自适应隧道节能专用系统的设计与实现

梁华

(广东路达高速公路有限公司，广东梅州514779，13922196813@139.com)

目前，我国高速公路隧道照明的节能技术主要有:采用高功率因数的照明灯具配高效电子镇流器，隧道内两侧铺反射率高的材料，尽量缩短供电电缆长度以减少线路损耗，合理配置配电房的位置，集中调光控制等方法［1］.传统设计方式是使洞内各段照明的照度始终处于最大值状态［2］，无法对整个隧道的照明进行自适应的方式调节，这种设计使大量电能被浪费.也有的采用新型节能灯具，如大功率白光LED灯［3］，但技术上还不成熟，电磁感应灯在工程上已有应用，但还没有国家设计标准，成本也很高.

有些高速公路隧道处于比较偏僻的山区，供电质量比较差，供电电网经常会因为负荷波动较大而造成隧道供电电压的巨大波动.为保证隧道照明不会因为电网故障而引发交通事故，隧道照明一般会采用应急照明［4］、UPS不间断电源等.然而，电网电压波动较大，对UPS及其他用电设备而言，会造成故障率升高，使用寿命下降等问题［5］.人工手动调节的方式则不够及时，而且极大的增加了工作量.

本文通过对主变压器和末端设备进行智能二级联动稳压，并采用自适应的洞内光照调节技术、功率因数自动补偿等，在满足隧道照明设计规范的前提下，较好地解决山区高速公路隧道照明运营成本和隧道安全之间的矛盾，实现稳压和智能调控的节能目标.自适应隧道专用节能系统适用于各种规模的公路隧道照明控制，对缓解我国能源紧缺的现状、降低高速公路运营成本和隧道段的交通事故率具有重要意义.

1 自适应隧道专用节能系统的设计

1.1 总体设计思路

制系统实现照明系统、通风机、车行横洞卷闸门等相关设备的远程监控、实时采集、集成控制.

1.2 系统拓扑结构图

根据远程电网检测技术，采用瞬变抑制元件有效滤除电网电路中的瞬变、浪涌，并用电磁平衡技术有效抑制电网电路中的谐波，减少其对电网和设备的影响及损害，优化供电质量.采用光强检测技术，车速、车流量检测技术，实时采集各种电网参数、隧道洞口亮度、隧道内车速和车流量等时变参数，提供控制测量数据.研究开发的控制软件将依据设定的控制策略，根据供电电网参数、隧道洞外亮度、隧道内车速、车流、负载等时变实测参数，自适应调整高压、无功补偿、终端电压.通过自适应调整照明电压以及照明分组，实现隧道内照明的近似无级调节.通过CAN总线和隧道节能控

自适应隧道专用节能系统由远方监控系统、电压无功调节装置、TLS控制器、光照度采集模块和节电控制装置组成系统，如图1所示.远方监控系统位于隧道管理中心，运行人员可以实时监视主变电气量和档位、隧道内的光照度、电压水平和节电控制器状态［6］，并可通过远方监控系统对主变档位和隧道照明进行手动调节，实现远方操作.电压无功控制装置调节10 kV电压，用来实现前端调节;TLS控制器调节400 V电压，实现后端调节.当电网电压偏离较大时，先进行前端调节，经一定延时稳定后进行后端调节.

图1 自适应隧道专用节能系统拓扑图

1.3 系统各功能模块设计

1.3.1 上位机监控系统

上位机监控系统置于隧道所，可以实时监视主变有载调压档位和10 kV电压幅值，实现主变有载调压人工遥控升、降、停操作以及高压电容器的投切，也可设置为远方自动调节［7］.还可以实时监视两段低压母线电压和现场光照数据，并可远方控制400 V母线的电压调节，也可由远方自动控制.

1.3.2 电压稳定及无功补偿部分

电压是衡量电能质量的一个重要指标.电压偏移额定值过大，不仅对用户的各种用电设备产生不利影响，缩短用电设备的使用寿命，影响用电设备的工作性能，甚至危及电力系统运行的稳定性，使电网损耗增大［8］.

