智慧照明系统在海上平台的研究与应用

封园（中海石油（中国）有限公司天津分公司渤海石油研究院）

为响应国家碳达峰、碳中和目标，新建海上油气平台要求在“ 十四五” 期间碳排放强度下降10%～18%。常规海上平台建设采用普通LED照明，存在能耗高、灯具寿命短、光污染等问题，节能技术已达到瓶颈，且人工运维成本高，巡检时间长，劳动强度大，在危险区域的照明维护不及时，存在一定的安全隐患。

随着工业智能照明技术水平的发展进步，智慧照明应运而生，它以照明灯具为联接管控对象，利用可靠的通信技术及各类先进的探测设备，实现对作业环境中照明灯具的照度调节、能效监测、故障告警、寿命预测、信息追溯等科学和系统的管理，能大幅降低企业能耗和维护成本，建立更加安全节能、高效舒适的工作环境[1-4]。

以海上某新建平台为例，详细对比分析常规LED 照明方案与智慧照明方案，可为后续油气田工程建设提供重要的参考借鉴。

1 智慧照明系统简述

智能照明系统以网络技术、计算机技术、多媒体技术、自动化控制、智能技术为基础，以照明灯具为联接管控对象，利用物联网技术、有线/无线通讯技术、电力载波通讯技术、嵌入式计算机智能化信息处理以及节能控制等技术，组成分布式照明控制系统，实现对远端灯具的智能化控制。照明智能化监控系统可以实现对各种工业环境用灯、差异化照明需求的场合进行灯具控制，可远程以及智能化控制灯具的开关、调整灯具的亮度、检测灯具的工作状态，从而实现高效率、低成本的管理[5-8]。

智慧照明系统具有如下优势：

1）智能照明控制系统可根据外界环境变化，自动调光，在满足工作面正常照明的情况下，最大程度为用户节能。针对用户不饱和工作区域，系统可以将灯具调光至用户选择的任意照度值，并同时可控制隔盏亮灯，在保证人员安全通过的前提下，最大程度降低能耗浪费；走廊、通道等人员无需长时间停留的区域，通过微波感应人体存在，自动亮灯，人员通过该区域后，灯具自动熄灭或变暗，避免该区域使用长明灯，帮助用户节省电费。根据用户设定的定时开关灯计划，系统自动运行灯具开关，免去用户手动作业，开关灯具时间更为准确，避免因人为原因忘记关灯而造成能源浪费。

2）传统照明维护采用人力巡检模式，需要定期排查，费时费力，智能系统能随时随地检测照明设备运行状态，以及灯具使用情况，能自动巡检、自动故障报警，准确定位故障，生成故障信息，提醒维护人员到现场检查维护灯具。系统还会自动计算灯具寿命，提醒用户根据灯具使用情况按需采购配件，帮助用户减少库存，降低采购成本；在满足现场用电设备联动需求的同时，分组、分场景控制，减少点亮灯具数量，调整灯具照度，延长灯具寿命，减少人工维护成本。

2 系统架构

智慧照明系统主要由智能灯具、控制终端、信号传输、操作软件四部分组成。智能灯具是可调光的LED 灯具，能链接至局域网或互联网中。控制终端包含主控制器和照明控制盘，主控制器以RS485通讯技术、电力载波技术、无线通讯技术为核心，配合专业的硬件和软件设计，对灯具进行开灯、关灯、调光、电气查询、故障报警等智能控制。信号传输主要包括单灯控制器、回路控制器、光照度传感器、红外/雷达传感器等。操作软件为智慧照明系统管理软件以及上位机。智慧照明系统架构见图1。

图1 智慧照明系统架构Fig.1 Framework of intelligent lighting system

智慧照明系统的网络分为感知层、网络层、应用层。感知层采用感应技术，主要由安装在灯具设备主体上的智能控制模块实现对灯具的控制、运行数据的采集、故障查询等功能；人体感应技术，实现人来灯亮，人走灯暗/灯灭功能；光照感应技术，实现特殊天气状况自动开灯/关灯功能。网络层由光纤或无线网络组成，实现前段设备与应用层数据间的传输。应用层及系统监控中心，运用计算机系统构成数据库，具有数据处理、控制、WEB服务功能，通过光纤或无线网络实现对前段设备的控制，并将现场情况、数据报表进行反馈和显示，以供管理和决策。

