基于物联网的智慧路灯充电桩应用研究

王有锁　王连明　赵其三

【摘 要】受城市电力供给资源和停车位资源有限、征地成本过高、供配电改造或建设成本费用高等诸多因素的影响，作为新能源电动汽车的基础设施——充电桩的建设严重滞后，这在一定程度上拖慢了电动汽车的发展速度。与之形成鲜明对比的是，城市路灯管网资源丰富，居住小区周围的道路规划有大量的停车位，或城市道路的慢车道具有停车位规划的条件。因此，是否可以在无需改造现有路灯管网和供配电设施的条件下，通过路灯的节能改造，把照明的电力负荷节省出来，依靠原路灯电力管网进行充电桩的建设，并采用物联网的技术，对路灯节能控制和充电桩的工作状态进行分布式智能监测，实现电力能源的统一供给和动态调配，即保证路灯的照明安全，又满足电动汽车的充电需求，将在一定程度上克服充电桩建设难的问题，为新能源电动汽车的普及推广做出重要的贡献。

【关键词】物联网；路灯充电桩；智慧城市；电力线载波；智能箱变

引言

根据麦肯锡发布2013年电动汽车产业发展指数显示，2010年日本、德国和中国指数比较接近；2013年，德国和日本成熟度超过2.5，中国只有1.7。这说明中国的电动汽车发展速度已明显减速，究其原因是多方面的，充电桩建设缓慢是其中一个重要原因。充电桩的建设是依托停车位的。在北京、广州、上海、深圳等大城市，停车位资源是稀有资源，停车位建设征地费用高，配套供电管网改造和建设费用也非常高，因此，如何寻找一个方案，既可以克服停车位征地费用高和配套供电管网建设费用高的困难，又可以大规模低成本甚至零成本开展充电桩的建设，铺平城市电动汽车普及推广的路子，这将是本文要探讨的核心内容。路灯作为城市重要的基础设施，遍布大街小巷，其供电线路管线资源非常丰富。城市路灯照明具有电力负荷大、管线电流大等特点，如果对路灯进行节能改造，节省下来的电力负荷容量完全可以用于充电桩的建设，但必须保证路灯的照明安全，不能因为充电桩的建设导致电力消耗过大，影响路灯正常照明，影响交通安全。因此，本文提出一种基于物联网的智慧路灯充电桩技术和应用方案，旨在解决路灯的智能化节能改造以及路灯与充电桩能耗的实时监测、动态调配，既保证路灯的照明安全，又实现了充电桩的正常工作。方案的核心思想是通过路灯的节能改造，并纳入物联网进行实时监测，智能调光，把节省出来的电能分配给充电桩使用，从而实现了低成本甚至零成本的充电桩建设。

1.路灯充电桩一体化系统设计方案

我国的城市路灯照明，仍然以传统的高压钠灯为主。据国家统计局给出的2013年数字，全国现有路灯21995472盏盏，其中绝大部分仍然是高压钠灯。虽然LED灯的节能和免维护性能已广为人知，但由于种种原因，并没有得到大规模的和普遍的应用。基于高压钠灯在城市路灯中普通存在的现实，对高压钠灯的节能改造也是我們必须面临的事实。因此，我们需要寻找一种可以同时实现高压钠灯和LED灯节能控制的技术，通过这种兼容的节能控制技术，既照顾了城市照明的现状，又积极发挥了LED灯节能优势。按规划图2如示，通过电力载波技术分别把LED路灯、高压钠灯、充电桩（直流快充桩或交慢充桩）接入智慧路灯智能箱变，其中高压钠灯采用可调光电子镇流器。智慧路灯智能箱变通过GPRS/3G无线网络与路灯充电桩监控中心实现远程联网，从而实现了如规划图1所示的效果，即基于物联网的智慧路灯充电桩一体化系统。系统的最大的优势是，整个实施过程无需改动原有供电线路，也无需对电力变压器进行扩容升级别。只需要把路灯头更换成智能调光LED路灯，或用可调光电子镇流器替换原高压钠灯电感镇流器，并统一在路灯头加装电力载波模块，使路灯具有电能测量、节能控制、故障诊断等功能，并解决组网问题。系统方案实施简单，成本低。系统的工作原理如下：

