马 巍

江苏省常州技师学院，江苏 常州 213032

0 引言

照明在很多领域都有应用，如建筑照明、城市道路照明等，属于电气工程的一部分。从工程设计规划的角度来讲，设计规划时大多对工程主体关注度高，而对照明的关注不足，因而很容易将照明这一耗电大户给忽略掉。从节能降耗的角度来讲，很多行业的节能降耗实践已经证明，电气自动化技术的应用对节能降耗有着明显的作用。因此，分析电气自动化技术在照明工程中的实际应用，具有典型的现实意义。

1 电气自动化技术

进入电气时代后，随着电力产品的出现，工业界诞生了电气自动化技术。早期电气自动化技术应用于工业领域，通过接触器、继电器等元器件来实现对电气设备的逻辑控制，以及自动判断机械状况。随着电子信息技术的持续发展，电气自动化技术也随之更新换代，传统的接触器、继电器被微电子产品所取代，其中典型装备是可编程逻辑控制器和单片机，可编程逻辑控制器是目前电气自动化技术中最关键的装备之一。从工控领域的实践来看，典型的电子自动化控制系统主要是可编程逻辑控制器+变频器+电气设备的架构，整个架构是M2M的形式，是物与物的连接，提高了生产效率，降低了人力成本。但随着技术的进步，物与物的连接生产效率陷入瓶颈，而在信息物理系统的发展下，数字化成为一个关键的趋势，因此物与物之间的联系中还将加入人，进而实现人、事、物的广泛连接，即IoT。在这一趋势下，电气自动化技术已经深入各领域，并且几乎成为自动控制的核心，尤其是在数字城市、智慧城市建设中，电气自动化技术的作用越来越明显[1]。

2 照明工程概述

照明工程属于电气工程的前端，主要目的是改善光照环境。照明具有不同的环境，比如室内、广场、道路等，在不同环境下，照明工程系统的控制特点不同，通常需要利用天然光和人工光源系统来满足环境光照要求。照明并不是一个单纯的学科，而是涉及光学、美学、电学、计算机学、建筑学等的综合性学科，照明工程属于典型的技术与资金密集型行业。

2.1 照明系统现状

当前不管是室内照明还是室外照明，均耗能大，如城市照明和建筑照明。相关统计数据显示，城市照明的用电量占全社会用电量的10%，而其中35%的电量是被浪费的。近十几年来，城市道路照明灯具总量发展至几千万，数千万的照明灯具耗电量是非常巨大的，而由于照明管理上存在缺陷，导致照明灯具使用不合理，很多无人时段长时间亮灯现象显著，消耗了电能，却没有发挥出应有的作用。建筑照明的耗电量在整个建筑物的用电量中占比30%以上，特别是商业综合体建筑耗电量更大。这种庞大的耗电量与绿色发展理念明显不符，深层次的原因在于传统照明控制体系已经不适应照明工程的需求。在智能建筑兴起后，BAS系统可实现照明监控，但是也只是具备简单的区域控制以及时控能力，无法针对场景控制灯光，更遑论在智慧城市建设中，城市照明更加需要一个统一的自动化甚至智能化管理平台来实现对照明系统的统一管理，以达到高效使用照明系统，并节能降耗的目标[2]。

2.2 基于电气自动化技术的照明系统改造

按照当前智慧城市建设情形，电气自动化技术是非常关键的技术，对于照明工程而言，采取电气自动化技术对照明系统进行改造升级，目前典型的改造方式是结合物联网技术、电力信息技术等，打造广泛连接的照明系统物联网，前端设备需要集成调制解调器、传感器以及驱动器，利用4G或5G网络来实现数据传输。这方面的相关研究很多，重点要对后台平台进行设计开发，要求后台必须满足数据存储、预处理、分布式计算、数据挖掘以及成果展示的功能，现阶段可基于网格计算、云计算等技术来实现。例如，使用HADOOP开源框架打造后台应用平台；利用云计算的自定义平台自定义海量数据处理平台，实现分布式计算；基于大数据分析，利用数据挖掘算法，对照明工程相关数据进行挖掘，分析照明规律，明确重点照明区域，为系统改造提供参考。可视化展示平台同样比较关键，需要采用灵活多样的数据呈现方式，并且要求数据跨平台访问，并能进行可视化分析[3]。

由上述分析可知，利用电气自动化技术改造照明系统，核心点在于前端和后端。关于后端，上文已做了详细分析，就是要打造数字平台，集监控、远程操控等功能为一体。关于前端，则是要打造适合的智能化照明系统，灯具需要集成一些微电子产品，以完成对场景的实时分析，以及根据场景的变化实时调整照明系统工作状态。这要求前端照明系统必须具备高效的感知能力，即必须让照明灯具知道自己应当“干什么”。例如，一条道路上的路灯，该道路车流量的变化较大，上半夜时车流量、人流量巨大，路灯需开启，以为车辆与行人提供良好的道路照明；到了下半夜车流量与人流量骤减，甚至可能为零，此时就需要路灯自己判断是否开启照明，如果开启照明，照度又应当达到多少。

为了达到更高效率的自动化调整，需要边缘计算的支持。边缘计算的本质是将云计算服务直接下沉到用户侧或者非常靠近用户侧的RAN边缘，并提供云计算服务。由于后台与前端之间是存在传输延时情况的，照明系统自动化是一套大规模物联网体系，加上还可能需要连接其他事物，如联网汽车等，因而需要更高效的数据处理方式。对于照明系统而言，完全由后台处理数据并不是大问题，只是考虑到照明系统规模不断扩大，数据处理量也会越来越大，总有一天会出现无法适应的情况，因此考虑边缘计算也是一种理想的尝试[4]。

