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智慧燈桿的供電方案探索
發(fā)表時(shí)間:2021-06-25     閱讀次數:     字體:【


智慧燈桿體現共享、共建、共融理念,多功能共存時(shí),電源也分散在各個(gè)功能模塊。但電源系統是智慧燈桿的“心臟”,有故障時(shí)會(huì )導致功能失效。尤其是5G基站,用電的功率、可靠性等對比其他功能模塊不同。


智慧燈桿供電是按各個(gè)功能模塊內處理,還是系統統一解決,需要從系統角度,綜合CAPEX、OPEX、可落地實(shí)現等多個(gè)維度評估,并在此過(guò)程中,結合現在通信電源產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況,建議智慧燈桿場(chǎng)景下的供配電方案,應以通信電源標準向下兼容,實(shí)現模塊化設計,具備智能監控,電池備電,高效節能、易于維護等功能。



問(wèn)題概述


智慧燈桿能同時(shí)搭載很多功能模塊,這是方案的主要亮點(diǎn)之一。目前的發(fā)展狀況看,多數廠(chǎng)家在搭載不同功能模塊時(shí),提供的解決方案都是“暴力堆疊”,最多的是結構上的融合,而硬件和軟件上的融合基本不考慮,供配電問(wèn)題尤為突出,原有的解決方案是預留部分220V交流分配單元,各個(gè)功能模塊各自?xún)炔刻幚碚鞴β首儞Q(如下圖1)。


圖1、現智慧路燈電源系統分布示意


基本沒(méi)有監控管理,故障率高。由此帶來(lái)的可靠性差、效率低、維護成本高等問(wèn)題較多,也成了目前規;褂玫钠款i之一。



需求現狀分析


A、下表1統計了下圖2智慧路燈搭載各個(gè)功能模塊用電方面的需求:


圖2智慧路燈搭載功能模塊示意圖


表1 智慧燈桿主要功能模塊用電參數


B、從目前應用場(chǎng)景看,在一根桿子上集成所有功能模塊,甚至超過(guò)四種以上應用,都是較少的,比如設計單位在一個(gè)具體應用場(chǎng)景中做系統設計時(shí),將智慧路燈區分三種:智慧主燈、智慧副燈、智能路燈,有些企業(yè)區分為:高配、中配、低配。


我們需要采取2-8原則,將應用普遍的、80%以上的需求及配置予以重點(diǎn)考慮,這樣可以將復雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化。下表是應用場(chǎng)景:


表2智慧燈桿典型應用場(chǎng)景


從上面表格可以看出各種應用模塊出現的頻度差異較大,在實(shí)際項目應用中,也是如此,應用功能模塊最普遍的是智能照明,其次是視頻采集和移動(dòng)通信,其他智慧城市相關(guān)功能模塊出現頻度較小;蛘咧辉谔囟▓(chǎng)合出現,比如交通流量監測、環(huán)境氣象監測一般一個(gè)區域一套即可;比如視頻采集一般需要考慮特定位置,卡口站在車(chē)輛必經(jīng)之路上。



移動(dòng)通信基站可以根據網(wǎng)絡(luò )規劃和網(wǎng)絡(luò )優(yōu)化,小范圍調整位置。一般智能照明間距30米,視頻采集間距50-500米,5G移動(dòng)通信間距200米左右。


通過(guò)以上分析,我們可以做這樣的預估:在一條路上,智慧燈桿只搭載智能照明的約占87%,搭載5G+智能照明+視頻采集模塊的約10%,搭載5G+智能照明+視頻采集+其他智慧城市模塊的約3%。照明和視頻采集的功耗相對通信基站較小,因此可以一并考慮供電。而其他應用可以一體考慮。


方案分析


現在智慧燈桿電源方案的優(yōu)點(diǎn):

A、易于實(shí)現,集成各個(gè)廠(chǎng)家功能模塊,可以快速響應市場(chǎng)客戶(hù)需求。

B、責任界面相對清晰,故障問(wèn)題定位、電量分攤等較為容易處理。


現在智慧燈桿電源方案的缺點(diǎn):



