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
3、用 IT 接地系统。根据整流电源模块的输出特性，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
4、:1672-6073(2023)03-0153-07 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
5、 employs an intelligent 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 rectifie
6、r power supply module 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
7、communication to control 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
8、 products for low-voltage 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
9、application of a multi-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
10、力电子技术的不断发展，以及直流负载终端的不断丰富，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
11、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
12、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
13、 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
14、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 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
15、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 D
16、C 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
17、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：0 10 V 调光 及 DALI 调光，此两种 调光 方式均需 敷设调光控 制线。0 10 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
18、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 极为繁琐。鉴于此，结合直流配电的特性，5 号线在设计阶段考虑不增加调光控制线，采用可靠性较高的直流调光方式6。直流调光方式主要有：直流降压调光、宽带电力载波调光及直流低频载波调光。图3 5 号线车站照明配电与控制架构 Figure 3 Station lighting distribution and control structure diagram of line 5 图4 直流照明控制单元结构 Figure 4 Structure block diagram of DC lighting control unit 1)直
19、 流降压 调光。采用 降 低输出直 流母 线电压的方式传递调光指令，控制母线电压的变化，通过电源线传递到灯具，灯具根据线路电压调节光通输出。此种方式无法做到按区域调光，同时因为线路压降的原因，会导致同回路灯具亮度不一致的情况(见图 5)。2)宽带电力载波调光(PLC)。宽带电力载波是在电源侧配置的载波模块发出的信号波形(见图 6)，通过耦合器将模块发生的信号耦合到电源线路上，再将信号传导至灯具，灯具驱动内置解码模块，对信号进行解码后执行。宽带电力载波可覆盖物联网及低压远程抄表、中压配网自动化等应用场景，具有较好的传输速率以及较强的去噪和纠错能力。此种方式需要在配电系统增加载波模块、耦合器及阻波
20、器等附件，建设成本相对较高。都市快轨交通第 36 卷 第 3 期 2023 年 6 月 156 URBAN RAPID RAIL TRANSIT 图5 降压调光曲线 Figure 5 Step down dimming curve 图6 宽带电力载波调光波形 Figure 6 Broadband power carrier communication dimming waveform 3)直 流低频 载波调光。这 种调光方 式是 利用整流电源模块输出电压可进行微秒级的步进调节特性，通过程序使电压按曼彻斯特码规则变化，将电压波形调制成一串 二进 制编码指 令(包含执行 功能 信息、地址 信息和调
21、光 亮 度 信 息)，沿电源线发送至灯具(见图 7)。灯具驱动对指令进行解码：如果命令中地址码与本灯具地址一致，则按照指令执行调光；如果地址码不一致，则不执行命令。直流低频载波通信调光方式抗干扰能力强，通 信可靠，可 适 用于电磁 环境 复杂的场 所。图7 直流低频载波通信的指令电压波形 Figure 7 Command voltage waveform of DC low frequency carrier communication 经对比分 析，5 号线最终采用低频直流载波通信调光方式，对车站照明实行智能控制。根据拟订的调光协议，每 个 直流控制 单元 可以设 置 32 个地址，公 共区
