ZigBee智控电源在山东沂源县路灯改造项目中的应用

时间：2024-07-28

温军燕，刘海浪，崔学玲，李小亚

(杭州中恒派威电源有限公司，浙江杭州 310000)

引言

ZigBee技术[1]是一种应用于短距离和低速率下的无线通信技术，底层是采用IEEE 802.15.4标准规范的媒体访问层与物理层，具有低速、低耗电、低成本、支持大量网上节点、支持多种网上拓扑、复杂度低、快速、可靠、安全，已广泛应用于物联网产业链中，如智能照明、智能电网、智能家居、工业自动化、智能建筑、环境保护、数字化医疗等领域。

ZigBee技术的安全性较高[2]，其安全性源于其系统性的设计：采用AES加密(高级加密系统)；其次，ZigBee采用蜂巢结构组网，每个设备不仅能通过多个方向与集中控制器通信，保障网络的稳定性；而且每个设备还具有无线信号中继功能，并进行信号强度增强，点对点通信距离可达到1 000 m，传输通信信息可以不断接力下去。路灯照明间隔在35～40 m，可以轻松地实现ZigBee组网通信。

1 ZigBee智控电源

相对于传统 ZigBee智能照明控制系统[3]，ZigBee智控电源系统最大的区别是将单灯控制器与驱动电源相结合，ZigBee通信单元内置于驱动电源中，省去单灯控制器，监控平台对集中控制器下达指令，集中控制器再将指令传达到智控电源(内置ZigBee通信模块)，智控电源调节电流，从而实现对LED的二次节能；同时智控电源将其状态反馈到监控平台，进行数据的交互，实现对 LED 照明进行监测和分析。

ZigBee智控电源集成供电和通信功能与一体，是衔接集中控制器和LED灯具的重要设备。一方面它恒流输出，为LED灯具稳定供电；另一方面它具备ZigBee通信功能，可以接收集中控制器下发的指令，执行调光命令，同时也可以将电源的用电信息上传到集中控制器，便于控制系统对数据的分析处理。图1为智控电源的内部结构示意图。图2为传统ZigBee方案和ZigBee智控电源方案差异示意图。

图1 ZigBee智控电源拓扑结构

图2 传统ZigBee方案和ZigBee智控电源方案差异

2 山东沂源县路灯改造项目的建设与实施

沂源县隶属于山东省淄博市，位于山东省中部，主城区照明路灯杆2600余个，路灯3613余盏，光源普遍使用高压钠灯，单灯功率主要为250 W和150 W。由于此批高压钠灯使用年限久，光衰严重，道路照度远低于国家道路照明标准规范要求，且钠灯功率较大，能耗高，为提高道路照明亮度，节约能耗，沂源县采用合同能源管理(EMC)的模式对主城区的照明路灯进行改造。

业主将路灯委托给合同能源公司管理，对路灯进行改造，采用LED照明，道路照明亮度提升，并建设智能照明控制系统，实现路灯的调光节能，故障告警；同时对部分人流量密集区域的路灯加装摄像头，加强对周围行人和车辆的监控。ZigBee智控电源是该项目方案的亮点之一。

2.1 交流配电柜控制

为实现交流供配电的开关控制及ZigBee通信网络的建立，在现有的交流配电柜中加装集中控制器(图3)，根据接线端子的定义，接入三相交流电、回路控制、电流采样等接线端子，可实现三相电电压、电流采集、回路开关控制功能。

由于交流配电柜处于户外道路上，铺设网线不便，采用4G无线通信的方式进行控制，在集中控制器中安装物联网卡，即可实现集中控制器与管理平台的通信与控制。ZigBee通信组网利用集中控制器上的ZigBee协调器进行组网，考虑到城市照明环境中WiFi信号较多，ZigBee与WiFi同属与2.4G频段的通信[4]，ZigBee的信道的选择应尽可能避免与WiFi信道的重叠(图4、图5)。

