED 燈光源的要求

2.1 隧道的“黑洞效應(yīng)”與“白洞效應(yīng)”

當(dāng)駕駛員駕車由洞外明亮的自然光環(huán)境駛?cè)胨淼罆r(shí)，光亮度會(huì)發(fā)生較大的變化。在短時(shí)間內(nèi)，人眼對(duì)光線會(huì)有一個(gè)暗適應(yīng)的過(guò)程，一開(kāi)始會(huì)感覺(jué)洞口光線暗淡，不容易察覺(jué)障礙物，隧道就像一個(gè)巨大的“黑洞”，而光線突然變?nèi)酰@種現(xiàn)象被稱為“黑洞效應(yīng)”。相反，當(dāng)駕駛員適應(yīng)了洞內(nèi)的低亮度后，駛出隧道時(shí)，洞外的亮度又會(huì)顯得很高，此時(shí)同樣會(huì)有一個(gè)明適應(yīng)的過(guò)程，感覺(jué)洞外很刺眼，這被稱為“白洞效應(yīng)”。以上效應(yīng)都屬于負(fù)面的現(xiàn)象，會(huì)嚴(yán)重影響駕駛員的安全。

為了解決這種情況，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了隧道不同區(qū)段的亮度值。通過(guò)對(duì)隧道內(nèi)部照明的精確控制，可以在進(jìn)出隧道時(shí)緩解“黑洞效應(yīng)”和“白洞效應(yīng)”，讓駕駛員的視覺(jué)適應(yīng)更加平穩(wěn)，提高隧道內(nèi)部行車的安全性。

2.2 單向行車隧道照明

單向行車隧道的區(qū)間段可分為接近段、入口段、過(guò)渡段、中間段、出口段及洞外引道。各段的照明亮度值不一樣，入口段與過(guò)渡段的亮度需要平滑過(guò)渡[2-3]。

2.3 雙向行車隧道照明

雙向行車隧道的區(qū)間段可分為接近段、入口段、過(guò)渡段、中間段、出口段及洞外引道。各段照明亮度均不一樣，且由于是雙向行車隧道，所以兩端都需要有平滑過(guò)渡曲線。

3 LED 直流集中供電解決方案構(gòu)成

LED 直流集中供電解決方案包括集中供電系統(tǒng)、LED 直流驅(qū)動(dòng)器、調(diào)光控制、系統(tǒng)管理平臺(tái)、手機(jī)APP控制幾個(gè)部分，整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

3.1 集中供電電源系統(tǒng)

集中供電電源系統(tǒng)的主要功能是將交流整流成直流輸出，同時(shí)控制調(diào)光，且能將各模組工作狀態(tài)、故障信息及時(shí)上報(bào)。

3.2 LED 直流驅(qū)動(dòng)器

LED 直流驅(qū)動(dòng)器是恒流輸出，負(fù)責(zé)為燈具供電、調(diào)節(jié)光信號(hào)、指揮燈具遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)及調(diào)光。

3.3 調(diào)光控制

該解決方案的調(diào)光方式是一種低頻率的載波，只有10Hz，因而具有極強(qiáng)的抗干擾能力。

3.3.1 直流電力信號(hào)調(diào)制技術(shù)

直流集中供電照明采用直流電力信號(hào)調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)調(diào)光控制。

3.3.2 隧道中各區(qū)段亮度設(shè)計(jì)

隧道照明在白天時(shí)耗能最大，所以必須實(shí)現(xiàn)智能調(diào)光，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循如下原則：