1.1白天时，通过监控管理系统，把LED路灯和高压钠灯从路灯头断开供电，这时候路灯的主干线路是有电的，使分布在道路沿线的路灯充电桩可以为电动汽车提供正常的充电服务；1.2晚上时，监控管理系统根据节能方案，让LED路灯和高压钠灯自动工作在智能调光状态，使路灯的线路负荷减小，使充电桩和路灯同时工作。1.3路灯充电桩一体化监控系统，可以同时监测路灯和充电桩的能耗，根据路灯的节电量和线路负荷大小，自动控制充电桩的的充电电流（直流快速桩）或开启部分充电桩（交流慢充桩）的充电服务，确保充电桩充电工作时，路灯照明是安全的；1.4系统具有峰谷平智能计费功能，可以把充电桩统一设置成智能充电模式，让充电桩自动选择电费最低的时段进行大电流充电（直流快充桩）或开启充电服务（交流慢充桩），从而实现路灯充电桩电能消费的统一调度；1.5系统采用了全球地理信息系统（GIS），市民可以通过手机APP很方便的找寻到离自己最近的充电桩进行充电；1.6系统具有故障定位功能，无论是路灯还是充电桩的异常，均可以从系统后台看到和分析，并可以生成维护清单，从而避免了人工巡察，提高了路灯和充电桩的管理效率。

2、路灯充电桩一体化系统设备和关键技术

2.1电力线载波模块.电力线载波模块是路灯充电桩一体化系统得以实现的基础技术设备，具有电力线载波通信和组网功能、电能测量功能、故障主动上传功能、PWM数字调光功能、数字继电器功能等。该模块设备与LED灯、高压钠灯、路灯充电桩的连接关系如下图：

如图3所示，电力线载波模块分别通过数字供电接口与数字调光接口与LED路灯的连接，这种技术接口，可以直接从未端断开LED路灯的供电，从而允许主干线路在白天时带电，为充电桩的正常使用提供电力。同时，电力线载波模块具有电能测量功能，可以测量LED路灯的运行功率，电压，电流和功率因数等电参数，根据这些参数，可以实时判断LED路灯的运行状态，及时预警，及时发生故障，为路灯的管理提供了极大的便利。其数字调光接口是用来控制LED路灯的功率和亮度的。LED路灯具有优异的调光性能，调光幅度可达100%。实践证明，下半夜将LED路灯调光至20%水平也可以满足正常的道路通车要求。通过电力线载波模块对LED路灯进行调光，节电率最高可达70%以上。

如图4所示，电力线载波模块分别通过数字供电接口与数字调光接口与高压钠灯调光电子镇流器的连接。传统的高压钠灯采用了电感镇流器，其电能损耗非常大，400W的高压钠灯，其电感镇流器约耗电60W～80W。但是，高压钠灯具有光通量大、雨雾穿透力强、不诱虫等特点和优点，对钠灯实施技术升级，使之可以调光，意义重大。调光电子镇流器可以消除高压钠灯电感镇流器的电能损耗，又可以实现高压钠灯的无级调光。受高压钠灯灯泡工作原理的限制，其调光幅值一般在50%以上。通过电力线载波模块对高压钠灯进行智能调光，平均节电率可达50%以上。

如圖5所示，电力线载波模块与充电桩的连接，解决了充电桩的现场通信与组网的问题，这种技术具有免布线的优势，节省材料和施工成本。同时，可以监测充电桩的运行电环境，如果发现电网异常，可以及时断开供电，以确保充电桩的安全。

2.2路充智能控制器

路充智能控制器是路灯充电桩一体化系统得以实现的关键技术设备，其功能框图如下：

路充智能控制器具有以太网、电力线载波、RS-485、RS-232等丰富的通信接口，兼容TCP/IP，MODBUS-RTU，MODBUS-TCP，MBUS，LONWORKS等通信协议，既有模拟量接口，也有数字I/O口。系统采用了先进的嵌入式操作系统，内置路灯管理、充电桩管理、电能管理、故障管理、协议管理等大量的应用程序，具有开放的协议接口，允许用户进行二次开放，以增加管理功能，提高性能等。路充智能控制器具有高达256MB的大容量存储器，具有策略存储、自动执行、数据主动上传等功能，可以长期保证运行数据。路充智能控制器的主要技术接口简介如下：

2.2.1智能电表接口：路充智能控制器可以接入专用智能电表，以实现路灯和充电桩的电能消耗统计、电网质量管理、电网异常报警等功能；

2.2.2 RS-485通信接口：通过该通信口，路充智能控制器可以接入一切满足MODBUS协议的485设备，如通用型智能电表，照度传感器，水位检测器等，从而扩展路充智能控制器的设备管理能力；

2.2.3 RS-232通信接口：通过该通信口，路充智能控制器可以接入232设备，如照度传感器，环境检测器等，从而拓宽路充智能控制器的设备管理能力；

2.2.4电力线载波通信接口：路充智能控制器的电力线载波通信接口同时也是标准的单相电源接口，通过该接口，即实现路充智能控制器的电源供给，又实现了路充智能控制器与线路上的路灯和充电桩的组网。采用电力线载波通信时，路充智能控制器具有三相自动耦合功能，即可以将路充智能控制器接入A、B、C三相中的任意一相，另外二相的受控设备均可以自动联入控制器。

