多功能智慧路灯灯杆的供电方案探索

智慧灯杆体现共享、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5G基站，用电的功率、可靠性等对比其他功能模块不同。

智慧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。

问题概述

智慧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）。

图1、现智慧路灯电源系统分布示意

基本没有监控管理，故障率高。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。

需求现状分析

A、下表1统计了下图2智慧路灯搭载各个功能模块用电方面的需求：

图2智慧路灯搭载功能模块示意图

表1智慧灯杆主要功能模块用电参数

B、从目前应用场景看，在一根杆子上集成所有功能模块，甚至超过四种以上应用，都是较少的，比如设计单位在一个具体应用场景中做系统设计时，将智慧路灯区分三种：智慧主灯、智慧副灯、智能路灯，有些企业区分为：高配、中配、低配。

我们需要采取2-8原则，将应用普遍的、80%以上的需求及配置予以重点考虑，这样可以将复杂问题简单化。下表是应用场景：

表2智慧灯杆典型应用场景

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。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50-米，5G移动通信间距米左右。

通过以上分析，我们可以做这样的预估：在一条路上，智慧灯杆只搭载智能照明的约占87%，搭载5G+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。

方案分析

●现在智慧灯杆电源方案的优点：

A、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。

B、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。

●现在一般智慧灯杆电源方案的缺点：

A、故障率较高--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。

B、没有运行状态监控，不够智能化--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，将大为增加运维成本。

C、没有备电--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，而具备多个缺点，尤其不能满足未来业主单位对智慧灯杆系统的智能化、高效率管理健康、维护和运营需要。

解决方案思路与原则

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？以后继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。

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，亲杆体设计。

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.各个功能模块对下电管理要求不同，甚至需控制电流大小。

8.智能化，可远程监控管理，远程升级。

9.低碳绿色环保，充分考虑社会效益，高效电源。

解决方案

对于智慧灯杆来说，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：

图3交流供电杆体内电源方案

方案说明：

●方案一（见上文1章节，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。

图4交流供电方案二电源方案

●方案二（见上图4），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。

●方案三（见上图5）：考虑5G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48VDC-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48V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。

综合上面方案二、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。最终的系统图建议如下：

图6智慧路灯电源系统方案

以上设计还可以带来其他的一些好处，比如：

1.原来的显示屏电源，与显示屏一体，屏内内部工作温度很高，电源长期工作在高温环境下，寿命将大大缩减。新方案将可避免这个问题，从而提升可靠性。

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。

结论

从上面论述中，我们看到，智慧灯杆供电，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（）。

[4]：王洋、舒兆平等，智慧灯杆技术规范。

作者简介：杨积成，中兴通讯股份有限公司能源产品部综合产品经理。目前主要研究方向为5G建设中各种供电问题，包括旧改站供备电问题，新建站供电模块化扩展问题，5G杆站供电问题等。

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