用于街道照明自動化的電力線通信

本文討論了基于 G3-PLC 的自動化系統(tǒng)的優(yōu)勢，并提供了一個減少隧道能耗和維護成本的真實系統(tǒng)示例。解釋了基本系統(tǒng)設計并討論了關鍵性能參數(shù)。介紹了針對PLC自動化優(yōu)化的收發(fā)器。

介紹

道路照明、隧道照明、停車場照明和城市照明等多種形式的街道照明是電力的主要消耗者。事實上，據(jù)估計，所有戶外照明占當今全球用電量的19%。對于擁有大型設施的市政當局和企業(yè)來說，街道照明是運營費用的很大一部分。街道照明也是公共安全的重要組成部分。確保路燈可靠亮起，并為行人和車輛交通提供最佳照明水平，對于公共安全和運營商的責任至關重要。因此，對能源使用、運營可靠性和維護成本的任何改進都會為負責街道照明的組織帶來可觀的回報。當然，隨著能源使用量的降低，對環(huán)境有明顯的額外好處。

電力線通信 （PLC） 是街道照明網(wǎng)絡自動化的自然選擇。PLC使公司和市政當局能夠降低運營成本并提高安全性。G3-PLC 是一種基于 OFDM 的新型 PLC 系統(tǒng)，專為電網(wǎng)自動化而設計，可顯著擴展電力線通信的范圍、數(shù)據(jù)速率和性能。本文討論了基于 G3-PLC 的自動化系統(tǒng)的優(yōu)勢，并提供了一個減少隧道能耗和維護成本的真實系統(tǒng)示例。解釋了基本系統(tǒng)設計并討論了關鍵性能參數(shù)。介紹了針對PLC自動化優(yōu)化的收發(fā)器。

PLC系統(tǒng)承諾對環(huán)境和操作員有益

G3-PLC系統(tǒng)為增加路燈網(wǎng)絡的通信提供了簡單的解決方案。這種雙向通信可實現(xiàn)高級自動化：

基于位置、占星日歷和天氣條件的精確開/關時間

黎明/黃昏和深夜的節(jié)能調(diào)光

通過調(diào)光控制交通

流量監(jiān)控

燈故障通知

基于溫度、電流、PF 或工作時間的燈維護通知

緊急開/關/強度控制

能耗實時監(jiān)控

與無線通信系統(tǒng)相比，PLC具有一系列優(yōu)勢。與無線一樣，不需要新電線。但是使用PLC，即使在地下，墻壁和角落周圍也能保持通信。通信信道歸運營商或公用事業(yè)公司所有，因此消除了共享帶寬的風險。PLC沒有視線限制，不受天氣影響。此外，由于PLC使用電力線，它可以檢測何時出現(xiàn)斷線及其大致位置。

隧道照明：真實世界的 PLC 示例

PLC的節(jié)省體現(xiàn)在能源使用和運營成本的降低上，這可能是巨大的?？紤]一個新的PLC系統(tǒng)的例子。該技術目前由Nyx Hemera Technologies用于隧道照明。其隧道照明控制系統(tǒng)（TLACS）為熒光燈照明節(jié)省了25%的能源，并將維護成本降低了30%。通過在隧道入口和出口處使照明水平與外部相匹配，大大提高了安全性。

TLACS系統(tǒng)基于Maxim Integrated的OFDM PLC產(chǎn)品，即使信號電平低于噪聲，也能接收被長電力線嚴重衰減的信號。Maxim解決方案的尋址能力和高數(shù)據(jù)速率使Nyx Hemera Technologies能夠在單個系統(tǒng)中支持多達1022盞燈。TLACS 系統(tǒng)支持長達 3 公里的電線長度，并且由于它使用電力線，因此是模塊化的，易于安裝在現(xiàn)有照明系統(tǒng)上（圖 1）。

圖1.PLC技術方案。在Nyx Hemera Technologies的TLACS系統(tǒng)中，本地控制器集成了PLC，通過交流線路與網(wǎng)絡控制器通信，并使用標準DALI接口控制每個燈。

優(yōu)化照明自動化系統(tǒng)

照明自動化系統(tǒng)的性能和容量取決于PLC系統(tǒng)的范圍、數(shù)據(jù)速率、抗噪性和布線能力。

典型的街道照明拓撲如下圖所示（圖 2）。具有 WAN 連接的集中器調(diào)制解調(diào)器（如光纖或 2G/3G 無線）與控制每個燈的調(diào)制解調(diào)器或節(jié)點網(wǎng)絡進行通信。PLC 調(diào)制解調(diào)器的范圍決定了集中器可以直接與之通信的節(jié)點數(shù)。節(jié)點數(shù)量越多，系統(tǒng)效率越高。

電力線上的通信范圍受幾個因素的影響：分支，它劃分信號的功率;衰減，隨頻率變化;和干擾，例如線路上的開關電源、電機和其他用電設備。由于電力線上的噪聲是動態(tài)的（即噪聲源隨時間推移而打開/關閉），因此抗噪性對于自動化系統(tǒng)保持其基本功能至關重要。通過在節(jié)點中加入路由功能，可以建立一個網(wǎng)狀網(wǎng)絡，允許與集中器連接的節(jié)點通過向集中器和更遠的節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)消息來擴展網(wǎng)絡。雖然網(wǎng)狀網(wǎng)絡可以極大地擴展單個集中器可以服務的網(wǎng)絡，但電力線數(shù)據(jù)速率決定了可以為所需服務保持的大小。由于用于街道照明的網(wǎng)狀網(wǎng)絡從網(wǎng)絡到集中器只有一個通道，因此所有轉(zhuǎn)發(fā)的消息都必須通過一個或多個共享鏈路傳輸，這成為系統(tǒng)瓶頸。