WiFi(中国)最常用的信道是1、6、11，和ZigBee信道对比后发现，无重叠的部分可以是WiFi信道4个边角。WiFi边界频点2.402GHz偏左，对应ZigBee的11信道，频点2.405 GHz。WiFi的3、4信道间，频点为2.422到2.427 GHz之间，对应ZigBee的15信道，频点2.425 GHz。WiFi的8、9信道间，频点为2.447到2.452 GHz之间，对应ZigBee的20信道，频点2.450GHz。WiFi边界频点2.483 GHz偏右，对应ZigBee的26信道，频点2.480 GHz。所以，要避免ZigBee收到Wifi的影响，最合理的信道要配置在11、15、20、26。

考虑全城ZigBee通信组网的分布(图6)，应遵从相邻的ZigBee协调器的信道及PANID应不重合[5]，首先全局考虑集中控制器的分布，信道选择11、15、20、26，PANID以8191起始，依次递减。

图3 集中控制器接线端子

图4 WiFi信道在2.4GHz频段上分布

图5 ZigBee信道在2.4GHz频段上分布

2.2 灯具数据录入

为实现单灯控制和定位，在灯具安装时，使用手机APP扫码的方式录入数据，通过APP扫描智控电源上的IEEE地址码，输入灯杆编号，可自动获取当前位置的经纬度，一键上传，即可完成数据的录入工作(图7)。

图7 APP扫码录数据

2.3 小巷子照明控制

对于一些灯具数量较少的小巷子，如隆福路、新华街、兴利街、学府佳苑等路段，仅有5—10盏路灯，为节省成本，对此类场景的配电开关控制采用经纬度时控器实现供电的开关控制，将其路灯归属到主路上，如隆福路、新华街、归属到“鲁山路_工商银行”集中控制器进行控制，实现路灯的调光控制及状态反馈。

2.4 场景预设

1)开关控制。全县城路灯开关控制全部采用预设配置自动开关灯的模式。该县城中主要有普通路灯和智慧路灯(灯头上带有监控摄像)组成，对于这两种路灯我们采用两种配置来实现自动开关灯。

•普通路灯组：采用集中控制器根据经纬度的日出日落时间自动控制回路的开关；

•智慧路灯组：采用回路24h闭合形式，日出后将所有路灯亮度调至0%，日落后将亮度调至100%。

2)二次节能[6]。在保障全城夜晚亮灯的情况下，为节约电力资源，采用深夜调光节能方案。在夜晚23点，将全城路灯亮度调至50%，凌晨2点再次调光将全城路灯亮度调至30%，根据真实数据显示相比于整晚100%亮度该方案可省电30%。

3)自动控制。用户设置的自动运行参数将下发到集中控制器中，实现本地自动运行，即使上行通信故障，仍可脱机使用，终端能根据预先设定的方案定时开/关灯，可确保照明系统正常运行。系统配置Web端和手机APP控制，客户需要临时开灯、调节亮灯均可直接通过手机APP操作，迅速且便捷。

4)故障告警。系统提供短信推送和平台展示方式，向用户提醒设备工作异常的问题，如单灯故障、批量离线、回路异常、集中控制器离线等情况，系统将记录状态，并且短信推送，保证出现的问题能被及时发现及解决。

2.5 项目运行效果分析

1)投资建设。沂源县采用ZigBee智控电源方案，相对于传统单灯控制器加LED驱动电源的方案，可节省设备投资费用约18万元。ZigBee智控电源的集成式设计，简化了安装接线工作，传统方案需要连接交流输入、交流输出、直流输出、调光控制四组线路，集成式设计仅需要连接交流输入和直流输出两组线路，提高了装配效率约50%，同时也降低了误操作的可能性。

2)运营维护。沂源县路灯节能改造使用LED灯替换传统的钠灯，除人民路新增342套双挑臂路灯以外，原钠灯总功率为792.73 kW，改造成LED灯后总功率为390.87 kW，整体功率下降50%，通过调光节能的方式，在人流量和车流量较为稀少的深夜，可降低LED的亮度，实现二次节能，可再节电30%，整体运行相对于改造前节电65%。沂源县路灯节能改造后的实景照明效果如图8所示。

图8 沂源县路灯节能改造后的实景照明效果图