22、最多可 以根 据功能分 成 128 个地 址，每个地址 的调光比例可以不同。车站整体采用模式控制，部分区域则结合照度测量、红外检测、列车进站检测等多维度信息自主感知技 术，进行实时反馈调节。通过直流智能调光控制，5 号线车站日均节能可以达到 200250 kWh。2.3 保护与安全 1)电压及接地型式选择。5 号线直流照明配电的电压正负级间 为 DC 220 V，正 对地与负 对地 均为 110 V。为规范中低压直流配电电压导则(GBT 35727 2017)推荐的优选值，直流采用 IT 接 地 系统，电 源侧不 接地，单极触碰无危险；双极触电如前所述，干燥环境下 DC 220 V 对于多数人
23、来说一般不会引起心室纤 维性颤动危险。后续需进一步研究通过回路电流监测判断回路是否发生触电事故。采用 IT 接地系统，还可以进一步减少因漏电带来的电化学腐蚀影响，保证结构体安全。2)绝 缘监察 与漏电保 护。5 号 线采用 基 于不平衡电桥和直流漏电流测量法，对直流配电系统进行绝缘监察。正负极母线均通过高阻值的平衡电阻及采样投切电阻接地。通过控制电阻的投切，采集各种状态下电阻的电压，建立并求解一系列方程组，得到正负极对地虚拟电阻，由此就可以判断整个系统是否存在接地情况(见图 8)。当系 统出 现绝缘破 损导 致漏电时，系统可根据设置发出警告并切断故障回路。图8 绝缘监察原理示意 Figure
24、8 Schematic of insulation monitoring principle 3)短路及过载保护。5 号线采用整流电源模 块，单个最大 额定 输出电流 为 10 A。由于模 块的输出 功率有限，当输出侧发生短路时，如模块数量较少，则可能无法提供足够的短路容量，无法产生足够驱动断路器断开的持续短路电流。该电流会触发电源模块的短路保护功能而进入限流模式，按照模块额定最大输出基于直流配电与控制的城市轨道交通照明设计与应用 157URBAN RAPID RAIL TRANSIT电流输出。同时，电压迅速下降，整个电源模块进入电流源模式。因此，直流系统的短路电流会被限制在系统最大输出电流的
25、范围内，小于交流系统的短路电流，具有较好的安全性。图 9、10 为 5 号线所用 电源 模块出口 端短 路电压、电流的波形。当短路发生时，电源模块输出电流在约100 s 内达到 最大，然 后 在 800 s 内 下降到模 块额 定最 大 输出电流；输出电压也在 2 ms 内下降约 200 V，随后进入电流源模式，短路后的输出电压由回路阻抗决定。图9 直流电源模块短路时间电流曲线 Figure 9 Short circuit time current curve of DC power module 图10 直流电源模块短路时间电压曲线 Figure 10 Short circuit time
26、voltage curve of DC power module 根 据直流电源的短路特性，5 号线采 用高精度 直流保护模块来实现输出回路的短路保护。直流保护模块 可以实时监测母线电压以及每个输出回路的 电 流。当回路发生短路故障时，模块可以监测到母线电压降低，短 路 回路电流增大；当超过预设的保护定值 时，系统将切断该回路输出，实现故障回路切除，保证系统正常运行。过载保护也是同理。2.4 线缆选择 国内外对于中低压直流电缆的研究相对较少，一般认为直流电缆的额定运行电压可取为交流额定相电压峰值。有研究表明，相同绝缘水平的电缆，对直流和 交流耐受电压的有效值之比为 2 37-8。同一 电缆，直
27、流击穿 场强 要达到交 流 的 2 3 倍，即 电缆对直 流有较好的电压耐受能力。除耐压性能外，理论上因直流环境可能引起电缆绝缘材料空间电荷聚集，导致绝缘内部电场畸 变，会加速电缆绝缘的老化和破坏。研究表明，空间电荷的出 现 与 分 布，与温度及 施加 在绝缘上 的场 强有关9-11。当交联聚乙烯绝缘层在温度 30时，空间电荷开始累积的场强阈值为 10.7 MV/m；温度为 65时，场强阈值为 3.1 MV/m；温度为 70时，场强阈值约为2.7 MV/m。当电缆运行在 70以下、电缆绝缘的最大场强阈值在 2.7 MV/m 以下时，可以认为绝缘中不存在空间电荷。5 号 线直流系统沿用交流配电的
28、电线与电缆选型的原则，选 用 0.6/1 kV 的 交联聚乙 烯绝 缘聚乙烯 护套铜芯电缆，以 及 450/750 V 的交联聚 乙烯 绝缘铜芯 电线。根据 规范 GB/T 12706.1 的规定，导体 截面为 2.516 mm2的交联聚乙烯 绝缘 电缆，其 绝缘 层厚度不 得小于 0.7 mm。经计算，线 缆 绝缘场强 不大 于 0.2 MV/m。而且，车 站环 境温度一 般不 会超过 40，照明供 电回路工作电流一般远小于其额定载流量，导体发热情况较轻，远 达不 到 70。故 设计认为，DC 220 V 直流配 电系统按照常规交流配电选用电线电缆是可 行 的，在此电压下直流环境对线缆绝缘及
29、耐压没有影响。5 号 线 至照明灯具的配电回路仍选择三芯 线。设计之初，为避免配电回路发生接地故障时直流漏电成为“杂散 电流”，仍 设一芯 线与配电 室的“地”连 通，灯具外壳与吊顶绝缘安装，以此达到约束收集漏电流的目的。但此方案因产品及施工原因，实践效果并不理想，后续工程可取消三线方式，设两线即可。2.5 光伏直流并网 5 号 线在地面车站设置了一套小容量的分布式光伏发电系统。光伏阵列发出来的电通过并网模块，直流并网模块至照明控制单元内的直流母线，构成直流微网。通过 控 制策略，实 现 光伏发电 被优 先就地消 纳，不足的部分由车站电网供给。直流并网模块内设稳压电路，将光伏板发出的电压按设定