隧道变电所在长期运行维护过程中积累了大量数据，可以从历史数据中总结经验公式，并实时检测，使系统可自适应地进行高压稳压，电压初步调整，将电压稳定于一个比较合适的波动范围内.

1.3.3 其他用电设备的控制

其他用电设备有风机、UPS等.风机在系统检测到能见度降低时开启，也属于感性负荷，需要就地进行无功补偿.风机的运转也需要在一个合适的电压范围内，过低过高都有可能被烧毁;UPS用于隧道内的应急电源，也需要一个相对稳定的工作电压范围.

1.3.4 系统硬件及通讯模块

本系统所用到的硬件部分(包括DMP366电压无功调节装置和TLS光照调节装置以及通讯管理机)由电源模件、交流模件、CPU模件、开入开出板模件或操作板模件、背板模件、液晶显示模件构成.

1)电源模件:提供各种工作电源，直流或交流220 V电压输入，经抗干扰滤波回路后，利用逆变原理输出±5 V，±12 V，+24 V.三组电压均不共地，且采用浮地方式，同外壳不相连.电源具有过压保护和过流保护功能.+5 V用于CPU及外围芯片，±12 V用于模拟量采集回路，+24 V用于驱动继电器.

2)模拟量采集模件:将交流电压、电流转变为弱电信号，以便模数转换.保护CT与测量CT分开，保证保护抗饱和特性与测量精度.模拟量采集模件还可采集4～20 mA，0～5 V信号等模拟量.

3)CPU模件:CPU模件是整个装置的核心部分，完成模拟量、开关量的采集、处理，各种保护判据的运算、判断，然后产生相应的控制出口，发信号及通讯传输等.CPU模件还集成了RS485和CAN通讯功能.本产品拟采用 Intel公司的MCS296SA，它最高运行频率50 MHz、片内寻址空间16 MB、片内RAM容量为2 KB、流水线式结构、集成数字信号处理DSP技术.

4)操作板模件:完成开关的远方/就地操作切换，就地操作，开关防跳，保护出口，遥控出口，开关量采集的光电隔离功能.

5)开入开出模件:完成开关量的光电隔离与继电器的出口功能.

6)背板模件:各模件之间通过接插件与背板相连接，相互传递数据.

7)液晶显示模件:人机接口模件装有大屏幕液晶显示器及键盘，实时显示电流、电压、无功、有功、功率因数、保护信息等，完成人机之间的对话，人机界面友好.同时，考虑到保护运行的特点，装置还配有灯光指示，使装置的运行信息更为直观.

鉴于隧道的环境条件，本项目下层通讯采用CAN(控制器局域网)通讯方式.它最初由德国BOSCH公司为汽车的检测、控制系统设计，具有良好现场抗干扰能力和极高的可靠性.通过CAN总线还可把通风机、车行横洞卷帘门等相关设备的控制集成在一起.上层通讯需要从变电站到高速公路控制室，距离较远，可采用光纤通讯方式.

1.4 系统控制软件的控制策略

1.4.1 系统电压的调节

在系统电压出现大的扰动时，由电压无功调节装置进行调节，将系统供电电压(高压部分)稳定在合适(9.8～10.8 kV)的范围内.例如当系统检测到高压低于9.8 kV时，动作延迟1 min，如果1 min后仍低于9.8 kV则系统将输出电压上调2.5%，如还不能满足要求则继续上调;反之，当系统电压高于10.8 kV时，动作延迟1 min，如果1 min后仍高于10.8 kV，则系统将输出电压下调2.5%，如仍不满足要求则继续下调.根据历年电压数据的记录分析，无功调节装置基本都能在电网电压波动时将其调整到要求的范围内.

1.4.2 照明亮度的调节

根据洞外亮度的变化相应调整洞内的照明亮度以达到节能的目的.按照《公路隧道通风照明设计规范》，入口段亮度公式为Lth=k·L20(S).式中:Lth为入口段亮度(cd/m2);k为入口段亮度折减系数，可按表1取值;L20(S)为洞外亮度(cd/m2).