2.2.5 4～20mA模拟量接口：通过该接口，可以兼容一些老旧设备或一些特殊设备，如温度传感器，压力传感器等，从而使得路充智能控制器在新旧设备的兼容上具有灵活性；

2.2.6 数字I/O口：通过该接口，可以直接驱动继电器或断路器线圈，用以控制外部设备的电源供给或路灯线路上电与断电等。

2.3智能箱变。智能箱变是指在普通的路灯箱式变压器内嵌入安装路充智能控制器，使这种箱式变压器具有感知路灯能耗、故障信息、运行状态和自动控制等功能，并通过GPRS/3G与上位计算机监控系统实现远程联网。其系统原理图如下：

如图7所示，在智能箱变内，把路充智能控制器接入供电母线即可，A、B、C三相，可以选择任意一相接入路充智能控制器。为降低电网干扰，在实施的工程实施中，建议在母线前端增加大功率滤波措施，以提高系统工作的稳定性和可靠性。GPRS/3G等无线通信终端与路充智能控制器之间采用以太网接口实现连接。路充智能控制器采用电力线载波通信技术，与各回路的LED路灯和调光高压钠灯自动组网，无需任何其它通信线缆，节省材料和施工成本，也降低了日常的线路维护难度，革命性的提高了城市路灯照明的管理效率。通过电力线载波通信与控制技术在LED路灯、调光高压钠灯、充电桩、路灯供电箱变等设备上的应用，使各个设备互联互通，组成一个有机的物联网。这种基于物联网的智慧路灯充电桩一体化系统具有全局监控、一键管理功能，具有按需照明、动态节能功能，可以实现基于车流量、人流量和天气变化的智能调光照明功能，可以统一调度路灯与充电桩的电能消耗，实时反馈数据，及时发现系统故障，因此，系统具有极大的技术优势和应用价值，具有较好的应用前景。

3、路灯充电桩的建设思路和步骤

根据我国主要城市道路建设与停车位规划的主要特点，我们建议路灯充电桩的建设思路和步骤如下：

3.1对具备停车位规划条件的道路进行节能评估，计算供电容量，给出路灯充电桩的配置信息。建议直流快充桩与交流慢充桩的配备比例为1：5以上，以合理利用道路线路资源和节能；

3.2先从城市居住小区周边和城市慢车道建设开始，通过路灯节能改造，把路灯充电桩安装在路灯杆上或绿化带边缘，按3.1的建议对直流快充桩和交流慢充桩进行合理匹配；

3.3政府控制的出租车路边临时停靠站也是路灯充电桩的重点建设地，通过路灯节能改造，把线路容量节省出来，用于路灯充电桩的建设试点；

3.4时机成熟，可以把路灯充电桩引入任何具备供电管线条件的地方或场所进行建设，以实现城市供电管网资源的充分利用。

4、路灯充电桩一体化系统的节能效益分析

4.1经济效益。根据国家统计局给出的2013年数字，全国现有路灯21995472盏，其中绝大部分仍然是高压钠灯。如果将全国的路灯进行节能改造，节能效益估算如下：

4.1.1估算条件假定：我国城市路灯以400W和250W为主，平均可按300W估算；

4.1.2根据工程经验，采用LED路灯时，约50%灯功率即可以达到高压钠灯的照度效果，结合智能调光，LED路灯的的节电率将达到70%以上，相当于采用90W LED路灯即可以替代300W高压钠灯，则每盏灯节约电功率为210W；

4.1.3根据工程经验，采用调光高压钠灯时，高压钠灯的平均工作灯功率约为原电感镇流器高压钠灯的60%，即调光高压钠灯的节电率在40%以上，相当于采用120W调光高压钠灯即可以替代原300W高压钠灯，则每盏灯节能电功率为180W；

