智慧照明系統在海上平臺的研究與應用

封園（中海石油（中國）有限公司天津分公司渤海石油研究院）

為響應國家碳達峰、碳中和目標，新建海上油氣平臺要求在“ 十四五” 期間碳排放強度下降10%～18%。常規海上平臺建設采用普通LED照明，存在能耗高、燈具壽命短、光污染等問題，節能技術已達到瓶頸，且人工運維成本高，巡檢時間長，勞動強度大，在危險區域的照明維護不及時，存在一定的安全隱患。

隨著工業智能照明技術水平的發展進步，智慧照明應運而生，它以照明燈具為聯接管控對象，利用可靠的通信技術及各類先進的探測設備，實現對作業環境中照明燈具的照度調節、能效監測、故障告警、壽命預測、信息追溯等科學和系統的管理，能大幅降低企業能耗和維護成本，建立更加安全節能、高效舒適的工作環境[1-4]。

以海上某新建平臺為例，詳細對比分析常規LED 照明方案與智慧照明方案，可為后續油氣田工程建設提供重要的參考借鑒。

1 智慧照明系統簡述

智能照明系統以網絡技術、計算機技術、多媒體技術、自動化控制、智能技術為基礎，以照明燈具為聯接管控對象，利用物聯網技術、有線/無線通訊技術、電力載波通訊技術、嵌入式計算機智能化信息處理以及節能控制等技術，組成分布式照明控制系統，實現對遠端燈具的智能化控制。照明智能化監控系統可以實現對各種工業環境用燈、差異化照明需求的場合進行燈具控制，可遠程以及智能化控制燈具的開關、調整燈具的亮度、檢測燈具的工作狀態，從而實現高效率、低成本的管理[5-8]。

智慧照明系統具有如下優勢：

1）智能照明控制系統可根據外界環境變化，自動調光，在滿足工作面正常照明的情況下，最大程度為用戶節能。針對用戶不飽和工作區域，系統可以將燈具調光至用戶選擇的任意照度值，并同時可控制隔盞亮燈，在保證人員安全通過的前提下，最大程度降低能耗浪費；走廊、通道等人員無需長時間停留的區域，通過微波感應人體存在，自動亮燈，人員通過該區域后，燈具自動熄滅或變暗，避免該區域使用長明燈，幫助用戶節省電費。根據用戶設定的定時開關燈計劃，系統自動運行燈具開關，免去用戶手動作業，開關燈具時間更為準確，避免因人為原因忘記關燈而造成能源浪費。

2）傳統照明維護采用人力巡檢模式，需要定期排查，費時費力，智能系統能隨時隨地檢測照明設備運行狀態，以及燈具使用情況，能自動巡檢、自動故障報警，準確定位故障，生成故障信息，提醒維護人員到現場檢查維護燈具。系統還會自動計算燈具壽命，提醒用戶根據燈具使用情況按需采購配件，幫助用戶減少庫存，降低采購成本；在滿足現場用電設備聯動需求的同時，分組、分場景控制，減少點亮燈具數量，調整燈具照度，延長燈具壽命，減少人工維護成本。

2 系統架構

智慧照明系統主要由智能燈具、控制終端、信號傳輸、操作軟件四部分組成。智能燈具是可調光的LED 燈具，能鏈接至局域網或互聯網中。控制終端包含主控制器和照明控制盤，主控制器以RS485通訊技術、電力載波技術、無線通訊技術為核心，配合專業的硬件和軟件設計，對燈具進行開燈、關燈、調光、電氣查詢、故障報警等智能控制。信號傳輸主要包括單燈控制器、回路控制器、光照度傳感器、紅外/雷達傳感器等。操作軟件為智慧照明系統管理軟件以及上位機。智慧照明系統架構見圖1。

圖1 智慧照明系統架構Fig.1 Framework of intelligent lighting system

智慧照明系統的網絡分為感知層、網絡層、應用層。感知層采用感應技術，主要由安裝在燈具設備主體上的智能控制模塊實現對燈具的控制、運行數據的采集、故障查詢等功能；人體感應技術，實現人來燈亮，人走燈暗/燈滅功能；光照感應技術，實現特殊天氣狀況自動開燈/關燈功能。網絡層由光纖或無線網絡組成，實現前段設備與應用層數據間的傳輸。應用層及系統監控中心，運用計算機系統構成數據庫，具有數據處理、控制、WEB服務功能，通過光纖或無線網絡實現對前段設備的控制，并將現場情況、數據報表進行反饋和顯示，以供管理和決策。