表1 入口段亮度折减系数

k值的选取与车流量、车速有关，以汕梅高速莲花山隧道为例，设计行车速度为80 km/h，单向车流量为3 000辆/h［9］.但根据现场的调查，单向车流量小于1 000辆/h，且在夜晚9:00点钟以后，车流量比白天下降60%以上，平均单向车流量小于700辆/h，且路上车辆大多为负重的大货车，行车速度一般不会超过50 km/h，按原来设计k的取值为0.035，而实际k的取值只要0.015左右则可，即洞内亮度为原来设计亮度的1/3就能达到要求.

本系统的特色是通过二级调压实现电压的细调，从而实现光照强度的细调，在满足隧道设计规范的前提下，为高速公路隧道的节能和安全提供技术保障.它可以自动适应供电电网电压、光照强度以及负载变化进行照明控制达到系统性节能的目的，同时采用CAN协议的隧道节能控制系统，实现照明系统、通风机、车型横洞卷帘门等相关设备的集成控制.

2 系统实施效果

本系统实施后隧道内亮度变化曲线如图2所示.实施该系统后控制模式由5种增加到20种，提高了控制精度，使洞外光照度的变化更能迅速准确反映在洞内光照度的变化上［10］.

例如上午10:00点以后，当洞外光照亮度超过3 600 cd/m2，达到3 700 cd/m2左右时［11］，系统未投入前洞内光照亮度没有变化，而使用自适应隧道节能系统之后，洞内光照亮度能够按照预定的控制策略实现快速调节，达到自适应洞外光照亮度的目的.

图2 实施前后隧道内亮度比较图

因钠灯的最佳工作电压为198 V，标准工作电压为220 V，系统实际运行的工作电压为195～220 V，通过计算可知纯照明用电的最大节电率约为22%.经实际计量，应用本系统后，隧道负荷整体能耗降低了约10%，照明部分能耗降低约20%.实际运行效果证明，应用本系统后，可延长灯具的使用寿命30%，如果按更换一套灯具所需费用(含材料费、人工费等)为260元.系统投运以来已经为本公司节省了大量的运营成本，创造了良好的经济效益和社会效益.

3 结论

自适应隧道专用节能系统是一个全局的系统解决方案，它有效地解决了营运过程中节能与行车安全之间的矛盾，实现智能调控稳压的节能目标.本文采用的技术与国外的技术相比实现起来较简单，不需要大规模更换现有设备，成本相对较低，节能效果显著，能适应山区较差的电网环境，可以实现近似的无级光照调节，并且实现了电网的远程控制和节能的自动控制，更适合我国国情，具有良好的推广应用价值.

［1］交通部重庆公路科学研究所.TJ026.1—1999公路隧道通风照明设计规范［S］.北京:人民交通出版社，2000.

［2］中国建筑科学研究院.JGJ/T 119—98建筑照明术语标准［S］.北京:中国建筑工业出版社，1999.

［3］Tu Yun.Design of energy-efficient lighting tunnel［J］. Lamps and lighting，2007，31(2):40-42.

［4］同济大学建筑系，清华大学建筑系，中国建筑科学研究院建筑物理研究所.GB5697—85人类工效学照明术语［S］.北京:中国标准出版社，1986.

［5］Illuminating Engineering Society.ANSI/IESNA RP-8 -00.American National Standard Practice for Roadway Lighting［S］.New York:Illuminating Engineering Society of North America，2000.

［6］LUO Zhijia，ZHONG Hanshu，MAO Zongyuan.Road tunnel lighting control system［J］.Computer and Communications，2005，23(4):117-119.

［7］CHEN Liang.Expressway tunnel lighting system design and implementation of energy［J］.Transportation Information Industry，2007(1):123-125.

［8］WANG Zhi，LI Nianen.Road tunnel lighting control system model of energy-saving hardware design and implementation［J］.Enterprise technology development，2009，28(4):22-25.

［9］YE Peiqun.Expressway tunnels ShanMei energy saving intelligent lighting control system［J］.Highway and Transport，2005(4):173-174.

［10］ZHOU Taiming.Electric Lighting Design［M］.Shanghai:Fudan University Press，2001.

［11］CHEN Zhonglin，HU Yingkui，LIU Yingying.Road lighting luminous efficiency calculation［J］.Lamps and lighting，2006，30(4):1，2，12.