4.1.4城市路灯照明平均时间为每天12小时，每年365天。

4.1.5假定路灯照明电缆基准为0.97元/KWh；

4.1.6采用LED路灯或调光高压钠灯替代原高压钠灯后，则节省的电能计算如下：

A1. LED路灯节能量=单盏灯节约电功率÷1000×每天照明时间×每年照明时间×全国路灯数量

=210÷1000×12×365×21995472

= 20231435146 （KWh）

=202.31（亿KWh）

A2. LED路灯节约照明电费=节电量×电费基准

=202.31×0.97

= 196.24（亿元）

B1. 调光高压钠灯节能量=单盏灯节约电功率÷1000×每天照明时间×每年照明时间×全国路灯数量

=180÷1000×12×365×21995472

= 17341230125（KWh）

=173.41（亿KWh）

B2. 调光高压钠灯节约电费=节电量×电费基准

=173.41×0.97

=168.21（亿元）

4.2减排效益

根据相关数据，减排效益估算如下：

4.2.1估算条件假定：每万度电折合标煤的系数按2012年的3.05核算；

4.2.2每万度电产生的碳排放系数统一按华东电网测算，其标准为7.612；

4.2.3采用LED路灯或调光高压钠灯替代原高压钠灯后，则产生的减排效益计算如下：

A1、LED路灯节省电能折合标煤计算：

LED路灯节能折合标煤=节省的电能×煤电系数

=202.31×3.05/10000

=617.05（万吨）

A2、调光高压钠灯节省电能折合标煤计算：

调光高压钠灯节能折合标煤=节省的电能×煤电系数

=173.41×3.05/10000

=528.9（万吨）

B1、LED路灯减排量计算：

LED路灯减排量=节省电能×碳排放系数

=202.31×7.612/10000

= 1539.98 （万吨）

B2、调光高压钠灯减排量计算：

调光高压钠灯减排量=节省电能×碳排放系数

=173.4×7.612/10000

= 1320.01 （万吨）

根据以上4.1和4.2项的计算，我们可以发现，无论是采用LED路灯还是调光高压钠灯替代原高压钠灯，年可节约用电分别达到202亿度和173亿度，折合标煤分别为617万吨和528万吨，减排量分别达到1539万吨和1320万吨，年可节约照明电费则分别达到196亿元和168亿元。由此可见，节能效益、减排效益、经济效益均是巨大的，具有极高的推广应用价值。

4.3社会效益。本系统方案采用了先进的物联网技术，尤其是电力线载波通信与控制技术，从建设智慧城市的角度出发，把市政路灯的节能改造与充电桩的建设进行有机的结合，整体解决了节能减排问题，具有显著的社会意义，具体如下：

4.3.1有利于推动节能事业的发展。受资源和环境的约束，发展节能减排新技术、新应用，将是国家政策长期鼓励和扶持的方向。本方案提供了一种新颖的、科学的、切实可行的节能思路，希望以此推动全面推动国家节能减排事业的可持续发展；

4.3.2推动新能源电动汽车产业的发展。新能源电动汽车将是汽车工业发展的必然方向和经济增长点，当前普遍存在的充电设施建设不足极大影响了电动汽车的普及推广。本方案可以有效解决充电桩的建设难题，大规模推广应用本方案，使充电桩无处不在，可以影响和带动人们的消费行为和消费习惯，使电动汽车提前走近人们的生活，从而为电动汽车的普及推广扫除障碍，推动国家新能源汽车产业的快速发展。

4.3.3促進智慧需市建设。现在是信息时代和网络时代，互联网正在消失和融于物联网，而物联网正在悄悄走进我们的生活，就在我们的身边。正是基于这种时代背景，国家正在努力推动智慧城市的建设，工业4.0、智慧医疗、数字城管等都是智慧城市的核心内容。而路灯和充电桩的智能化建设，则是数字城管的核心内容之一，也是智慧城市的基础建设内容之一。因此，本系统方案的实施，符合智慧城市的建设需求，也必将促进智慧城市的建设。

4.3.4拉动相关产业的发展。本系统方案涉及LED路灯、调光高压钠灯、充电桩、监控和管理系统软件等产品，大替代推广应用本方案，可以有力拉动绿色照明、电子电器、软件等产业的发展，促进就业，稳定社会。

结论

受资源、环境的约束，发展新能源是世界各国的主题，也是我国政府工作的重点之一。电动汽车将是汽车工业未来的方向。如何铺平新能源电动汽车快速发展的道路，迎接一个全新的电动汽车时代，全面促进节能减排，是我们必须面临和积极思考的问题。本系统方案提出的技术原理和建设规划，不仅实现了路灯的节能，又解决了充电桩建设难的现实问题，无疑给扫除新能源电动汽车普及推广的障碍提供了一个科学、新颖、切实可行的思路，具有极高的推广应用价值。希望以此推动我国社会全方面的节能减排，并为我国乃至全世界新能源电动汽车普及推广应用做一份贡献。

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