多功能灯杆的供电方案探索.pdf

2023年6 月第2 7 卷第二期多功能灯杆多功能灯杆的供电方案探索杨积成中兴通讯股份有限公司多功能灯杆体现共享、共建、共融理念，多功能共存时，电源也分散在各个功能模块。但电源系统是智慧灯杆的“心脏”，有故障时会导致功能失效。尤其是5 G基站，用电的功率、可靠性等对比其他功能模块不同。多功能灯杆供电是按各个功能模块内处理，还是系统统一解决，需要从系统角度，综合CAPEX、OPEX、可落地实现等多个维度评估，并在此过程中，结合现在通信电源产业发展情况，建议智慧灯杆场景下的供配电方案，应以通信电源标准向下兼容，实现模块化设计，具备智能监控，电池备电，高效节能、易于维护等功能。一、问题概述多功能灯杆能同时搭载很多功能模块，这是方案的主要亮点之一。目前的发展状况看，多数厂家在搭载不同功能模块时，提供的解决方案都是“暴力堆叠”，最多的是结构上的融合，而硬件和软件上的融合基本不考虑，供配电问题尤为突出，原有的解决方案是预留部分2 2 0 V交流分配单元，各个功能模块各自内部处理整流功率变换（如下图1)。但基本没有监控管理，故障率高。通信电源AC-DC+AAU（或BBU）路灯电源AC-DC+LED发光模组交流配电由此带来的可靠性差、效率低、维护成本高等问题较多，也成了目前规模化使用的瓶颈之一。二、需求现状分析1.下表1统计了下图2 智能路灯搭载各个功能模块用电方面的需求：移动通信设备戒无线电监测设备气象环境激测公共WLAN信息发布屏杆体多媒体交五蜂蜡一键呼时底座（设备仓集成配电智能电源智能网关，通讯、防雷等单元）图2 智能路灯搭载功能模块示意图2.从目前应用场景看，在一根杆子上集成所有摄像头（内含AC-DC电源）功能模块，甚至超过四种以上应用，都是较少的，显示屏电源AC-DC+发光控制模组比如设计单位在一个具体应用场景中做系统设计时，将智能路灯区分三种：智能主灯、智能副灯、智能信号灯电源AC-DC+发光控制模组路灯；有些企业区分为：高配、中配、低配。适配器+网关+环境传感器等应用我们需要采取2-8 原则，将应用普遍的、8 0%以上的需求及配置予以重点考虑，这样可以将复杂问交流充电桩题简单化。表2 是应用场景：图1现智能路灯电源系统分布示意避针（按需配置）智能明交通指示交通信号灯交通违幸监控视频采集公共广播充电设备电缆保护管托休基码项部中部备仓31城City Lighting市JUN.2023 Vol.27 No.2表1多功能灯杆主要功能模块用电参数信息发布智能照视频采用电要求5G基站明WLAN信导灯设各功糕微站5 0 0 W100W60W(均值）宏站2 4EW内部直流48V或20-228V12V电源电压可乖性转换效车各电要求防雪要求有，交流分别接入，均带防雷保护。计量要求有，业主单位不同，需要分设电表。注：高可靠性要求，0 一期要求，O低要求。应用场景智能视频移动公共交通腾明采集通信LAN标志高速公路快速路丰干路次干路支路商业步行街居民区工业园区景区水库主：宜配置：O可选配置，靓据具伴情况选择。布置原见考附录F。从上面表格可以看出各种应用模块出现的频度差异较大，在实际项目应用中，也是如此，应用功公共交通公共广环境气一链屏象监测呼叫30W30W40W48V24V12V12V90%80%无有有无有无无无无无无表2 多功能灯杆典型应用场景应用功能参考交通交通交通公共环境气象无线电一键信号流监执法广播监测监测监测呼叫灯测OO00多媒体充电交互35W15W1000W5V或5V33-5VV或12 V无12V096%8.5%36W080%80%O能模块最普遍的是智能照明，其次是视频采集和移动通信，其他智慧城市相关功能模块出现频度较小。