選取2017年6月～2018年6月醫(yī)院收治且確診為STEM1的≥75歲的患者35例作為高齡組，另選?。?5歲的患者35例作為對(duì)照組。本研究經(jīng)我院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)。所有入選者均知情同意并簽訂知情同意書(shū)。納入標(biāo)準(zhǔn)：①均符合STEM I診斷標(biāo)準(zhǔn)者；②自愿參加本研究者；③無(wú)其他系統(tǒng)疾病者；④精神正常者。排除標(biāo)準(zhǔn)：①冠狀動(dòng)脈畸形者；②因多發(fā)性大動(dòng)脈炎導(dǎo)致的急性ST段抬高型者；③合并嚴(yán)重感染者；④存在凝血、纖溶障礙者；⑤合并嚴(yán)重心肝腎重要臟器功能障礙者。

第一，加強(qiáng)段照明應(yīng)根據(jù)洞外亮度儀所偵測(cè)的值和交通流量變化，對(duì)入口段、過(guò)渡段和出口段設(shè)計(jì)針對(duì)性的調(diào)光方案，也可按洞外亮度分級(jí)及取值進(jìn)行12級(jí)組合。

第二，基本段照明應(yīng)根據(jù)交通流量變化，按規(guī)定的亮度值設(shè)計(jì)調(diào)光方案[4]。

3.4 系統(tǒng)管理平臺(tái)

系統(tǒng)管理平臺(tái)是重要的智能控制后臺(tái)。使用者遠(yuǎn)程登錄系統(tǒng)管理平臺(tái)后，可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)使用的電源柜及燈具進(jìn)行各種智能控制，如遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)燈、調(diào)節(jié)亮度，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能、時(shí)間策略設(shè)定、報(bào)警顯示、故障偵測(cè)、能耗管理、資產(chǎn)管理等。整個(gè)系統(tǒng)管理平臺(tái)通過(guò)科學(xué)的節(jié)能管理方法、智能控制手段，能夠?qū)崿F(xiàn)真正意義上的按需供電及智慧照明。

3.5 手機(jī)APP 控制

提供手機(jī)APP（見(jiàn)圖2）遠(yuǎn)程控制，方便用戶自如操作。

圖2 手機(jī)APP 界面

開(kāi)始連接時(shí)，提供服務(wù)器的IP 地址，選擇站點(diǎn)，之后便可遠(yuǎn)程控制燈具開(kāi)關(guān)，調(diào)整亮度。

3.6 系統(tǒng)散熱設(shè)計(jì)

系統(tǒng)散熱設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖3）能夠滿足模塊內(nèi)部器件、系統(tǒng)內(nèi)機(jī)電器件溫升的要求，能利用風(fēng)扇調(diào)速，有效延長(zhǎng)風(fēng)扇的使用壽命及降低系統(tǒng)噪聲。在系統(tǒng)工作滿載、環(huán)境溫度50℃的條件下可長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

圖3 系統(tǒng)散熱設(shè)計(jì)

4 LED 直流集中供電系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

目前，隧道內(nèi)絕大多數(shù)照明及控制方式均為交流方案，即交流直接輸出到燈具，燈具中有AC/DC 驅(qū)動(dòng)器供電，但這種分布式的供電方式弊端較多。

4.1 交流供電、直流集中供電方案比對(duì)

燈具光源通常有較長(zhǎng)的壽命，可能會(huì)持續(xù)5～10年。燈具故障通常是因?yàn)殡娫闯霈F(xiàn)問(wèn)題，電解電容是電源故障的主要原因。隨著時(shí)間推移，電解液會(huì)干涸，導(dǎo)致容值受影響，進(jìn)而影響電器性能，使得電源過(guò)熱并發(fā)生故障。此外，由于燈具通常安裝在較高位置，如路燈，若發(fā)生故障，需要使用登高車進(jìn)行更換，人力成本往往比電源成本高得多[5-6]。

目前，市場(chǎng)上常見(jiàn)的傳統(tǒng)智能控制方式是采用0～10V 模擬量來(lái)控制，每個(gè)AC/DC 電源模塊都配備一根0～10V 調(diào)光線，這些調(diào)光線會(huì)被連接到控制器進(jìn)行集中控制。然而，這種方式需要單獨(dú)拉線會(huì)增加成本。還有無(wú)線控制方式，但目前這種方式被認(rèn)為信號(hào)不穩(wěn)定，且在一些地方可能無(wú)法接收到無(wú)線信號(hào)，會(huì)影響通信的穩(wěn)定性。