3 項目案例分析

以海上某新建無人井口平臺WHPA 為例，對平臺采用常規LED 照明方案與基于物聯網的智慧照明方案進行了詳細對比分析，以降低照明系統能耗，實現節能減排。

3.1 智慧照明總體功能

根據新建WHPA 平臺現場實際照明需求，設計了符合現場的照明策略[9]，實現的總體功能如下：

1）通過上位機可遠程控制燈具的開關或調光。

2）天亮自動關燈，天暗自動開燈調光。

3）將燈具調至人體感應模式，當有人進入照明區域時，燈具自動調制全功率運行，無人時，燈具亮度為30%。

4）按燈具實際用電量，以日、月、年等為周期生成能耗報表，為平臺用電提供數據分析。

5）當燈具發生故障時，系統自動提示，并可快速定位故障燈具區域位置，以及故障相關信息。

3.2 通訊方式

智慧照明控制系統中通訊分為兩部分：上行通訊和下行通訊。上行通訊即網關至控制室的通訊，采用光纖通訊。下行通訊為網關至執行設備的通訊，主要有總線、電力載波PLC、NB-Iot、Zigbee及LoRa，結合新建無人平臺生產實際，采用LoRa通訊。各類通訊方式對比見表1。

表1 通訊方式對比Tab.1 Comparison of communication mode

LoRa 是一種基于擴頻技術的遠距離無線通訊技術，其最大的優點就是在同樣功耗條件下比其他無線方式傳播的距離更遠，實現了低功耗和遠距離的統一，它比傳統的無線射頻通訊距離大3～5 倍，可達5 km 以上；同時LoRa 組網節點多，組網方式靈活，可以連接多個節點，抗干擾性強，有自動的頻點跳轉和速率自適應功能，節點/終端成本低。它的缺點是傳輸的有效負載比較小，但用于智能照明控制完全足夠。結合平臺現場燈具安裝高度，以及實際應用需求，采用了適用于項目的LoRa通訊[10]。

3.3 方案設計

新建無人井口平臺WHPA 為中型無人井口平臺，設置240 盞正常照明燈具，包含30 盞120 W 蓬頂燈，210 盞40 W 的LED 燈，照明負荷總計12 kW。新增服務器布置在主開關間，區域開關箱布置在室外，服務器與現場區域開關箱采用光纖連接，組建了專用局域網。

采用常規LED 方案，240 盞照明燈具設置為常亮照明。采用智慧照明方案，30 盞120 W 蓬頂燈設置為常亮照明，另外210 盞40 W 的LED 燈根據時間進行了不同的設定。智慧照明方案見表2。

表2 智慧照明方案Tab.2 Intelligent lighting scheme

根據兩方案照明策略，智慧照明方案能耗整體降低41.3%。按照平臺消耗1 kWh 電產生0.95 kg CO2、消耗標準煤320 g 核算，進行兩方案對比分析，結果見表3。

表3 兩方案對比分析Tab.3 Comparative analysis of the two schemes

3.4 經濟對比分析

經過對多個智慧照明系統的廠家進行調研分析，綜合分析各廠家費用。兩方案直接投資費用對比見表4。

表4 兩方案直接投資費用對比Tab.4 Comparison of direct investment fees both schemes

由表4 可知，采用智慧照明方案直接費用投資較常規方案增加32 萬元。綜合考慮全生命周期經濟價值，考慮初始投資折現為-26.93 萬元，節約電費折現26.95 萬元，節約碳排放費折現6.14 萬元，合計凈現值為6.16 萬元。由此可知，采用智慧照明方案全生命周期內的經濟性更優。

4 結論

1）智慧照明方案需根據平臺生產實際，制定對應的照明策略，采用的智慧照明系統應具備遠程控制燈具開關或調光功能，可實現天亮自動關燈，天暗自動開燈調光；同時可對能耗進行統計，可自動巡檢、自動故障報警，準確定位故障，生成故障信息，提醒維護人員到現場檢查維護燈具，減少人工維護成本。

2）綜合平臺現場燈具安裝高度及實際生產需求，采用傳播距離遠，組網方式靈活，可以連接多個節點，抗干擾性強，有自動的頻點跳轉和速率自適應功能，節點/終端成本低的LoRa 通訊。

3）對比兩照明方案可知，采用常規LED 方案能耗為105 120.0 kWh，采用智慧照明方案能耗為61 717.2 kWh，能耗整體降低41.3%；常規方案年產生的CO2排放量約94.87 t，智慧照明方案每年產生的CO2排放量約為55.70 t，每年CO2排放量可減少39.17 t。常規方案年消耗33.64 tce，智慧照明方案年消耗19.75 tce，每年節省13.89 tce，節能降碳效果顯著。

智慧照明系統不僅可以提高海上平臺能源利用效率，降低能耗，減少環境污染，還可以提高照明設備的運行穩定性和安全性，為海上工作人員提供更加舒適、安全的工作環境，可為后續新建井口平臺照明方案設計提供參考。