A、故障率較高--部分功能模塊本身可靠性不高,如環(huán)境監測。但從系統維護整體角度看,系統故障是由最短板決定的,出現故障的話(huà)依然是系統故障。

B、沒(méi)有運行狀態(tài)監控,不夠智能化--整個(gè)智慧燈桿雖然可以實(shí)現業(yè)務(wù)遠程監控管理,但卻將最為關(guān)鍵的電源系統排除在外。有了電源問(wèn)題,由于不能遠程診斷,將大為增加運維成本。

C、沒(méi)有備電--停電斷電情況下,系統馬上停止運行,導致系統可用度降低。



從以上分析可以看到目前方案僅有項目集成施工的便利,而具備多個(gè)缺點(diǎn),尤其不能滿(mǎn)足未來(lái)業(yè)主單位對智慧燈桿系統的智能化、高效率管理健康、維護和運營(yíng)需要。



解決方案思路與原則


1、確保系統可靠,首先是要高標準高要求覆蓋低標準低要求。系統中,有移動(dòng)通信、交通信號燈,以及后期將會(huì )大量出現的車(chē)聯(lián)網(wǎng)中的車(chē)路協(xié)同功能模塊(例如RSU路側設備),可靠性要求是高于其他功能模塊的,應該按此最高標準要求。


2、電源系統應該是智能化的,不能是“啞設備”,要做到電源系統可監可控,并且是程序化的,因為其中的功能單元運行規律性強,比如路燈。


3、應對故障與損壞,各個(gè)電源功能部件要模塊化設計,并且N+X備份。而且最好需要有備電和備用裝置,應對可能出現的停電、斷電,且要有儲能設備。


有些重要功能模塊,需要在斷電4小時(shí)或者更長(cháng)時(shí)間內通過(guò)備電繼續工作,直到斷電故障經(jīng)動(dòng)力系統維護人員上站修復完成,或者得到移動(dòng)發(fā)電機的臨時(shí)供電。核心的控制器網(wǎng)關(guān),需要在停電時(shí)能工作,將故障告警傳送到后臺,以便后臺可以區分故障類(lèi)型,是市電停電、空開(kāi)斷,還是設備故障?以后繼啟動(dòng)相應的維修響應動(dòng)作。


4、路燈桿是居民身邊的城市公共設施,要充分保證安全,包括產(chǎn)品自身安全、數據安全、人身安全等。產(chǎn)品自身安全,需要防護高壓浪涌等沖擊,數據安全需要有加密等防護措施,人身安全需要嚴格符合安規的產(chǎn)品設計,重點(diǎn)防范漏電,必須安裝有漏電保護裝置,并且此裝置可以遠程監控工作狀態(tài),可以遠程操作斷電,以便在臺風(fēng)、嚴重內澇等極端天氣,可以遠程斷電。


從上分析,并結合應用環(huán)境、綠色低碳的方向,可進(jìn)一步細化出新的智慧燈桿供電方案的需求:


儲能功能和設備不是優(yōu)先需要解決的剛需,重要性稍低。


圖片

1.各個(gè)功能模塊對于電源要求不一,需要有多種電壓電流輸出。


2.適用不同功能模塊組合情況下的功率需求。


3.桿站使用,必須考慮環(huán)境融合問(wèn)題。各個(gè)功能模塊必須小型化,親桿體設計。


4.系統成本最低,包括建設成本、運行維護成本、質(zhì)量成本等。


5.安全。電源系統是各個(gè)智慧功能模塊的心臟,可靠性必須要有保障,智慧桿是高聳結構,防雷必須充分考慮。數據安全也是產(chǎn)品安全的一個(gè)不可或缺部分。同時(shí),公共設施必須保證人員安全,不能發(fā)生漏電等問(wèn)題。


