1、都市快轨交通第 36 卷 第 3 期 2023 年 6 月 收稿日期:2022-04-10 修回日期:2022-09-15 第一作者:李家旭，男，高级工程师，主要从事城市轨道交通供、配电设计与研究工作， 引用格式:李家旭，向东，阙帆，等.基于直流配电与控制的城市轨道交通照明设计与应用J.都市快轨交通，2023，36(3)：153-159.LI Jiaxu,XANG Dong,QUE Fan,et al.Design and application of urban rail transit lighting based on DC power distribution and controlJ
2、.Urban rapid rail transit,2023,36(3):153-159.153URBAN RAPID RAIL TRANSIT机电工程doi:10.3969/j.issn.1672-6073.2023.03.024 基于直流配电与控制的 城市轨道交通照明设计与应用 李家旭，向 东，阙 帆，温振兴，杨顺才（广州地铁设计研究院股份有限公司，广州 510010）摘 要:苏州轨道交通 5 号线正线采用基于直流配电与控制的智能照明系统，用直流为 LED 灯具供电。阐述采用直流供电的背景原因及应用方案，将高频开关可控整流电源模块作为直流电源，选用 IT 接地系统。根据整流电源模块的输出特
3、性，制定一种基于曼彻斯特编码规则的调光协议，通过直流低频载波通信方式进行指令传输，对灯具进行控制。提出一种以小容量整流电源模块为电源的配电系统短路故障保护方式。通过分析直流电对线缆绝缘空间电荷的影响，表明低压直流配电选用常规交流线缆产品可满足线缆绝缘安全的要求。在地面站阳澄湖南站的屋顶设置一套小容量分布式光伏发电系统，将直流并网至车站直流照明微电网，实现多端口再生能源接入系统应用。苏州地铁 5 号线已于 2021 年 6 月通车运行，目前直流照明系统运行平稳。关键词:城市轨道交通；直流；控制；配电；照明 中图分类号:U231 文献标志码:A 文章编号:1672-6073(2023)03-015
4、3-07 Design and Application of Urban Rail Transit Lighting Based on DC Power Distribution and Control LI Jiaxu,XANG Dong,QUE Fan,WEN Zhenxing,YANG Shuncai(Guangzhou Metro Design and Research Institute Co.Ltd.,Guangzhou 510010)Abstract:The main line of Suzhou Rail Transit Line 5 employs an intelligen
5、t lighting system based on direct current(DC)power distribution and control,with DC supplying power to light-emitting diode(LED)lamps.This study describes the background reasons and application scheme for selecting a DC power supply.A high-frequency switch-controllable rectifier power supply module
6、was used as the DC power supply,and an IT grounding system was selected for the system.A dimming protocol based on Manchester coding rules was developed according to the output characteristics of the rectifier power module.Commands were transmitted via DC low-frequency carrier communication to contr
7、ol the lamps.A short-circuit fault protection method for a distribution system with a small-capacity rectifier power module was proposed.By analyzing the influence of DC on the space charge of the cable insulation,it was determined that conventional alternating current(AC)cable products for low-volt
8、age DC distribution can satisfy the requirements of cable insulation safety.A small-capacity distributed photovoltaic power generation system was installed on the roof of the Yangcheng Hunan Station,which was connected to the DC lighting microgrid of the station to realize the application of a multi