3 照明控制系统的一般框架

随着智能建筑的兴起，建筑自动化程度越来越高，照明系统的自动化程度也在提升，但是由于BAS系统功能并不是特别强大，其中的照明子系统还有进一步扩展的空间。目前比较先进的一种电气自动化控制方式是采用全数字、模块化、分布式架构，基于总线控制技术实现对各种控制模块的连接，形成一个照明控制网络，并作为BAS的子系统接入BAS中，也可单独系统独立运行。

4 案例分析

基于上述系统框架，目前某商业广场所使用的照明系统是比较典型的应用案例。该广场的照明系统有两个部分，分别为公共照明和夜景照明，照射范围包括百货超市公共区域、室内步行街公共区域、建筑外墙、室外景观、广场等，灯光类型包含普通照明、效果照明、应急照明等，对于不同区域、不同的灯具型号及不同的照度要求，需要有不同的照明模式设计，这对照明系统的控制功能要求非常细致[5]。

基于该广场所应用的照明控制系统来论，其主要包含如下功能。

（1）操作控制。系统支持自动控制、远程手动控制、BAS智能化管理系统控制三种方式，并可随时切换控制方式。系统自动运行过程中，中控设备上预设场景定时自动控制方案，到时系统自动控制各回路开关动作，手动控制时，通过照明系统链路或BAS系统链路向各回路开关下发控制指令。

（2）监测功能。各回路开关受系统监控，各控制模块以及网关模块是监控的重点。

（3）告警。当系统检测到回路中存在故障时，发出告警提示，并向工作人员发送定位信息和故障处理单据。

（4）将各回路细化为基础照明、应急照明、车位照明、车道照明、顶棚照明、装饰照明、导向标识、广告灯箱等，然后按照回路类型进行编组，有助于各种照明模式的快速切换、组合。

（5）场景模式。预设多种场景，如平时晴天、平时雾天、平时阴雨天、节假日晴天、节假日阴雨天等场景，不同场景对应不同灯光组合模式，同时每一个场景中又设置营业前准备、营业（分白天和夜晚）、闭店后安保等模式，每种模式可按定时预设程序自动切换，也可由BAS系统介入的移动设备远程控制，如此更具有人性化特点。工作人员在现场对光照的感受度是最明显的，通过人来操控要更灵活，而自动化的照明系统为此提供了便利。

（6）历史数据、日志报表用于记录、保存历史数据、告警信息、操作记录，这些数据可用于数据挖掘，以机器学习算法为根基，可实现对照明系统的进一步优化。

（7）控制台可视化界面。

从该广场照明自动控制系统的应用来看，按照场景规则定义照明系统运作情况，除阴雨天气灯光全开的情况，每天满功率运行的时长仅占全天时长的17%，占运营时长的33%；运行一年时间后的统计结果显示，相比于投运前的状况，5—10月统合节能28%，11—4月统合节能19%，具有显著的节能降耗效果。在系统投运之前，照明模式的切换比较复杂，需要每一个楼层都安排专门的工作人员，按照工作手册确定的时间，准时到场操作开关启停照明系统，耗时至少15 min，且存在误操作的可能；而系统投运后，可直接在控制台可视化平台上进行远程操作，只需要几名工作人员在现场确认即可，当然系统甚至可以自动完成模式切换，工作效率非常高。并且，由于可自动感应场景情况，灯光效果会随场景变化而变化，灵活性较高。此外，由于系统不会使照明灯具长时间处在满功率运行状态下，可有效延长灯具的使用寿命。

5 电气自动化技术在照明工程中应用的关键点

从该广场案例来看，利用电气自动化技术对照明系统进行改造具有显著的应用价值。在实际应用中应注意如下几个关键点。

（1）在照明系统设计期间需要按照用户的需求，针对照明工程的特点，考虑好数据共享的可行性，实现系统架构的规划，包括照明系统平台的定位，是单独使用还是接入BAS等系统，总线拓扑应当根据现场实际情况以及实际需求来定。为了确保系统运行以及控制高效，总线长度与总线上的设备需要控制规模，上限应当为70%。组网方面，考虑是接入现场本身就有的网络，还是独立组网（系统独立运行，但易出现数据孤岛）。

（2）前后台设备要以满足系统需求为前提，尽可能在保证技术先进的前提下控制成本，可按需要控制的回路数量选择输出设备，一般为继电器模块，按照回路负载选择继电器，根据照明区域划分选择探头、传感器，同时合理配置电源模块。

（3）按照当前形势，照明系统自动化的核心是照明控制与状态反馈，后续可能在大数据下得到进一步的扩展，因此要考虑系统的可扩展性，不能因太关注成本而降低系统性能，同时要考虑系统后期使用维护的方便性，因而建设之初必须合理规划。

6 结束语

综上所述，基于电气自动化技术对照明系统进行有效改造，对于降低照明系统能耗、增强照明工程的应用价值具有极大的价值意义，按照目前的技术形势，改造照明系统的方式相对简单，也有成熟的应用案例可供参考。文章所探索的自动化照明系统具有一定的优势，在城市照明、商业综合体照明方面应用前景广阔。