7KW75%75%87%信息信息多媒体电动路侧发布屏发布屏交互（交通）（广告）OOO80%汽车单元充电OO0无2023年6 月第2 7 卷第二期多功能灯杆或者只在特定场合出现，比如交通流量监测、环境气象监测一般一个区域一套即可；比如视频采集一般需要考虑特定位置，卡口站在车辆必经之路上。移动通信基站可以根据网络规划和网络优化，小范围调整位置。一般智能照明间距30 米，视频采集间距5 0-5 0 0 米，5 G移动通信间距2 0 0 米左右。通过以上分析，我们可以做这样的预估：在一条路上，多功能灯杆只搭载智能照明的约占8 7%，搭载5 G+智能照明+视频采集模块的约10%，搭载5G+智能照明+视频采集+其他智慧城市模块的约3%。照明和视频采集的功耗相对通信基站较小，因此可以一并考虑供电。而其他应用可以一体考虑。三、方案分析（一）现在多功能灯杆电源方案的优点：1.易于实现，集成各个厂家功能模块，可以快速响应市场客户需求。2.责任界面相对清晰，故障问题定位、电量分摊等较为容易处理。（二）现在一般多功能灯杆电源方案的缺点：1.故障率较高一一部分功能模块本身可靠性不高，如环境监测。但从系统维护整体角度看，系统故障是由最短板决定的，出现故障的话依然是系统故障。2.没有运行状态监控，不够智能化一一整个智慧灯杆虽然可以实现业务远程监控管理，但却将最为关键的电源系统排除在外。有了电源问题，由于不能远程诊断，将大大增加运维成本。3.没有备电一一停电断电情况下，系统马上停止运行，导致系统可用度降低。从以上分析可以看到目前方案仅有项目集成施工的便利，且具备多个缺点，尤其不能满足未来业主单位对多功能灯杆系统的智能化、高效率管理、维护和运营需要。四、解决方案思路与原则（一）思路1.确保系统可靠，首先是要高标准高要求覆盖低标准低要求。系统中，有移动通信、交通信号灯，以及后期将会大量出现的车联网中的车路协同功能模块（例如RSU路侧设备），可靠性要求是高于其他功能模块的，应该按此最高标准要求。2.电源系统应该是智能化的，不能是“哑设备”，要做到电源系统可监可控，并且是程序化的，因为其中的功能单元运行规律性强，比如路灯。3.应对故障与损坏，各个电源功能部件要模块化设计，并且N+X备份。而且最好需要有备电和备用装置，应对可能出现的停电、断电，且要有储能设备。有些重要功能模块，需要在断电4小时或者更长时间内通过备电继续工作，直到断电故障经动力系统维护人员上站修复完成，或者得到移动发电机的临时供电。核心的控制器网关，需要在停电时能工作，将故障告警传送到后台，以便后台可以区分故障类型，是市电停电、空开断，还是设备故障？以便后续启动相应的维修响应动作。4.路灯杆是居民身边的城市公共设施，要充分保证安全，包括产品自身安全、数据安全、人身安全等。产品自身安全，需要防护高压浪涌等冲击，数据安全需要有加密等防护措施，人身安全需要严格符合安规的产品设计，重点防范漏电，必须安装有漏电保护装置，并且此装置可以远程监控工作状态，可以远程操作断电，以便在台风、严重内涝等极端天气，可以远程断电。（二）原则从上分析，并结合应用环境、绿色低碳的方向，可进一步细化出新的智慧灯杆供电方案的需求，储能功能和设备不是优先需要解决的刚需，重要性稍低。1.各个功能模块对于电源要求不一，需要有多种电压电流输出。2.适用不同功能模块组合情况下的功率需求。3.杆站使用，必须考虑环境融合问题。