6.各個(gè)功能模塊隸屬不同業(yè)主,電費計量須能分用戶(hù)。


7.各個(gè)功能模塊對下電管理要求不同,甚至需控制電流大小。


8.智能化,可遠程監控管理,遠程升級。


9.低碳綠色環(huán)保,充分考慮社會(huì )效益,高效電源。



解決方案


對于智慧燈桿來(lái)說(shuō),有交流或直流兩種供電輸入方式,到桿體系統內,又會(huì )有實(shí)現方案的差異,本文先論述交流輸入方式。交流輸入到桿體系統時(shí),大致有如下三種方案:


圖3 交流供電桿體內電源方案


方案說(shuō)明

方案一(見(jiàn)上文1章節,圖1),早期演示項目多采取此方案。計量一般不考慮。通信與路燈電源及交流充電樁可以有有遠程監控,其他電源沒(méi)有智能控制。


優(yōu)點(diǎn):各個(gè)功能模塊產(chǎn)品不用做定制。

缺點(diǎn):各個(gè)功能模塊各自處理交直流變換、防雷等。成本與可靠性均較差。


圖4 交流供電方案二電源方案


方案二(見(jiàn)上圖4),目前集成方案多采取此方案。交流配電后,根據業(yè)務(wù)功能不同,分路計量與配電管理。與智慧城市強相關(guān)模塊,電源統一到一體做成可遠程監控的AC-DC電源。


優(yōu)點(diǎn):通信、路燈、智慧城市單元,不同業(yè)主單位分開(kāi)管理,符合目前行業(yè)與產(chǎn)業(yè)狀態(tài),易于被業(yè)主單位接受。

缺點(diǎn):分路實(shí)施的工程等成本和難度依然較大,運維成本高。



方案三(見(jiàn)上圖5):考慮5G基站的功耗遠大于其他功能模塊,可以統一集中到通信電源供電,在產(chǎn)業(yè)初期,可以增加48VDC-DC多路輸出,匹配其他功能模塊。在市場(chǎng)應用增加后,各個(gè)功能模塊接受48V供電,則系統將非常簡(jiǎn)單。


優(yōu)點(diǎn):可靠性提升,系統構成簡(jiǎn)單化、歸一化,效率提升。

缺點(diǎn):集成各個(gè)功能模塊電源接口需改變,各個(gè)功能模塊供應商和業(yè)主單位要有個(gè)接受過(guò)程。


綜合上面方案二、三,如果方案三做模塊化設計,那么方案二可以是方案三的一種變形或者簡(jiǎn)配。最終的系統圖建議如下:

圖6 智慧路燈電源系統方案


以上設計還可以帶來(lái)其他的一些好處,比如:

1. 原來(lái)的顯示屏電源,與顯示屏一體,屏內內部工作溫度很高,電源長(cháng)期工作在高溫環(huán)境下,壽命將大大縮減。新方案將可避免這個(gè)問(wèn)題,從而提升可靠性。


2. 原來(lái)分散在各個(gè)功能單元中,不易于維護,例如路燈燈頭電源,需要登高車(chē),維修成本高。集中供電后,易于維護維修。


3. 集中供電后,變換模塊功率增大也易于實(shí)現高效率,比如通信電源轉換效率最高可以做到98%,相應的熱耗減小,綠色環(huán)保。


結論


從上面論述中,我們看到,智慧燈桿供電,需統一一體考慮,參考通信電源標準和設計架構,增加特定DC/DC轉換模塊以及其他功能外設,設計出模塊化、智能化、高效率、高可靠的電源系統。




參考文獻:

[1] :賈興東、徐志斌等 多功能智能桿系統設計與工程建設規范。

[2] :深圳市智慧桿產(chǎn)業(yè)促進(jìn)會(huì ) 智慧桿系統建設與運維技術(shù)規范。

[3] :中國通信協(xié)會(huì ),智慧燈桿白皮書(shū)(2019)。

[4] :王洋、舒兆平等,智慧燈桿技術(shù)規范。

作者簡(jiǎn)介:楊積成,中興通訊股份有限公司能源產(chǎn)品部綜合產(chǎn)品經(jīng)理。目前主要研究方向為5G建設中各種供電問(wèn)題,包括舊改站供備電問(wèn)題,新建站供電模塊化擴展問(wèn)題,5G桿站供電問(wèn)題等。


 
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