圖2.典型的自動化路燈網(wǎng)絡拓撲示例。

MAX2992為G3-PLC兼容收發(fā)器。它通過滿足 PLC 系統(tǒng)范圍、數(shù)據(jù)速率、抗噪性和路由要求的高級功能，為路燈自動化提供領先的性能。MAX2992采用IEEE? P1901.2低頻PLC預標準，符合ITU G.9955/G.9956 G3-PLC標準。使用 DBPSK、DQPSK 和 D8PSK 進行調(diào)制，可在 FCC 頻段（10kHz 至 487.5kHz）實現(xiàn)高達 300kbps 的數(shù)據(jù)速率。魯棒模式即使在信噪比（SNR）為-1dB時也能保持通信。收發(fā)器采用動態(tài)鏈路自適應，根據(jù)信道條件自動選擇最佳調(diào)制方案和數(shù)據(jù)速率。此外，自適應音調(diào)映射通過選擇噪聲最小的子頻段來避免干擾。這反過來又允許高階調(diào)制自動實現(xiàn)最高數(shù)據(jù)速率。自動關聯(lián)機制在添加或刪除節(jié)點時配置網(wǎng)狀網(wǎng)絡。在傳遞消息時，動態(tài)路由機制會識別并更新網(wǎng)絡中的最佳路由路徑。

街道照明網(wǎng)絡的容量和性能由電力線拓撲決定，包括變壓器的數(shù)量和位置、電力線上的條件、選擇的頻段和消息頻率。使用DB8PSK調(diào)制時，MAX2992在整個FCC頻段（10kHz至487.5kHz）的數(shù)據(jù)速率高達300kbps。FCC 頻段在美國和許多其他國家/地區(qū)使用。當通過電力線變壓器或長距離通信時，SNR會因衰減而降低。MAX2992自動切換到DQPSK，典型數(shù)據(jù)速率為150kbps。

路燈網(wǎng)絡的拓撲會影響通信范圍和網(wǎng)狀網(wǎng)絡配置。電力線上的分支既劃分PLC信號，從而縮小范圍，又在網(wǎng)格中創(chuàng)建額外的分支。此外，網(wǎng)絡管理是網(wǎng)絡性能的基礎。節(jié)點由集中器輪詢的網(wǎng)絡具有可預測的消息延遲;每個節(jié)點根據(jù)需要傳輸?shù)木W(wǎng)絡都會受到爭用的影響，這會產(chǎn)生可變的延遲。拓撲和線路條件會顯著影響網(wǎng)絡性能，因此很難估計特定網(wǎng)絡的容量和性能。因此，配置特定網(wǎng)絡應基于使用所需消息頻率和網(wǎng)絡管理系統(tǒng)的試驗中收集的數(shù)據(jù)。

在街道照明應用中，可預測的消息延遲通常優(yōu)于可變消息延遲。在這種情況下，建議由集中器輪詢節(jié)點。使用輪詢方案時，每個集中器的節(jié)點數(shù)越大，發(fā)送到任何一個節(jié)點的消息之間的間隔就越長。照明自動化（如控制燈光調(diào)光或檢查流量級別）是計劃事件，允許在計劃中補償可預測的消息延遲。

實現(xiàn)收益

G3-PLC系統(tǒng)對大型網(wǎng)絡的優(yōu)勢可以在以下計算中看到。將G3-PLC用于10kHz至490kHz的FCC頻段，點對點消息時間為.017秒，在此期間傳輸約180字節(jié)的有效載荷數(shù)據(jù)。對于一個由1000盞燈組成、平均間距為80米的大型網(wǎng)絡，總線路長度為80公里。

由于距離或變壓器會衰減PLC信號，集中器無法直接與每個節(jié)點通信。在這種情況下，G3-PLC 的網(wǎng)狀網(wǎng)絡功能使節(jié)點成為轉(zhuǎn)發(fā)器，將消息路由到集中器到每個節(jié)點/從集中器路由到每個節(jié)點。本例中使用了七個轉(zhuǎn)發(fā)器（表 1）。使用平均轉(zhuǎn)發(fā)延遲時間為 .005 秒和輪詢所有節(jié)點的單個集中器，集中器向每個燈發(fā)送一條消息的總時間為 10 分鐘。此間隔允許操作員激活燈或更改特定于每個燈位置的調(diào)光級別（例如，在山上、地下通道或山谷中）。即使必須訪問所有燈，最大延遲時間為 10 分鐘。如果需要向所有燈發(fā)送相同的命令，例如緊急“打開”命令，則可以使用廣播命令，該命令需要不到 .2 秒即可到達所有燈。

結(jié)論

路燈制造商、自動化集成商和通信 OEM 正在開發(fā)使用 PLC 部署自動化街道照明系統(tǒng)的解決方案，以節(jié)省電力、降低維護成本并為運營商和環(huán)境提供快速回報。MAX2992 PLC收發(fā)器可以自動關聯(lián)，選擇最佳路由路徑，通過變壓器通信，并支持IPv6組網(wǎng)。這些優(yōu)化的功能大大簡化了自動化街道照明系統(tǒng)的部署。該設備提供領先的性能，可實現(xiàn)更大的網(wǎng)絡、額外的節(jié)省和更高的安全性。

審核編輯：郭婷