各个功能模块必须小型化。4.系统成本最低，包括建设成本、运行维护成本、质量成本等。5.安全。电源系统是各个智慧功能模块的心脏，可靠性必须要有保障，智慧多功能杆是高耸结构，防雷必须充分考虑。数据安全也是产品安全的一个不可或缺部分。同时，公共设施必须保证人员安全，不能发生漏电等问题。6.各个功能模块隶属不同业主，电费计量须能分用户。7.各个功能模块对用电管理要求不同，甚至需控制电流大小。8.智能化，可远程监控管理，远程升级。33城City Lighting市亚JUN.2023 Vol.27 No.29.低碳绿色环保，充分考虑社会效益，采用高效电源。五、解决方案对于多功能灯杆来说，有交流或直流两种供电输入方式，到杆体系统内，又会有实现方案的差异，本文先论述交流输入方式。交流输入到杆体系统时，大致有如下三种方案：（一）方案一（见图1)，早期演示项目多采取此方案。计量一般不考虑。通信与路灯电源及交流充电桩可以有远程监控，其他电源没有智能控制。优点：各个功能模块产品不用做定制。缺点：各个功能模块各自处理交直流变换、防雷等。成本与可靠性均较差。通信电源AC-DC+AAU（或BBU）路灯电源AC-DC+LED发光模组交流配电（二）方案二（见图3)，目前集成方案多采取此方案。交流配电后，根据业务功能不同，分路计量与配电管理。与智慧城市强相关模块，电源统一到一体做成可远程监控的AC-DC电源。优点：通信、路灯、智慧城市单元，不同业主单位分开管理，符合目前行业与产业状态，易于被业主单位接受。缺点：分路实施的工程等成本和难度依然较大，运维成本高。（三）方案三（见图4)，考虑5 G基站的功耗远大于其他功能模块，可以统一集中到通信电源供电，在产业初期，可以增加48 VDC-DC多路输出，匹配其他功能模块。在市场应用增加后，各个功能模块接受48 V供电，则系统将非常简单。优点：可靠性提升，系统构成简单化、归一化，效率提升。缺点：集成各个功能模块电源接口需改变，各个功能模块供应商和业主单位要有个接受过程。通信基站备电，AAU（或BBU）智能路灯LED发光模组交流AC-DC不同配电电压输出图4交流供电方案三电源方案综合上面方案二和方案三，如果方案三做模块化设计，那么方案二可以是方案三的一种变形或者简配，形成最终的系统图。摄像头以上设计还可以带来其他的一些好处，比如：智能1原来的显示屏电源，与显示屏一体，屏内内AC-DC显示屏发光控制模组不同电压输出交流充电桩图3交流供电方案二电源方案显示屏发光控制模组摄像头（内含DC-DC电源）信号灯电源DC-DC+发光控制模组适配器+网关+环境传感器等应用交流充电柱部工作温度很高，电源长期工作在高温环境下，寿信号灯发光控制模组命将大大缩减。新方案将可避免这个问题，从而提升可靠性。网关+环境传感器等应用2.原来分散在各个功能单元中，不易于维护，例如路灯灯头电源，需要登高车，维修成本高。集中供电后，易于维护维修。3.集中供电后，变换模块功率增大，也易于实现高效率，比如通信电源转换效率最高可以做到98%，相应的热耗减小，绿色环保。六、结论从上面论述中，我们看到多功能灯杆供电，需统一一体考虑，参考通信电源标准和设计架构，增加特定DC/DC转换模块以及其他功能外设，设计出模块化、智能化、高效率、高可靠的电源系统。【参考文献】1贾兴东、徐志斌等多功能智能杆系统设计与工程建设规范。2深圳市智慧杆产业促进会智慧杆系统建设与运维技术规范。3中国通信协会，智慧灯杆白皮书(2 0 19)。4王洋、舒兆平等，智慧灯杆技术规范。34