9、-port renewable energy access system.Suzhou Line 5 commenced operation in June 2021,and,to date,the DC lighting systems have been operating smoothly.Keywords:urban rail transit;DC;control;power distribution;lighting 都市快轨交通第 36 卷 第 3 期 2023 年 6 月 154 URBAN RAPID RAIL TRANSIT 随着电力电子技术的不断发展，以及直流负载终端的不断
10、丰富，直流技术重新成为研究热点。在高压输电行业直流研究与应用已比较广泛和深入，在中低压配网的研究与应用则相对少了很多。苏州轨道交通5 号线(以下简称“5 号线”)率先在照明系统探索应用直流技术，积累了一些经验与认识。现将其做一个总结，以期能对后续建设工程有所启示和帮助。1 应用背景 1.1 LED 负载 苏州地铁 5 号线全线正常照明、导向照明及广告灯箱均采用 LED 作为照明光源，这类照明灯具主要由灯珠阵列、灯具壳体和驱动电源 3 部分构成。LED 灯珠是低压直流器件，所以需要驱动电源将市电降压整流成稳定的低压直流。灯具驱动一般在滤波电路中使用较大容量的电解电容，电解电容在额定条件下的使用寿
11、命一般比 LED 灯珠的寿命短很多，成为限制整灯寿命的短板。有的研究通过采用感性储能元件替代电解电容、注入谐波电流、并联辅助网络等手段，替代滤波电路中的电解电容，以延长灯具的使用寿命1-2。这需要注入谐波电流或脉动驱动电流，增加辅助电路，会使驱动体积更大、结构更加复杂。为彻底解决电解电容限制整灯寿命的问题，5 号线采用照明电源集中整流方案，为灯具提供了纹波良好的直流电，在灯具内仅需要完成隔离与 DC/DC 变换，就可以彻底解决驱动内电解电容限制灯具寿命的问题。同时，避免了频繁登高作业对灯具进行更换维护，给运营维护带来极大的便利。1.2 节能需求 在双碳目标下，轨道交通的节能十分必要。照明在轨道
12、交通能耗中占据着较大的比重，需要考虑节能设计。照度设计要考虑灯具使用后的光衰及灯具清洁度影响，车站公共区照度计算一般需要考虑 0.7 的维护系数。正常运行车站有较多的广告灯箱、导向灯箱等作为车站照明的补充，使得车站运营初期照度往往较标准值高出很多。5 号线开通初期，车站公共区的平均照度一般在 450 lx 以上，部分车站甚至达到 600 lx，远超规范要求的站厅 200 lx、站台 150 lx 的要求，有较大的调光节能空间。以往通过控制回路开关的方案，会造成照度均匀度降低，故 5 号线采用智能调光方案，在保证均匀度等照明效果的前提下实现节能。1.3 供电安全 直流配电在安全性上较交流配电有着
13、较大优势3-4，人体对交流和直流电流的感知耐受曲线分别如图 1、2 所示5。图 1 交流电的时间/电流效应(左手到双脚)Figure 1 Time/current effect of AC(left hand to feet)图 2 直流电的时间/电流效应(纵向向上)Figure 2 Time/current effect of DC(longitudinal upward)以水湿润条件下较大面积手到手的 220 V 触电情况为例，人体阻抗值取 1 900，此时流经人体的电流约 115 mA。对比以上两张图：直流 115 mA 坐标在DC-4 曲线左侧，可以认为几乎不会引发心室纤维性颤动；交流
14、 115 mA 持续时间超过 0.5 s，则有引发心室纤维性颤动的风险，触电时间越长概率越大。从各个方向流过人体的交流电都可能引起心室纤维性颤动，而直流电只有在纵向流过时才会有风险，且向下电流的纤维性颤动阈值约为向上电流的 2 倍。人在触碰交流电时，若通过电流大于 10 mA 时一般就难以摆脱，如果保护装置未能及时切断回路，就有可能造成生命危险。直流电与交流电不同，只有在电流接通和断开时才会引起肌肉疼痛和痉挛状收缩，基于直流配电与控制的城市轨道交通照明设计与应用 155URBAN RAPID RAIL TRANSIT因此极大减少了触电时间。可以认为，在 220 V 电压等级下，直流电较交流电有
15、更好的安全性。综上比较，5 号线采用了基于直流供电与控制的智能照明系统。2 苏州轨道交通 5 号线智能照明系统方案 2.1 配电及组网 为保证照明可靠性，5 号线站厅、站台及出入口等公共区域照明仍按照交叉供电设计，配电架构与原交流方案一致，即从变电所两段母线交流馈出至照明配电室的照明总箱，总箱进行分配至直流控制单元，在直流控制单元内完成 AC 380 V 整流至 DC 220 V，实现照明的供电控制一体化，然后分回路馈出至照明灯具。直流控制单元是直流智能照明系统的核心单元，由主控模块、通信模块、整流电源模块、绝缘监视模块、霍尔电流传感器、漏电流传感器、直流接触器、直流断路器、直流母排、触摸屏等
16、组成，其主要功能有：输出电压调节、回路开关、数据采集、绝缘监察、过流/过压/短路等保护等。直流供电部分采用 IT 接地系统。选用隔离型基于 DSP 的电压型 PWM 整流电源模块，单模块功率为3 kW，采用电压外环、电流内环的双闭环控制策略，具有输出电压可控、动态调节响应速度快、稳压稳流精度高、纹波系数小等特点。电源模块 N+1冗余配置，支持热插拔，可实现不断电更换和维护。5 号线车站通过交换机与光纤，对直流照明控制单元进行组网，每个照明配电室设一台交换机，与直流控制单元内置的通信模块相连，实现智能主机与各控制单元的通信(见图 3、4)。2.2 调光控制 目前，轨道交通车站照明的调光方式主要有 2 种：010 V 调光及 DALI 调光，此两种调光方式均需敷设调光控制线。010 V 调光分组受配电和控制回路限制，在交叉配电的车站照明不易做到按功能区域分组。DALI 调光可以给每个灯具赋一个虚拟地址，理论上调光系统可以控制每一个地址的灯具；但因为其所赋地址为随机分配的虚拟地址，无法知道具体每个灯具对应的地址码，难以真正做到按功能分区进行调光控制；且每次更换灯具后都会重新赋地址，施工和调试