3 项目案例分析

以海上某新建无人井口平台WHPA 为例，对平台采用常规LED 照明方案与基于物联网的智慧照明方案进行了详细对比分析，以降低照明系统能耗，实现节能减排。

3.1 智慧照明总体功能

根据新建WHPA 平台现场实际照明需求，设计了符合现场的照明策略[9]，实现的总体功能如下：

1）通过上位机可远程控制灯具的开关或调光。

2）天亮自动关灯，天暗自动开灯调光。

3）将灯具调至人体感应模式，当有人进入照明区域时，灯具自动调制全功率运行，无人时，灯具亮度为30%。

4）按灯具实际用电量，以日、月、年等为周期生成能耗报表，为平台用电提供数据分析。

5）当灯具发生故障时，系统自动提示，并可快速定位故障灯具区域位置，以及故障相关信息。

3.2 通讯方式

智慧照明控制系统中通讯分为两部分：上行通讯和下行通讯。上行通讯即网关至控制室的通讯，采用光纤通讯。下行通讯为网关至执行设备的通讯，主要有总线、电力载波PLC、NB-Iot、Zigbee及LoRa，结合新建无人平台生产实际，采用LoRa通讯。各类通讯方式对比见表1。

表1 通讯方式对比Tab.1 Comparison of communication mode

LoRa 是一种基于扩频技术的远距离无线通讯技术，其最大的优点就是在同样功耗条件下比其他无线方式传播的距离更远，实现了低功耗和远距离的统一，它比传统的无线射频通讯距离大3～5 倍，可达5 km 以上；同时LoRa 组网节点多，组网方式灵活，可以连接多个节点，抗干扰性强，有自动的频点跳转和速率自适应功能，节点/终端成本低。它的缺点是传输的有效负载比较小，但用于智能照明控制完全足够。结合平台现场灯具安装高度，以及实际应用需求，采用了适用于项目的LoRa通讯[10]。

3.3 方案设计

新建无人井口平台WHPA 为中型无人井口平台，设置240 盏正常照明灯具，包含30 盏120 W 蓬顶灯，210 盏40 W 的LED 灯，照明负荷总计12 kW。新增服务器布置在主开关间，区域开关箱布置在室外，服务器与现场区域开关箱采用光纤连接，组建了专用局域网。

采用常规LED 方案，240 盏照明灯具设置为常亮照明。采用智慧照明方案，30 盏120 W 蓬顶灯设置为常亮照明，另外210 盏40 W 的LED 灯根据时间进行了不同的设定。智慧照明方案见表2。

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

根据两方案照明策略，智慧照明方案能耗整体降低41.3%。按照平台消耗1 kWh 电产生0.95 kg CO2、消耗标准煤320 g 核算，进行两方案对比分析，结果见表3。

表3 两方案对比分析Tab.3 Comparative analysis of the two schemes

3.4 经济对比分析

经过对多个智慧照明系统的厂家进行调研分析，综合分析各厂家费用。两方案直接投资费用对比见表4。

表4 两方案直接投资费用对比Tab.4 Comparison of direct investment fees both schemes

由表4 可知，采用智慧照明方案直接费用投资较常规方案增加32 万元。综合考虑全生命周期经济价值，考虑初始投资折现为-26.93 万元，节约电费折现26.95 万元，节约碳排放费折现6.14 万元，合计净现值为6.16 万元。由此可知，采用智慧照明方案全生命周期内的经济性更优。

4 结论

1）智慧照明方案需根据平台生产实际，制定对应的照明策略，采用的智慧照明系统应具备远程控制灯具开关或调光功能，可实现天亮自动关灯，天暗自动开灯调光；同时可对能耗进行统计，可自动巡检、自动故障报警，准确定位故障，生成故障信息，提醒维护人员到现场检查维护灯具，减少人工维护成本。

2）综合平台现场灯具安装高度及实际生产需求，采用传播距离远，组网方式灵活，可以连接多个节点，抗干扰性强，有自动的频点跳转和速率自适应功能，节点/终端成本低的LoRa 通讯。

3）对比两照明方案可知，采用常规LED 方案能耗为105 120.0 kWh，采用智慧照明方案能耗为61 717.2 kWh，能耗整体降低41.3%；常规方案年产生的CO2排放量约94.87 t，智慧照明方案每年产生的CO2排放量约为55.70 t，每年CO2排放量可减少39.17 t。常规方案年消耗33.64 tce，智慧照明方案年消耗19.75 tce，每年节省13.89 tce，节能降碳效果显著。

智慧照明系统不仅可以提高海上平台能源利用效率，降低能耗，减少环境污染，还可以提高照明设备的运行稳定性和安全性，为海上工作人员提供更加舒适、安全的工作环境，可为后续新建井口平台照明方案设计提供参考。