PLC 電力載波方式是將PLC 模塊內(nèi)置在AC/DC電源中。該方式無(wú)需單獨(dú)拉信號(hào)線，而是利用動(dòng)力電纜進(jìn)行信號(hào)控制。然而，PLC 載波的頻率大約在幾十到幾百kHz 之間，有時(shí)會(huì)受到干擾。例如，在隧道照明中，為了通風(fēng)可能使用大功率的風(fēng)機(jī)，有的功率高達(dá)15kW 或30kW。風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，瞬間的沖擊電流會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲干擾，進(jìn)而使調(diào)光受到干擾。此外，在城市中，各種不同頻率的信號(hào)相互交錯(cuò)，幾十kHz 的頻率也會(huì)受到干擾。將PLC 應(yīng)用于遠(yuǎn)程抄表時(shí)，有時(shí)信號(hào)也不能及時(shí)返回。

而集中供電方案的總體思路是將容易故障的器件，如AC/DC 整流器、電解電容等集中放置在地面上，便于維護(hù)和管理，并采用可插板式直流模塊，便于更換。燈具的電源僅需進(jìn)行一級(jí)變換DC/DC，此部分常常采用高效率的Buck 降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，電路簡(jiǎn)單，同時(shí)使用固態(tài)電容或長(zhǎng)效電解電容，能提升電源壽命。

此外，直流集中供電解決方案在動(dòng)力電纜上調(diào)制了一個(gè)低頻率信號(hào)，到達(dá)燈具的驅(qū)動(dòng)器后，由驅(qū)動(dòng)器中的MCU 根據(jù)預(yù)設(shè)的協(xié)議調(diào)節(jié)電源的輸出電流大小，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)光。這種低頻載波方式的頻率只有10Hz，因?yàn)轭l率較低，所以很難受到干擾。經(jīng)過(guò)大量測(cè)試得出，發(fā)出10000 個(gè)數(shù)據(jù)包，只有1 個(gè)丟包，軟件還采用了重發(fā)機(jī)制來(lái)彌補(bǔ)，基本不會(huì)再出現(xiàn)丟包問(wèn)題[7]。

綜合以上優(yōu)勢(shì)可以看出，相較于交流供電，直流集中供電解決方案在延長(zhǎng)燈具壽命、維護(hù)便捷和智能控制等方面有更多優(yōu)勢(shì)。

4.2 直流集中供電系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)總結(jié)

通過(guò)對(duì)直流集中供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐分析可以了解，在隧道工程照明系統(tǒng)中，直流集中供電系統(tǒng)具有安全可靠、調(diào)光節(jié)能、穩(wěn)定抗擾、可遠(yuǎn)程監(jiān)控、節(jié)省線纜等優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)語(yǔ)

總體來(lái)說(shuō)，LED 直流集中供電技術(shù)在隧道照明領(lǐng)域的應(yīng)用呈現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)和潛力。通過(guò)前文的研究，可以看到這一技術(shù)在節(jié)能、安全性、可靠性等方面的顯著優(yōu)勢(shì)。隨著能源環(huán)保理念的不斷深入，LED 直流集中供電在隧道照明中的推廣將為節(jié)能減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供有力支持。今后，還要加大力度對(duì)LED 直流集中供電技術(shù)進(jìn)行研究，不斷探索該技術(shù)的可行性與兼容性，同時(shí)要結(jié)合以往工程經(jīng)驗(yàn)與國(guó)內(nèi)外先進(jìn)理念，對(duì)LED 直流集中供電技術(shù)運(yùn)用方式進(jìn)行優(yōu)化，為隧道照明的效能提升、能源節(jié)約和環(huán)保作出積極貢獻(xiàn)。