30、值稳定输出。直流并网取消了逆变、锁相等环节，实现了分布式发电系统与车站低压直流配电网的无缝连接，提高了太阳能的利用效率，降低了系统故障率。都市快轨交通第 36 卷 第 3 期 2023 年 6 月 158 URBAN RAPID RAIL TRANSIT 3 问题与建议 3.1 故障特性不同 以可控整流模块为电源的配电系统故障特性，与以往交流电源的配电系统不同。当负载功率大于模块额定输出功率(过载)或者输出端短路时，电源模块表现出电流源特征，即输出电流恒定，电压随回路阻抗而确定。通常交流短路及过载保护依赖于断路器，以流经断路器的 电流 大小作为判断依据来进行动作。常 规 C型断路器 根 据 G
31、B10963.1 的 规定，通过 10 In 电流时，脱扣时间小于 100 ms 即满足规范要求(见图 11)。图11 C 型断路器脱扣曲线 Figure 11 Tripping curve of type C circuit breaker 直流系统由于整流模块中的高频电子开关过载能力 较弱，短路承受时间较短12。所以，一般整流模块内部都配置相关的保护电路，以便快速截断短路电流13，一 般可以 在 10 ms 以内。常规机械断 路器 难以保证在模块进入自我保护前可靠动作。电源模块进入电流源模式，将会扩大故障影响范围。要快速切除故障回路，一是要有足够大的短路容量，二是 要有 响应更快 的保 护
32、元器件。采 用单只 3 kW电源模块，设 16 A 的 C 型直流断路器，用 2.5 mm2电线，在 25 m 处短路时的电压波形 如 图 12 所示。可以看见，断路器并没有脱扣，短路后模块进入限流保护模式，输出 电压迅速 下降。当采 用 3 只 电源模块 并列运行时，在同样回路发生短路故障时，电压波形如图 13 所示。电源模块 数量 的增加，可 以 提供更大 的短路容量，使 短 路发生时 有足 够的电流 冲开 回路断路 器。图12 1 个 3 kW 电源模块 25 m 处短路时间电压曲线 Figure 12 Short circuit time voltage curve at 25 m o
33、f one 3 kW power module 图13 3 个 3 kW 电源模块 25 m 处短路时间电压曲线 Figure 13 Short circuit time voltage curve at 25 m of three 3 kW power modules 现有直流断路器与交流断路器的区别在于灭弧性能 的 差异，动作响应时间并不一定比交流断路器快，所以在直流电源容量不大的配电系统中难以起到可靠的保护作 用。现在国内 已有 部分厂家 注意 到这个问 题，并开始研发适用于中低压直流配电的低功耗高频开关管的固态断路器。3.2 发热量控制 集中整流方式，将原分散设置在灯具驱动内的整流环节
34、集中在车站照明配电室，会导致其室内的设备发热量增加。对于部分面积较小且仅设置通风不设空调的配电间，会导致室内温度升高，尤其在夏季表现基于直流配电与控制的城市轨道交通照明设计与应用 159URBAN RAPID RAIL TRANSIT得相对明显。部分车站设备间的通风换气是从室外直接送风，在夏季正午室外温度最高的时候，送进来的风温度比配电间内的温度高，起不到降温作用。解决方案是在 配电 间设置排 气扇，从 设备区 走 道送风换 气。设备区走道温度一般较低，送进来的风可以起到降温作用。在新建线路采用集中整流时，配电间可考虑设置空调。同时，提高集中整流环节，选用更大功率的电 源 模块，以便减少功率设
35、备数量，提高系统效 率，减少发热量。3.3 灯具地址设定 5 号 线 灯具采用驱动电源设拨码开关，实现灯具地址码的设定。此种方式可以不受配电回路限制，任意设定灯具地址，但因其为接触式设定，如设定完成后需更改，则仍需要登高作业，对驱动电源防护等级也有不利影响。后续项目建议采用红外、蓝牙或者NFC 等 非接 触式设定 方式，从而极大 简 化地址设 定的工作量，同时有助于提高驱动模块的防护等级。在轨道交通车站内，多种配电制式并存。在绝缘破损仅报警不切除时，如在导线绝缘破损处附近发生交流短路，就有可能导致交流混入直流系统，为此带来安全隐 患。5 号 线 通过直流保护模块，采集正极线对地或负极线对地的电
36、压。当有交流相线搭接到直流DC+或 DC-回路时，系统对采样结果通过 FFT 计算50 Hz 基 波分 量的幅值；当 判定结果 为交 流混入，则控制断开相应的输出回路。4 结语 目前直流配电设计规范和配套产品尚不完善，直流设备及元器件价格较高，大规模应用低压直流配电的建设项目较少，以至可供借鉴的经验不多，建设成本较高。但是，随着低压直流技术的不断进步，这些问题正在逐步解决14。轨道交通 除 了 LED 灯具外还有许多大功率电子信息设备、变频通风空调设备等，具有很好的直流应用前景。可结合四轨供电，设置多电平输出双向变流器，同时 输 出 DC 750 V 与 DC 375 V，750 V 用于 列
37、车牵引，375 V 用于 车站配 电。将车 站牵 引供电、逆变 回 馈 与 车站配电电源进行整合，集约资源减小车站 规模，今后可进一步深入研究。参考文献 1 汪飞,钟元旭,阮毅.AC-DC LED 驱动电源消除电解电容技术综述J.电工技术学报,2015,30(8):176-185.WANG Fei,ZHONG Yuanxu,RUAN Yi.A review of eliminating electrolytic capacitor in AC-DC light-emitting diode driversJ.Transactions of China electrotechnical soci
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